Come calcolare e convalidare la sincronizzazione inter-cervello in uno studio di iperscansione fNIRS

Summary

Le dinamiche tra cervelli accoppiati di individui sono state sempre più rappresentate dalla sincronizzazione inter-cerebrale (IBS) quando si coordinano tra loro, per lo più utilizzando segnali di registrazione simultanea del cervello (vale a dire iperscansione) con fNIRS. Negli studi di iperscansione fNIRS, l’IBS è stato comunemente valutato attraverso il metodo della coerenza della trasformazione wavelet (WTC) a causa del suo vantaggio nell’espandere le serie temporali nello spazio tempo-frequenza in cui le oscillazioni possono essere viste in modo altamente intuitivo. L’IBS osservato può essere ulteriormente convalidato tramite l’accoppiamento casuale basato sulla permutazione dello studio, del partner e della condizione. Qui, viene presentato un protocollo per descrivere come ottenere segnali cerebrali tramite la tecnologia fNIRS, calcolare iBS attraverso il metodo WTC e convalidare l’IBS per permutazione in uno studio di iperscansione. Inoltre, discutiamo le questioni critiche quando si utilizzano i metodi di cui sopra, tra cui la scelta dei segnali fNIRS, i metodi di pre-elaborazione dei dati e i parametri opzionali di calcolo. In sintesi, l’utilizzo del metodo WTC e della permutazione è una pipeline potenzialmente standard per l’analisi dell’IBS negli studi di iperscansione fNIRS, contribuendo sia alla riproducibilità che all’affidabilità dell’IBS.

Abstract

Le dinamiche tra cervelli accoppiati di individui sono state sempre più rappresentate dalla sincronizzazione inter-cerebrale (IBS) quando si coordinano tra loro, per lo più utilizzando segnali di registrazione simultanea del cervello (vale a dire iperscansione) con fNIRS. Negli studi di iperscansione fNIRS, l’IBS è stato comunemente valutato attraverso il metodo della coerenza della trasformazione wavelet (WTC) a causa del suo vantaggio nell’espandere le serie temporali nello spazio tempo-frequenza in cui le oscillazioni possono essere viste in modo altamente intuitivo. L’IBS osservato può essere ulteriormente convalidato tramite l’accoppiamento casuale basato sulla permutazione dello studio, del partner e della condizione. Qui, viene presentato un protocollo per descrivere come ottenere segnali cerebrali tramite la tecnologia fNIRS, calcolare iBS attraverso il metodo WTC e convalidare l’IBS per permutazione in uno studio di iperscansione. Inoltre, discutiamo le questioni critiche quando si utilizzano i metodi di cui sopra, tra cui la scelta dei segnali fNIRS, i metodi di pre-elaborazione dei dati e i parametri opzionali di calcolo. In sintesi, l’utilizzo del metodo WTC e della permutazione è una pipeline potenzialmente standard per l’analisi dell’IBS negli studi di iperscansione fNIRS, contribuendo sia alla riproducibilità che all’affidabilità dell’IBS.

Introduction

Quando le persone si coordinano con gli altri, i loro cervelli e corpi diventano un’unità accoppiata attraverso un continuo adattamento reciproco. L’accoppiamento tra cervelli può essere rappresentato dalla sincronizzazione inter-cerebrale (IBS) attraverso l’approccio di iperscansione, che registra contemporaneamente i segnali cerebrali di due o più individui¹. In effetti, un numero crescente di studi di iperscansione fNIRS / EEG ha trovato IBS in vari contesti di collaborazione, tra cui finger tapping², group walking³, playing drums⁴, guitar playing⁵e singing / humming⁶. fNIRS è ampiamente usato per la ricerca di IBS durante l’interazione sociale, in quanto limita meno i movimenti della testa / corpo in contesti relativamente naturali (rispetto a fMRI / EEG)⁷.

L’articolo presenta un protocollo per il calcolo dell’IBS tramite il metodo WTC (Wavelet Transform Coherence) in uno studio di iperscansione fNIRS. Il WTC è un metodo per valutare la correlazione incrociata tra due segnali di movimento sul piano tempo-frequenza e, quindi, può fornire più informazioni rispetto all’analisi di correlazione tradizionale (ad esempio, correlazione di Pearson e correlazione incrociata), che è solo nel dominio del tempo⁸. Inoltre, i segnali emodinamici vengono trasformati in componenti wavelet, che possono rimuovere efficacemente il rumore a bassa frequenza. Sebbene il WTC richieda molto tempo, è stato il metodo più comunemente usato per calcolare l’IBS in azione imitazione⁹, comportamento cooperativo¹⁰, comunicazione verbale¹¹, processo decisionale¹²e apprendimento interattivo¹³.

L’articolo presenta anche come convalidare l’IBS con il paring casuale basato sulla permutazione di studi, condizioni e partecipanti. L’IBS negli studi di iperscansione è sempre proposto per tracciare l’interazione sociale online tra individui, mentre può anche essere interpretato da altre spiegazioni, come la somiglianza dello stimolo, la somiglianza del movimento o la somiglianza delle condizioni¹⁴. Il test di permutazione, chiamato anche test di randomizzazione, può essere sfruttato per testare le ipotesi nulle sopra menzionate attraverso il ricampionamento dei dati osservati¹⁵. Usando la permutazione, è utile indagare se l’IBS identificato è specifico del comportamento interattivo, che va dalla modulazione dell’IBS all’interno delle diadi a tra gruppi di partner¹⁶.

Il protocollo qui descritto descrive come ottenere segnali cerebrali tramite la tecnologia fNIRS, calcolare l’IBS attraverso il metodo WTC e convalidare l’IBS mediante test di permutazione in uno studio di iperscansione. Questo studio mira a esaminare se l’IBS privilegiato è suscitato dai misuratori musicali durante il coordinamento sociale. I segnali cerebrali sono stati registrati nella corteccia frontale, in base alla posizione dell’IBS in un precedente ritrovamento¹. Il compito sperimentale è stato originariamente sviluppato da Konvalinka e dai suoi college¹⁷, in cui ai partecipanti è stato chiesto di toccare le dita con il feedback uditivo del partner o di se stessi dopo aver ascoltato gli stimoli del metro o non del metro.

Protocol

Il protocollo qui presentato è stato approvato dal Comitato universitario per la protezione della ricerca umana della East China Normal University. 1. Preparazione per l’esperimento Partecipanti Recluta un gruppo di studenti universitari e laureati con compensi monetari dalla pubblicità del campus. Assicurarsi che i partecipanti siano destrimani e abbiano una visione e un udito normali o corretti a normali. Assicurati che non abbiano studiato musica o l’abbiano s…

Representative Results

I risultati hanno mostrato che c’era IBS al canale 5 nella condizione di coordinamento del contatore, mentre non esisteva alcun IBS in altre condizioni (cioè indipendenza del contatore, coordinamento non del contatore, indipendenza non del contatore; Figura 2A). Al canale 5, l’IBS nella condizione di coordinamento del contatore era significativamente superiore ai valori di coerenza nella condizione di coordinamento e indipendenza del contatore non metrica (Figura 2B</st…

Discussion

Questo protocollo fornisce una procedura passo-passo per calcolare e convalidare l’IBS, utilizzando l’approccio di iperscansione fNIRS per raccogliere contemporaneamente i segnali cerebrali di due partecipanti. Di seguito vengono discussi alcuni problemi critici coinvolti nella pre-elaborazione dei dati fNIRS, nel calcolo IBS, nelle statistiche e nella convalida IBS.

Pre-trattamento dei dati
È necessario pre-elaborare i dati fNIRS negli studi di iperscansione per estrarre …

Materials

Computer	Hewlett-Packard Development Company, L.P.	HP S01-pF157mcn
Earphone	Royal Philips Electronics, Eindhoven, The Netherlands	SHE2405BK/00
EEG cap	Compumedics Neuroscan, Charlotte, USA	64-channel Quik-Cap
E-Prime software	Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, USA	E-Prime 3
fNIRS system	Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan	ETG-7100 Optical Topography System
MATLAB 2014b	The MathWorks, Inc., Natick, MA	MATLAB 2014b
MuseScore	Musescore Company, Belgium	MuseScore 3.6.2.548021803
Swimming cap	Decathlon Group, Villeneuve-d'Ascq, France	1681552