Medição do fluxo de informações direcionais em dados fNIRS-Hyperscanning usando o Método de Coerência de Transformação de Onda Parcial

Resumo

Este protocolo descreve a coerência parcial de transformação de ondas (pWTC) para calcular o padrão de sincronização neural interpessoal (INS) para inferir a direção e o padrão temporal do fluxo de informações durante a interação social. A eficácia do pWTC na remoção dos confusos da autocorrelação de sinal no INS foi comprovada por dois experimentos.

Resumo

A interação social é de vital importância para os seres humanos. Embora a abordagem hiperscaning tenha sido amplamente usada para estudar a sincronização neural interpessoal (INS) durante as interações sociais, a espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) é uma das técnicas mais populares para hiperscanar interações sociais naturalistas devido à sua resolução espacial relativamente alta, localização sonora anatômica e excepcionalmente alta tolerância de artefatos de movimento. Estudos anteriores de hiperscaning baseados em fNIRS geralmente calculam um INS com atraso no tempo usando coerência de transformação de onda (WTC) para descrever a direção e o padrão temporal do fluxo de informações entre indivíduos. No entanto, os resultados deste método podem ser confundidos pelo efeito de autocorrelação do sinal fNIRS de cada indivíduo. Para lidar com esse problema, foi introduzido um método chamado de coerência de transformação de onda parcial (pWTC), que visava remover o efeito de autocorrelação e manter a alta resolução do espectro temporal do sinal fNIRS. Neste estudo, foi realizado primeiro um experimento de simulação para mostrar a eficácia do pWTC na remoção do impacto da autocorrelação no INS. Em seguida, foi oferecida orientação passo a passo sobre o funcionamento do pWTC com base no conjunto de dados fNIRS de um experimento de interação social. Além disso, foi traçada uma comparação entre o método pWTC e o método WTC tradicional e entre o método pWTC e o método de causalidade granger (GC). Os resultados mostraram que o pWTC poderia ser usado para determinar a diferença do INS entre diferentes condições experimentais e o padrão direcional e temporal do INS entre os indivíduos durante interações sociais naturalistas. Além disso, fornece melhor resolução temporal e de frequência do que o WTC tradicional e melhor flexibilidade do que o método GC. Assim, o PWTC é um forte candidato para inferir a direção e o padrão temporal do fluxo de informações entre indivíduos durante interações sociais naturalistas.

Introdução

A interação social é de vital importância para o ser humano ^1,2. Para compreender o mecanismo neurocognitivo dual-cérebro da interação social, a abordagem hiperscaning tem sido amplamente utilizada recentemente, mostrando que os padrões de sincronização neural interpessoal (INS) podem caracterizar bem o processo de interação social 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12

Protocolo

O protocolo de experimento humano foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional e pelo Comitê de Ética do Laboratório Estadual de Neurociência Cognitiva e Aprendizagem da Universidade Normal de Pequim. Todos os participantes deram consentimento por escrito informado antes do início do experimento.

1. O experimento de simulação

1. Gerar duas séries de sinais que se correlacionam entre si, com um sinal tendo correção automática em um intervalo de tempo de 4 s. Defina o coeficiente de correlação de r entre os dois sinais para 0,4.
2. Além disso, gerar duas séries de sinais sem qualquer correlação, mas com correção automátic....

Resultados

Resultados da simulação
Os resultados mostraram que o_WTC ins com correção automática foi significativamente maior do que o_WTC ins atrasado sem correção automática (t(1998) = 4,696, p < 0,001) e ins_pWTC (t(1998) = 5.098, p < 0,001). Além disso, não houve diferença significativa entre o INS_WTC sem correção automática e_{o INS pWTC} (t(1998) = 1,573, p = 0,114, Figura 2A). .......

Discussão

Em estudos de hiperexação, geralmente é essencial descrever os padrões direcionais e temporais do fluxo de informações entre os indivíduos. A maioria dos estudos anteriores de hiperscanagem fNIRS tem usado o WTC²⁵ tradicional para inferir essas características calculando o INS com atraso de tempo. No entanto, como uma das características intrínsecas do sinal fNIRS^20,21, o efeito de autocorrelação pode confundir o INS defasado por tempo. Pa.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Sistema de topografia fNIRS	Shimadzu Corporation	Sistema Shimadzu LABNIRS	O sistema LABNIRS contém 40 emissores e 40 detectores para medição de sinais fNIRS. Neste protocolo, usamos esses emissores e detectores, criamos dois conjuntos de sondas de 26 canais personalizados e anexados a duas tampas de acordo com o sistema 10-20. Além disso, o sistema LABNIRS também contém softwares GUI integrados para verificação de qualidade de dados, conversão de dados e exportação de dados.
MATLAB	A MathWorks, Inc.	MATLAB 2019a	Neste protocolo, várias caixas de ferramentas e funções bulit no MATLAB foram usadas: A caixa de ferramentas SPM12 foi usada para normalizar os dados de ressonância magnética validados por meio de sua GUI. NIRS_SPM caixa de ferramentas foi usada para projetar as coordenadas MNI das sondas para o modelo AAL por meio de sua GUI. A caixa de ferramentas Homer3 foi usada para remover artefatos de movimento por meio de sua função hmrMotionCorrectWavelet com parâmetros padrão. Wavelet caixa de ferramentas foi usada para calcular WTC e pWTC por meio de sua função wcoherence.
Scanner de ressonância magnética	Siemens Healthineers	TRIO 3-Tesla	Neste protocolo, o scanner de ressonância magnética foi usado para obter as coordenadas MNI de cada canal e optpde. Os parâmetros de varredura são descritos no texto principal.
tampas			Neste protocolo, primeiro marcamos duas tampas de nylon com sistema 10-20. Em seguida, fizemos dois conjuntos de sondas optode personalizadas de 26 canais. Por fim, anexamos conjuntos de sondas a tampas alinhadas com pontos de referência.

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