Summary
该协议结合了功能性近红外光谱（fNIRS）和基于视频的观察，以在协作绘图任务期间测量四重奏中的人际同步。
Abstract
功能近红外光谱（fNIRS）是一种非侵入性方法，特别适用于测量多个受试者的大脑皮层激活，与研究生态环境中的群体人际互动有关。尽管许多fNIRS系统在技术上提供了同时监测两个以上个体的可能性，但仍需要建立易于实施的设置程序和可靠的范例来跟踪群体互动中的血流动力学和行为反应。该协议结合了fNIRS和基于视频的观察，以测量合作任务期间四重奏中的人际同步。该协议为数据采集和范式设计提供了实用建议，以及说明性数据分析示例的指导原则。该程序旨在评估社会和非社会条件之间大脑和行为人际反应的差异，这些反应受到著名的破冰活动协作面部绘制任务的启发。所描述的程序可以指导未来的研究，使群体自然社会互动活动适应fNIRS环境。
Introduction
人际交往行为是连接和创造移情纽带过程的重要组成部分。先前的研究表明，当生物和行为信号在社会接触期间对齐时，这种行为可以通过同步性的发生来表达。有证据表明，第一次互动的人之间可以发生同步性1，2，3。大多数关于社会互动及其潜在神经机制的研究使用单人称或第二人称方法2，4，并且对将这些知识转化为群体社会动态知之甚少。在三个或更多个体的群体中评估人际反应仍然是科学研究的挑战。这就有必要将自然条件下日常人类社会互动的复杂环境带到实验室5。
在这种情况下，功能近红外光谱（fNIRS）技术是评估自然背景下人际互动与其大脑相关性之间关系的有前途的工具。与功能性磁共振成像（fMRI）相比，它对参与者活动的限制较少，并且对运动伪影具有弹性6，7。fNIRS技术的工作原理是评估响应大脑激活的血流动力学效应（氧合和脱氧血红蛋白的血液浓度变化）。这些变化可以通过红外光通过头皮组织的扩散量来测量。以前的研究已经证明了该技术在生态超扫描实验中的灵活性和稳健性，以及扩展应用神经科学知识的潜力6，8。
选择实验任务来自然主义评估群体中社会互动过程的神经相关性是接近应用神经科学研究的关键一步9。文献中已经报道的在群体范式中使用fNIRS的一些例子包括音乐表演10，11，12，课堂互动8和交流13，14，15，16，17。
以前的研究尚未探索的方面之一是使用绘画游戏，其主要特征是操纵移情组件来评估社交互动。在这种情况下，经常用于诱导陌生人之间动态社交互动的游戏之一是协作绘画游戏18，19。在这个游戏中，纸被分成相等的部分，小组参与者被要求绘制所有成员的共同自画像。最后，每个成员都由几只手以协作方式绘制肖像。
目的是通过引导对小组伙伴的面部的视觉注意力来促进陌生人之间的快速融合。它可以被认为是一种“破冰”活动，因为它能够支持成员之间的好奇心和随之而来的移情过程19.
使用绘图任务的优点之一是其简单性和易于复制20。他们也不需要任何特定的技术培训或技能，如使用音乐表演范式21，22，23，24的研究中所示。这种简单性也使得在社会背景下选择更自然的刺激4，9，25。
除了作为诱导群体社会行为的工具外，绘画还被认为是心理评估的工具26.一些图形投射心理测试，如房屋 - 树 - 人（HTP）27，28，29，人物图形绘制 - Sisto Scale 27和动力学家庭绘图30以互补的方式用于定性和定量诊断。他们的结果通常表达无意识的过程，提供有关个人符号系统的线索，从而提供他们对世界，经历，情感等的解释。
绘画的实践使人思考，并有助于为经验和事物创造意义，增加感觉、感觉、思想和行动31.它提供了有关如何感知和处理这些生活经历的线索26.绘画使用视觉代码来理解和交流思想或感受，使它们易于操纵，从而为新的想法和阅读创造可能性31.
在艺术治疗中，绘画是一种处理注意力、记忆力、思想和感受组织的工具32，它可以用作产生社会互动的手段33.
本研究旨在开发一种自然主义实验方案，以使用协作绘画动态评估四重奏人际互动期间的血管和行为大脑反应。在该协议中，提出了对四方的大脑反应（个体和伴侣之间的同步性）和可能的结果测量的评估，例如行为测量（绘画和凝视行为）。目的是提供更多关于社会神经科学的信息。
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Protocol
该方法已获得以色列阿尔伯特·爱因斯坦医院（HIAE）伦理委员会的批准，并基于收集神经数据（fNIRS）以及凝视行为数据的程序，在协作绘画体验期间与年轻人一起。所有收集的数据都在Redcap平台上进行管理（见 材料表）。该项目由以色列阿尔伯特·爱因斯坦医院（HIAE）科学诚信委员会审核。18-30岁的年轻人被选为本研究的对象。获得了所有参与者的书面知情同意。
1. 学习准备
- 科目
- 确定目标研究样本。
- 在比赛前告知所有志愿者实验方案及其权利。确保他们签署知情同意书和图像使用同意书（非强制性），填写注册表，并回答心理问卷和量表。
- 控制四重奏参与者（陌生人、朋友、伴侣等）之间的关系水平，因为先前的知识可能会干扰。在这项研究中，四重奏由陌生人组成。
- 组成同性四重奏。
注：此性别标准避免了社交互动干扰34，35。
- 设置
- 从场景中移除所有潜在的眼睛干扰因素。
- 要设置，请包括一张方桌、四张凳子（尺寸为 18.11 英寸 x 14.96 英寸）和两个电线支架（例如三脚架）（图 1）。
- 在实验条件下关闭空调等所有电气设备。确保房间有足够的照明供人们观察和绘画，并且室温宜人。
- 考虑fNIRS导线的范围（见 材料表），定位所有电缆，使其在实验任务期间保持稳定。
- 考虑留出空间让两名研究人员沿着设置移动。
- 确保实验者遵循他们的脚本和动作方案。
- 将四重奏放在方桌上，二乘二，以便每个人都可以观察其他三个人。
- 给每个四重奏参与者一个带有数字（1 到 4）的标签。确保主体 1 位于受试者 3 对面，紧挨着受试者 2。
注意：标签编号对应于受试者在桌子上的位置及其先前准备好的盖子（材料表）。
- 绘图范式
- 协作画脸——社会状况
注意：这个游戏的目标是将受试者的视觉注意力引导到他们伴侣的脸上，诱导他们之间更有意识地观察。通过将感觉和视觉感知联系起来，协作脸部绘制技术是激活移情反应、人际好奇心和参与者之间联系的宝贵方式。它需要心智能力理论，其中包括模仿和预测他人的行为19.使用以下步骤：- 指导参与者有关游戏规则的知识。
- 将每张纸分成三个横条，即绘图条。
- 让每个条带对应于一个社会绘制条件（例如，C1、C2）。在每个社会绘画条件之后，在四重奏中更换纸张。
- 让参与者在所有纸的顶部条上绘制额头和眼睛区域。
注意：中间条用于描绘鼻子和嘴巴区域。底部条用于描绘下巴、颈部和肩部区域。 - 在所有纸条中包括抽谁的说明（例如，S1/S3 表示参与者 1 抽出参与者 3，反之亦然）。
- 让每张纸代表一个参与者的完整肖像。
注意：对于不同的游戏阶段，请考虑不同的柔和书写纸颜色。 - 让每个参与者的脸由他们的合作伙伴以协作的方式描绘。（图2）
- 连接点游戏 - 非社会状况
注意：控制绘制条件是连接点的游戏。邀请每个参与者连接上升序列号的点以形成绘图。连接点游戏被用作神经心理学工具，用于测量认知领域，如心理灵活性和视觉运动技能36.该游戏刺激视觉空间技能，增加心理活动37，增强心理能力38。使用以下步骤： - 指导参与者。
- 一旦盖子就位，指导参与者有关fNIRS，设备，盖子，电线以及涉及手术的可能风险或不适。
- 再次提醒他们随时离开实验的权利。
- 解释两种不同的绘图任务。
- 对于协作绘图，请解释水平条带以及如何知道在每个条带中绘制的位置和人员。
- 对于连接点游戏，请解释他们必须按升序连接数字，直到数字被揭示。
- 说明休息时间和记录的任务命令。
- 让参与者观察他们的伴侣以及使他们与众不同的细节。表明，在研究结束时，遵循规则并绘制最详细数字的四方将获得奖励。
- 协作画脸——社会状况
图 1：设置。 该装置包括一张方形桌子、四张凳子和两个电线支架（例如三脚架）、fNIRS 设备、一台计算机和相机。（A）设置方案：绿色数字（1-4）对应于参与者的标签及其在实验运行期间在桌子上的凳子/位置。黄色数字：1 = fNIRS 接线支持，2 = fNIRS 信号的笔记本电脑接收器，3 = NIRSport ，4 = 360° 相机，5 = 支持相机。（B） 为实验运行做好准备。 请点击此处查看此图的大图。
图2：协作肖像 - 以协作方式绘制的肖像示例。 请点击此处查看此图的大图。
2. 实验范式
- 调整游戏规则以进行fNIRS采集
注意：调整游戏，以便可以通过fNIRS捕获大脑的功能图像，并且数据具有显着的质量。- 定义块数。
注意：这些条件必须重复足够多的次数，以减少结果中的误差幅度。但是，许多重复会导致参与者自动执行任务。 - 计划每个块的持续时间。
注意：考虑血流动力学标题响应时间（任务开始后平均 6 秒）。此外，请考虑块大小的影响，以确定以下步骤的筛选器。 - 在两种情况的每个块结束时添加一个静息状态期（以便血流动力学信号在下一个块开始之前衰减）。
- 规划块的顺序并创建伪随机块序列以减少预期效应。
- 计划游戏的总持续时间。
注意：考虑参与者对fNIRS紧帽及其彼此接近度的可能不适。该协议中使用的块和条件设计如下：创建了协作绘图的社会条件的九个块（表1）和九个连接点的非社会条件块（每个持续时间= 40 s）;每个块之间的休息时间为20秒;三种不同的序列（表2）来执行任务（以避免一个条件连续执行两次以上）。实验任务持续时间约为18分钟。
- 定义块数。
- 范式编程软件
- 使用软件协助创建和组织范式块，并向参与者发出何时开始新任务的信号。
注意：本例使用了NIRStim软件（见 材料表）。创建块序列并编程它们在实验期间随时间的分布。 - 使用视觉（文本和图像）或听觉内容定义事件，以指示参与者何时开始每个任务。在 “ 事件”选项卡中，单击 “添加事件”按钮。在“事件 名称”中命名事件，在“刺激类型”中选择事件 类型，然后在 Color-ID 的演示概述中定义一种颜色来表示事件。在事件标记上创建要在这些任务开始时发送到采集软件的 标记。
- 在 “试用 ”选项卡中确定任务执行顺序和每个任务的重复次数。此外，插入休息时间。确定两者的持续时间。通过选择随机演示的 开/关 ，可以随机或不 随机化试验;保存 “保存” 按钮上的设置。
- 在实验运行期间，通过按 Run 在黑色窗口中显示所有编程的刺激（以防止参与者分心）。
- 使用软件协助创建和组织范式块，并向参与者发出何时开始新任务的信号。
表 1：协作绘图条件。 S1 = 受试者 1，S2 = 受试者 2，S3 = 受试者 3，S4 = 受试者 4。绘图二元表示谁在绘制谁，绘图条表示书写纸在每种条件下的绘图位置。例如，对于第一个块，请使用蓝色纸张。C1、C2 和 C3 代表了绘制完成一幅肖像的社会条件的 40 年代范式。C1（绘制额头区域，绘制二元组：S2 和 S4;S1 和 S3）、C2（绘制鼻子区域，绘制双元组：S1 和 S4;S2 和 S3）和 C3（绘制下巴区域，绘制二元组：S3 和 S4;S1 和 S2）。按照块 2 和块 3 的图表进行操作。这种随机化保持了志愿者之间的抽签顺序（画正面伙伴，然后是正面伙伴，最后是坐在他们旁边的伙伴），并改变了要绘制的纸条的顺序。 请按此下载此表格。
表 2：序列 1 任务随机化（社交、非社交和休息）。请按此下载此表格。
3. 视频设置和数据采集
- 相机和视频录制
- 选择市售的场景摄像机（360°，请参阅 材质表）。将其放在桌子上，以便可以同时感知所有参与者的眼睛和头部运动。
- 清洁并检查存储卡和电池。检查图像的亮度。在找到参与者之前测试这些项目。
- 检查fNIRS接收可能存在的干扰。如果是这样，请增加设备与其接收器之间的空间。
- 设备接收器必须独立于fNIRS数据接收器。考虑尽可能远离桌子设置的笔记本电脑或平板电脑。
- fNIRS校准前启动设备，检查接口，设置记录模式。
- 考虑一个或两个相邻或支撑的相机，它们可以放置在桌子的两边之后。
- 视频分析
- 对于有价值的统计结果，请选择允许同时转录和编码多个视频内容的同步视图/分析软件或平台，例如INTERACT（请参阅 材料表）。
- 设置参数，使搜索模式/序列能够将观察数据细化为研究问题，例如，个人凝视行为指标、头部和眼睛运动、手部运动、面部表情和说话行为。
- 如果计划记录生理测量值，请考虑使用一种软件（参见 材料表），该软件允许集成来自其他采集系统的测量数据。
- 在分析过程中，不仅要考虑事件的持续时间，还要考虑顺序、它们在时间上的位置以及它们之间的关系。
- 数据提取
- 首先从所有摄像机下载视频（MP4格式）。将它们加载到交互中。分割视频数据以进行编码和进一步分析。对于数据提取，请手动标记视频部分并为其提供代码。
注意：分割和编码的目的是提供数据类别，以便研究人员可以突出显示和分析不同的目标行为。 - 分割
- 通过按 代码设置，通过将块部分划分为社会和非社会条件以及休息时间来创建第一层。通过将参与者的行为数据与社会条件（面部绘制）分开来创建第二层。使用音频触发时间线对齐它们。手动标记每个条件的开始和结束。按照准则定义编码方案（步骤3.3.2.2.-3.3.2.6.）。
- 确保编码方案单独跟踪来自所有参与者的每个面部绘制部分（社交条件）的行为线索（持续时间和数量）。
- 与对象相关的注意力参与者对绘图伙伴的凝视的代码。
注意：凝视行为具有双重功能：从他人那里收集信息（编码），以及与他人交流（发出信号）39，40。 - 相互凝视的代码（当相互吸引的双方共享视觉接触时）。
注意：最近的研究表明，当伴侣建立相互凝视时，前口内侧前额叶皮层（arMPFC）的活动增加及其与额下回（IFG）的耦合41。 - 凝视行为（单次或相互）期间的相关行为代码，例如微笑、直接言语、面部表情和大笑，表明对绘图伙伴的注意力更高（补充图 1）。
- 转录并细分组参与者的凝视行为数据。通过标记为每个参与者创建交互代码。编码时明确目标行为和标记编号。
- 编码和分析
注意：其中一位研究人员必须承担行为编码任务和分析，因为它们很容易在视频中识别。请注意以下事项：- 信息的提取必须手动进行;根据编码方案在每个条件的时间轴上标记观察到的行为。标记每个行为的持续时间。为每个参与者分别执行此操作。
- 交叉引用参与者的时间线以寻找共同的行为。返回视频观察分析分享质量（补充图2）。
- 使用 Export 键将原始数据导出为文本文件或表文件，以便可以沿时间线对数据进行排序、选择、计数和表。
注意：在该协议中，由于编码事件序列42的数量很少，因此未使用顺序分析功能。
- 首先从所有摄像机下载视频（MP4格式）。将它们加载到交互中。分割视频数据以进行编码和进一步分析。对于数据提取，请手动标记视频部分并为其提供代码。
- 绘图指标
注意：该协议使用绘图指标来研究参与者的凝视行为与应用的心理测试之间的可能相关性。确定了以下标准：- 笔触数量：手动计算每个参与者在每个面部绘制部分中的绘画笔触数。
- 线条连续性：细分长线和短线的类别。手动计算参与者的长线和短线。
注意：观察绘图来自对所选真实物体的直接观察。最近的一些研究发现，线长与描摹或绘制任务之间存在相关性。跟踪任务线往往比绘制任务线长43.该协议将描摹与个体已稳定并作为他/她的符号系统中的绘图参考的记忆图像相关联18. - 绘图模式：与单个绘图模式18 相关（图3）。
注意：该协议考虑绘图模式的二元分类：0，当参与者处于观察绘图模式时（即，当参与者观察他/她的绘图对象并复制他/她看到的内容时）;1，当绘图反映内部稳定的记忆图像时（当在整个绘图条件下存在重复形状（例如眼睛，嘴巴和头发）的模式时）。 - 观察细节，包括在实验过程中计算绘制的细节（例如，皱纹、斑点、眼睛形状和眉毛大小等）。
注意： 绘制的细节可能表示对绘制对象的更多关注。
- 心理测试
- 在进行小组研究时筛查焦虑和抑郁、注意力缺陷/多动障碍和社交技能的症状。使用免费或市售秤。
注意：本协议建议使用以下方法：医院焦虑和抑郁量表44;社交技能清单45 （评估个人社交技能库的清单）;以及成人自我报告量表 （ASRS-18），用于评估成人注意力缺陷/多动障碍 （ADHD）46。
- 在进行小组研究时筛查焦虑和抑郁、注意力缺陷/多动障碍和社交技能的症状。使用免费或市售秤。
图 3：单个绘图模式的示例。 请点击此处查看此图的大图。
4. fNIRS设置和数据采集
- 数据采集硬件
- 确保使用采集硬件进行fNIRS配准。录音必须由可在同一录音程序中读取的系统组合执行，总共 16 个通道。
注意：本研究使用两个连续波系统（NIRSport，见 材料表）进行数据采集。每台设备都有八个LED照明光源，发射两种波长的近红外光（760 nm和850 nm）和八个光学探测器（7.91 Hz）。
- 确保使用采集硬件进行fNIRS配准。录音必须由可在同一录音程序中读取的系统组合执行，总共 16 个通道。
- fNIRS 光通道配置
- 使用NIRSite工具定位PFC区域上的光子（参见 材料表）。配置盖子上光的分布，使通道位于所有参与者头部的感兴趣区域上方。
- 在四个参与者之间分配光极，以同时采集信号。
注意：帽子必须具有基于国际10-20系统的配置，并且感兴趣的解剖区域包括双侧前额叶皮层的最前部。对于该协议，光极定位由fNIRS光导器的位置决定器（fOLD）工具箱47指导。洲际弹道导弹152头部模型（见 材料表）包裹生成蒙太奇。前额叶皮层区域在社交互动任务中的招募已被解释为行为控制过程的相关性，包括自我调节48。 图4 表示光源和检测器的位置。
- 防止伪影
- 从将要进行游戏的房间中移除干扰项。
- 建议志愿者只在必要时移动。
- 在实验过程中，断开NIRSport放大器和笔记本电脑与电网的连接。
- 关闭在红外光谱附近工作的任何其他设备，例如空调设备。关闭环境中存在的电气设备。
- 设置fNIRS装置
- 以前，按如下方式测量四个参与者的大脑周长：测量鼻孔和头部周围的inion之间的距离，以确定每个参与者的帽子大小。始终使用相对于头部周边较小尺寸的盖子，以使光体更加稳定。
- 在收购当天，指导参与者坐在凳子上，然后解释将帽子放在头上的预期过程。
- 根据预定设置将光源和检测器安装到盖子上。作为组织问题，遵循在主题 1 上使用 optos 1 到 4、在主题 2 上使用 5 到 8、在主题 3 上使用 9 到 12、在主题 4 上使用 13 到 16 的模式。
- 将帽子戴在参与者的头上并放置它们，使中央中线（Cz）位于头部顶部。要检查 Cz 是否位于中心位置，请证明它位于鼻孔和内离子之间距离的一半。
- 此外，测量头顶上方和位置 Cz 上方的左耳和右耳（螺旋果壳）之间的距离。
- 使用盖帽可防止环境光干扰数据采集。
- 将光器件的电线连接到放大器。作为组织问题，请遵循将光器件 1 到 8 连接到 NIRSport 1 和将光器件 9 到 16 连接到 NIRSport 2 的模式。
- 通过 USB 电缆将 NIRSport 1 和 2 连接到计算机。
- 数据采集软件
- 设置设备后，启用软件以获取fNIRS数据。在这项研究中，使用了NIRStar（见 材料表）软件。在NIRStar上，执行以下步骤：
- 单击菜单栏上的配置硬件。选择“硬件规格”选项卡上的“串联模式”选项，以便执行超扫描。
- 在“配置硬件”选项卡上，从预定义的常见蒙太奇或自定义蒙太奇中选择蒙太奇，然后检查“通道设置”和“地形布局”中的设置。
- 通过单击显示面板上的 校准 来执行自动校准。信号质量指示器允许验证接收数据的完整性。评估数据质量是否足以开始采集;也就是说，查看通道的信号是绿色还是黄色。
注意：如果定向通道以红色或白色表示，请将其从盖子上取下，检查是否有头发阻止光线到达头部，并用布或毛巾清洁光头。将它们再次连接到盖子并重复校准。 - 准备好开始该过程时，通过单击预览 来预览信号的接收方式。然后，开始记录信号 记录.
- 打开 NIRStim，模块编程软件（参见 材料表），并开始演示编程模块。标记必须自动配准，并且必须在fNIRS数据采集软件上看到其标记。
- 该过程结束后，通过单击停止 录制停止，关闭软件，然后验证文件是否保存在所选目录中。
- 设置设备后，启用软件以获取fNIRS数据。在这项研究中，使用了NIRStar（见 材料表）软件。在NIRStar上，执行以下步骤：
- 近红外光谱数据分析
- 使用NIRSLAB软件49 对信号进行预处理（参见 材料表）。请按照以下步骤操作：
- 对原始强度数据应用带通时间滤波器（0.01-0.2 Hz），以消除心脏和呼吸频率以及极低频振荡。
- 对于信号质量控制，确定每个通道增益高于8和变异系数高于7.5%的排除标准。
- 通过应用修改后的比尔-朗伯定律以整个时间序列为基线来计算 HbO2 和 HHb 的变化。
注意：在本研究中，HbO2和HHb时间序列被分割成块（社交和非社会），并导出为文本文件，以便在R平台8 中进行后续分析以进行统计计算（见 材料表）。 - 分别分析社会和控制条件。为每个条件的九个块中的每一个构建一个相关矩阵，以便其元素对应于评估通道中每对主体之间的相关性（Spearman）。对于任务中个体之间相关性的统计显著性，请考虑显著性水平为 5% 的单样本均值使用 t 检验8 。
- 使用NIRSLAB软件49 对信号进行预处理（参见 材料表）。请按照以下步骤操作：
图 4：受试者 1 帽上的光子分布。 字母S和D分别代表光源和探测器。10-20系统的AF7坐标上的S1;AF3 上的 S2;AF8 上的 S3;AF4 上的 S4;Fp1 上的 D1;F5 上的 D2;Fp2上的D3;和 F6 上的 D4。通道放置在以下配置中：S1-D1 之间的通道 1;S1-D2之间2;S2-D1 之间 3;S2-D2之间4;S3-D3 之间 5 个;S3-D4之间6个;S4-D3之间7;和 8 在 S4-FD4 之间。 请点击此处查看此图的大图。
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Representative Results
该协议适用于由年轻女性（24-27岁）组成的四重奏，她们都是研究生课程的学生（巴西圣保罗以色列阿尔伯特爱因斯坦医院），具有硕士或博士学位。所有参与者都是右撇子，只有一人报告以前有绘画经验。没有受试者有神经系统疾病报告史。
对于量表和心理测试结果，两名受试者（2和4）在焦虑方面得分较高（参考值为17和15）44 ，抑郁症的临界值为9）44。所有参与者的注意力和多动量表结果显示分数低于临界值
还测量了参与者的社交技能。受试者 2、3 和 4 的分数高于 70%（发达的社交技能）。受试者1的得分为25%（与社交技能不足有关）。该测试还分析了特定的社交技能，例如 F1、应对和自我主张风险;F2，表达积极感受的自我主张;F3，对话和社会足智多谋;F4、自我接触陌生人和新情况;F5，自我控制和攻击性。对于这些因素，所有参与者在F1，F2和F3（1%至3%）方面得分较低，F4（20%至65%）和F5（65%至100%）得分较高。
fNIRs初步结果（图5）显示受试者1、2和3在位于左右半球的两个通道中的社交和非社会绘图条件下的典型大脑激活;然而，激活模式是不同的。另一方面，参与者4表现出非典型的大脑激活。
图5：fNIRS数据的组平均值结果 。 （A）受试者1上fNIRS信号的块平均值。左侧和右侧通道分别显示在 x 轴上，适用于两种条件（社交和非社交）。（B）阻止受试者2上fNIRS信号的平均值。左侧和右侧通道分别显示在 x 轴上，适用于两种条件（社交和非社交）。（C）阻断受试者3上fNIRS信号的平均值。左侧和右侧通道分别显示在 x 轴上，适用于两种条件（社交和非社交）。（D）阻断受试者4上fNIRS信号的平均值。左侧和右侧通道分别显示在 x 轴上，适用于两种条件（社交和非社交）。 请点击此处查看此图的大图。
仅在任务的最后部分，受试者之间的氧合血红蛋白信号（图6）在社会和对照两种条件下（图6：中位数相关性为0.14;t值= 1.77和p值= 0.046）和协作绘图条件下（中位数相关性为0.12;t值= 2.39和p值= 0.028）在受试者之间显着同步。
图 6：整个实验过程中受试者大脑（氧合血红蛋白）相关性的箱线图。每个框都包含一条水平线（表示中位数）。上边缘表示第 75 个百分位数，下边缘表示第 25 个百分位数。对于误差线，箱线图基于 1，5 IQR 值，高于第三个四分位数，低于 Q1，低于下四分位数。星号 （*） 表示与零的统计显著差异。第 1 部分对应于实验块的前三分之一（包括 C1、C2 和 C3——第一个完全协作的设计——穿插着休息期和非社会设计条件）;第 2 部分：C4-C6;第 3 部分：C7-C9。请点击此处查看此图的大图。
视频分析显示，参与者在画伙伴时互相看着对方，有时彼此分享他们的目光。与总凝视量一样，在伴侣处于正面位置的位置观察到更多的同步凝视量。从实验的中期到结束，同步凝视明显减少，在C9中，它们没有发生。
关于绘图分析，只有受试者3报告以前有绘画经验（6年课程）。受试者 1、2 和 4 在中风的数量和连续性方面具有相似的产量。参与者3展示了短的，非连续的笔画和更多的总笔画的绘画方式。所有四名参与者显然都保持了他们绘画中图形的恒定模式（以前的绘画模式），尽管受试者3和4再现了更多观察到的细节。即使在画不同的伴侣时，也有参与者在社会条件下重复的眼睛、嘴巴和鼻子的画模式。对于先前有绘画经验的参与者，还观察到以前的绘画模式（见3.4.3）（例如，眉毛和眼睛）。
补充图1：代码界面和视频。 该图表示视频编码、分割、事件时间线和编码方案。 请点击此处下载此文件。
补充图2：凝视和绘图任务的交集。 条件休息：休息时间20秒;条件绘制：实验的社会条件（40秒）;条件点：连接点的控制条件（40 s）;互动凝视1：受试者1寻找画友;互动讲座1：主题1发言;互动身体2：受试者2在非语言交流中移动手，肩膀和头部。 请点击此处下载此文件。
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Discussion
这项研究旨在创建一个在自然条件下同时对四个大脑进行超扫描的方案。实验范式使用了不同的绘图任务以及多个结果测量、绘图指标、行为和大脑信号的相关性。该议定书中的关键步骤是考虑其高度复杂性带来的挑战以及维护其生态和自然条件。
视频观察是这项研究的关键。它允许在时间轴上对非语言交流行为进行编码和分割50.视频的定性分析允许观察凝视行为，以寻找可以指示编码（从对方收集信息）和信号（与他人交流）功能的标志39,40.它还通过突出个人和群体模式来帮助完善观察信息13.仅靠凝视的定量测量并不能提供对凝视质量的理解。凝视可能只代表在比较和结构化的认知模式中重复或思考的自动行为18,19.然而，少量的事件序列不允许本研究进行顺序分析和统计验证。42.结果显示，从实验中期到结束时，社会状况中的同步和异步目光显着减少。这种行为的一个假设可能是视觉感知的过程和识别另一个行为所固有的符号表征的形成。49,51.这一假设与面对面观察图的理论是一致的。19 以及研究结果，这些研究结果将物体的较长观察时间与难以决定绘制的内容和方式联系起来52.另一个可能的假设与在整个实验任务中绘制的对象的视觉记忆的获取有关18,53.在结果中，注视行为测量显示与绘图伙伴位置相关的数量减少。在正面绘图位置，异步和同步凝视量大于伴侣在侧面的条件。这一结果与研究表明刺激位置会影响视觉感知的一致。54.注意焦点和扫视行为之间的一致性似乎暗示了注意力焦点在接近和/或运动约束充当干扰因素方面的某种“自动”成分。55.此外，最近的研究表明，互动视角可以改变凝视模式。当参与者从事一项任务时，社会对他人的关注会降低;这表明，在复杂的社会环境中，人们较少地互相注视，信息收集不一定使用直接凝视。25.在有和没有绘画经验的参与者之间也观察到笔画、绘画和凝视行为的差异。具有先前绘画经验的参与者表现出比其他参与者少得多的图案重复和更多的绘制细节。画笔数也更高，这种趋势伴随着描摹游戏中遵循的点数和直接凝视伙伴的数量。然而，由于参与者人数少，无法进行由此产生的顺序数据分析和统计验证。绘画练习涉及在图形和纸张之间不断的凝视移动以及视觉记忆的使用56.以前的研究表明，绘画从业者比非从业者更容易编码视觉形状57.尽管如此，Miall等人的研究结果。52 还表明，受过绘画训练的人将他们的感知调整为观察经验，而先验知识（例如，稳定的心理图像）似乎指导非从业者的感知。这些方面值得进一步研究，特别是关于潜在的神经网络以及注意力处理和凝视行为的差异。25.
使用fNIRS对四人组进行超扫描会带来许多挑战，特别是考虑到动态范式;因此，在完善协议方法的同时进行了修改和技术故障排除。第一个挑战是目标大脑区域的充分性，光子数量有限，并且难以处理fNIRS的信号捕获校准。该协议设想调查两个大脑区域，颞顶交界处（TPJ）和内侧前额叶皮层（mPFC）。由于参与者头发58 的密度和颜色与同时施用的帽子数量之间的不可控难度，TPJ的信号捕获被丢弃。与会者还非常关注参与者的舒适度和时间可用性。 第二个挑战涉及实验的记录。最初，该协议预计仅使用位于桌子中央的360°相机进行实验。不过，事实证明，辅助摄像头的使用至关重要。另一个困难是解决绘图技术问题以创建强大的协议。大多数参与者代表身体和衣服，尽管进行了仔细的解释，包括接触先前绘制的示例，但游戏规则中没有预见到这些区域。一些参与者口头表示，他们很难描绘形状的大小，并在前一个伙伴因比例而停止的地方继续绘画。这种语言化与研究表明，视觉感知降低了透视的影响，导致感知扭曲52。其他专注于视觉感知和运动命令之间关系的绘图研究也表明，由于多种因素引起的扭曲会干预凝视/手的过程20，43。例如，高文的研究范式43使用了两个专家抽屉，一个复制，另一个从记忆中绘制。他们的结果表明，每种绘画技术都使用不同的神经策略。复制似乎取决于比较、视觉反馈和对笔尖的更密切跟踪。
对该技术局限性的担忧还涉及实验的生态条件，以及协作绘图范式的使用。其中之一涉及参与者的接近度（由于fNIRS布线和稳定性问题）及其对凝视测量的可能干扰。在强制接近的社会环境中（例如电梯情况）可以产生不同的凝视行为模式59。尽管如此，观察到同步的凝视，面部表情和微笑出现在整个四重奏系列中，它们可能表明了一种参与感。这些结果与实验的结果一致，其中“自下而上”的刺激，例如看着对方的脸，引发了参与者之间共享表征的创建。非语言交流可能是由于在整个互动过程中发生的概念一致性引起的4.使用“本身”的绘画技术具有挑战性，因为大多数人在现实阶段（11 或 12 岁以后）停止绘画。将绘画视为不表达现实的感觉会产生挫败感或自我判断的不适，从而产生对绘画行为的抵制18.脸部绘制可能是另一个不适因素。尽管如此，在40秒会话中完成的协作绘图条件被证明对该协议有效。当被问及这次经历时，所有参与者都积极回应，笑了，并对分享的肖像发表了评论。实验任务的结构化形式似乎减轻了个人生产的负担，并促进了参与者之间的互动，如Hass-Cohen等人19。
信号的相关性或大脑信号的同步性在实验的最后部分最强烈地发生在社会和非社会条件下。假设是，社交（协作设计）和非社会（连接点）条件将导致在时间轴的不同时刻产生不同的大脑信号同步性。在非社会条件下，同步性预计将来自所有参与者共同任务的认知对应关系8。即使它们没有直接相互作用，信号的同步性也有望在实验的时间线8，10，11，12的早期发生。另一方面，在社会条件下，由于具有不同个人策略的不同未知个体之间可能存在社会互动，同步性预计会在以后发生13，14，16，49。
尽管许多因素可能有助于初步结果，但对这些因素的可能解释涉及参与者需要熟悉彼此和任务的时间，并最终创造一种群体感。绘画本身可能会通过自我判断或被评估的感觉产生反应和焦虑18.以前的研究将负面评价与群体人际大脑同步（IBS）的变化联系起来17.此外，在这种情况下，参与者之间邻近性的影响尚不清楚59.或者，单独获得对任务和团队的熟悉程度，尽管很晚，但可能已经产生了一种认知上的参与对应关系，就像在两个提议的任务之间的差异之外发生的“自动”参与一样。60 这些任务似乎在一个块中起作用。因此，较长的休息时间可能会导致不同的大脑反应，方法是确保fNIRS在条件之间拾取的大脑信号减少。另一个需要进一步关注的结果是同步和异步凝视量（在整个实验任务中减少）与个体大脑活动（在整个实验任务中增加）之间的反比关系。对这一结果的可能解释可能在于实验任务52的高认知需求，但我们不能不考虑人类移情结合所涉及的神经生物学过程1。
该协议具有创新特征，首先通过应用艺术治疗中使用的绘画技术来激发参与者之间的移情纽带;其次是社会生态状况的动态特征;第三，使用fNIRS超扫描技术同时测量四个头。绘画社会条件促进了参与者之间的眼神交流，使协议能够探索凝视行为如何支持自然情况下的人际互动行为以及用于识别他人的不同个人策略49.它也是一种很有前途的工具，可以研究凝视行为是否确实与相同条件下的注意力过程18 和伴侣之间的参与过程61 相关联。将所有这些问题联系起来，特别是在自然主义条件下在群体中进行的范式中，对社会神经科学来说是一个挑战。
许多因素可能促成了这些初步结果。所有这些不同的变量都值得进一步研究，并且使用该协议可以为在自然主义背景下更好地理解群体社会关系提供重要线索。
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Disclosures
Paulo Rodrigo Bazán为NIRx Medizintechnik GmbH和NIRx Medizintechnik GmbH的分销商Brain Support Corporation提供自由科学咨询。其他作者声明，本文的作者身份或出版不存在利益冲突。
Acknowledgments
作者感谢Instituto do Cérebro（InCe-IIEP）和以色列阿尔伯特爱因斯坦医院（HIAE）对这项研究的支持。特别感谢何塞·贝伦·德·奥利维拉·内托对本文的英文校对。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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