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기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 하이퍼스캐닝 연구에서 교차 뇌 일관성을 이해하기 위한 새로운 프레임워크

DOI:

10.3791/65347

⸱

October 6th, 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1The Department of Behavioral Sciences and Psychology, Ariel University, 2Braude College of Engineering, 3Department of Psychology and Behavioral Sciences, Zhejiang University, 4Department of Psychology, Florida Atlantic University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

웨이블릿 변환 일관성(WTC)은 기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 하이퍼스캐닝 연구에 사용되는 신호 간의 결합을 평가하는 일반적인 방법론입니다. 이 작업에서는 신호 상호 작용의 방향성을 평가하기 위한 도구 상자를 제공합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 하이퍼스캐닝 연구가 증가하고 있음에도 불구하고 웨이블릿 변환 일관성(WTC)을 사용하여 두 신경 신호 간의 결합을 평가하는 것은 상호 작용의 방향성을 무시하는 것으로 보입니다. 이 분야는 현재 연구자들이 WTC 함수를 사용하여 얻은 높은 일관성 값이 동위상 동기화(즉, 신경 활성화가 dyad의 두 구성원에서 동시에 나타남), 지연된 동기화(즉, 신경 활성화가 dyad의 한 구성원에서 다른 구성원보다 먼저 나타남)를 반영하는지 여부를 결정할 수 있는 프레임워크가 부족합니다. 또는 반위상 동기화(즉, 신경 활성화는 dyad의 한 구성원에서 증가하고 다른 구성원에서는 감소됨). 이러한 요구를 해결하기 위해 이 연구에서는 두 신경 신호의 위상 일관성을 분석하기 위한 보완적이고 보다 민감한 접근 방식을 제안합니다. 이 툴박스를 통해 조사자는 기존 WTC를 사용하여 얻은 위상각 값을 동위상 동기화, 지연된 동기화 및 역위상 동기화로 분류하여 결합 방향성을 추정할 수 있습니다. 또한 이 도구 상자를 통해 연구원은 작업 전반에 걸쳐 상호 작용의 역학이 어떻게 발전하고 변화하는지 평가할 수 있습니다. 이 새로운 WTC 접근법과 툴박스를 사용하면 fNIRS 하이퍼스캐닝 연구에서 복잡한 사회적 상호 작용에 대한 이해를 높일 수 있습니다.

Introduction

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최근 몇 년 동안 사회적 행동의 신경 기반을 이해하기 위해 수행되는 연구 유형에 변화가 있었습니다 1,2. 전통적으로 사회 신경 과학의 연구는 사회적으로 관련된 작업 중에 고립된 하나의 뇌에서 신경 활성화에 초점을 맞추었습니다. 그러나 신경 영상 기술의 발전으로 이제 "실생활" 환경에서 발생하는 사회적 상호 작용 중에 한 명 이상의 개인의 뇌에서 신경 활성화를 검사할 수 있게 되었다3. "실생활" 환경에서 개인은 자유롭게 움직일 수 있으며, 정보가 교환되고 사회적 파트너가 서로에게서 피드백을 받음에 따라 뇌 활성화 패턴이 바뀔 가능성이 높다4.

하이퍼스캐닝(Hyperscanning)은 두 명 이상의 개인으로부터 동시에 뇌 활동을 측정하여 이러한 양방향 정보 교환을 평가하는 방법이다5. 새로운 연구 기관에서는 다른 신경 영상 기법에 비해 모션 아티팩트에 덜 민감한 비침습적 신경 영상 기술인 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)을 활용하고 있습니다6. fNIRS를 통한....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 플로리다 애틀랜틱 대학교(FAU)에서 수행되었으며 FAU 기관 검토 위원회(IRB)의 승인을 받았습니다.

1. Homer3 소프트웨어(Table of Materials)를 사용하여 fNIRS 하이퍼스캐닝 데이터의 전처리 수행

참고: Homer3는 fNIRS 데이터를 분석하여 뇌 활성화 추정치와 맵을 얻는 MATLAB 응용 프로그램이다 29. Homer3는 다음 링크(https://openfnirs.org/software/homer/)에서 다운로드하여 설치할 수 있습니다.

  1. MATLAB을 열고 원시 .nirs 파일이 저장된 폴더로 이동합니다. 폴더를 선택하고 엽니다.
  2. MATLAB의 명령 창에 Homer3을 입력하여 Homer3 GUI를 시작합니다. 호메로스3. 는 .nirs 파일을 검출하고 .snirf 형식(MATLAB과 같은 특정 응용 프로그램별 파일 형식과 독립적으로 NIRS 데이터를 저장하고 공유하기 위한 범용 파일 형식)으로 변환하여 데이터 전처리를 진행하도록 요청합니다.
  3. Homer3에서 .nirs 파일을 .snirf 형식으....

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Results

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이 섹션에서는 툴박스(https://www.ariel.ac.il/wp/sns/download/ 또는 https://github.com/Minisharmaa/Leader-Follower-By-Phase 에서 다운로드할 수 있음)로 수행할 수 있는 분석 유형을 보여줍니다. 이러한 분석을 위해 영아-부모 쌍돌기의 작은 샘플로 수집된 fNIRS 데이터가 활용되었습니다. 6쌍의 엄마-아기 다이아드는 검증된 행동 과제인 자유 놀이 과제31을 사용하여 테스트되었는데, 이는 가능한 한 실제 영아-엄마 상호 작용에 가깝습니다. 실험에 앞서, 유아와 부모는 fNIRS 데이터 수집을 위한 맞춤형 옵토드 세트를 장착했습니다. 이 연구에서 fNIRS 데이터를 수집하는 데 사용된 optode 세트는 전두엽 및 측두엽 영역을 양측으로 포괄하는 18개의 채널을 생성하도록 구성된 8개의 소스(빨간색 점)와 8개의 검출기(파란색 점)로 구성되었습니다( 그림 5 참조.......

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Discussion

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fNIRS 연구에서 사용되는 가장 일반적인 방법 중 하나는 웨이블릿 변환 일관성(WTC)으로, 주파수와 시간10의 함수로 두 시계열의 상호 상관을 측정한 것입니다. WTC는 상관 분석을 사용하여 두 시계열 간의 일관성 및 위상 지연을 계산합니다(보충 파일 1). FNIRS 하이퍼스캐닝 연구는 행동 모니터링12, 협력 및 경쟁 행동 5,13,14,15, 모방 16, 엄마-유아 문제 해결 17, 교수-학습 행동18,19,20,21 등 다양한 기능 영역에서 IBS를 추정하기 위해 WTC를 사용했습니다.......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 이 연구가 잠재적인 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계가 없는 상태에서 수행되었음을 선언합니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

중국 국립자연과학재단(제62207025호), 중국 교육부의 인문사회과학연구과제(제22호YJC190017호), 중앙대학 기초연구기금 등을 야펑판에 지원해 주신 것에 감사드립니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
NIRScout   NIRx Medical Technologies, LLCn.a.8소스, 8 검출기
MATLABThe Mathworks, Inc.Matlab 2022a이 프로토콜에서는 MATLAB 함수의 여러 툴박스와 뷰트가 사용되었습니다: HOMER3 툴박스는 Intensity를 OD로 변환하고, 기본 매개변수가 있는 hmrMotionCorrectWavelet 함수를 통해 모션 아티팩트를 제거하고, OD를 Conc로 변환하는 데 사용되었습니다. Wavelet Toolbox는 WTC를 계산하는 데 사용되었습니다.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gvirts, H. Z., Perlmutter, R. What guides us to neurally and behaviorally align with anyone specific? A neurobiological model based on fNIRS hyperscanning studies. The Neuroscientist. 26 (2), 108-116 (2019).
  2. Balconi, M., Fronda, G., Vanutelli, M. E.

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Cross Brain CoherenceFNIRS HyperscanningWavelet Transform CoherencePhase SynchronizationCoupling DirectionalityIn Phase SynchronizationAnti Phase SynchronizationInter Brain SynchronyGraph TheoryMATLAB Toolbox

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