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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 malzemelerigörmek) alin alanına düzenlenmiş delik. Ve alttaki kaşları bulunan delikleri herhangi bir yönde birbirinden aralıklı 30 mm vardır, Yani, burun, yukarıda alnına ortasına delikler orta sütunda bulunan emin olun.
- Kapaklar daha rahat olun ve baskı izleri en aza indirmek, yumuşak battaniyeler malzeme ekler (örneğin, teyp veya benzer düz mühürleme yapışkanlı pencere köpük kauçuk malzeme) sonda yuva arasında sahibi kılavuzunun iç tarafında ve kenarlarında. İkiyüzlü yapışkan bant veya dikiş ipliği gerekiyorsa kullanın.
- Boş bir 3 x 5 sonda tutucu kılavuz mount ( Tablo malzemelerigörmek) her değiştirilmiş EEG kapaklar için böyle tutucu ızgara kapağı ve sahibi iç tarafında yerleştirilir sopa deliklere yuva.
Not: NIRS ölçüm sistemi ( Tablo malzemelerigörmek) iki prob kümeleri ayrı, her katılımcı için ayarla bir sonda kullanmak vardır. - Yavaşça her sonda sadece ilk ridge bir klik sesi sonuçları soket monte öyle ki sondalar ızgaralar üzerinde uygun tutucu soketleri takın.
- Açık sonda İzleyici penceresinin NIRS ölçüm sistemi ayarla ve seçin 2 sonda setleri 3 x 5 kılavuzunda her bir katılımcı çocuk ve yetişkin için düzenlenmiş. İki kapaklar sonda düzenlemeler düzenlemeleri sonda küme penceresinde uygun sağlamak (Yani, ilgili verici ve alıcı sonda numaraları aynı yer).
- Deneme hazırlamak.
- Öyle ki sistem kararlı bir çalışma sıcaklığı ulaşır NIRS ölçüm sistemi üzerinde 30 dk. önce ölçme, anahtarlı lazer diyot başlayın.
- NIRS ölçüm sistemi tüm gerekli seçenekleri ayarlayın. Aygıt olay ile ilgili ölçüm için ayarlanır ve RS232 seri giriş, Tetikleyicileri deneysel paradigma almak için gerekli etkin olduğundan emin olun.
Not: Deneme Cui vd tarafından tasarlanmış bir paradigma tarafından uyarlanmış bir sürümüdür ticari olmayan psikofizik araç uzatma, sürüm 3.0.1116programlanmış 12. - Teknik bilgi işlem yazılım başlatarak deneysel paradigma hazırlamak ( Tablo malzemelerigörmek) bu olarak hizmet veren Bankası psikofizik araç uzatma ve paradigma kaydedildiği klasörü için geçerli dizini ayarlanıyor.
- Deneme sırasında baş hareketleri engellemek için bilgisayar ekranı önünde yer iki çene aittir.
2. katılımcı varış Laboratuvarı
- Katılımcılar hazırlayın.
- Göstermek ve deneysel Kur katılımcılara NIRS ölçüm sistemi de dahil olmak üzere açıklar. Her zaman bu göze zararlı olabilir gibi katılımcılar doğrudan NIRS ölçüm sistemi lazer ışını bakma emin olun.
- Bilgisayar ekranı önünde yan yana katılımcılar koltuk. Öyle ki her iki katılımcı getirdiği rahatsızlıkların çene dinlenirken yüksekliğini ayarlayın.
- Katılımcılar talimat ve pratik denemeler kooperatif ve rekabetçi oyun yönetmek. Daha başka yönergeler almak pratik denemeler sırasında gerekiyorsa ver.
- Ölçmek ve nasion ve her katılımcının kafasına Trinitron arasındaki uzaklığı yüzde 10'u 10-20 sistemine göre Fpz nokta işareti.
- Kapaklar kapalı lazer ile katılımcıların başlar, üzerinde dikkatle probları yerleştirin. İlk yoklama kılavuz, katılımcının alnına dahil kap, ön yerleştirin ve kapağı boyun doğru geri çekin. Alttaki orta sonda Fpz üzerinde yerleştirilir ve orta sonda sütun sagittal başvuru eğrisi hizalanır emin olun.
- Böylece onlar gevşek katılımcı veya sandalye ile temas olmadan asmak ve kapaklar çekmeyin NIRS ölçüm sistemine bağlı tutucu kolundaki fiber dizeleri yerleştirin. Ek bir sahibi kullanın (Örn., değiştirilmiş mikrofon standı veya benzer) gerekirse ikinci katılımcı için.
- Küçük beyaz burun sonda kasa üst ortasına görünene kadar her sonda daha da yerinden itin.
Not: en kısa zamanda sonda katılımcının kafa derisi dokunduğundan burun yukarı doğru bir bobin bahar mekanizması tarafından itilir. - Lazer yeniden açın ve sinyal kalitesi NIRS ölçüm sisteminin sonda set İzleyicisi penceresinde otomatik kazanç düğmesini tıklatarak sınayın.
- Bir kanal (sarı renkte içeriyorsayani ), yeterli bir sinyal yavaşça yoksa saçların çevreleyen sonda ipucu altında bir kenara koy. Gerekirse, daha fazla sonda yerinden itmek ama katılımcının konfor sağlamak. Sinyal kalitesi (Kanal şimdi yeşil işaretleniryani ) otomatik kazanç düğmesini yeniden tıklatarak geliştirilmiş olup olmadığını kontrol edin.
- Eğer adım 2.1.9. değil için bir sinyal gelişme kurşun, sinyal yoğunluğunu ayarlayın. Eğer çok fazla sinyal (kanal kırmızıyla işaretlenen EğerYani, ), sinyal yoğunluğu tarafından tekrar tekrar düşük sinyal şiddeti değiştirmek sonda sembolünde ilgili sondanın tıklayarak İzleyici penceresinin NIRS ölçüm sisteminin ayarlayın. Yeterli sinyal (kanal içinde sarı renk içeriyorsayani ) varsa, sinyal şiddeti tekrar tekrar ilgili sondanın sembolü tıklatarak yüksek sinyal yoğunluğu için tekrar değiştirebilirsiniz.
- Denemeyi çalıştırmak
- Pratik denemeler sonra hiçbir soru vardır ve iyi sinyal kalitesi sağlanır, deneysel paradigma başlar.
- Onların anılan sıraya göre oyun ortak el hareketleri görememesi katılımcıların eller üzerinde bir havlu koyun.
- Deneme sonra verileri kaydetmek ve metin dosyası dışarı butonuna basarak çiğ ışık şiddeti verileri metin dosyası olarak verin. Herhangi bir filtre NIRS ölçüm sisteminde geçerli değildir.
- Tüm gerekli malzemeleri (probları, sonda sahipleri, dinlenirken çene) etanol ile temizleyin. Kapaklar nazik bir döngü hafif deterjan ile yıkayın.
3. veri analizi
- Ön işleme veri
Not: Birkaç non-tecimsel bilgisayar yazılımı paket mevcuttur fNIRS veri analizi için Örneğin., fNIRS19için17, NIRS beyin AnalyzIR18 veya SPM HomER. İkinci önişleme aşağıdakileri için kullanıldı. Aşağıdaki adımları gerçekleştirme konusunda daha fazla bilgi için lütfen araç el kitabına bakın.- SPM için fNIRS veri biçimi veri dosyalarını dönüştürmek.
- Değiştirilmiş bira-Lambert hukuk yanında acele belgili tanımlık değiştirmek düğme ana penceresinde kullanarak oksi-Hb ve deoksi-Hb konsantrasyonu değişiklikleri hesaplamak. Konu ve mesafe kaynak ve dedektör (Örneğin, 3 cm) arasında girin. Molar emme katsayıları oksi-Hb ve deoksi-Hb, dalga boyu (λ) için varsayılan değerleri kabul 1 ve λ 2 yanı sıra λ 1 ve λ 2 fark pathlength faktör (DPF) için varsayılan değerleri.
- Hareket eserler (MARA algoritması bkz: Scholkman ve ark. hakkında daha fazla bilgi için MARA düğmesini seçerek azaltmak için Hemodinamik değişiklikler zaman dizi önişlem 20).
- DCT düğmesini seçerek yavaş sürüklenir azaltmak için saat serisi önişlem.
- Kötü kanal algılama
Not: Kötü kanal algılama önce ve/veya fNIRS veri ön işleme sonra gerçekleştirilebilir. Bu protokol için kötü kanalları ve görsel muayene tespit için farklı objektif kriterler birleştirilir. Objektif kriterler önerilen liste ayrıntılı değildir. Kötü kanal tespiti için kendi kendine yazılmış komut dosyaları (teknik bilgi işlem yazılım için bkz: Tablo reçetesi) kullanılmıştır.- Olduğu zaman serisi olarak çizme zaman düz bir çizgiyle gösterilen sinyal için değişiklik yok birkaç sürekli örnekleri, kanallar hariç.
- CV varyasyon katsayısı hesaplamak SD/ortalama = * 100 ham zayıflama veriler için. MF değeri önceden tanımlanmış yüzde (Örneğin, % 10; bkz: Örneğin van der Kant vd. olduğu kanalları dışlama 21).
- Sinyal güç spektrumu arsa. Varsa kalp atışı yoktu yaklaşık 1 Hz, sinyal spektrumunda görünür bu frekans bandı içinde artan bir güç tarafından belirtildiği gibi kanal çözümleme dışı bırakmak.
- Tüm verileri önce ve/veya ön işleme sonra kontrol edin. 3.2.1 – açıklanan objektif ölçütlere göre kanal dahil edilip edilmeyeceğini karar 3.2.3, de öznel görsel algılama gürültülü kanal tarafında.
- Beyin-to-beyin bağlantısı
Not: İki farklı türde beyin bağlantısı seçkin tahmin etmek: belgili tanımlık connectivity gücünü ölçmek, Sigara yönelik tahminler ve istatistiksel kanıt nedensellik22 verilerden kurmaya yönelik tahminler . Burada odak dalgacık dönüşümü tutarlılık (WTC), yaygın olarak uygulanan bir yönetmen tahmin fNIRS beyin beyin bağlantısı için oldu. Çeşitli ticari olmayan yazılım çözümleri WTC hesaplama için kullanılabilir, Örneğin, Grinsted ve arkadaşları23 tarafından veya bu protokol için aşağıdaki adımlar için kullanılan ASToolbox24.- Tarafından sürekli dalgacık her saat dizi zaman ve frekans etki alanına dönüştürmek için kullanılan anne dalgacık (Örneğin, genelleştirilmiş Morse dalgacık parametreleri beta ve gama ile), ASToolbox AWCO işlevinde belirtin dönüştürme.
- AWCO işlevinde Düzeltme penceresi türü (Örneğin, Hanning pencere) ve zaman ve ölçek etki alanı için düzeltme pencere boyutunu belirtin.
- WTC katsayıları önemini incelemek ve onların phesaplamak için-değerleri, AWCO işlevinde vekil zaman serisi (n ≥ 300) sayısı ve ARMA modeli (Örneğin, AR (1)) belirtin.
- 3.3.1-3.3.3 adımda belirtilen parametrelerle dalgacık tutarlılık iki karşılık gelen kanal (iki katılımcılar aynı kanalda) hesaplar.
- Hangi görevle ilgili beyin beyin senkronizasyonu ortaya önceki çalışmalarda ve görsel denetim veri (için bir alternatif bir yaklaşım bakın Nozawa'ya ve ark. temel alarak beklenen ilgi bir frekans bandı seçin 25).
- WTC katsayıları ortalamasını ve/veya önemli WTC katsayıları her kanaldaki her görev blok ve her ikilisinin görevle ilgili frekans bandında yüzdesi hesaplamak. Daha fazla istatistik analiz (için daha fazla bilgi bkz: Reindl ve ark. beyin beyin senkronizasyonu bir sonuç ölçüsü olarak bu değeri kullanın 11).
- Rasgele ikili karşılaştırma
Not: sonuçları doğrulamak için birbirleri ile oynadığı değil ama aynı deneysel görev gerçekleştirilen rasgele yetişkin-çocuk eşlendirme WTC için gerçek dyads WTC karşılaştırma öneririz.- WTC, 3.3 içinde açıklandığı gibi hesaplamak., kim birlikte oynamadı ama aynı deneysel görevi (Örneğin, rasgele çiftleri) gerçekleştirilen katılımcı çiftleri için. Rasgele çiftleri (Örneğin, her koşul için 300) sayısını seçin ve WTC rastgele her çifti için hesaplayın.
- Sahte Synchronicity yakalanmamak için rastgele ve gerçek çiftlerinin tutarlılık karşılaştırın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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.
Şekil 1: Hyperscanning veri analizi ve temsilcisi sonuçları. Işık şiddeti veri 22 Kanal (CHs) iki katılımcılar içinde toplanır. İlk, kötü kanal bulunur ve daha fazla analizleri hariç. Daha sonra ışık şiddeti veri değişiklikleri kandaki oksi dönüştürülür (Δ Oxy-Hb) ve deoksi-hemoglobin (Δ deoksi-Hb). Sinyalleri için bir örnek teşkil eden üst-alt ikilisinin CH 8 sırasında kooperatif durumu gösterilir. Veri hareket eserler ve yavaş sürüklenir azaltarak Önişlenmiş. Daha sonra dalgacık tutarlılık Önişlenmiş oksi-Hb sinyalleri hesaplanır. Her dalgacık tutarlılık değeri önemini tahmin etmek için 300 vekil zaman serisi oluşturulur. Gözlenen dalgacık tutarlılık değeri vekil zaman serisi aynı noktada ölçek ve zaman içinde elde edilen dalgacık tutarlılık değerler % 95'i daha yüksek ise, olarak anlamlı kabul edilir. Önemli dalgacık tutarlılık değerleri komplo ilgili alanları çevreleyen düz çizgilerle işaretlenir. Tutarlılık görevle ilgili frekans bandında kara kutu içinde tasvir edilir. Unutmayın ki çözümleme adımları ve bu şekilde tasvir parameterization örnek olarak anlaşılmalıdır. En iyi parameterization verileri, Örneğinbağlıdır., MARA algoritmanın farklı parametreleri en iyi eserler20farklı türleri için işe yarayabilecek ve çözümleme adımları için bir altın standart henüz yoktur. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Sonuçlar-üst ikilisinin, her iki katılımcı 8 kanal fNIRS veri için örneği. Ön işleme önce fNIRS cihazından alınan ham ışık zayıflama veri oksi-Hb ve deoksi-Hb değişiklikler her iki katılımcı için dönüştürülür. Daha sonra fNIRS zaman hareket eserler ve sürüklenir azaltmak için Önişlenmiş serileridir. Son olarak, önemli WTC her iki katılımcı Önişlenmiş oksi-Hb sinyalleri hesaplanır.
Şekil 1 gösterir zaman ve frekans etki alanında tutarlılık katsayılarının oluşan çok değerli bir WTC matris (dönem uzunluğu burada). Katsayıları 0 ile mükemmel bir ilişki belirli bir zamanda gösteren 1 ile 1 arasında değişebilir ve24her ikisi de arasındaki frekans sinyalleri. Katsayıları (güçlü ya da maksimum tutarlılık) kırmızı mavi (az ya da hiç tutarlılık) arasında değişen bir renk eşlemi kullanarak görüntülenir. Önemli tutarlılık değerleri komplo ilgili alanları çevreleyen katı siyah çizgilerle işaretlenir. Başında ve sonunda her görev blok dikey kesikli çizgiyle gösterilir.
Sonuçları göster deneme boyunca güçlü bir tutarlılık bir yüksek frekans bandında bir dönem uzunluğu kadar ~ 1 s (1 Hz). Anne-baba ve çocuk kalp ritimleri gelen büyük olasılıkla bu sonuçları. Ayrıca, sonuçları daha düşük bir frekans bandı arasında güçlü bir tutarlılık göstermek ~ 2 s ve 8 s dönem uzunluğunu (0,5 - 0,125 Hz). Deneme uzunlukları değişken işaret pseudo-randomize süreleri (600-1500 ms) nedeniyle farklılık ve katılımcıların bireysel tepki süreleri yaklaşık 7 vardı ama tepki süreleri yaklaşık 1 varsayarsak ortalama olarak s s. Bu nedenle, büyük olasılıkla bu düşük frekans aralığında tutarlılık eşitleme beyin etkinliklerini her iki konuyu, görev sırasında yansıtır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 gerektirmez, hyperscanning doğal ortamında ve çocuklarda deneyler için uygundur. Ne zaman tasarımı, analiz etme ve yorumlama (fNIRS) hyperscanning deneyler, zorlukları yanı sıra olası çözümleri tartışmak aşağıda, biz bazı kritik sorunlar vurgulayın.
Deneysel tasarım. Hyperscanning çalışmaların önemli bir konu ile ilgili deneysel tasarım. Birbirinden aynı deneysel görevi tamamlayan iki katılımcılar daha sonra beyin beyin senkronizasyonu26algılanan benzer beyin faaliyetleri gösterebilir. Deneysel görev ve sosyal etkileşim tarafından uyarılan beyin beyin senkronizasyonu birbirinden ayırmak için uygun deneysel kontrol koşullar gereklidir. Bir yandan, onlar sadece kooperatif görev bileşeni ve uyarıcı malzeme ve katılımcının motor davranış farklı olduğundan kooperatif ve rekabetçi görevleri çok iyi uygundur. Öte yandan, daha az standart ve daha doğal etkileşimler (birlikte bir bulmaca kazanmakÖrneğin,) sosyal etkileşimli davranış daha fazla sapma neden ve daha büyük bir ekolojik geçerlilik olabilir.
Kanal uzamsal kayıt. Bir meydan okuma olarak fNIRS hyperscanning karşılık gelen kanalları hemodinamik etkinliğini ölçmek. Yayıcı ve dedektör probları iki katılımcılar başkanları ilgili yerlerde bağlama garanti etmez iki karşılık gelen kortikal bölgelerde faaliyet dinleniyor, bireysel beyin anatomisi katılımcılar arasında farklı sorumludur. Aynı anda bir yetişkin ve bir çocuk ölçme gelişimsel farklılıkları anatomik olanlar üzerine getirerek bu sorunu exacerbates. Ayrıca, kanalları giderek artan sayıda kanalları yerleşimini konular arasında değişkenlik nedeniyle kafa şekli ve boyutu27daha az tekrarlanabilir. Bir isteğe bağlı ETG-4000 için üç boyutlu uzayda kafasına sonda pozisyonlar indirgeme puan göre oluşturan birim konumlandırma bir sonda bir aksesuardır. Bu veriler daha sonra katılımcının beyin27yapısal Bay görüntüsünü birlikte kayıtlı olabilir. Faaliyet aslında iki katılımcılar arasında karşılık gelen beyin bölgelerinde ölçülür olup olmadığını Bay görüntüleri elde etme ve konumlandırma birimini kullanan deneyci daha iyi kontrol için olanak sağlar. Ayrıca, araştırmacılar kısmen bu sorun bir all-tüm bağlantı modeli hesaplayarak iki katılımcılar herhangi bir iki kanal arasında bağlantı ölçme aşmak.
Sistemik Fizyoloji etkisi. Bir başka önemli konu Hemodinamik değişiklikler sadece kaplin, nörovasküler böylece nöronal aktivite, etkisini ama aynı zamanda kalp hızı, kan basıncı, solunum hızı, değişiklikler gibi sistemik değişiklikler tarafından etkilendiği için bilinen ve otonomik olmasıdır sinir sistemi etkinlik28. Bu nedenle, iki birlikte çalışan katılımcıların Hemodinamik değişiklikler algıladı herhangi bir senkronizasyonu da bu faktörlerin bir senkronizasyonu için atfedilebilecek olabilir. Önceki çalışmalar iki etkileşen ortak gerçekten onların fizyolojik faaliyetleri29eşitlemek göstermiştir. Ancak, fizyolojik kaplin daha belirgin bir ama değil diğer koşul ise doğrudan birbirleriyle karşılaştırıldığında farklı deneysel koşullar ile görevleri'nde, bu sadece bir confounder olduğunu unutmayın. Yine de, bu parametreler deneysel kontrolünü etkinleştirmek için hyperscanning çalışmalarda fizyolojik veri elde etmek yararlı olabilir. Başka bir seçenek olarak gösterdiği son zamanlarda tarafından Nozawa'ya vd. Yüzeysel deri kan akımı sinyal için hassas ölçüm kanalları (Örneğin, 1 cm), kısa kaynak-dedektör (S-D) ayırma ile eklemek için 25' tir. İlgili bileşen ölçüm kanalları (Örneğin, 3 cm), normal bir S-D ayırma ile elde edilen fNIRS sinyalinden sonra kaldırılabilmesi için böylece fizyolojik kaynaklanan etkisini azaltarak. Böyle bir çift ya da çok mesafe yaklaşım görev gelişmiş karşı hassasiyetini artırmak için gösterilmiştir (burada: iletişim Gelişmiş) beyin beyin senkronizasyonu.
Veri analiz. Hyperscanning sonuçlar beyin beyin senkronizasyonu ölçmek için bir Tahmincisi bağlıdır. Mevcut çalışmada, oksi-Hb sinyalleri karşılık gelen kanal WTC beyin beyin senkronizasyonu bir ölçüsü olarak hesaplanır. Dalgacık tabanlı yöntemleri saat serisi zaman-frekans uzayda salınım dinamiklerini dikkate avantajı var. WTC dönüştürülmüş dalgacık zaman serisi, hesaplanan bir yönetmen iki zaman serisi arasındaki ilişkinin gücü temsil eden ölçüsüdür. Gelecekte çalışmaları, ayrıca hangi katılımcı "etkinliği (örneğin Pan et al. bkz: yol açar" incelemek amacıyla Granger nedensellik gibi yönlendirilmiş tedbirler dahil etmek ilginç olabilir 15). birçok önceki hyperscanning fNIRS tabanlı çalışma sadece bir sinyal (Örneğin, oksi-Hb) beyin beyin senkronizasyonu muayene ederken, Ayrıca, oksi-Hb ve deoksi-Hb dikkate almak tavsiye (ve muhtemelen toplam-Hb) olduğunu tam yararlanmak için fNIRS tekniği15avantajı.
Sınırlamalar. Her ne kadar fNIRS bir umut verici, hızla büyüyen nörogörüntüleme Teknik teklifi, aygıtla ilişkili bazı teknik kısıtlamalar böyle bir çalışma (için son bir daha gözden geçirme bkz: Pinti ve ark. planlarken dikkat edilmesi gereken 30). hareket eserler için EEG ve fMRI ile karşılaştırıldığında, fNIRS daha dayanıklıdır, henüz, hala yeterli hareket artefaktı kontrolü ve algılama gerektirir. Eserler birkaç olası nedeni vardır. İlk olarak, bazı katılımcılar kendi başını aniden, belirli bebekler ve çocuklar, oynat eğilimindedir ve böylece fiber yolları üzerinde optode kişiyi etkileyen çekme olabilir. Gelişmeler yeni fiberless cihazların hareketi için daha sağlam ve böylece araştırmalar aktif görevler30izin. Çene biraz kullanımı bir ek hareket Yapı denetimi olarak hizmet verebilir; Ancak, beyin aktiviteleri doğal etkileşimleri kaydetmek için yetenek sınırlar. İkinci olarak, yeterli optode kişisi edinme katılımcı koyu, kıvırcık ve / veya kalın saç tarafından engel. Optodes yerleştirerek böylece zaman alıcı olabilir ve mükemmel bir sinyal her zaman garantisi yoktur. Üçüncü olarak, fNIRS sistemine bağlı olarak, optodes daha uzun bir süre için giyiyor basınç deneyimli olabilir katılımcının kafasına nahoş koyabilirsiniz. Bu sadece deneme kayıt süresi sınırı yok ama aynı zamanda daha fazla hareket ve eserler için neden olabilir (Örneğin, küçük çocuk kapakta çekmek). Hareket eserler yanı sıra önemli önlemler kortikal yüzeyi sadece o fNIRS sağlamaktadır. Son olarak, henüz hiçbir standart veri analiz kurallar vardır. Birkaç avadanlıklarını son yıl içinde geliştirilmiş ve ilk deneme çeşitli önişleme teknikleri (Örneğin, Brigadoi ve ark. etkinliğini analiz için yapılmıştır 31 ve Cooper vd. 32). Ayrıca, bu makalede sunulan analitik Protokolü fNIRS hyperscanning verileri çözümlemek için bir yol gösterir. Önemlisi, seçilen parametrelere ve analizler standart bir kılavuz olarak değil de bir olası seçenek olarak anlaşılmalıdır. Birkaç diğer analitik iletişim kuralları için fNIRS hyperscanning son yıllarda farklı araştırma gruplarınca (örneğin Cui et al. bkz: geliştirilmiştir 12; Hirsch vd. 33).
Sonuç. fNIRS hyperscanning daha fazla sosyal etkileşimler34nörobiyolojik underpinnings anlayışlar kazanmak için umut verici bir tekniktir. Gelecekte, beyin-to-beyin senkronizasyonu doğal etkileşimleri ve konuların büyük gruplar doğru ikilisinin Taşınılan incelerken taşınabilir ve fiberless NIRS aygıtları özellikle önemli olabilir. Son olarak, farklı beyin görüntüleme teknikleri, Örneğin, EEG-fNIRS, birleştirerek yeni anlayışlar, beyin-to-beyin senkronizasyonu anlayışımızı genişletti sağlayabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
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
| 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).
