Realización de experimentos de Hyperscanning con funcional espectroscopia del infrarrojo cercano

Summary

El presente Protocolo describe cómo realizar fNIRS hyperscanning experimentos y analizar la sincronía de cerebro a cerebro. Además, discutimos los retos y posibles soluciones.

Abstract

Grabaciones de cerebro concurrente de dos o más personas interactúan, un enfoque llamado hyperscanning, están ganando cada vez mayor importancia para la comprensión de las bases neurobiológicas de las interacciones sociales y relaciones interpersonales posiblemente . Funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (fNIRS) es idóneo para la realización de experimentos de hyperscanning porque mide los efectos hemodinámicos locales con una alta velocidad de muestreo y, lo que es importante, puede aplicarse en escenarios naturales, que no requieren movimiento estricto restricciones. En este artículo, presentamos un protocolo para realizar fNIRS hyperscanning experimentos con díadas de padres e hijos y para análisis sincronía de cerebro a cerebro. Además, discutimos los asuntos críticos y direcciones futuras, en relación con el diseño experimental, registro espacial de los canales de fNIRS, influencias fisiológicas y métodos de análisis de datos. El protocolo descrito no es específico de díadas de padres e hijos, pero se puede aplicar a una variedad de diferentes constelaciones de dos días, como adultos extraños, pareja romántica o hermanos. Para concluir, fNIRS hyperscanning tiene el potencial para producir nuevos conocimientos sobre la dinámica de la interacción social permanente, que posiblemente vayan más allá de lo que puede ser estudiada examinando las actividades de los cerebros individuales.

Introduction

En los últimos años, los neurocientíficos han empezado a estudiar las interacciones sociales mediante el registro de las actividades del cerebro de dos o más personas al mismo tiempo, un enfoque llamado hyperscanning¹. Esta técnica abre nuevas oportunidades para dilucidar los mecanismos neurobiológicos subyacentes a estas interacciones. Para comprender las interacciones sociales, puede no ser suficiente para el estudio de cerebros individuales en aislamiento sino más bien las actividades conjuntas de los cerebros de las personas interactuantes². Mediante técnicas de neuroimagen diferentes, hyperscanning estudios han demostrado eso cerebro sincronización actividades de interacción de las personas o grupos, por ejemplo, mientras que coordinan sus acciones³, hacer música⁴,⁵, se comunican participar en actividades de aula⁶ o⁷de cooperar.

El artículo presenta un protocolo para la realización de grabaciones simultáneas con funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (fNIRS). Similar a la proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI), fNIRS mide la respuesta hemodinámica a la activación del cerebro. Cambios en la hemoglobina oxigenada y desoxigenada (Oxi-Hb y deoxi-Hb) se calculan basándose en la cantidad de luz infrarroja diffusively transmitida a través de tejido⁸. fNIRS es idóneo para la realización de experimentos de hyperscanning, especialmente con los niños, porque pueden aplicarse en contextos con menos restricciones y más naturales que el fMRI. Por otra parte, es menos propenso a artefactos de movimiento que fMRI y EEG⁹. Además, datos fNIRS pueden ser adquiridos en altas frecuencias de muestreo (p. ej., 10 Hz), así muy sobremuestrea la respuesta hemodinámica relativamente lenta y tal modo potencialmente proporciona una imagen temporal más completa de la hemodinámica del cerebro¹⁰ .

Este protocolo fue desarrollado dentro del estudio de Reindl et al. ¹¹ y ha sido ligeramente modificado (en particular con respecto a la colocación de la canal y la identificación de canal mala) más recientemente. El objetivo del estudio fue examinar la actividad cerebral sincronizada de díadas de padres e hijos. Utilizando fNIRS hyperscanning, se evaluaron la sincronía de cerebro a cerebro en áreas del cerebro prefrontal de los niños (de cinco a nueve años) y sus padres, sobre todo madres, en una cooperativa y una tarea de equipo competitivo. Regiones prefrontales del cerebro fueron objeto ya había sido identificados como regiones importantes para procesos sociales interactivos en anteriores estudios de hyperscanning¹. La tarea de cooperación y competitiva fueron desarrollados originalmente por Cui et al. ¹² y recientemente empleado anterior varios estudios^13,14,15. Para el estudio de Reindl et al. ¹¹, las tareas fueron modificadas para ser conveniente para los niños. Los participantes fueron instruidos o responder conjuntamente a través de pulsar un botón en respuesta a un objetivo (cooperación) o para responder más rápido que el otro jugador (competencia). Cada niño realiza cada tarea una vez con el padre y una vez con un adulto desconocido del mismo sexo como el padre. Dentro de cada díada niño-adulto, coherencia de wavelet se calculó para las señales de oxi-Hb de canales correspondientes como una medida de la sincronía de cerebro a cerebro.

Este protocolo describe el procedimiento para recopilar fNIRS hyperscanning datos de los padres y el niño durante el juego cooperativo y competitivo. El procedimiento general, sin embargo, no es específico de este diseño de la investigación pero es apropiado para poblaciones diferentes (por ejemplo, adultos extranjeros, socios románticos, hermanos, etc.) y puede ser adaptado para un número de diferentes tareas experimentales. Este protocolo también esboza un procedimiento analítico posible, que cubre los pasos de análisis de datos necesarios y opcionales, incluyendo fNIRS preprocesado de datos, detección de canales malos, wavelet coherencia análisis y validación por análisis par al azar.

Protocol

Antes de la participación, todos los padres / niños proporcionan consentimiento / asentimiento. El estudio fue aprobado por el Comité de ética de la facultad médica de Universidad RWTH de Aquisgrán. 1. preparación antes de que el participante llegue Preparar tapas de NIRS. Elegir los tamaños de la tapa del mismo tamaño o ligeramente más grande que la circunferencia de la cabeza del participante. Corte 15 orificios con un diámetro de aproximadamente 15 mm…

Representative Results

Datos representativos de una díada padre-hijo durante la condición cooperativa se muestran en la figura 1. La tarea cooperativa consiste en tres 30 s resto bloques y bloques de dos tareas, con 20 ensayos cada uno, presentados en orden de alternancia. En cada ensayo, los participantes tienen que reaccionar tan simultáneamente como sea posible a la señal para ganar un punto11. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page=…

Discussion

En este protocolo, se muestra cómo llevar a cabo experimentos de hyperscanning fNIRS y una manera posible de analizar sincronía de cerebro a cerebro, medir cambios de concentración de oxi-Hb y desoxi-Hb en regiones del cerebro frontal de dos temas al mismo tiempo. Hyperscanning FNIRS es relativamente fácil de aplicar: un único dispositivo NIRS es suficiente para medir las actividades cerebrales de ambos temas dividiendo las optodes entre ellos. Por lo tanto, no hay sincronización entre diferentes dispositivos es ne…

Materials

NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids	Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan	ETG-4000 Optical Topography System	The current study protocol requires an optional second adult probe set for 52 channels of measurement in total as well as two 3×5 probe holder grids.
raw EEG caps	EASYCAP GmbH, Herrsching, Germany	C-SCMS-56; C-SCMS-58	Caps must be provided with holes for NIRS probes by the experimenter. Choose cap size the same size or slightly larger than participant's head circumference.
Technical computing software	The MathWorks, Inc., Natick, MA	MATLAB R2014a (or later versions)	Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), SPM for fNIRS toolbox  (fNIRS data analysis), and ASToolbox (WTC computation).