Hyperscanning experimenten met functionele nabij-infrarood spectroscopie
Summary
Dit protocol wordt beschreven hoe fNIRS hyperscanning experimenten uitvoeren en analyseren van de hersenen-aan-hersenen synchronie. Verder bespreken we uitdagingen en mogelijke oplossingen.
Abstract
Gelijktijdige hersenen opnames van twee of meer interactie personen, winnen een aanpak genoemd hyperscanning, toenemende belang voor ons begrip van de neurobiologische onderbouwing van sociale interacties, en eventueel interpersoonlijke relaties . Functionele nabij-infrarood spectroscopie (fNIRS) is zeer geschikt voor het uitvoeren van hyperscanning experimenten omdat het plaatselijke hemodynamische effecten met een hoge sampling rate maatregelen en, nog belangrijker is, het kan worden toegepast in een natuurlijke omgeving, niet vereist strikte beweging beperkingen. In dit artikel presenteren we een protocol voor fNIRS hyperscanning experimenten met ouder-kind dyads uitvoeren en analyseren hersenen-aan-hersenen synchronie. Bovendien bespreken we kritieke problemen en de toekomstige richtingen, over de proefopzet, de ruimtelijke registratie van de fNIRS kanalen, de fysiologische invloeden en de analysemethoden van de gegevens. De beschreven protocol is niet specifiek voor ouder-kind dyads, maar kan worden toegepast op een verscheidenheid van verschillende paren sterrenbeelden, zoals volwassen vreemden, romantische partners of broers en zussen. Tot slot, heeft fNIRS hyperscanning het potentieel om het opleveren van nieuwe inzichten in de dynamiek van de lopende sociale interactie, die eventueel verder gaan dan wat kan worden bestudeerd door het onderzoek van de activiteiten van individuele hersenen.
Introduction
In de afgelopen jaren neurowetenschappers zijn begonnen met het bestuderen van sociale interacties door het opnemen van de activiteiten van de hersenen van twee of meer personen gelijktijdig, een aanpak genoemd hyperscanning1. Deze techniek opent nieuwe mogelijkheden de neurobiologische mechanismen die ten grondslag liggen aan deze interacties ophelderen. Om volledig te begrijpen sociale interacties, het mogelijk niet voldoende om te studeren één hersenen in isolatie, maar eerder de gezamenlijke activiteiten van hersenen van interagerende personen2. Met behulp van verschillende neuroimaging technieken, hyperscanning studies hebben aangetoond dat hersenen activiteiten van interagerende personen of groepen synchroniseren, bijvoorbeeld, terwijl zij hun acties3coördineren, maken muziek4,5, communiceren deelnemen aan de klassikale activiteiten6 of7, werken.
Het artikel stelt een protocol voor het uitvoeren van gelijktijdige opnamen met functionele nabij-infrarood spectroscopie (fNIRS). Gelijkaardig aan functionele magnetische resonantie imaging (fMRI), fNIRS meet de hemodynamische reactie op de activering van de hersenen. Wijzigingen in zuurstofrijk en gedeoxygeneerd hemoglobine (oxy-Hb en deoxy-Hb) zijn berekend op basis van de hoeveelheid diffusively doorvallend nabij-infrarood licht door weefsel8. fNIRS is zeer geschikt voor het voeren van de experimenten van de hyperscanning, vooral met kinderen, omdat het kan worden toegepast in de instellingen van de minder gebonden en natuurlijker dan fMRI. Bovendien, het is minder vatbaar voor bewegingsartefacten dan zowel, fMRI en EEG9. Bovendien fNIRS gegevens kan worden verkregen bij hoge bemonsteringsfrequenties (bijv, 10 Hz), dus het zeer oversamples de relatief trage hemodynamische reactie en daarmee potentieel biedt een temporele vollediger beeld van de hersenen hemodynamica10 .
Dit protocol werd ontwikkeld binnen de studie van Reindl et al. 11 en is licht gewijzigd (met name met betrekking tot de plaatsing van het kanaal en de slechte kanaal identificatie) recenter. Het doel van de studie was om te onderzoeken van gesynchroniseerde hersenactiviteit van ouder-kind dyads. Met behulp van fNIRS hyperscanning, beoordeeld we hersenen-aan-hersenen synchrony in prefrontale hersengebieden voor kinderen (van vijf tot negen jaar) en hun ouders, meestal moeders, tijdens een coöperatie en een concurrerende computertaak. Prefrontale hersengebieden waren gericht zoals ze had aangemerkt als belangrijke regio’s voor sociale interactieve processen in vorige hyperscanning studies1. De coöperatieve en concurrerende taak werden oorspronkelijk ontwikkeld door Cui et al. 12 en onlangs werknemer door verscheidene vorige studies13,14,15. Voor de studie van Reindl et al. 11, de taken werden aangepast om geschikt voor kinderen. Deelnemers kregen de opdracht ofwel reageren gezamenlijk via knooppersen in reactie op een target (samenwerking) of reageren sneller dan de andere speler (concurrentie). Elk kind uitgevoerd elke taak eenmaal met de ouder en een keer met een volwassen vreemdeling van hetzelfde geslacht als de ouder. Binnen elk kind-volwassene dyade, werd wavelet samenhang berekend voor de oxy-Hb-signalen van de corresponderende kanalen als een maatregel van de hersenen-aan-hersenen synchronie.
Dit protocol beschrijft de procedures fNIRS hyperscanning om gegevens te verzamelen van ouder en kind tijdens het coöperatief en competitief spel. De algemene procedure, echter, is niet specifiek voor deze onderzoeksdesign maar geschikt is voor verschillende bevolkingsgroepen (bijvoorbeeldvolwassen vreemden, romantische partners, broers en zussen, enz.) en kan worden aangepast voor een aantal verschillende experimentele taken. Dit protocol wordt ook uitgelegd welke één mogelijke analytische procedure, waarin de vereiste en optionele gegevens analyse stappen, met inbegrip van fNIRS gegevens voorbewerken, slechte kanaal detectie, wavelet samenhang veiligheidsanalyse- en goedkeuringssystemen door willekeurige paar analyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol, we laten zien hoe fNIRS hyperscanning experimenten en een mogelijke manier om te analyseren van de hersenen-aan-hersenen synchrony, meten van de concentratie veranderingen van oxy-Hb en deoxy-Hb bij frontale hersengebieden van twee onderwerpen tegelijk. FNIRS hyperscanning is relatief eenvoudig toe te passen: een enkel NIRS-apparaat is voldoende voor het meten van hersenen activiteiten van beide onderwerpen door te splitsen van de optodes tussen hen. Geen synchronisatie tussen verschillende apparaten is …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door het Excellence-initiatief van de Duitse federale staat en de regering (ERS Seed Fonds, OPSF449). De Hitachi NIRS-systeem werd gesteund door een financiering van de Duitse onderzoek Stichting DFG (INST 948/18-1 FUGG).
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). |
References
- Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
- Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
- 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).
- Lindenberger, U., Li, S. -. C., Gruber, W., Müller, V. Brains swinging in concert: cortical phase synchronization while playing guitar. BMC Neuroscience. 10, 22 (2009).
- Jiang, J., et al. Neural synchronization during face-to-face communication. Journal of Neuroscience. 32 (45), 16064-16069 (2012).
- Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
- 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).
- Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Baker, J. M., et al. Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning. Scientific Reports. 6, 26492 (2016).
- 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).
- 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).
- Kleiner, M., Brainard, D., Pelli, D. What’s new in Psychtoolbox-3?. Perception. 36, (2007).
- 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).
- Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR Toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
- 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).
- 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).
- Palumbo, R. V., et al. Interpersonal autonomic physiology: a systematic review of the literature. Personality and Social Psychology Review. 21 (2), 99-141 (2016).
- 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).
- 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).
- Cooper, R. J., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
- 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).
- 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).
