Esperimenti di Hyperscanning con spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso

Summary

Il presente protocollo descrive come condurre esperimenti hyperscanning fNIRS e analizzare la sincronia di cervello al cervello. Ulteriormente, discutiamo le sfide e le possibili soluzioni.

Abstract

Registrazioni simultanee del cervello di due o più persone interagenti, un approccio definito hyperscanning, stanno guadagnando sempre più importanza per comprendere le basi neurobiologiche delle interazioni sociali e le relazioni interpersonali possibilmente . Funzionale spettroscopia nel vicino infrarosso (fNIRS) è adatta per condurre esperimenti di hyperscanning perché esso misura gli effetti emodinamici locali con una frequenza di campionamento alta e, importante, può essere applicato in ambienti naturali, non che richiede movimento rigoroso restrizioni. In questo articolo, presentiamo un protocollo per lo svolgimento di esperimenti di hyperscanning fNIRS con diadi madre-bambino e per analisi del cervello–cervello sincronia. Inoltre, discutiamo questioni critiche ed orientamenti futuri, per quanto riguarda il disegno sperimentale, la registrazione spaziale dei canali fNIRS, influenze fisiologiche e metodi di analisi di dati. Il protocollo descritto non è specifico di diadi madre-bambino, ma può essere applicato ad una varietà di diverse costellazioni diadico, quali adulti sconosciuti, romantico partner o fratelli. Per concludere, fNIRS hyperscanning ha il potenziale per produrre nuove intuizioni riguardanti le dinamiche dell’interazione sociale in corso, che probabilmente vanno oltre ciò che può essere studiato esaminando le attività dei singoli cervelli.

Introduction

Negli ultimi anni, i neuroscienziati hanno iniziato a studiare le interazioni sociali registrando le attività del cervello di due o più persone contemporaneamente, un approccio definito hyperscanning¹. Questa tecnica apre nuove opportunità per delucidare i meccanismi neurobiologici alla base di queste interazioni. Per comprendere appieno le interazioni sociali, potrebbe non essere sufficiente studiare i singoli cervelli in isolamento, ma piuttosto le attività congiunte di cervelli di interagenti persone². Utilizzando tecniche di neuroimaging differenti, hyperscanning gli studi hanno indicato quel cervello sincronizzare attività di interagenti persone o gruppi, per esempio, mentre esse coordinano le loro azioni³, fanno musica⁴,⁵, di comunicare impegnarsi in attività di classe⁶ o⁷di cooperare.

L’articolo presenta un protocollo per lo svolgimento di registrazioni simultanee con spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS). Simile a risonanza magnetica funzionale (fMRI), fNIRS misura la risposta emodinamica per l’attivazione del cervello. Modifiche in emoglobina ossigenata e deossigenata (oxy-Hb e deossi-Hb) vengono calcolate in base alla quantità di luce vicina all’infrarosso verificano trasmessa attraverso tessuto⁸. fNIRS è adatto per lo svolgimento di esperimenti di hyperscanning, soprattutto con i bambini, perché può essere applicato in impostazioni meno vincolate e più naturale rispetto alla fMRI. Inoltre, è meno incline a artefatti di movimento rispetto sia, fMRI ed EEG⁹. Inoltre, possono essere acquisiti dati fNIRS alle alte frequenze di campionamento (per esempio, 10 Hz), così altamente esegue il sovracampionamento la risposta emodinamica relativamente lenta e quindi potenzialmente fornisce un quadro più completo temporale dell’emodinamica cerebrale¹⁰ .

Questo protocollo è stato sviluppato all’interno dello studio di Reindl et al. ¹¹ ed è stato leggermente modificato (in particolare per quanto riguarda il posizionamento del canale e l’identificazione di canale male) più recentemente. Lo scopo dello studio era di esaminare attività cerebrale sincronizzato di diadi madre-bambino. Utilizzando fNIRS hyperscanning, abbiamo valutato sincronia di cervello al cervello in aree prefrontali del cervello dei bambini (da cinque a nove anni) e loro genitori, soprattutto madri, durante una cooperativa e un’attività concorrenziale. Regioni prefrontale del cervello sono state mirate, come fossero identificati come regioni importanti per processi sociali interattive in precedenti studi di hyperscanning¹. L’attività cooperativa e competitiva originalmente sono stati sviluppati da Cui et al. ¹² e recentemente impiegato da diversi precedenti studi^13,14,15. Per lo studio di Reindl et al. ¹¹, i compiti sono stati modificati per essere adatto ai bambini. I partecipanti sono stati incaricati per neanche rispondere congiuntamente tramite pulsante presse in risposta ad un target (cooperazione) o per reagire più rapidamente che l’altro giocatore (concorrenza). Ogni bambino eseguita ogni attività una volta con il padre e una volta con un adulto sconosciuto dello stesso sesso come il padre. All’interno di ogni diade bambino-adulto, coerenza wavelet è stato calcolato per i segnali di oxy-Hb di canali corrispondenti come misura di sincronia di cervello al cervello.

Questo protocollo descrive le procedure per raccogliere i dati di hyperscanning fNIRS di genitore e bambino durante il gioco cooperativo e competitivo. La procedura generale, tuttavia, non è specifica per questo progetto di ricerca, ma è appropriata per le diverse popolazioni (ad esempio, adulti sconosciuti, romantico partner, fratelli, ecc.) e può essere adattata per un numero di differenti compiti sperimentali. Questo protocollo delinea anche una possibile procedura analitica, che copre i punti di analisi di dati necessari e facoltativi, tra cui pre-elaborazione di dati fNIRS, canale male rilevamento, analisi wavelet coerenza e convalida di analisi coppia casuale.

Protocol

Prima della partecipazione, tutti i genitori / figli fornito consenso informato / assenso. Lo studio è stato approvato dal comitato etico della facoltà medica dell’Università tecnica di Aquisgrana. 1. preparazione prima che arrivi il partecipante Preparare tappi NIRS. Scegliere le dimensioni del tappo della stessa dimensione o leggermente più grande di circonferenza cranica del partecipante. Tagliare 15 fori con un diametro di circa 15 mm ciascuno, disposti in …

Representative Results

Dati rappresentativi di una diade padre-figlio durante la condizione di cooperativa sono mostrati nella Figura 1. L’attività della cooperativa è costituito da tre 30 s resto blocchi e blocchi di due attività, con 20 prove ciascuno, presentati in ordine di alternanza. In ogni prova, i partecipanti dovranno reagire contemporaneamente come possibile ad un segnale per guadagnare un punto11. <p class="jove_content" fo:keep-together.w…

Discussion

In questo protocollo, mostriamo come condurre esperimenti hyperscanning fNIRS e un possibile modo per analizzare il cervello al cervello sincronia, variazioni di concentrazione di oxy-Hb e deossi-Hb alle regioni frontali del cervello di due soggetti di misura contemporaneamente. Hyperscanning FNIRS è relativamente facile da applicare: un unico dispositivo NIRS è sufficiente per misurare l’attività del cervello di entrambi i soggetti suddividendo gli optodi tra di loro. Così, alcuna sincronizzazione tra dispositivi di…

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).