Måling af retningsbestemt informationsstrøm i fNIRS-hyperscanningsdata ved hjælp af metoden Delvis Wavelet Transform Coherence Method

Summary

Denne protokol beskriver delvis wavelet transform coherence (pWTC) til beregning af det tidslaggede mønster af interpersonel neural synkronisering (INS) for at udlede retningen og det tidsmæssige mønster af informationsstrømmen under social interaktion. Effektiviteten af pWTC til fjernelse af forvirringen af signalautokorrelation på INS blev bevist ved to eksperimenter.

Abstract

Social interaktion er af afgørende betydning for mennesker. Mens hyperscanningsmetoden i vid udstrækning er blevet brugt til at studere interpersonel neural synkronisering (INS) under sociale interaktioner, er funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) en af de mest populære teknikker til hyperscanning af naturalistiske sociale interaktioner på grund af dens relativt høje rumlige opløsning, lydanatomiske lokalisering og usædvanligt høje tolerance for bevægelsesartefakter. Tidligere fNIRS-baserede hyperscanningsundersøgelser beregner normalt en tidslagged INS ved hjælp af wavelet transform coherence (WTC) til at beskrive retningen og det tidsmæssige mønster af informationsstrømmen mellem individer. Resultaterne af denne metode kan imidlertid blive forvirret af autokorrelationseffekten af fNIRS-signalet for hver enkelt person. For at løse dette problem blev der indført en metode betegnet partial wavelet transform coherence (pWTC), som havde til formål at fjerne autokorrelationseffekten og opretholde den høje tidsmæssige spektrumopløsning af fNIRS-signalet. I denne undersøgelse blev der først udført et simuleringseksperiment for at vise effektiviteten af pWTC til at fjerne virkningen af autokorrelation på INS. Derefter blev der tilbudt trinvis vejledning om driften af pWTC baseret på fNIRS-datasættet fra et socialt interaktionseksperiment. Derudover blev der draget en sammenligning mellem pWTC-metoden og den traditionelle WTC-metode og sammenligningen mellem pWTC-metoden og Granger-kausalitetsmetoden (GC). Resultaterne viste, at pWTC kunne bruges til at bestemme INS-forskellen mellem forskellige eksperimentelle tilstande og INS’s retnings- og tidsmæssige mønster mellem individer under naturalistiske sociale interaktioner. Desuden giver det bedre tidsmæssig og frekvensopløsning end den traditionelle WTC og bedre fleksibilitet end GC-metoden. Således er pWTC en stærk kandidat til at udlede retningen og det tidsmæssige mønster af informationsstrømmen mellem individer under naturalistiske sociale interaktioner.

Introduction

Social interaktion er af afgørende betydning for mennesker ^1,2. For at forstå den neurokognitive mekanisme med dobbelt hjerne for social interaktion er hyperscanningsmetoden for nylig blevet anvendt i vid udstrækning, hvilket viser, at mønstrene for interpersonel neural synkronisering (INS) godt kan karakterisere den sociale interaktionsproces 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ^,13,14. Blandt nyere undersøgelser er et interessant fund, at rolleforskellen mellem individer i en dyad kan føre til et tidsforlænget mønster af INS, dvs. INS opstår, når et individs hjerneaktivitet halter efter et andet individs hjerneaktivitet med sekunder, såsom det fra lyttere til højttalere ^5,9, fra ledere til tilhængere⁴, fra lærere til elever⁸, fra mødre til børn^13,15 og fra kvinder til mænd i et romantisk par⁶. Vigtigst er det, at der er en god korrespondance mellem intervallet for den tidslaggede INS og intervallet for social interaktionsadfærd, såsom mellem lærere, der stiller spørgsmålstegn ved, og studerende, der besvarer⁸ eller mellem mødres forældreadfærd og børns overholdelsesadfærd¹⁵. Således kan tidsforlænget INS afspejle en retningsbestemt informationsstrøm fra et individ til et andet, som foreslået i en nylig hierarkisk model for interpersonel verbal kommunikation¹⁶.

Tidligere blev den tidslaggede INS hovedsageligt beregnet på det funktionelle nær-infrarøde spektroskopi (fNIRS) signal på grund af dets relativt høje rumlige opløsning, lydanatomiske lokalisering og usædvanligt høje tolerance for bevægelsesartefakter¹⁷, når man studerede naturalistiske sociale interaktioner. For præcist at karakterisere korrespondancen mellem den neurale tidsforsinkelse og den adfærdsmæssige tidsforsinkelse under social interaktion er det desuden vigtigt at opnå INS-styrken for hver tidsforsinkelse (f.eks. Fra ingen tidsforsinkelse til en tidsforsinkelse på 10 s). Til dette formål blev wavelet transform coherence (WTC) -proceduren tidligere anvendt i vid udstrækning efter at have flyttet hjernesignalet fra et individ frem eller tilbage i forhold til et andet^{individs 5,6,18}. Når man bruger denne traditionelle WTC-procedure for fNIRS-signaler, er der en potentiel udfordring, fordi den observerede tidslaggede INS kan blive forvirret af autokorrelationseffekten af fNIRS-signalet for en individuel 19,20,21. For eksempel kan signalet fra deltager A på tidspunktet t under en dyadisk social interaktionsproces synkroniseres med deltager B’s signal på samme tidspunkt. I mellemtiden kan signalet fra deltager A på tidspunktet t synkroniseres med signalet fra deltager A på et senere tidspunkt t + 1 på grund af autokorrelationseffekten. Derfor kan der forekomme en falsk tidsfornægtet INS mellem signalet fra deltager A på tidspunktet t og signalet fra deltager B på tidspunktet t + 1.

Mihanović og hans kolleger²² introducerede først en metode trykket partial wavelet transform coherence (pWTC) og anvendte den derefter i havvidenskab ^23,24. Det oprindelige formål med denne metode var at kontrollere den eksogene forvirrende støj, når man estimerede sammenhængen mellem to signaler. For at løse autokorrelationsproblemet i fNIRS-hyperscanningsdataene blev pWTC-metoden udvidet til at beregne tidslagged INS på fNIRS-signalet. Netop en tidsforanket INS (og en retningsbestemt informationsstrøm) fra deltager A til deltager B kan beregnes ved hjælp af ligningen nedenfor (ligning 1)²³.

Her antages det, at der er to signaler, A og B, fra henholdsvis deltagere A og B. Forekomsten af signal B går altid forud for signal A med en tidsforsinkelse på n, hvor WTC (A_t, B_{t + n}) er den traditionelle tidslaggede WTC. WTC (A_t, A_{t + n}) er den autokorrelerede WTC i deltager A. WTC (A_t, B_t) er den tidsjusterede WTC på tidspunktet t mellem deltager A og B. * er den komplekse konjugerede operatør (figur 1A).

Figur 1: Oversigt over pWTC. A) logikken i pWTC. Der er to signaler A og B inden for en dyad. Forekomsten af A følger altid B med en forsinkelse n. En grå boks er et wavelet-vindue på et bestemt tidspunkt t eller t + n. Baseret på pWTC-ligningen (repræsenteret i figuren) skal der beregnes tre WTC’er: den tidslaggede WTC for A_{t + n} og B_t; den autokorrelerede WTC i deltager A på A_t og A_t+n og den tidsjusterede WTC på tidspunktet t, A_t og B_t. (B) Layoutet af optode sonde sæt. CH11 blev placeret på T3, og CH25 blev placeret på T4 efter det internationale 10-20 system ^27,28. Klik her for at se en større version af denne figur.

Denne protokol introducerede først et simuleringseksperiment for at demonstrere, hvor godt pWTC løser autokorrelationsudfordringen. Derefter forklarede det, hvordan man udfører pWTC på en trinvis måde baseret på et empirisk eksperiment med naturalistiske sociale interaktioner. Her blev en kommunikationskontekst brugt til at introducere metoden. Dette skyldes, at den tidslaggede INS tidligere normalt blev beregnet i en naturalistisk kommunikationskontekst 3,4,6,8,13,15,18. Derudover blev der også foretaget en sammenligning mellem pWTC og den traditionelle WTC og validering med Granger-kausalitetstesten (GC).

Protocol

Den humane eksperimentprotokol blev godkendt af Institutional Review Board og Ethics Committee i State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning ved Beijing Normal University. Alle deltagere gav skriftligt informeret samtykke, inden eksperimentet begyndte. 1. Simuleringseksperimentet Generer to tidsserier af signaler, der korrelerer med hinanden, hvor et signal har autokorrelation ved en 4 s tidsforsinkelse. Indstil korrelationskoefficienten på r mellem de to signaler ti…

Representative Results

Simulering resultaterResultaterne viste, at den tidslaggede INSWTC med autokorrelation var signifikant højere end den tidslaggede INSWTC uden autokorrelation (t(1998) = 4.696, p < 0.001) og tidslagged INSpWTC (t(1998) = 5.098, p < 0.001). Derudover var der ingen signifikant forskel mellem tidsforladt INSWTC uden autokorrelation og INSpWTC (t(1998) = 1.573, p = 0.114, figur 2A</str…

Discussion

I hyperscanningsundersøgelser er det normalt vigtigt at beskrive de retningsbestemte og tidsmæssige mønstre af informationsstrømmen mellem individer. De fleste tidligere fNIRS-hyperscanningsundersøgelser har brugt traditionel WTC²⁵ til at udlede disse egenskaber ved at beregne den tidslaggede INS. Men som et af de iboende træk ved fNIRS-signalet^20,21 kan autokorrelationseffekten forvirre den tidslaggede INS. For at løse dette proble…

Materials

fNIRS topography system	Shimadzu Corporation	Shimadzu LABNIRS systen	LABNIRS system contains 40 emitters and 40 detectors for fNIRS signals measurement. In this protocol we used these emitters and detectors created two customized 26-channels probe sets and attached to two caps accroding to 10-20 system. Further, LABNIRS system also contains built-in GUI softwares for data quality check, data convert and data export.
MATLAB	The MathWorks, Inc.	MATLAB 2019a	In this protocol, several toolboxs and functions bulit in MATLAB were used: SPM12 toolbox was used to normalize the valided MRI data through its GUI. NIRS_SPM toolbox was used to project the MNI coordinates of the probes to the AAL template through its GUI. Homer3 toolbox was used to remove motion artifacts through its function hmrMotionCorrectWavelet with default parameters. Wavelet toolbox was used to compute WTC and pWTC through its function wcoherence.
MRI scanner	Siemens Healthineers	TRIO 3-Tesla scanner	In this protocol, the MRI scanner was used to obtain MNI coordinates of each channel and optpde. Scan parameters are described in main text.
customized caps			In this protocol, we first marked two nylon caps with 10-20 system. Then, we made two 26-channels customized optode probes sets. Finally, we attached probes sets to caps aligned with landmarks.