Групповая синхронизация во время совместного рисования с использованием функциональной ближней инфракрасной спектроскопии
Summary
Настоящий протокол сочетает в себе функциональную ближнюю инфракрасную спектроскопию (fNIRS) и видеонаблюдение для измерения межличностной синхронизации в квартетах во время совместного рисования.
Abstract
Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) является неинвазивным методом, особенно подходящим для измерения активации коры головного мозга у нескольких субъектов, что актуально для изучения групповых межличностных взаимодействий в экологических условиях. Хотя многие системы fNIRS технически предлагают возможность мониторинга более двух человек одновременно, по-прежнему требуется создание простых в реализации процедур настройки и надежных парадигм для отслеживания гемодинамических и поведенческих реакций в групповом взаимодействии. Настоящий протокол сочетает в себе fNIRS и видеонаблюдение для измерения межличностной синхронизации в квартетах во время совместной задачи. Этот протокол содержит практические рекомендации по сбору данных и проектированию парадигм, а также руководящие принципы для иллюстративного примера анализа данных. Процедура предназначена для оценки различий в мозговых и поведенческих межличностных реакциях между социальными и несоциальными условиями, вдохновленными хорошо известной ледокольной деятельностью, Collaborative Face Drawing Task. Описанные процедуры могут направлять будущие исследования для адаптации групповых натуралистических видов деятельности по социальному взаимодействию к среде fNIRS.
Introduction
Поведение межличностного взаимодействия является важным компонентом процесса соединения и создания эмпатических связей. Предыдущие исследования показывают, что такое поведение может выражаться в возникновении синхронности, когда биологические и поведенческие сигналы выравниваются во время социального контакта. Данные показывают, что синхронность может возникать между людьми, взаимодействующими впервые 1,2,3. Большинство исследований социальных взаимодействий и лежащих в их основе нейронных механизмов используют подход одного человека или второго лица 2,4, и мало что известно о переносе этих знаний в групповую социальную динамику. Оценка межличностных реакций в группах из трех и более человек по-прежнему является проблемой для научных исследований. Это приводит к необходимости приведения в лабораторию сложной среды социальных взаимодействий у повседневного человека в натуралистических условиях5.
В этом контексте метод функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) является перспективным инструментом для оценки взаимосвязей между межличностным взаимодействием в натуралистических контекстах и его коррелятами мозга. Он представляет меньшие ограничения на подвижность участников по сравнению с функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ) и устойчив к артефактам движения 6,7. Методика fNIRS работает путем оценки гемодинамических эффектов в ответ на активацию мозга (изменения концентрации в крови насыщенного кислородом и дезоксигенированного гемоглобина). Эти вариации могут быть измерены количеством диффузии инфракрасного света через ткань кожи головы. Предыдущие исследования продемонстрировали гибкость и надежность метода в экологических экспериментах гиперсканирования и потенциал для расширения знаний в прикладной нейробиологии 6,8.
Выбор экспериментальной задачи для натуралистической оценки нейронных коррелятов процессов социального взаимодействия в группах является важнейшим шагом в подходе к прикладным нейробиологическим исследованиям9. Некоторые примеры, уже представленные в литературе с использованием fNIRS в групповых парадигмах, включают музыкальное исполнение 10,11,12, взаимодействие в классе 8 и общение 13,14,15,16,17.
Одним из аспектов, еще не исследованных предыдущими исследованиями, является использование игр для рисования, которые имеют в качестве основной особенности манипулирование эмпатическими компонентами для оценки социального взаимодействия. В этом контексте одной из игр, часто используемых для стимулирования социального взаимодействия в динамике среди незнакомцев, является совместная игра в рисование18,19. В этой игре листы бумаги делятся на равные части, а участникам группы предлагается нарисовать общие автопортреты всех участников. В конце концов, каждый участник имеет свой портрет, нарисованный совместным способом несколькими руками.
Цель состоит в том, чтобы способствовать быстрой интеграции между незнакомыми людьми, спровоцированной путем направления визуального внимания на лица партнеров по группе. Его можно считать «ледокольной» деятельностью из-за его способности поддерживать любопытство и последующие эмпатические процессы среди членов19.
Одним из преимуществ использования чертежных заданий является их простота и удобство воспроизведения20. Они также не требуют какой-либо специальной технической подготовки или навыков, как видно из исследований с использованием парадигм музыкального исполнения 21,22,23,24. Эта простота также позволяет выбрать более натуралистический стимул в социальном контексте 4,9,25.
Помимо того, что рисование является инструментом для индуцирования социального поведения в группах, оно также считается инструментом психологической оценки26. Некоторые графо-проективные психологические тесты, такие как Дом-Дерево-Человек (ПВТ)27,28,29, Рисунок фигуры человека – Шкала Систо27 и Кинетический семейный рисунок30, используются в качестве дополнения для качественной и количественной диагностики. Их результаты обычно выражают бессознательные процессы, давая подсказки о символической системе индивида и, следовательно, его интерпретации мира, переживаний, привязанностей и т. Д.
Практика рисования заставляет человека думать и помогает создавать смысл для переживаний и вещей, добавляя ощущения, чувства, мысли и действия31. Это дает подсказки о том, как воспринимать и обрабатывать эти жизненные переживания26. Рисование использует визуальные коды, чтобы позволить человеку понимать и передавать мысли или чувства, делая их доступными для манипуляций и, таким образом, создавая возможность для новых идей и чтений31.
В арт-терапии рисование является инструментом для работы над вниманием, памятью и организацией мыслей и чувств32, и его можно использовать в качестве средства для производства социального взаимодействия33.
Это исследование было направлено на разработку натуралистического экспериментального протокола для оценки сосудистых и поведенческих реакций мозга во время межличностного взаимодействия в квартетах с использованием динамики совместного рисования. В этом протоколе предлагается оценка мозговых реакций квартета (индивидуально и синхронности между партнерами) и возможных показателей исхода, таких как поведенческие меры (рисование и поведение взгляда). Цель состоит в том, чтобы предоставить больше информации о социальной нейробиологии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Это исследование было направлено на создание протокола с использованием гиперсканирования на четырех мозгах одновременно в натуралистических условиях. Экспериментальная парадигма использовала различные задачи рисования и корреляцию нескольких показателей результатов, метрик рис?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Instituto do Cérebro (InCe-IIEP) и Hospital Israelita Albert Einstein (HIAE) за поддержку этого исследования. Особая благодарность Хосе Белену де Оливейре Нето за английскую корректуру этой статьи.
Materials
| 2 NIRSport | NIRx Medizintechnik GmbH, Germany | Nirsport 88 | The equipment belong to InCe ( Instituto do Cérebro – Hospital Israelita Albert Einstein). two continuous-wave systems (NIRSport8x8, NIRx Medical Technologies, Glen Head, NY, USA) with eight LED illumination sources emitting two wavelengths of near-infrared light (760 and 850 nm) and eight optical detectors each. 7.91 Hz. Data were acquired with the NIRStar software version 15.2 (NIRx Medical Technologies, Glen Head, New York) at a sampling rate of 3.472222. |
| 4 fNIRS caps | NIRx Medizintechnik GmbH, Germany | The blackcaps used in the recordings had a configuration based on the international 10-20 | |
| Câmera 360° – Kodak Pix Pro SP360 | Kodak | Kodak PixPro: https://kodakpixpro.com/cameras/360-vr/sp360 | |
| Cameras de suporte – Iphone 8 | Apple | Iphone 8 | Supporting Camera |
| fOLD toolbox (fNIRS Optodes’ Location Decider) | Zimeo Morais, G.A., Balardin, J.B. & Sato, J.R. fNIRS Optodes’ Location Decider (fOLD): a toolbox for probe arrangement guided by brain regions-of-interest. Scientific Reports. 8, 3341 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-21716-z | Version 2.2 (https://github.com/nirx/fOLD-public) | Optodes placement was guided by the fOLD toolbox (fNIRS Optodes’ Location Decider, which allows placement of sources and detectors in the international 10–10 system to maximally cover anatomical regions of interest according to several parcellation atlases. The ICBM 152 head model parcellation was used to generate the montage, which was designed to provide coverage of the most anterior portion of the bilateral prefrontal cortex |
| Notebook Microsoft Surface | Microsoft | Notebook receiver of the fNIRS signals | |
| R platform for statistical computing | https://www.r-project.org | R version 4.2.0 | R is a free software environment for statistical computing and graphics. It compiles and runs on a wide variety of UNIX platforms, Windows and MacOS |
| REDCap | REDCap is supported in part by the National Institutes of Health (NIH/NCATS UL1 TR000445) | REDCap is a secure web application for building and managing online surveys and databases. | |
| software Mangold Interact | Mangold International GmbH, Ed. | interact 5.0 | Mangold: https://www.mangold-international.com/en/products/software/behavior-research-with-mangold-interact.html. Allows analysis of videos for behavioral outcomes and of autonomic monitoring for emotionally driven physiological changes (may require additional software, such as DataView). Allow the use of different camera types simultaneously and hundreds of variations of coding methods. |
| software NIRSite | NIRx Medizintechnik GmbH, Germany | NIRSite 2.0 | For creating the montage and help optode placement and location in the blackcaps. |
| software nirsLAB-2014 | NIRx Medizintechnik GmbH, Germany | nirsLAB 2014 | fNIRS Data Processing |
| software NIRStar | NIRx Medizintechnik GmbH, Germany | version 15.2 | for fNIRS data aquisition: NIRStar software version 15.2 at a sampling rate of 3.472222 |
| software NIRStim | NIRx Medizintechnik GmbH, Germany | For creation and organization of paradigm blocks |
References
- Feldman, R. The neurobiology of human attachments. Trends in Cognitive Sciences. 21 (2), 80-99 (2017).
- Hove, M. J., Risen, J. L. It’s all in the timing: Interpersonal synchrony increases affiliation. Social Cognition. 27 (6), 949-960 (2009).
- Long, M., Verbeke, W., Ein-Dor, T., Vrtička, P. A functional neuro-anatomical model of human attachment (NAMA): Insights from first- and second-person social neuroscience. Cortex. 126, 281-321 (2020).
- Redcay, E., Schilbach, L. Using second-person neuroscience to elucidate the mechanisms of social interaction. Nature Reviews Neuroscience. 20 (8), 495-505 (2019).
- Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: Past, present and future. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
- Balardin, J. B., et al. Imaging brain function with functional near-infrared spectroscopy in unconstrained environments. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 1-7 (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, 1-6 (2013).
- Brockington, G., et al. From the laboratory to the classroom: The potential of functional near-infrared spectroscopy in educational neuroscience. Frontiers in Psychology. 9, 1-7 (2018).
- Sonkusare, S., Breakspear, M., Guo, C. Naturalistic stimuli in neuroscience: Critically acclaimed. Trends in Cognitive Sciences. 23 (8), 699-714 (2019).
- Duan, L., et al. Cluster imaging of multi-brain networks (CIMBN): A general framework for hyperscanning and modeling a group of interacting brains. Frontiers in Neuroscience. 9, 1-8 (2015).
- Ikeda, S., et al. Steady beat sound facilitates both coordinated group walking and inter-subject neural synchrony. Frontiers in Human Neuroscience. 11 (147), 1-10 (2017).
- Liu, T., Duan, L., Dai, R., Pelowski, M., Zhu, C. Team-work, team-brain: Exploring synchrony and team interdependence in a nine-person drumming task via multiparticipant hyperscanning and inter-brain network topology with fNIRS. NeuroImage. 237, 118147 (2021).
- Jiang, J., et al. Leader emergence through interpersonal neural synchronization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (14), 4274-4279 (2015).
- Nozawa, T., et al. Interpersonal frontopolar neural synchronization in group communication: An exploration toward fNIRS hyperscanning of natural interactions. Neuroimage. 133, 484-497 (2016).
- Dai, B., et al. Neural mechanisms for selectively tuning in to the target speaker in a naturalistic noisy situation. Nature Communications. 9 (1), 2405 (2018).
- Lu, K., Qiao, X., Hao, N. Praising or keeping silent on partner’s ideas: Leading brainstorming in particular ways. Neuropsychologia. 124, 19-30 (2019).
- Lu, K., Hao, N. When do we fall in neural synchrony with others. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 14 (3), 253-261 (2019).
- Edwards, B. . Drawing on the Right Side of the Brain: The Definitive, 4th Edition. , (2012).
- Hass-Cohen, N., Findlay, J. C. . Art Therapy & The Neuroscience of Relationship, Creativity, &Resiliency. Skills and Practices. , (2015).
- Maekawa, L. N., de Angelis, M. A. A percepção figura-fundo em paciente com traumatismo crânio-encefálico. Arte-Reabilitação. , 57-68 (2011).
- Babiloni, C., et al. Simultaneous recording of electroencephalographic data in musicians playing in ensemble. Cortex. 47 (9), 1082-1090 (2011).
- Babiloni, C., et al. Brains "in concert": Frontal oscillatory alpha rhythms and empathy in professional musicians. NeuroImage. 60 (1), 105-116 (2012).
- Müller, V., Lindenberger, U. Cardiac and respiratory patterns synchronize between persons during choir singing. PLoS ONE. 6 (9), 24893 (2011).
- Greco, A., et al. EEG Hyperconnectivity Study on Saxophone Quartet Playing in Ensemble. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 1015-1018 (2018).
- Osborne-Crowley, K. Social Cognition in the real world: Reconnecting the study of social cognition with social reality. Review of General Psychology. 24 (2), 144-158 (2020).
- Kantrowitz, A., Brew, A., Fava, M. . Proceedings of an interdisciplinary symposium on drawing, cognition and education. , 95-102 (2012).
- Petersen, C. S., Wainer, R. . Terapias Cognitivo-Comportamentais para Crianças e Adolescentes. , (2011).
- Sheng, L., Yang, G., Pan, Q., Xia, C., Zhao, L. Synthetic house-tree-person drawing test: A new method for screening anxiety in cancer patients. Journal of Oncology. 2019, 5062394 (2019).
- Li, C. Y., Chen, T. J., Helfrich, C., Pan, A. W. The development of a scoring system for the kinetic house-tree-person drawing test. Hong Kong Journal of Occupational Therapy. 21 (2), 72-79 (2011).
- Ferreira Barros Klumpp, C., Vilar, M., Pereira, M., Siqueirade de Andrade, M. Estudos de fidedignidade para o desenho da família cinética. Revista Avaliação Psicológica. 19 (1), 48-55 (2020).
- Adams, E. Drawing to learn learning to draw. TEA: Thinking Expression Action. , (2013).
- Bernardo, P. P. . A Prática da Arteterapia. Correlações entre temas e recursos. Vol 1. , (2008).
- Cheng, X., Li, X., Hu, Y. Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: AfNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 36 (6), 2039-2048 (2015).
- Baker, J., et al. Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning. Scientific Reports. 6, 1-11 (2016).
- Bowie, C. R., Harvey, P. D. Administration and interpretation of the Trail Making Test. Nature Protocols. 1 (5), 2277-2281 (2006).
- Valenzuela, M. J., Sachdev, P. Brain reserve and dementia: A systematic review. Psychological Medicine. 4 (36), 441-454 (2006).
- Johnson, D. K., Storandt, M., Morris, J. C., Galvin, J. E. Longitudinal study of the transition from healthy aging to Alzheimer disease. Archives of Neurology. 66 (10), 1254-1259 (2009).
- Risco, E., Richardson, D. C., Kingstone, A. The dual function of gaze. Current Directions in Psychological Science. 25 (1), 70-74 (2016).
- Capozzi, F., et al. Tracking the Leader: Gaze Behavior in Group Interactions. iScience. 16, 242-249 (2019).
- Cavallo, A., et al. When gaze opens the channel for communication: Integrative role of IFG and MPFC. NeuroImage. 119, 63-69 (2015).
- Kauffeld, S., Meyers, R. A. Complaint and solution-oriented circles: Interaction patterns in work group discussions. European Journal of Work and Organizational Psychology. 18 (3), 267-294 (2009).
- Gowen, E., Miall, R. C. Eye-hand interactions in tracing and drawing tasks. Human Movement Science. 25 (4-5), 568-585 (2006).
- Marcolino, J., Suzuki, F., Alli, L., Gozzani, J., Mathias, L. Medida da ansiedade e da depressão em pacientes no pré-operatório. Estudo comparativo. Revista Brasileira Anestesiologia. 57 (2), 157-166 (2007).
- del Prette, Z., del Prette, A., del Prette, Z., del Prette, A. . Inventario de Habilidades Sociais. , (2009).
- Mattos, P., et al. Artigo Original: Adaptação transcultural para o português da escala Adult Self-Report Scale para avaliação do transtorno de déficit de atenção/hiperatividade (TDAH) em adultos. Revista de Psiquiatria Clinica. 33 (4), 188-194 (2006).
- Zimeo Morais, G. A., Balardin, J. B., Sato, J. R. fNIRS Optodes’ Location Decider (fOLD): A toolbox for probe arrangement guided by brain regions-of-interest. Scientific Reports. 8 (1), 3341 (2018).
- Davidson, R. J. What does the prefrontal cortex "do" in affect: Perspectives on frontal EEG asymmetry research. Biological Psychology. 67 (1-2), 219-233 (2004).
- Hessels, R. S. How does gaze to faces support face-to-face interaction? A review and perspective. Psychonomic Bulletin and Review. 27 (5), 856-881 (2020).
- Mangold, P. Discover the invisible through tool-supported scientific observation: A best practice guide to video-supported behavior observation. Mindful Evolution. Conference Proceedings. , (2018).
- Kandel, E. R. . The Age of Insight. The quest to understand the unconscious in art, mind and brain from Vienna 1900 to the present. , (2012).
- Miall, R. C., Nam, S. H., Tchalenko, J. The influence of stimulus format on drawing-A functional imaging study of decision making in portrait drawing. Neuroimage. 102, 608-619 (2014).
- Gombrich, E. H. . Art and Illusion: A study in the psychology of pictorial representation. 6th ed. , (2002).
- Kirsch, W., Kunde, W. The size of attentional focus modulates the perception of object location. Vision Research. 179, 1-8 (2021).
- Deubel, H., Schneidert, W. X. Saccade target selection and object recognition: Evidence for a common attentional mechanism. Vision Research. 36 (12), 1827-1837 (1996).
- Tchalenko, J. Eye movements in drawing simple lines. Perception. 36 (8), 1152-1167 (2007).
- Perdreau, F., Cavanagh, P. The artist’s advantage: Better integration of object information across eye movements. iPerceptions. 4 (6), 380-395 (2013).
- Quaresima, V., Bisconti, S., Ferrari, M. A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults. Brain and Language. 121 (2), 79-89 (2012).
- Holleman, G. A., Hessels, R. S., Kemner, C., Hooge, I. T. Implying social interaction and its influence on gaze behavior to the eyes. PLoS One. 15 (2), 0229203 (2020).
- Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
- Gangopadhyay, N., Schilbach, L. Seeing minds: A neurophilosophical investigation of the role of perception-action coupling in social perception. Social Neuroscience. 7 (4), 410-423 (2012).
