JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
신경과학

Synkron mellom hjerner i åpen samarbeidslæring: En fNIRS-hyperskanningsstudie

Published: July 21, 2021
doi:
10.3791/62777
, ,
1School of Psychology and Cognitive Science,East China Normal University, 2Shanghai Key Laboratory of Mental Health and Crisis Intervention,East China Normal University

Summary

Protokollen for å gjennomføre fNIRS hyperskanningseksperimenter på samarbeidende læringsdyder i et naturalistisk læringsmiljø er skissert. Videre presenteres en rørledning for å analysere Inter-Brain Synchrony (IBS) av oksygenerte hemoglobin (Oxy-Hb) signaler.

Abstract

fNIRS hyperskanning er mye brukt til å oppdage nevrobiologiske understøttelser av sosial interaksjon. Med denne teknikken kvalifiserer forskere den samtidige hjerneaktiviteten til to eller flere interaktive individer med en ny indeks kalt inter-brain synkron (IBS) (dvs. fase- og / eller amplitudejustering av nevronale eller hemodynamiske signaler over tid). En protokoll for å gjennomføre fNIRS hyperskanningseksperimenter på samarbeidende læringsdyder i et naturalistisk læringsmiljø presenteres her. Videre forklares en rørledning for å analysere IBS av oksygenert hemoglobin (Oxy-Hb) signal. Spesielt diskuteres den eksperimentelle designen, prosessen med NIRS-dataregistrering, dataanalysemetoder og fremtidige retninger. Totalt sett er implementering av en standardisert fNIRS hyperscanning pipeline en grunnleggende del av andrepersons nevrovitenskap. Dette er også i tråd med oppfordringen om åpen vitenskap for å hjelpe forskningens reproduserbarhet.

Introduction

Nylig, for å avsløre den samtidige hjerneaktiviteten på tvers av de interaktive dyadene eller medlemmene av en gruppe, bruker forskere hyperskanningsmetoden1,2. Spesielt brukes elektroencefalogram (EEG), funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) og funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) til å registrere nevrale og hjerneaktiviteter fra to eller flere personer samtidig3,4,5. Forskere trekker ut en nevral indeks som innebærer samtidig hjernekobling basert på denne teknikken, som refererer til synkron synkron (IBS) mellom hjerne (dvs. fase- og/eller amplitudejustering av nevronale eller hemodynamiske signaler over tid). Et stort utvalg av hyperskanningsundersøkelser fant IBS under sosial interaksjon mellom flere personer (f.eks. spiller-publikum, instruktør-elev og leder-følger)6,7,8. Videre har IBS spesifikke implikasjoner av effektiv læring og instruksjon9,10,11,12,13,14. Med økende hyperskanningsforskning i naturalistiske læringsscenarioer er det nødvendig å etablere en standardprotokoll for hyperskanningsforsøk og rørledningen for dataanalyse på dette feltet.

Dermed gir dette dokumentet en protokoll for å utføre fNIRS-basert hyperskanning av samarbeidende læringsdyder og en rørledning for å analysere IBS. fNIRS er et optisk bildebehandlingsverktøy, som utstråler nær-infrarødt lys for å vurdere spektral absorpsjon av hemoglobin indirekte, og deretter måles hemodynamisk / oksygeneringsaktivitet15,16,17. Sammenlignet med fMRI er fNIRS mindre utsatt for bevegelsesartefakter, slik at målinger fra personer som utfører virkelige eksperimenter (f.eks. imitasjon, snakking og ikke-verbal kommunikasjon)18,7,19. Sammenlignet med EEG har fNIRS høyere romlig oppløsning, slik at forskere kan oppdage plasseringen av hjerneaktivitet20. Dermed kvalifiserer disse fordelene i romlig oppløsning, logistikk og gjennomførbarhet fNIRS til å utføre hyperskanningsmåling1. Ved hjelp av denne teknologien oppdager et fremvoksende forskningsorgan et indeksbegrep som IBS – nevral justering av to (eller flere) menneskers hjerneaktivitet i forskjellige former for naturalistiske sosiale innstillinger9,10,11,12,13,14. I disse studiene brukes ulike metoder (dvs. korrelasjonsanalyse og Wavelet Transform Coherence (WTC)-analyse) for å beregne denne indeksen; I mellomtiden er en standard rørledning på en slik analyse viktig, men mangler. Som et resultat presenteres en protokoll for å utføre fNIRS-basert hyperskanning og en rørledning ved hjelp av WTC-analyse for å identifisere IBS i dette arbeidet

Denne studien tar sikte på å evaluere IBS i samarbeidende læringsdyder ved hjelp av fNIRS hyperskanningsteknikk. For det første registreres en hemodynamisk respons samtidig i hver dyads prefrontale og venstre temporoparietale regioner under en samarbeidende læringsoppgave. Disse områdene er identifisert som knyttet til interaktiv undervisning og læring9,10,11,12,13,14. For det andre beregnes IBS på hver tilsvarende kanal. FNIRS-dataregistreringsprosessen består av to deler: hviletilstandsøkt og samarbeidsøkt. Hviletilstandsøkten varer i 5 minutter, hvor begge deltakerne (sitter ansikt til ansikt, bortsett fra hverandre ved et bord (0,8 m)) er pålagt å forbli stille og slappe av. Denne hviletilstandsøkten fungerer som grunnlinje. Deretter, i samarbeidsøkten, blir deltakerne bedt om å studere hele læringsmateriellet sammen, fremkalle forståelse, oppsummere reglene og sørge for at alt læringsmateriell blir mestret. Her presenteres de spesifikke trinnene for å utføre eksperimentet og fNIRS-dataanalysen.

Protocol

Alle rekrutterte deltakere (40 dyader, gjennomsnittsalder 22,1 ± 1,2 år; 100% høyrehendt, normal eller korrigert til normal syn) var sunne. Før eksperimentet ga deltakerne informert samtykke. Deltakerne ble økonomisk kompensert for sin deltakelse. Studien ble godkjent av University Committee of Human Research Protection (HR-0053-2021), East China Normal University. 1. Forberedelsestrinn før du tar i bruk data Hjemmelagde NIRS-caps Ta i bruk elastisk svømmehette for å…

Representative Results

Figur 1 illustrerer den eksperimentelle protokollen og sondeplasseringen. FNIRS-dataregistreringsprosessen består av to deler: hviletilstandsøkt (5 min) og samarbeidsøkt (15-20 min). De samarbeidende læringsdydene er pålagt å slappe av og holde seg i ro i hviletilstandsøkten. Deretter får deltakerne beskjed om å samlære læringsmaterialet (Figur 1A). Deres prefrontale og venstre temporoparietale regioner er dekket av det tilsvarende sondesettet (<stron…

Discussion

For det første, i den nåværende protokollen, er de spesifikke trinnene for å utføre fNIRS hyperskanningsforsøk i et samarbeidende læringsscenario oppgitt. For det andre presenteres også dataanalyserørledningen som vurderer IBS av hemodynamiske signaler i samarbeidende læringsdyder. Den detaljerte operasjonen med å gjennomføre fNIRS hyperskanningseksperimenter ville fremme utviklingen av åpen vitenskap. Videre er analyserørledningen gitt her for å øke reproduserbarheten av hyperskanningsforskning. I det f?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet støttes av ECNU Academic Innovation Promotion Program for Excellent Doctoral Students (YBNLTS2019-025) og National Natural Science Foundation of China (31872783 og 71942001).

Materials

EEG caps Compumedics Neuroscan,Charlotte,USA 64-channel Quik-Cap We choose two sizes of cap(i.e.medium and large).
NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan ETG-7100 Optical Topography System The current study protocol requires an optional second adult probe set for 92 channels of measurement in total.
Numeric computing platform The MathWorks, Inc., Natick, MA MATLAB R2020a Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), Homer2  (fNIRS preprocess analysis), and "wtc" function(WTC computation).
Psychology software psychology software tools,Sharpsburg, PA,USA E-prime 2.0 we apply E-prime to start the fNIRS measurement system and send triggers which marking the rest phase and collaborative learning phase for fNIRS recording data
Swimming caps Zoke corporation,Shanghai,China 611503314 We first placed the standard 10-20 EEG cap on the head mold, and placed the swimming cap on the EEG cap. Second, we marked (inion, Cz, T3, T4, PFC and P5) with chalk.
Three-dimensional (3-D) digitizer Polhemus, Colchester, VT, USA; Three-dimensional (3-D) digitizer Anatomical locations of optodes in relation to standard head landmarks were determined for each participant using a Patriot 3D Digitizer
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
  2. Schilbach, L., et al. Toward a second-person neuroscience. Behavior Brain Science. 36, 393-414 (2013).
  3. Montague, P. Hyperscanning: simultaneous fMRI during linked social interactions. NeuroImage. 16, 1159-1164 (2002).
  4. Cui, X., Bryant, D. M., Reiss, A. L. NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation. NeuroImage. 59 (3), 2430-2437 (2012).
  5. Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
  6. Abrams, D. A., et al. Inter-subject synchronization of brain responses during natural music listening. European Journal of Neuroscience. 37 (9), 1458-1469 (2013).
  7. Pan, Y., et al. Instructor-learner brain coupling discriminates between instructional approaches and predicts learning. NeuroImage. 211, 116657 (2020).
  8. Jiang, J., et al. Leader emergence through interpersonal neural synchronization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (14), 4274-4279 (2015).
  9. Bevilacqua, D., et al. Brain-to-brain synchrony and learning outcomes vary by student-teacher dynamics: Evidence from a real-world classroom electroencephalography study. Journal of Cognitive Neuroscience. 31 (3), 401-411 (2019).
  10. Dikker, S., et al. Morning brain: real-world neural evidence that high school class times matter. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 15 (11), 1193-1202 (2020).
  11. Pan, Y., Guyon, C., Borragán, G., Hu, Y., Peigneux, P. Interpersonal brain synchronization with instructor compensates for learner’s sleep deprivation in interactive learning. Biochemical Pharmacology. , 114111 (2020).
  12. Pan, Y., Novembre, G., Song, B., Li, X., Hu, Y. Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song. NeuroImage. 183, 280-290 (2018).
  13. Zheng, L., et al. Enhancement of teaching outcome through neural prediction of the students’ knowledge state. Human Brain Mapping. 39 (7), 3046-3057 (2018).
  14. Zheng, L., et al. Affiliative bonding between teachers and students through interpersonal synchronisation in brain activity. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 15 (1), 97-109 (2020).
  15. Kleinschmidt, A., et al. Simultaneous recording of cerebral blood oxygenation changes during human brain activation by magnetic resonance imaging and near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 16 (5), 817-826 (1996).
  16. Strangman, G., Culver, J. P., Thompson, J. H., Boas, D. A. A quantitative comparison of simultaneous BOLD fMRI and NIRS recordings during functional brain activation. NeuroImage. 17 (2), 719-731 (2002).
  17. Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage. 29 (2), 368-382 (2006).
  18. Holper, L., Scholkmann, F., Wolf, M. Between-brain connectivity during imitation measured by fNIRS. NeuroImage. 63, 212-222 (2012).
  19. Hirsch, J., Zhang, X., Noah, J. A., Ono, Y. Frontal temporal and parietal systems synchronize within and across brains during live eye-to-eye contact. NeuroImage. 157, 314-330 (2017).
  20. Wilcox, T., Biondi, M. fNIRS in the developmental sciences. Wiley Interdisciplinary Reviews: Cognitive Science. 6 (3), 263-283 (2015).
  21. Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: statistical parametric mapping for nearinfrared spectroscopy. NeuroImage. 44 (2), 428-447 (2009).
  22. Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: A review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Applied Optics. 48 (10), 280-298 (2009).
  23. Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
  24. Xu, Y., Graber, H. L., Barbour, R. L. nirsLAB: a computing environment for fNIRS neuroimaging data analysis. Biomedical Optics. , (2014).
  25. Cope, M., Delpy, D. T. System for long-term measurement of cerebral blood and tissue oxygenation on newborn infants by near infra-red transillumination. Medical and Biological Engineering and Computing. 26 (3), 289-294 (1988).
  26. Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
  27. Molavi, B., Dumont, G. A. Wavelet-based motion artifact removal for functional near-infrared spectroscopy. Physiological Measurement. 33 (2), 259 (2012).
  28. Cooper, R., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
  29. Zhang, X., Noah, J. A., Hirsch, J. Separation of the global and local components in functional near-infrared spectroscopy signals using principal component spatial filtering. Neurophotonics. 3 (1), 015004 (2016).
  30. Grinsted, A., Moore, J. C., Jevrejeva, S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlinear Processes in Geophysics. 11, 561-566 (2004).
  31. Maris, E., Oostenveld, R. Nonparametric statistical testing of EEG-and MEG-data. Journal of Neuroscience Methods. 164 (1), 177-190 (2007).
  32. Nozawa, T., Sasaki, Y., Sakaki, K., Yokoyama, R., Kawashima, R. Interpersonal frontopolar neural synchronization in group communication: an exploration toward fNIRS hyperscanning of natural interactions. NeuroImage. 133, 484-497 (2016).
  33. Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
  34. Theiler, J., Eubank, S., Longtin, A., Galdrikian, B., Farmer, J. D. Testing for nonlinearity in time series: the method of surrogate data. Physica D: Nonlinear Phenomena. 58 (1-4), 77-94 (1992).
  35. Genovese, C. R., Lazar, N. A., Nichols, T. Thresholding of statistical maps in functional neuroimaging using the false discovery rate. NeuroImage. 15 (4), 870-878 (2002).
  36. Nichols, T., Hayasaka, S. Controlling the familywise error rate in functional neuroimaging: a comparative review. Statistical Methods in Medical Research. 12 (5), 419-446 (2003).
  37. Tsuzuki, D., et al. Virtual spatial registration of stand-alone fNIRS data to MNI space. NeuroImage. 34 (4), 1506-1518 (2007).
  38. Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multi-channel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. NeuroImage. 27 (4), 842-851 (2005).
  39. Noah, J. A., et al. Comparison of short-channel separation and spatial domain filtering for removal of non-neural components in functional near-infrared spectroscopy signals. Neurophotonics. 8 (1), 015004 (2021).
  40. Noah, J. A., et al. Real-time eye-to-eye contact is associated with cross-brain neural coupling in angular gyrus. Frontiers in Human Neuroscience. 14 (19), (2020).
  41. Torrence, C., Compo, G. P. A practical guide to wavelet analysis. Bulletin of the American Meteorological Society. 79 (1), 61-78 (1998).
  42. Osaka, N., Minamoto, T., Yaoi, K., Azuma, M., Osaka, M. Neural synchronization during cooperated humming: a hyperscanning study using fNIRS. Procedia-Social and Behavioral Sciences. 126, 241-243 (2014).
  43. Dommer, L., Jäger, N., Scholkmann, F., Wolf, M., Holper, L. Between-brain coherence during joint n-back task performance: a two-person functional near-infrared spectroscopy study. Behavioural Brain Research. 234 (2), 212-222 (2012).
  44. Holper, L., Scholkmann, F., Wolf, M. Between-brain connectivity during imitation measured by fNIRS. Neuroimage. 63, 212-222 (2012).
  45. Nguyen, T., et al. The effects of interaction quality on neural synchrony during mother-child problem solving. Cortex. 124, 235-249 (2020).
  46. Seth, A. K., Barrett, A. B., Barnett, L. Granger causality analysis in neuroscience and neuroimaging. Journal of Neuroscience. 35 (8), 3293-3297 (2015).
  47. Funane, T., et al. Synchronous activity of two people’s prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 077011 (2011).
  48. Liu, T., Saito, H., Oi, M. Role of the right inferior frontal gyrus in turn-based cooperation and competition: a near-infrared spectroscopy study. Brain and Cognition. 99, 17-23 (2015).
  49. Lachaux, J. P., Rodriguez, E., Martinerie, J., Varela, F. J. Measuring phase synchrony in brain signals. Human Brain Mapping. 8 (4), 194-208 (1999).
  50. Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
  51. Burgos-Robles, A., et al. Amygdala inputs to prefrontal cortex guide behavior amid conflicting cues of reward and punishment. Nature Neuroscience. 20 (6), 824-835 (2017).
  52. Mende, S., Proske, A., Narciss, S. Individual preparation for collaborative learning: Systematic review and synthesis. Educational Psychologist. , 1-25 (2020).
  53. Hamilton, A. F. D. C. Hyperscanning: Beyond the hype. Neuron. 109 (3), 404-407 (2021).
  54. Novembre, G., Iannetti, G. D. Hyperscanning alone cannot prove causality. Multibrain stimulation can. Trends in Cognitive Sciences. 25 (2), 96-99 (2021).

Tags

FNIRS HyperscanningInter-brain SynchronyOpen-ended Collaborative LearningNaturalistic EnvironmentNear Infrared SpectroscopyProbe PlacementSignal QualityData Export3D DigitizerMNI Coordinates
check_url/kr/62777?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Zhao, N., Zhu, Y., Hu, Y. Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study. J. Vis. Exp. (173), e62777, doi:10.3791/62777 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image