Gennemføre Hyperscanning eksperimenter med funktionelle nær-infrarød spektroskopi

Summary

Denne protokol beskriver, hvordan du udføre fNIRS hyperscanning eksperimenter og analysere hjerne til hjerne synchrony. Yderligere, vi diskutere udfordringer og mulige løsninger.

Abstract

Samtidige hjernen optagelser af to eller flere personer, interagerende, tilgang betegnes hyperscanning, får stadig større betydning for vores forståelse af de neurobiologiske fundament for social interaktion, og eventuelt interpersonelle relationer . Funktionelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) er velegnet til at gennemføre hyperscanning eksperimenter, fordi den måler lokale hæmodynamiske effekter med en høj samplingfrekvens, og vigtigere, kan det anvendes i naturlige omgivelser, der ikke kræver strenge bevægelse begrænsninger. I denne artikel præsenterer vi en protokol til at foretage fNIRS hyperscanning eksperimenter med forældre-barn dyads og analysere hjerne til hjerne synchrony. Desuden diskuterer vi kritiske spørgsmål og fremtidige retninger, om forsøgets udformning, rumlig registrering af de fNIRS kanaler, fysiologiske påvirkninger og data analysemetoder. Den beskrevne protokol er ikke specifik for forældre-barn dyads, men kan anvendes til en lang række forskellige dyadic konstellationer, som voksne fremmede, romantiske partnere eller søskende. Afslutningsvis vil jeg sige, har fNIRS hyperscanning potentiale til at give ny indsigt i dynamikken i den igangværende sociale interaktion, som måske overskrider hvad kan studeres ved at undersøge aktiviteterne af individuelle hjerner.

Introduction

I de seneste år, neuroforskere har begyndte at studere sociale interaktioner ved at optage hjernen aktiviteter af to eller flere personer samtidigt, en tilgang betegnes hyperscanning¹. Denne teknik åbner nye muligheder for at belyse de neurobiologiske mekanismer bag disse interaktioner. Fuldt ud at forstå sociale interaktioner, kan det ikke være tilstrækkeligt at studere enkelt hjerner i isolation, men snarere de fælles aktiviteter af hjerner af interagerende personer². Bruger forskellige neuroimaging teknik, hyperscanning undersøgelser har vist, at hjernen aktiviteter af interagerende personer eller grupper synkroniseres, f.eks., mens de koordinerer deres handlinger³, lave musik⁴, kommunikere⁵, engagere sig i klasseværelset aktiviteter⁶ eller samarbejde⁷.

Artiklen præsenterer en protokol til at foretage samtidige optagelser med funktionelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS). Svarende til funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI), fNIRS måler de hæmodynamiske svar til hjerne aktivering. Ændringer i iltet og deoxygenated hæmoglobin (oxy-Hb og deoxy-Hb) beregnes baseret på mængden af diffusively nær-infrarødt lys gennem væv⁸. fNIRS er velegnet til at gennemføre hyperscanning eksperimenter, især med børn, fordi det kan anvendes i mindre begrænset og mere naturlige indstillinger end fMRI. Derudover er det mindre tilbøjelige til at bevægelse artefakter end både fMRI og EEG⁹. Derudover fNIRS data kan erhverves på høj sampling-frekvenser (f.eks, 10 Hz), således det stærkt oversamples den relativt langsom hæmodynamiske reaktion og dermed potentielt giver en mere komplet tidsmæssige billede af hjernen Hæmodynamik¹⁰ .

Denne protokol blev udviklet inden for studiet af Reindl et al. ¹¹ og er blevet ændret en smule (navnlig hvad angår kanal placering og dårlig kanal identifikation) for nylig. Formålet med studiet var at undersøge synkroniserede hjerneaktivitet af forældre-barn dyads. Bruger fNIRS hyperscanning, vurderet vi hjerne til hjerne synchrony i præfrontal hjernen områder af børn (alderen fem til ni år) og deres forældre, for det meste mødre, under en kooperativ og en konkurrencedygtig computer opgave. Præfrontal hjerneregioner var målrettet som de var blevet identificeret som vigtige områder for sociale interaktive processer i forrige hyperscanning studier¹. Kooperativ og konkurrencedygtige opgaven blev oprindeligt udviklet af Cui et al. ¹² og for nylig ansat af adskillige tidligere undersøgelser^13,14,15. For studiet af Reindl et al. ¹¹, opgaverne, der blev ændret for at være egnet til børn. Deltagerne blev instrueret i at enten reagere i fællesskab via knappen presser som svar på et mål (samarbejde) eller til at reagere hurtigere end anden spilleren (konkurrence). Hvert barn udføres hver opgave en gang med en forælder og en gang med en voksen fremmed af samme køn som forældrene. Inden for hvert barn-voksen dyad, var wavelet sammenhæng beregnet for oxy-Hb signaler af tilsvarende kanaler som et mål for hjerne-til-hjerne synchrony.

Denne protokol beskriver procedurer til at indsamle fNIRS hyperscanning data af overordnede og underordnede under spillets kooperativ og konkurrencedygtige. Den samlede procedure, men er ikke specifikke for denne forskning design men er passende til forskellige befolkningsgrupper (fx, voksne fremmede, romantiske partnere, søskende, etc.) og kan tilpasses til en række forskellige eksperimentelle opgaver. Denne protokol beskriver også et muligt analytisk procedure, som dækker nødvendige og valgfrie data analyse trin, herunder fNIRS data forbehandling, dårlig kanal afsløring, wavelet sammenhæng analyse og validering af tilfældige par analyse.

Protocol

Forud for deltagelse, alle forældre / børn givet informeret samtykke / samstemmende udtalelse. Undersøgelsen blev godkendt af den etiske komité i den medicinske fakultet RWTH Aachen University. 1. forberedelse før deltageren ankommer Forberede NIRS caps. Vælg cap størrelser i samme størrelse eller lidt større end deltagerens hovedomkreds. Skær 15 huller med en diameter på ca 15 mm hver, arrangeret i en vandret 3 x 5-gitter, ind i panden området i hver a…

Representative Results

Repræsentative data af én overordnet-underordnet dyad under den kooperative betingelse er vist i figur 1. Den kooperative opgave består af tre 30 s resten blokke og to opgave blokke, med 20 forsøg hver, præsenteret i skiftende rækkefølge. I hvert forsøg har deltagerne at reagere så samtidigt som muligt til et signal til at tjene et punkt11. <img alt="Figure 1" class=…

Discussion

I denne protokol viser vi hvordan man fører fNIRS hyperscanning eksperimenter og en mulig måde at analysere hjerne til hjerne synchrony, måle koncentrationen ændringer af oxy-Hb og deoxy-Hb på frontal hjerneregioner i to fag samtidig. FNIRS hyperscanning er forholdsvis let at anvende: en enkelt NIRS enhed er tilstrækkelige til at måle hjernens aktiviteter af begge emner ved at opdele optodes indbyrdes. Således er ingen synkronisering mellem forskellige enheder nødvendigt¹. Derudover da fN…

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).