开放式协作学习中的脑间同步:fNIRS超扫描研究

摘要

概述了在自然学习环境中对协作学习二元组进行fNIRS超扫描实验的方案。此外，还提出了一种分析含氧血红蛋白（Oxy-Hb）信号的脑间同步（IBS）的管道。

摘要

fNIRS超扫描被广泛用于检测社会互动的神经生物学基础。通过这种技术，研究人员用一种称为脑间同步（IBS）的新指数（即，神经元或血液动力学信号随时间变化的相位和/或振幅对齐）来限定两个或多个交互式个体的并行大脑活动。本文介绍了在自然学习环境中对协作学习二元组进行fNIRS超扫描实验的协议。此外，还解释了分析含氧血红蛋白（Oxy-Hb）信号的IBS的管道。具体而言，讨论了实验设计、近红外光谱数据记录过程、数据分析方法以及未来的发展方向。总体而言，实施标准化的fNIRS超扫描管道是第二人称神经科学的基本组成部分。此外，这符合开放科学的呼吁，以帮助研究的可重复性。

引言

最近，为了揭示交互式二元组或组成员的并行大脑活动，研究人员采用了超扫描方法^1，2。具体而言，脑电图（EEG），功能磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）用于同时记录两个或多个受试者的神经和大脑活动^3，4，5。研究人员基于这种技术提取了需要同时进行脑耦合的神经指数，该技术指的是脑间同步（IBS）（即神经元或血液动力学信号随时间变化的相位和/或振幅对齐）。各种各样的超扫描研究发现，在多个人（例如，玩家 - 观众，教师 - 学习者和领导者 - 追随者）之间的社交互动期间，IBS 6，7，8。此外，IBS具有有效学习和教学的具体含义^{9，10，11，12，13，14。}

方案

所有招募的参与者（40对偶，平均年龄22.1±1.2岁;100%右撇子;正常或矫正到正常视力）都是健康的。在实验之前，参与者给予了知情同意。参与者因其参与而获得经济补偿。该研究获得华东师范大学人类研究保护委员会（HR-0053-2021）的批准。

1. 采用数据前的准备步骤

1. 自制近红外瓶盖
   1. 采用弹性泳帽放置光电支架网格。
      注意:考虑到参与者的头部尺寸不同，使用两种尺寸的帽子。为头围为55.4±1.1厘米的参与者准备了小帽，为头围为57.9±1.2厘米的参与者准备了大帽。
   2. 根据弹性游泳帽上的标准国际10-10系统，将脑电电极（inion，Cz，T3，T4，Fpz和P5）的位置锚定为参考光子（见 材料表）。
      1. 首先，将标准的10-10脑电图帽（见材料表）放在头部模具上，并将弹性游泳帽放在脑电图帽上。其次，在每个盖子上用粉笔标记参考光极（inion，Cz，T3，T4，Fpz和P5）。最后，切下两个直径约15毫米的孔以放置两个参考光极（即Fpz和P5，图1）。
         注意:具体而言，3 x 5光电极管探头组和4 x 4光电极管探头组分别放置在前额叶区域（参考光端放置在Fpz， 图1B）和左侧颞顶区域（参考光端放置在P5， ....

结果

图1所示为实验方案和探针位置。fNIRS数据记录过程由两部分组成:静息状态会话（5分钟）和协作会话（15-20分钟）。协作学习二元组需要放松并保持静止状态。之后，参与者被告知共同学习学习材料（图1A）。它们的前额叶和左颞顶区域被相应的探针组覆盖（图1B）。

图 2说明了 fNIRS 数据分析管道。fNIRS数据分析应用于从每个参与者和每个通道记录的所有fNIRS数据。首先，通道33中某个二元组的光极密度如图2A所示。通过fNIRS测量系统，光电密度记录在每个协作学习二元器件的46个通道（CHs）中。其次，随着步骤3.1.5和3.1.7中操作的澄清，为WTC分析准备了可行的数据。这里，红色曲线表示通过基于小波的运动伪影去除方法提取的数据;蓝色曲线表示由基于小波的运动伪影去除方法和PCA提取.......

讨论

首先，在本协议中，阐述了在协作学习场景中进行fNIRS超扫描实验的具体步骤。其次，还介绍了评估协同学习二元组中血流动力学信号IBS的数据分析管道。进行fNIRS超扫描实验的详细操作将促进开放科学的发展。此外，这里提供了分析管道，以提高超扫描研究的再现性。在下文中，重点介绍了实验设计、进行实验、（fNIRS）超扫描实验中的数据分析等关键问题。此外，还讨论了当前限制的可能解决方案。

试验设计
fNIRS超扫描研究的实验设计非常灵活。在这里，fNIRS超扫描技术应用于协作学习场景。两名参与者被要求一起学习数字矩阵的具体规则，他们的大脑活动同时被fNIRS记录下来。这种方法允许研究人员在协作学习二元组中探索实时并发神经动力学（即IBS）。根据之前的研究，IBS已经在教学场景中检测到并跟踪了有效的教学模式^11。在协作学习二元组中检测到的神经对齐可以作为支撑成功学习的潜在神经机制，并为设计有效的协作学习模式提供启示。同时，实验设计中的关键问题需要解决:实验时间限制为30分钟。造成这种情况的原因有两个:首先，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
脑电图帽	Compumedics Neuroscan，Charlotte，USA	64 通道 Quik-Cap	我们选择两种尺寸的瓶盖（即中型和大型）。
带有探头组和探头支架网格的 NIRS 测量系统	日本东京日立医疗公司	ETG-7100 光学地形测量系统	当前的研究方案需要可选的第二个成人探头组，总共用于 92 个测量通道。
数值计算平台	The MathWorks， Inc.， Natick， MA	MATLAB R2020a	作为 Psychophysics Toolbox 扩展（刺激表示）的基础，Homer2 （fNIRS 预处理分析）和 "wtc" 函数（WTC 计算）。
心理学软件	心理学软件工具，美国宾夕法尼亚州夏普斯堡	E-prime 2.0	我们应用 E-prime 启动 fNIRS 测量系统并发送触发器，这些触发器标志着 fNIRS 记录数据的静止阶段和协作学习阶段。
泳帽	Zoke corporation，上海，中国	611503314	我们首先将标准的 10-20 EEG 帽放在头模上，然后将泳帽放在 EEG 帽上。其次，我们用粉笔标记 （inion， Cz， T3， T4， PFC 和 P5）。
三维 （3-D） 数字化仪	Polhemus，美国佛蒙特州科尔切斯特;	三维 （3-D） 数字化仪	使用 Patriot 3D 数字化仪为每位参与者确定光学元件相对于标准头部标志的解剖位置