JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

Hyperscanning deneyler fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi ile

Published: January 19, 2019
doi:
10.3791/58807
, , , , ,
1Child Neuropsychology Section, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy, Medical Faculty,RWTH Aachen University, 2JARA-Brain Institute II, Molecular Neuroscience and Neuroimaging,RWTH Aachen & Research Centre Juelich, 3Lehrstuhl II für Mathematik,RWTH Aachen University, 4Translational Brain Research in Psychiatry and Neurology, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics, and Psychotherapy,University Hospital Aachen

Summary

Mevcut iletişim kuralı, fNIRS hyperscanning deneyler ve beyin beyin senkronizasyonu analiz açıklar. Daha fazla, sorunlar ve olası çözümleri tartışmak.

Abstract

Eşzamanlı beyin kayıt iki ya da daha fazla etkileşen kişiden, hyperscanning, olarak adlandırılan bir yaklaşım sosyal etkileşimler ve muhtemelen kişilerarası ilişkiler nörobiyolojik underpinnings anlayışımız artan önem kazanıyor vardır . Fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) hyperscanning çünkü bu yerel hemodinamik etkileri yüksek örnekleme oranı ile ölçer ve önemlisi, katı hareket gerektirmeyen doğal ayarları’nda, uygulanabilir, deneyler için uygundur kısıtlamalar. Bu makalede, biz bir protokol çözümlenirken beyin beyin senkronizasyonu ve üst-alt dyads ile fNIRS hyperscanning deneyler için mevcut. Ayrıca, biz kritik sorunları ve gelecekteki yönelimler, deneysel tasarım, uzamsal kayıt fNIRS kanalları, fizyolojik etkiler ve veri analiz yöntemleri ile ilgili tartışıyorlar. Açıklanan protokol-üst dyads için belirli değil ama farklı dyadic takım yıldızları, Yetişkin yabancı, romantik ortaklar veya kardeşleri gibi çeşitli uygulanabilir. Sonuç olarak, fNIRS hyperscanning muhtemelen ne bireysel beyin faaliyetlerini inceleyerek okudu ötesinde gitmek dynamics devam eden sosyal etkileşim, yeni görüşler verim potansiyeline sahiptir.

Introduction

Son yıllarda, nörologlar sosyal etkileşimler aynı anda iki veya daha fazla kişi beyin faaliyetleri kayıt tarafından çalışmaya başladı, bir yaklaşım olarak adlandırdığı hyperscanning1. Bu tekniği bu etkileşimler temel nörobiyolojik mekanizmaları aydınlatmak için yeni fırsatlar açar. Tamamen sosyal etkileşimleri anlamak için bu yalıtım ama daha doğrusu ortak faaliyetler, beyinlerinin etkileşen kişi2tek beyinlerinde eğitim yeterli olmayabilir. Farklı beyin görüntüleme teknikleri kullanarak, Örneğinfaaliyetleri etkileşen kişiler veya gruplar eşitlemek, beynini hyperscanning çalışmalar göstermiştir, onların eylemleri3koordine ederken, müzik45iletişim, yapmak, Sınıf etkinlikleri6 ‘ meşgul veya7işbirliği.

Makale eşzamanlı kayıtları ile fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) yürütmek için bir protokol sunar. Benzer şekilde fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), fNIRS beyin harekete geçirmek için hemodinamik yanıt ölçer. Oksijenli ve deoxygenated hemoglobin (Hb oksi ve deoksi-Hb) değişimler ile doku8diffusively iletilen yakın kızılötesi ışık miktarına göre hesaplanır. Çünkü daha az kısıtlanmış ve daha doğal ayarları fMRI daha uygulanabilir fNIRS hyperscanning, özellikle çocuklu, deneyler için son derece uygundur. Ayrıca, daha az hareket yapılara hem, fMRI ve EEG9daha eğilimli olduğunu. Ayrıca, yüksek örnekleme frekansları (Örneğin, 10 Hz) fNIRS veri elde edilebilir, böylece nispeten yavaş hemodinamik yanıt son derece oversamples ve böylece potansiyel olarak beyin hemodinami10 daha tam bir geçici resim sağlar .

Bu iletişim kuralı Reindl ve ark. çalışma içinde geliştirilmiştir 11 ve biraz (özellikle kanal yerleştirme ve kötü kanal kimliği ile ilgili olarak) son zamanlarda değiştirilmiş olabilir. Üst-alt dyads eşitlenmiş beyin aktivitesini incelemek için çalışmanın amacı oldu. FNIRS hyperscanning kullanarak, biz beyin beyin senkronizasyonu (5-9 yaş) çocuklar prefrontal beyin alanlarında ve onların aile, çoğunlukla Anne, bir kooperatif ve rekabetçi bilgisayar görevi sırasında değerlendirildi. Onlar önceki hyperscanning çalışmalar1sosyal etkileşimli işlemler için önemli bölgeleri olarak tespit edilmiştir gibi prefrontal beyin bölgeleri hedefleyen. İşbirliği ve rekabet görev aslında Cui vd tarafından geliştirilmiştir 12 ve son zamanlarda birkaç önceki çalışmalar13,14,15tarafından istihdam. Reindl ve ark. çalışma için 11, görevleri çocuklar için uygun olarak değiştirildi. Katılımcılar da ortaklaşa düğmelerine basılmasını yanıt olarak bir hedef (işbirliği) üzerinden yanıt vermek için ya da diğer oyuncu (yarışma) daha hızlı yanıt vermek için talimatlarda vardı. Her çocuk her görev bir kez gerçekleştirilebilir üst ve bir kez üst olarak aynı cinsiyetten yetişkin bir yabancıyla. Her çocuk-yetişkin ikilisinin içinde dalgacık tutarlılık karşılık gelen kanalları oksi-Hb sinyalleri için beyin beyin senkronizasyonu bir ölçüsü olarak hesaplanır.

Bu iletişim kuralı kooperatif ve rekabetçi oyun sırasında üst ve alt fNIRS hyperscanning veri toplamak için yordamlar açıklanır. Genel yordam, ancak, bu araştırma tasarım özgü değildir ama farklı popülasyonlar (Örneğin, Yetişkin yabancı, romantik ortaklar, kardeşler, vb) için uygundur ve farklı deneysel görevleri bir dizi için adapte edilebilir. Bu iletişim kuralı da fNIRS veri ön işleme, kötü kanal algılama, Dalgacık tutarlılık analiz ve doğrulama göre rasgele çifti analizi de dahil olmak üzere gerekli ve isteğe bağlı veri çözümleme adımları kapsar bir olası analitik yordam özetlenmektedir.

Protocol

Katılım, tüm Ebeveynler önce / çocuk sağlanan aydınlatılmış onam / onay. Çalışma RWTH Aachen Üniversitesi Tıp Fakültesi Etik Komitesi tarafından kabul edildi. 1. katılımcı gelmeden önce hazırlık NIRS kapaklar hazırlayın. Cap boyutları aynı boyutta veya biraz daha geniş katılımcının baş çevresi seçin. 15 çapı yaklaşık 15 mm her, ile yatay bir 3 x 5 kılavuz, her biri 2 ham EEG kapaklar ( Tablo malzemelerigörme…

Representative Results

Bir üst-alt ikilisinin kooperatif durumu sırasında temsilcisi veri Şekil 1′ de gösterilir. Sipariş alternatif olarak sunulan üç 30 s geri kalan blok ve iki görev blokları, 20 deneme her, ile kooperatif görev oluşur. Her deneme olarak, katılımcıların bir sinyal noktası11kazanmak için mümkün olduğunca aynı anda tepki zorunda. <img alt="Figure 1" class="xfi…

Discussion

Bu protokol için gösterdiğimiz fNIRS hyperscanning deneyler ve beyin beyin senkronizasyonu, analiz için bir şekilde nasıl oksi-Hb ve deoksi-Hb iki konu ön beyin bölgelerinde, konsantrasyon değişiklikleri aynı anda ölçme. FNIRS hyperscanning nispeten kolaydır uygulamak: bir tek NIRS optodes aralarında bölerek her iki konuyu beyin faaliyetleri ölçmek için yeterli bir cihazdır. Böylece, farklı cihazlar arasında eşitleme gerekli1‘ dir. Ayrıca, fNIRS sıkı hareket kısıtlama …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser Alman federal devlet ve hükümetler (ERS tohum fonu, OPSF449) mükemmellik girişimi tarafından finanse edildi. Hitachi NIRS sistem bir Alman Araştırma Vakfı DFG (INST 948/18-1 FUGG) fon tarafından desteklenmiştir.

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).
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
  2. Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
  3. Funane, T., et al. Synchronous activity of two people’s prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 077011 (2011).
  4. Lindenberger, U., Li, S. -. C., Gruber, W., Müller, V. Brains swinging in concert: cortical phase synchronization while playing guitar. BMC Neuroscience. 10, 22 (2009).
  5. Jiang, J., et al. Neural synchronization during face-to-face communication. Journal of Neuroscience. 32 (45), 16064-16069 (2012).
  6. Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
  7. Liu, N., et al. NIRS-based hyperscanning reveals inter-brain neural synchronization during cooperative Jenga game with face-to-face communication. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 82 (2016).
  8. Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
  9. Lloyd-Fox, S., Blasi, A., Elwell, C. Illuminating the developing brain: the past, present and future of functional near infrared spectroscopy. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 34 (3), 269-284 (2010).
  10. Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage. 29 (2), 368-382 (2006).
  11. Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
  12. Cui, X., Bryant, D. M., Reiss, A. L. NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation. NeuroImage. 59 (3), 2430-2437 (2012).
  13. Baker, J. M., et al. Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning. Scientific Reports. 6, 26492 (2016).
  14. Cheng, X., Li, X., Hu, Y. Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: a fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 36 (6), 2039-2048 (2015).
  15. Pan, Y., Cheng, X., Zhang, Z., Li, X., Hu, Y. Cooperation in lovers: an fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 38 (2), 831-841 (2017).
  16. Kleiner, M., Brainard, D., Pelli, D. What’s new in Psychtoolbox-3?. Perception. 36, (2007).
  17. Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Applied Optics. 48 (10), D280-D298 (2009).
  18. Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR Toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
  19. Tak, S., Uga, M., Flandin, G., Dan, I., Penny, W. D. Sensor space group analysis for fNIRS data. Journal of Neuroscience Methods. 264, 103-112 (2016).
  20. Scholkmann, F., Spichtig, S., Muehlemann, T., Wolf, M. How to detect and reduce movement artifacts in near-infrared imaging using moving standard deviation and spline interpolation. Physiological Measurement. 31 (5), 649-662 (2010).
  21. van der Kant, A., Biro, S., Levelt, C., Huijbregts, S. Negative affect is related to reduced differential neural responses to social and non-social stimuli in 5-to-8-month-old infants: a functional near-infrared spectroscopy-study. Developmental Cognitive Neuroscience. 30, 23-30 (2018).
  22. Bastos, A. M., Schoffelen, J. -. M. A tutorial review of functional connectivity analysis methods and their interpretational pitfalls. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 175 (2016).
  23. Grinsted, A., Moore, J. C., Jevrejeva, S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlinear Processes in Geophysics. 11, 561-566 (2004).
  24. Aguiar-Conraria, L., Soares, M. J. The continuous wavelet transform: moving beyond uni-and bivariate analysis. Journal of Economic Surveys. 28 (2), 344-375 (2014).
  25. Nozawa, T., Sasaki, Y., Sakaki, K., Yokoyama, R., Kawashima, R. Interpersonal frontopolar neural synchronization in group communication: an exploration toward fNIRS hyperscanning of natural interactions. NeuroImage. 133, 484-497 (2016).
  26. Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
  27. Tsuzuki, D., Dan, I. Spatial registration for functional near-infrared spectroscopy: from channel position on the scalp to cortical location in individual and group analyses. NeuroImage. 85, 92-103 (2014).
  28. Tachtsidis, I., Scholkmann, F. False positives and false negatives in functional near-infrared spectroscopy: issues, challenges, and the way forward. Neurophotonics. 3 (3), 031405 (2016).
  29. Palumbo, R. V., et al. Interpersonal autonomic physiology: a systematic review of the literature. Personality and Social Psychology Review. 21 (2), 99-141 (2016).
  30. Pinti, P., et al. The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences. , (2018).
  31. Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. NeuroImage. 85 (1), 181-191 (2014).
  32. Cooper, R. J., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
  33. Hirsch, J., Zhang, X., Noah, J. A., Ono, Y. Frontal temporal and parietal systems synchronize within and across brains during live eye-to-eye contact. NeuroImage. 157, 314-330 (2017).
  34. Scholkmann, F., Holper, L., Wolf, U., Wolf, M. A new methodical approach in neuroscience: assessing inter-personal brain coupling using functional near-infrared imaging (fNIRI) hyperscanning. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 813 (2013).

Tags

HyperscanningFunctional Near-infrared SpectroscopyFNIRSSocial InteractionsAdult-child DyadsProbe Holder GridProbe ArrangementEvent-related MeasurementExperimental ParadigmPsychophysics Toolbox
check_url/58807?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Reindl, V., Konrad, K., Gerloff, C., Kruppa, J. A., Bell, L., Scharke, W. Conducting Hyperscanning Experiments with Functional Near-Infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (143), e58807, doi:10.3791/58807 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image