Summary
Настоящий Протокол описывает, как проводить эксперименты hyperscanning fNIRS и анализировать синхронности мозга к мозгу. Кроме того мы обсуждаем проблемы и возможные решения.
Abstract
Одновременных мозга записи двух или более лиц, взаимодействующих, подход называется hyperscanning, приобретают все большее значение для нашего понимания нейробиологических основ социальных взаимодействий, и возможно межличностных отношений . Функциональные ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) хорошо подходит для проведения экспериментов hyperscanning, потому что он измеряет местных Гемодинамические эффекты с высоким дискретизации и, главное, он может быть применен в естественных условиях, не требующие строгого движения ограничения. В этой статье мы представляем протокол для проведения fNIRS hyperscanning экспериментов с родитель ребенок диад и для анализа синхронности мозга к мозгу. Кроме того мы обсуждаем важнейшие вопросы и будущие направления деятельности, касающиеся экспериментальный дизайн, пространственной регистрации fNIRS каналов, физиологических влияний и методов анализа данных. Описывается протокол не является специфичным для диад родитель ребенок, но может применяться к целому ряду различных диадических созвездий, например взрослыми незнакомцами, романтических партнеров или братьев и сестер. В заключение, fNIRS hyperscanning имеет потенциал, чтобы дать новому взглянуть на динамику продолжающегося социального взаимодействия, которые возможно выходить за рамки того, что можно изучить путем изучения деятельности отдельных мозги.
Introduction
В последние годы нейрофизиологи начали изучать социальные взаимодействия путем записи мозга деятельность двух или более лиц одновременно, подход называется hyperscanning1. Эта технология открывает новые возможности для выяснения нейробиологических механизмы, лежащие в основе этих взаимодействий. Для полного понимания социальных взаимодействий, она не может быть достаточно для изучения одного мозги в изоляции, но скорее совместная деятельность мозги взаимодействующих лиц2. Использование различных нейровизуализационных методов, hyperscanning исследования показали, что мозг деятельности взаимодействующих лиц или групп синхронизации, например, в то время как они координируют свои действия3, сделать музыку4,5, общаться участвовать в классе деятельности6 или7сотрудничать.
Статья представляет собой протокол для проведения одновременных записей с функциональным ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS). Аналогично функциональной магнитно-резонансная томография (МРТ), fNIRS меры гемодинамического ответа для активации мозга. Изменения в насыщенной кислородом и венозная гемоглобина (кислородно Hb и deoxy-Hb) рассчитываются на основе количества diffusively ближнего инфракрасного света через ткани8. fNIRS хорошо подходит для проведения hyperscanning экспериментов, особенно с детьми, потому что он может быть применен в настройках менее ограниченных и более естественным, чем МР-томографию. Кроме того он менее подвержен артефакты движения чем, МР-томографию и ЭЭГ9. Кроме того fNIRS данные могут быть приобретены на высоких частотах дискретизации (например, 10 Гц), таким образом высоко oversamples относительно медленно гемодинамического ответа и тем самым потенциально обеспечивает более полную картину височной мозга гемодинамики10 .
Этот протокол был разработан в рамках исследования Reindl и др. 11 и был слегка изменен (в частности в отношении каналов размещения и идентификации плохой канал) совсем недавно. Целью исследования было изучить синхронизированных мозговой активности диад родитель ребенок. С помощью fNIRS hyperscanning, мы оценивали мозга к мозгу синхронности в областях префронтальной мозга детей (от пяти до девяти лет) и их родителей, главным образом матери, во время кооператив и конкурентных компьютер задач. Префронтальной мозга были направлены, как они были определены в качестве важных регионов для социальных интерактивных процессов в предыдущих hyperscanning исследований1. Задача сотрудничества и конкуренции были первоначально разработан Cui et al. 12 и недавно занятых на нескольких предыдущих исследований13,14,15. Для изучения Reindl и др. 11, задачи были изменены, чтобы быть пригодным для детей. Участникам было поручено реагировать либо совместно через нажатие кнопки в ответ на цели (сотрудничество) или реагировать быстрее, чем другой игрок (конкуренция). Каждый ребенок выполнена каждая задача один раз с родителем и один раз с Взрослый незнакомец того же пола как родитель. В рамках каждого ребенка Взрослый Диада вейвлет согласованности рассчитывалась для кислородно Hb сигналы соответствующих каналов как мера синхронности мозга к мозгу.
Этот протокол описывает процедуры сбора данных hyperscanning fNIRS родителя и ребенка во время сотрудничества и конкурентные игры. Общая процедура, однако, не является специфичным для этот дизайн исследования, но подходит для различных групп населения (например, взрослыми незнакомцами, романтических партнеров, братьев и сестер, и т.д.) и может быть адаптирована для целого ряда различных экспериментальных задач. Этот протокол также определяет один из возможных аналитические процедуры, которая охватывает необходимые и необязательные данные анализа шаги, включая fNIRS данных первичной обработки, плохой канал обнаружения, вейвлет-анализ согласованности и проверки путем анализа случайных пара.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
До участия, все родители детей условии информированного согласия / согласие. Это исследование был одобрен Комитетом по этике медицинского факультета университета RWTH Aachen.
1. Подготовка перед участником прибывает
- Приготовьте НИРС шапки.
- Выберите размеры крышки же немного больше, чем участника окружность головы или размер.
- Вырежьте 15 отверстия с диаметром около 15 мм каждый, аранжировано в горизонтальной сетки 3 x 5, в области лба каждого из 2 сырых ЭЭГ шапки (см. Таблицу материалы). Убедитесь, что отверстия интервал 30 мм друг от друга в любом направлении, что средний столбец отверстий расположен в центре лба, т.е. выше нос, и что в нижней строке расположен выше бровей.
- Для того, чтобы сделать более удобной крышки и минимизации давления марок, приложите мягкой пены материала (например, клей окно Уплотнительная лента или аналогичных квартиру поролоном материалы) на внутренней стороне держателя сетки между розетки зонд и по краям. При необходимости используйте двусторонний скотч или швейных ниток.
- Смонтировать пустая сетка держатель зонда 3 x 5 (см. Таблицу материалы) для каждого из модифицированных крышки ЭЭГ такие что держатель сетки, сам находится на внутренней стороне крышки и держатель розетки палку в отверстия.
Примечание: Система измерения НИРС (см. Таблицу материалы) имеет две отдельные наборы зонд, использовать один зонд для каждого участника. - Аккуратно вставьте зондов в соответствующий держатель розетки на сетках, таким образом, что только первый хребта каждый датчик монтируется в сокет, что приводит в один щелчок.
- Откройте зонд набора окно монитора в системе измерения НИРС и выберите наборы 2 зонда расположены в сетке 3 x 5 каждое, один для участвующих ребенка и один для взрослых. Убедитесь, что зонд договоренности двух крышек соответствует договоренности в окне набора зонд (т.е. такое же расположение соответствующих излучатель и приемник зонд чисел).
- Подготовьте эксперимент.
- Начните системы измерения НИРС с лазерные диоды, перешли на 30 минут перед началом измерения, таким образом, что система достигает стабильной температуры.
- Задайте все необходимые параметры в системе измерения НДК. Убедитесь, что устройство настроено для измерений, связанных с событием и что последовательный вход RS232, необходимые для получения триггеры от экспериментальных парадигмы, активен.
Примечание: Эксперимент-это адаптированная версия парадигме, разработанная Cui et al. 12, запрограммированы в некоммерческих психофизики элементов расширения, версии 3.0.1116. - Подготовьте экспериментальная парадигма, начиная с технических вычислений программного обеспечения (см. Таблицу материалы), служит базой для расширений элементов психофизики и настройку текущего каталога в папку, что парадигма сохраняется в.
- Место два Чин лежит перед экраном компьютера для предотвращения движения головы во время эксперимента.
2. участник Прибытие в лаборатории
- Подготовка участников.
- Показать и объяснить экспериментальные установки, включая системы измерения NIRS участникам. Всегда убедитесь, что участники не смотрите прямо в лазерный луч NIRS системы измерения как это может быть вредно для глаз.
- Сиденье участники рядом друг с другом перед экраном компьютера. Отрегулируйте высоту подбородка остатки таким образом, что оба участника удобно сидеть.
- Проинструктируйте участников и администрировать практика испытаний кооператива и конкурентные игры. При необходимости дать дополнительные инструкции во время практики испытаний.
- Измерить и отметьте точку Fpz согласно системе 10-20, которая составляет 10% от расстояния между Насьон и ИНИОН, на голову каждого участника.
- Место колпачки с зондами тщательно на участников головы, с лазер выключен. Место передней крышки, включая зонд сетки, на лбу участника сначала и затем потяните вниз по задней части крышки к шее. Убедитесь, что на Fpz помещается среднего зонд в нижней строке и столбце средней зонд выравнивается по сагиттальной Справочник кривой.
- Поместите волокно строк на держатель руку прилагается к системе измерения НДК, так, что они провисать без контакта с участником или стул и что они не тяните шапки. Используйте дополнительный держатель (например., модифицированный микрофон стенд или аналогичный) для второго участника при необходимости.
- Вставьте каждый зонд далее в ее гнездо до тех пор, пока маленький белый нос в центре верхней части корпуса датчика видна.
Примечание: Нос это толкаемых вверх катушки пружинным механизмом как только кончик зонда затрагивает участника волосистой части головы. - Включите лазер и проверить качество сигнала, нажав на кнопку Auto получить в окне набора монитора зонд системы измерения НДК.
- Если канал не имеет достаточного сигнала (то есть, если он помечен желтым), аккуратно отбросить волосы под окружающие кончик зонда. При необходимости вставьте зонды далее в их гнездах, но обеспечить комфорт участника. Проверьте, улучшилась ли качество сигнала (то есть, когда канал будет помечен зеленым цветом), нажав на кнопку Auto получить снова.
- Если шаг 2.1.9. не приведет к улучшению сигнала, Настройка интенсивности сигнала. Если есть слишком много сигнал (т.е., если канала помечен красным цветом), изменить интенсивность сигнала низкой интенсивности сигнала, неоднократно нажав на символ соответствующих зонда в зонд задать окно монитора системы измерения НДК. Если есть не хватает сигнал (т.е., если канал отмечен желтым цветом), измените интенсивности сигнала на сигнал высокого уровня интенсивности, снова, повторно нажав на символ соответствующих зонда.
- Запуск эксперимента
- Когда есть нет вопросов после испытания практики и обеспечивается качество хороший сигнал, запустите экспериментальная парадигма.
- Положите полотенце участников руки так, что они не могут видеть движения рук их соответствующих игру партнера.
- После эксперимента сохранить данные и экспортировать данные сырье интенсивности света в виде текстового файла, нажав на кнопку текстовый файл из. Никакие фильтры не применяются в системе измерения НДК.
- Очистите все необходимые материалы (зонды, зонд держатели, подбородок отдыхает) с этанолом. Мойте крышки в цикле нежно с мягким моющим средством.
3. анализ данных
- Обработка данных
Примечание: Есть несколько пакетов не коммерческого программного обеспечения для fNIRS анализа данных, например., Гомер17, БИК мозга AnalyzIR18 или СЗМ для fNIRS19. Последний был использован для следующие шаги предварительной обработки. Дополнительные сведения о том, как выполнять эти шаги, пожалуйста смотрите руководство по панели инструментов.- Конвертировать файлы данных в СЗМ для fNIRS формата данных.
- Расчет изменения концентрации кислородно Hb и deoxy-Hb, используя измененный Закон Бугера-Ламберта — Бера, нажав на кнопку Convert в главном окне. Укажите возраст предмета и расстояние между источником и детектор (например, 3 см). Примите значения по умолчанию для молярной абсорбции коэффициенты кислородно Hb и deoxy-Hb на длине волны (λ) 1 и λ 2, а также значения по умолчанию для дифференциальной pathlength фактор (DPF) на λ 1 и λ 2.
- Предварительная обработка временных рядов изменения гемодинамики уменьшить артефакты движения, выбрав кнопку Мара (для получения дополнительной информации о Мара алгоритм см Scholkman et al. 20).
- Предварительная обработка временных рядов для уменьшения медленно дрейфует, выбрав кнопку DCT.
- Плохой канал обнаружения
Примечание: Плохой канал обнаружения может быть проведена до и/или после предварительной обработки данных fNIRS. В этом протоколе объединяются различные объективные критерии для выявления плохие каналы и визуального осмотра. Пожалуйста, обратите внимание, что предложенный список объективных критериев не является исчерпывающим. Для обнаружения плохой канал, самостоятельно написанные скрипты были использованы (для технических вычислений программного обеспечения см. Таблицу материалы).- Исключите каналы, в которых не меняется сигнал для нескольких непрерывной образцов, которая обозначается плоская линия, когда построения временных рядов.
- Вычислить коэффициент вариации CV = SD/среднее * 100 для данных raw затухания. Исключить каналы, в которых CV является выше предопределенные процент (например, 10%; см. например ван дер Кант и др. 21).
- Участок спектра мощности сигнала. Если есть нет пульса, видимым в спектре сигнала около 1 Гц, как указывается на увеличение мощности в этом частотном диапазоне, исключите из анализа канала.
- Осмотрите все данные, до или после предварительной обработки. Решить, следует ли включить канал, основанный на объективных критериях, описанных в 3.2.1 – 3.2.3, а на субъективных визуального обнаружения шумных каналов.
- Мозг мозг подключения
Примечание: Две разные оценки, можно выделить типы подключения мозга:-направленных оценок, которые количественно оценить прочность соединения, и режиссер оценок, которые стремятся создать статистические доказательства причинно-следственной связи из данных22 . Здесь акцент был сделан на вейвлет преобразование согласованности (ВТЦ), широко применяются не направлена смета fNIRS подключения мозга к мозгу. Несколько некоммерческих программные решения для вычисления WTC доступны, например, один Grinsted и коллеги23 или ASToolbox24, который был использован в этом протоколе для следующих шагов.- В функции AWCO ASToolbox укажите вейвлет мать (например, обобщенные вейвлет Морс с параметрами бета- и гамма), который используется для преобразования каждого временного ряда в области времени и частоты вейвлет преобразование.
- Укажите тип сглаживания окна (например, Хеннинг окна) и сглаживания размер окна для домена время и масштаба в функции AWCO.
- Для изучения значимость коэффициентов WTC и вычислить их p-значения, укажите количество суррогатных временных рядов (n ≥ 300) и ARMA модель (например, AR (1)) в функции AWCO.
- С параметрами, указанными в шагах 3.3.1 к 3.3.3 Вычисление вейвлет согласованности двух соответствующих каналов (тот же канал в двух участников).
- Выбор частот интерес, в котором связанных с задачей мозга к мозгу синхронности ожидается на основе предыдущих исследований и визуальный осмотр данных (см. альтернативный подход Нодзава et al. 25).
- Вычислите среднее WTC коэффициентов и/или процент значительных WTC коэффициентов в полосе частот, связанных с задачей для каждого блока задач в каждом канале и для каждого диада. Используйте это значение как мера результат синхронности мозга к мозгу для дальнейшего анализа (для получения дополнительной информации см Reindl et al. 11).
- Сравнение с случайные пары
Примечание: Для проверки результатов, мы рекомендуем, сравнивая WTC фактической диад в ВТЦ случайных комбинаций взрослого и ребенка, которые не играют друг с другом, но выполнить ту же задачу экспериментальной.- Рассчитать ЦМТ, как описано в 3.3., участник пар, которые не играют вместе, но выполняется же экспериментальных задач (то есть, случайные пары). Выберите количество случайных пар (например, 300 для каждого условия) и рассчитать ЦМТ для каждой паре.
- Сравнение последовательности случайных и фактической пар, чтобы избежать обнаружения подложных синхронности.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Репрезентативных данных один родитель ребенок Диада во время совместных условия приведены на рисунке 1. Кооперативных задача состоит из трех 30 s отдыха и две задачи блоков, с 20 испытаний каждой, представленные в поочередно. В каждом испытании участники должны реагировать как можно на сигнал, чтобы заработать точки11одновременно.
Рисунок 1: Результаты анализа и представитель Hyperscanning данных. Интенсивность света данные собираются в 22 каналов (CHs) двух участников. Во-первых, плохие каналы обнаружены и исключены из дальнейшего анализа. Впоследствии, интенсивность света данных преобразуется в изменения в кислородно гемоглобина (Δ кислородно-Hb) и deoxy гемоглобина (Δ Deoxy-Hb). Сигналы отображаются для одной Диада образцовое родитель ребенок в CH 8 во время совместных условия. Данные предварительно снижая артефакты движения и медленно дрейфует. После этого согласованности вейвлет рассчитывается из обработанного сигналов кислородно Hb. Чтобы оценить значимость каждого значения согласованности вейвлет, генерируются 300 суррогатной временных рядов. Если значение согласованность наблюдаемых вейвлет выше 95% вейвлет согласованности значений, полученных из суррогатного временных рядов в той же точке во времени и масштаба, она рассматривается как значительный. Значительные вейвлет согласованности значения отмечены сплошными линиями, окружающих в соответствующих областях в заговоре. Согласованность в полосе частот, связанных с задачей изображен в черный ящик. Пожалуйста, обратите внимание, что шаги анализа и параметризации, изображенные на рисунке следует понимать в качестве примера. Оптимальное параметризации зависит от данных, например., различные параметры алгоритма Мара может работать лучше для различных типов артефактов20, и пока не золотой стандарт для любого из шагов анализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Результаты являются примером для fNIRS данных канала 8 обоих участников Диада родитель ребенок. До предварительной обработки, сырые затухание света данные, полученные от fNIRS устройства, преобразуются в изменения в кислородно Hb и deoxy-Hb для обоих участников. Далее fNIRS временных рядов препроцессированный уменьшить артефакты движения и сугробы. Наконец значительные ЦМТ рассчитывается из обработанного кислородно Hb сигналов обоих участников.
Рисунок 1 иллюстрирует матрицу реальный ценится ЦМТ, которая состоит из последовательности коэффициенты в домене, времени и частоты (здесь, в длину периода). Коэффициенты могут варьироваться между 0 и 1, с 1, указывающее идеальные отношения в определенное время и частоту между обоими сигналы24. Коэффициенты визуализируются с помощью цвета карты, начиная от синего (мало или нет согласованности) красный (сильный или максимальной согласованности). Значительной согласованности значения отмечены твердые черные линии, окружающих в соответствующих областях в заговоре. Начало и конец каждого блока задач обозначены вертикальными пунктирными линиями.
Результаты показывают сильную согласованности на протяжении всего эксперимента в высоких частот, до периода длиной ~ 1 s (1 Гц). Это скорее всего, результаты от сердечных ритмов родителя и ребенка. Кроме того, результаты показывают сильную согласованности в нижнем частотном диапазоне между ~ 2 s и 8 Длина периода s (0,5 - 0,125 Гц). Судебная длины отличаются из-за длительности псевдо рандомизированных переменной cue (600-1500 мс) и отдельных участников время реакции, но были около 7 s на среднем, предполагая время реакции составляет около 1 s. Таким образом согласованности в этом диапазоне низких частот вероятно отражает синхронизации обоих субъектов деятельности мозга во время задачи.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом протоколе мы покажем, как проводить эксперименты hyperscanning fNIRS и один из возможных способов анализа синхронности мозга к мозгу, измерения изменения концентрации кислородно Hb и deoxy-Hb в лобной мозга регионах двух предметов одновременно. FNIRS hyperscanning относительно легко применять: одно устройство NIRS достаточно измерить мозг деятельности обоих субъектов путем расщепления optodes между ними. Таким образом нет синхронизации между различными устройствами — необходимо1. Кроме того поскольку fNIRS не требует строгого движения ограничения, он хорошо подходит для проведения hyperscanning экспериментов в природной среде и детей. В следующем, мы выделить некоторые важнейшие вопросы, когда проектирование, анализ и интерпретация (fNIRS) hyperscanning эксперименты, обсудить проблемы, а также возможные решения.
Экспериментальный дизайн. Один важный вопрос о hyperscanning исследований касается экспериментальный дизайн. Два участника, кто же экспериментальной задачи независимо друг от друга может показать аналогичной деятельности мозга, которые затем могут быть обнаружены как мозг мозг синхронности26. Для различения синхронности мозга к мозгу, индуцированной путем экспериментальных задач и социального взаимодействия, необходимы соответствующие экспериментальные управления условия. С одной стороны задачи сотрудничества и конкурентоспособной очень хорошо подходят, потому что они отличаются только в компоненте совместных задач и не стимул материал и моторное поведение участника. С другой стороны менее стандартизированных и более естественный взаимодействия (например, делая головоломки вместе) может побудить больше разница в социальной интерактивное поведение и возможно большей экологической действительности.
Пространственной регистрации каналов. Одной из проблем в fNIRS hyperscanning измерение гемодинамического активности в соответствующих каналах. Подключая излучатель и детектор зондов в соответствующих местах глав двух участников не гарантирует, что постучал деятельность в двух соответствующих корковых регионах, как отдельных мозга анатомии ответственность отличаться для разных участников. Одновременные измерения взрослый и ребенок усугубляет эту проблему путем введения развития различия на вершине анатомический из них. Кроме того с увеличением числа каналов, размещение каналов является менее воспроизводимых через предметы из-за изменчивости в форма головы и размер27. Один дополнительный аксессуар для ETG-4000 является датчик позиционирования блока, который создает зонд позиции относительно координатных точек на голове в трехмерном пространстве. Эти данные затем могут быть совместно зарегистрированных структурных MR образ участника мозга27. Получение изображения МРТ и с помощью позиционирования устройство позволит экспериментатор лучше контролировать ли активность на самом деле измеряется в соответствующих регионах мозга через двух участников. Кроме того исследователи могут частично обойти эту проблему путем вычисления модель подключения все в все, измерения связи между любой из двух участников.
Влияние физиологии системным. Еще одним важным вопросом является то, что изменения гемодинамики известных влияние не только эффект нейроваскулярных муфты, таким образом нейронной активности, но и системные изменения, например изменения частоты сердечных сокращений, артериальное давление, частоту дыхания и вегетативной активность нервной системы28. Таким образом любой синхронности, обнаруженные в гемодинамические изменения двух сотрудничающих участников может также объясняться синхронность этих факторов. Предыдущие исследования показали, что два взаимодействующих партнеры действительно синхронизировать их физиологической деятельности29. Однако, обратите внимание, что в задачах с различных экспериментальных условиях, которые непосредственно сопоставляются друг с другом, это только confounder, если физиологические сцепления более видное место в один, но не другие состояния. Тем не менее это может быть полезно для получения физиологических данных в hyperscanning исследования, чтобы позволить экспериментальный контроль этих параметров. Еще один вариант, как недавно продемонстрировано Нодзава и др. 25, необходимо добавить каналы измерения с короткой источник детектор (S-D) разделения (например, 1 см), которые чувствительны к поверхностным кожи кровотока сигнал. Соответствующего компонента могут быть удалены из сигнала fNIRS, полученные от измерительных каналов с регулярного разделения S-D (например, 3 см), тем самым уменьшая влияние физиологического вмешивающиеся факторы. Такой подход двойной или несколькими расстояние было показано, улучшить чувствительность к задаче расширение (здесь: расширение коммуникации) синхронности мозга к мозгу.
Анализ данных. Hyperscanning результаты зависят от оценщика для количественного определения синхронности мозга к мозгу. В текущем исследовании мы рассчитали WTC кислородно Hb сигналов соответствующих каналов как мера синхронности мозга к мозгу. Методы на основе вейвлет имеют то преимущество, что они считают колебательной динамики временных рядов в частотно-пространстве. WTC мера-направленных рассчитывается от вейвлет-преобразование временных рядов, выражающей степень взаимосвязи между двумя временных рядов. В будущем исследования, было бы интересно дополнительно включить направлены меры, такие как Грейнджер причинности, для изучения которых участник «ведет» деятельность (см., например, Пан и др. 15). Кроме того, в то время как многие предыдущие исследования на основе fNIRS hyperscanning изучения мозга к мозгу синхронности в только один сигнал (например, кислородно Hb), это целесообразно рассмотреть кислородно Hb и deoxy-Hb (и возможно всего Hb) для того, чтобы в полной мере преимущество fNIRS техника15.
Ограничений. Хотя fNIRS предлагает перспективный, быстро растущих нейровизуализации технику, некоторые технические ограничения, связанные с устройством необходимо учитывать при планировании такого исследования (для недавнего обзора см Pinti et al. 30). по сравнению с ЭЭГ и МР-томографию, fNIRS более устойчив к артефакты движения, тем не менее, она по-прежнему требует достаточного контроля движения артефакт и обнаружения. Есть несколько возможных причин артефактов. Во-первых некоторые участники склонны переместить их головы внезапно, в частности младенцев и детей и тем самым может тянуть на участки волокна, затрагивающих контакт optode. Разработки новых устройств, fiberless более устойчивы к движению и тем самым позволяют исследования активных задач30. Использование подбородка может служить элемент артефакт дополнительные движения; Однако это ограничивает возможность записи деятельности мозга в природных взаимодействий. Во-вторых приобретение адекватных optode контакт может затрудняться темные, фигурные и / или толстые волосы участника. Размещение optodes таким образом может быть трудоемким и совершенный сигнал не всегда гарантировано. В-третьих в зависимости от системы fNIRS, носить optodes для более длительного периода времени может оказать давление на голову участника, который может быть испытано как неприятно. Это не только ограничить время записи эксперимента, но может также привести к больше движения и артефактов (например, маленьких детей может тянуть на крышке). Помимо артефактов движения, стоит отметить, что fNIRS обеспечивает меры только на поверхности коры головного мозга. Наконец есть еще не руководящие принципы анализа стандартизированных данных. Несколько комплектов были разработаны за последние годы и первые попытки были сделаны для анализа эффективности различных методов предварительной обработки (например, Brigadoi и др. 31 и Купер и др. 32). Кроме того, аналитическая протокола, представленные в этой статье показан один из способов анализа данных hyperscanning fNIRS. Важно отметить, что выбранные параметры анализа следует понимать как один из возможных вариантов, а не стандартного руководства. Несколько других аналитических протоколов для fNIRS hyperscanning были разработаны в последние годы различных исследовательских групп (см., например, Cui et al. 12; Хирш и др. 33.)
Заключение. fNIRS hyperscanning является перспективным технику, чтобы получить дальнейшее понимание нейробиологических основ социальных взаимодействий34. В будущем портативные и fiberless БИК устройства могут быть особенно важное значение при рассмотрении мозга к мозгу синхронности в естественное взаимодействие и переход от Диада направлении больших групп субъектов. Наконец сочетая различные нейровизуализационных методов, например, ЭЭГ fNIRS, могут предоставлять новые идеи, расширения нашего понимания одновременности мозга к мозгу.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа финансировалась Excellence инициативе немецкого федерального государства и правительств (ERS семенной фонд, OPSF449). Hitachi NIRS системы была поддержана финансирования немецкого DFG исследовательский фонд (INST 948/18-1 FUGG).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 3x5 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.
- 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.
- 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).
