开放性协作学习中的脑间同步性：一项基于fNIRS超扫描的研究

摘要

本文概述了在自然学习环境中对协作学习对组进行功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描实验的操作方案，并提出了一种用于分析氧合血红蛋白（Oxy-Hb）信号的脑间同步性（IBS）的数据处理流程。

摘要

功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描技术被广泛用于探测社会互动的神经生物学基础。该技术通过一种称为“脑间同步性”（IBS）的新指标（即神经或血流动力学信号在时间上的相位和/或振幅对齐），来评估两个或多个互动个体之间的同步脑活动。本文介绍了一种在自然学习环境中对协作学习对组开展fNIRS超扫描实验的标准化方案，并详细说明了对氧合血红蛋白（Oxy-Hb）信号进行脑间同步性分析的数据处理流程。具体包括实验设计、NIRS数据采集过程、数据分析方法以及未来研究方向。总体而言，实施标准化的fNIRS超扫描流程是第二人称神经科学的基本组成部分，同时也符合开放科学的倡导，有助于提升研究的可重复性。

引言

近年来，为了揭示互动二人组或群体成员之间同时发生的脑活动，研究人员采用了超扫描（hyperscanning）方法^1,2。具体而言，脑电图（EEG）、功能磁共振成像（fMRI）和功能近红外光谱成像（fNIRS）被用于同时记录两名或更多受试者的神经与脑活动^3,4,5。研究人员基于该技术提取出一种包含同步脑耦合的神经指标，即脑间同步性（inter-brain synchrony, IBS）（指神经或血流动力学信号在时间上的相位和/或振幅对齐）。大量超扫描研究表明，在多个个体之间的社会互动过程中存在脑间同步性（例如表演者-观众、教师-学习者、领导者-追随者等）^6,7,8。此外，脑间同步性对有效学习与教学具有特定意义^9,10,11,

方案

所有招募的参与者（40对，平均年龄22.1 ± 1.2岁；100%右利手；视力正常或矫正至正常）均身体健康。实验前，参与者均签署了知情同意书。参与者因其参与获得了经济补偿。本研究经华东师范大学人类研究保护委员会批准（HR-0053-2021）。

1. 采用数据前的准备步骤

1. 自制近红外光谱（NIRS）帽
   1. 采用弹性泳帽以固定探头支架网格。
      注意：考虑到受试者头部尺寸不同，使用两种尺寸的帽子。小号帽子适用于头围为 55.4 ± 1.1 cm 的受试者，大号帽子适用于头围为 57.9 ± 1.2 cm 的受试者。
   2. 根据国际标准 10-10 系统，在弹性泳帽上以 EEG 电极位置（枕外隆突、Cz、T3、T4、Fpz 和 P5）作为参考探头位置进行定位（参见材料表）。
      1. 首先，将标准 10-10 EEG 帽（参见材料表）套在头模上，再将弹性泳帽套在 EEG 帽外层。其次，用粉笔在每顶泳帽上标记参考探头位置（枕外隆突、Cz、T3、T4、Fpz 和 P5）。最后，切割两个直径约为 15 mm 的孔，用于放置两个参考探头（即 Fpz 和 P5，图 1）。
         注意：具体而言，一个 3 × 5 探头阵列和一个 4 × 4 探头阵列分别放置于前额叶区域（参....

结果

图1展示了实验流程和探头位置。fNIRS数据记录过程包括两个部分：静息态阶段（5分钟）和协作阶段（15-20分钟）。在静息态阶段，要求协作学习的成对参与者保持放松并静止不动。随后，参与者被要求共同学习学习材料（图1A）。其前额叶和左侧颞顶区域由相应的探头组覆盖（图1B）。

图2 展示了fNIRS数据分析流程。fNIRS数据分析应用于每位参与者、每个通道记录的所有fNIRS数据。首先，可视化某一特定配对在通道33的探头密度 图2A. 通过fNIRS测量系统，以46个通道（CHs）记录每组协作学习二人组的光极密度。第二，按照步骤3.1.5和3.1.7中明确的操作，准备可用于WTC分析的有效数据。其中，红色曲线代表通过基于小波的运动伪影去除方法提取的数据；蓝色曲线代表同时经过基于小波的运动伪影.......

讨论

首先，本方案详细阐述了在协作学习情境下开展功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描实验的具体步骤。其次，还介绍了用于评估协作学习二人组血流动力学信号脑间同步性（IBS）的数据分析流程。对fNIRS超扫描实验操作的详细说明将有助于推动开放科学的发展。此外，本文提供该分析流程以提高超扫描研究的可重复性。下文将重点讨论fNIRS超扫描实验在实验设计、实验实施和数据分析中的关键问题，并探讨当前局限性可能的解决方案。

实验设计
本研究中功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描实验的设计具有灵活性。此处，fNIRS超扫描技术被应用于协作学习情境中。两名参与者被要求共同学习图形矩阵的特定规则，同时使用fNIRS同步记录其脑部活动。该方法使研究人员能够探究协作学习对中实时同步的神经动态（即脑间同步性，IBS）。根据以往研究，IBS已在教学情境中被检测到，并可追踪有效的教学模式¹¹。在协作学习对中检测到的神经对齐可能构成成功学习的潜在神经机制，并为设计高效的协作学习模式提供启示。同时，实验设计中需关注若干关键问题：.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
脑电帽	Compumedics Neuroscan,Charlotte,USA	64通道快速脑电帽	我们选择两种尺寸的脑电帽（即中号和大号）。
配备探头组和探头固定网格的近红外光谱测量系统	Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan	ETG-7100 光学层析成像系统	本研究方案需要一个可选的第二套成人探头组，总共实现92个通道的测量。
数值计算平台	The MathWorks, Inc., Natick, MA	MATLAB R2020a	作为心理物理学工具箱扩展程序（刺激呈现）、Homer2 （fNIRS预处理分析）以及"wtc"函数（WTC计算）的基础平台。
心理学实验软件	psychology software tools,Sharpsburg, PA,USA	E-prime 2.0	我们使用E-prime启动fNIRS测量系统，并发送标记静息阶段和协作学习阶段的触发信号，用于fNIRS数据记录。
泳帽	Zoke corporation,Shanghai,China	611503314	我们首先将标准10-20系统脑电帽戴在头模上，再将泳帽套在脑电帽外；其次，用粉笔标记（枕外隆凸、Cz、T3、T4、前额叶皮层区和P5）等位置。
三维（3-D）数字化仪	Polhemus, Colchester, VT, USA;	三维（3-D）数字化仪	使用Patriot 3D数字化仪确定每位受试者光极在标准头部解剖标志点上的解剖位置。