Des expériences de Hyperscanning avec la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle

Summary

Le présent protocole décrit comment effectuer des expériences de hyperscanning fNIRS et analyser le cerveau-à-cerveau synchronie. De plus, nous discutons les défis et les solutions possibles.

Abstract

Enregistrements de cerveau simultanée de deux ou plusieurs personnes qui interagissent, une approche appelée hyperscanning, gagnent en importance croissante pour notre compréhension des fondements neurobiologiques des interactions sociales et éventuellement entregent . Spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) est bien adaptée pour mener des expériences de hyperscanning, parce qu’il mesure les effets hémodynamiques locaux avec une fréquence d’échantillonnage élevée et, ce qui est important, il peut être appliqué en milieu naturel, ne nécessitant ne pas de motion stricte restrictions. Dans cet article, nous présentons un protocole pour la réalisation d’expériences hyperscanning fNIRS avec les dyades mère-enfant et pour l’analyse cerveau-à-cerveau synchronie. En outre, nous discutons des questions essentielles et les orientations futures, concernant le protocole expérimental, l’inscription spatiale des canaux fNIRS, influences physiologiques et méthodes d’analyse de données. Le protocole décrit n’est pas spécifique aux dyades mère-enfant, mais peut être appliqué à une variété de différentes constellations dyadiques, tels que des adultes inconnus, les partenaires romantiques ou les frères et sœurs. Pour conclure, fNIRS hyperscanning a le potentiel d’apporter de nouvelles connaissances sur la dynamique de l’interaction sociale en cours, qui peut-être aller au-delà de ce qui peut être étudié en examinant les activités des cerveaux individuels.

Introduction

Ces dernières années, les neuroscientifiques ont commencé à étudier les interactions sociales en enregistrant les activités de cerveau de deux ou plusieurs personnes en même temps, une approche nommée hyperscanning¹. Cette technique ouvre de nouvelles perspectives pour élucider les mécanismes neurobiologiques qui sous-tendent ces interactions. Afin de bien comprendre les interactions sociales, il ne suffira pas à étudier seul cerveau en isolement mais plutôt les activités conjointes de cerveaux de personnes interagissant². À l’aide de techniques de neuroimagerie différents, hyperscanning ont démontré que cerveau synchroniser les activités de l’interaction des personnes ou des groupes, par exemple, alors qu’ils coordonnent leurs actions³, faire musique⁴,⁵, de communiquer s’engager dans des activités de classe⁶ ou⁷en coopération.

L’article présente un protocole pour effectuer des enregistrements simultanés avec fonctionnelle spectroscopie proche infrarouge (fNIRS). Semblable à l’imagerie de résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), fNIRS mesure la réponse hémodynamique à l’activation du cerveau. Changements des taux d’hémoglobine oxygénée et désoxygéné (oxy-Hb et désoxy-Hb) sont calculées sur le montant de lumière vague transmise de proche infrarouge à travers le tissu⁸. fNIRS est bien adapté pour la réalisation d’expériences de hyperscanning, surtout avec les enfants, car il peut être appliqué dans des milieux moins limitées et plus naturels que l’IRMf. En outre, il est moins sujette aux artefacts de mouvement à la fois, l’IRMf et EEG⁹. En outre, les données fNIRS peuvent être acquises à des fréquences d’échantillonnage élevées (p. ex., 10 Hz), ainsi il oversamples fortement la réponse hémodynamique relativement lente et pouvant ainsi fournit une image plus complète et temporelle de l’hémodynamique cérébrale¹⁰ .

Ce protocole a été développé dans l’étude de Reindl et al. ¹¹ et a été légèrement modifié (en particulier en ce qui concerne l’alignement des canaux et l’identification de canal mauvais) plus récemment. L’objectif de cette étude était d’examiner l’activité cérébrale synchronisé des dyades mère-enfant. À l’aide de fNIRS hyperscanning, nous avons évalué cerveau-à-cerveau synchronie dans les zones du cerveau préfrontal d’enfants (âgés de cinq à neuf ans) et leurs parents, surtout les mères, au cours d’une coopérative et une tâche informatique concurrentiel. Régions du cerveau préfrontal ont été ciblées comme ils avaient été identifiés comme des régions importantes pour des processus sociaux et interactifs dans les études précédentes de hyperscanning¹. Le travail coopératif et compétitif ont été initialement développés par Cui et al. ¹² et récemment employé par plusieurs précédentes études^13,14,15. Pour l’étude de Reindl et al. ¹¹, les tâches ont été modifiés pour convenir aux enfants. Les participants ont reçu l’ordre de soit répondre conjointement via les touches en réponse à une cible (coopération) ou de réagir plus vite que l’autre joueur (concurrence). Chaque enfant a effectué chaque tâche une fois avec le parent et une fois avec un étranger adult du même sexe que le parent. Au sein de chaque dyade enfant-adulte, cohérence des ondelettes a été calculé pour les signaux d’oxy-Hb du canal correspondant en guise de cerveau-à-cerveau synchronie.

Ce protocole décrit les procédures pour collecter les données de hyperscanning de fNIRS parent et enfant pendant le jeu coopératif et compétitif. La procédure globale, cependant, n’est pas spécifique à cette conception de la recherche mais convient à des populations différentes (p. ex., adultes inconnus, partenaires romantiques, frères et sœurs, etc.) et peut être adaptée pour un certain nombre de tâches expérimentales différentes. Ce protocole décrit également une méthode d’analyse possible, qui couvre les étapes d’analyse de données nécessaires et en option, y compris fNIRS prétraitement des données, détection mauvais canal, analyse de cohérence ondelettes et validation par analyse de la paire aléatoire.

Protocol

Avant sa participation, tous les parents / enfants fourni un consentement éclairé / sanction. L’étude a été approuvée par le Comité d’éthique de la faculté médicale de l’Université RWTH d’Aix-la-chapelle. 1. préparation avant que le Participant arrive Préparer les casquettes NIRS. Choisir les tailles de chapeau de la même taille ou légèrement plus grand que la circonférence de la tête du participant. Couper 15 trous d’un diamètre d’en…

Representative Results

Des données représentatives d’une dyade parent-enfant au cours de la condition de la coopérative sont indiquées dans la Figure 1. La coopérative tâche consiste trois 30 s reste blocs et blocs de deux tâches, avec 20 essais chacun, présenté en alternant l’ordre. Dans chaque essai, les participants devront réagir aussi simultanément que possible à un signal de gagner un point11. <p class="jove_content" fo:keep-togethe…

Discussion

Dans ce protocole, nous montrons comment mener des expériences de hyperscanning fNIRS et une façon possible d’analyser le cerveau-à-cerveau synchronie, mesurer les variations de concentration d’oxy-Hb et désoxy-Hb à des régions du cerveau frontal des deux sujets en même temps. FNIRS hyperscanning est relativement facile à appliquer : un seul appareil NIRS est suffisant pour évaluer les activités du cerveau de ces deux sujets en fractionnant les optodes entre eux. Ainsi, aucune synchronisation entre différ…

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).