利用部分小波变换相干性方法测量fNIRS超扫描数据中的定向信息流

摘要

本方案描述了使用部分小波变换相干性（pWTC）来计算人际神经同步（INS）的时间滞后模式，以推断社交互动过程中信息传递的方向和时间模式。两项实验验证了pWTC在消除信号自相关对INS干扰方面的有效性。

摘要

社会互动对人类至关重要。尽管超扫描方法已被广泛用于研究社会互动过程中的人际神经同步（INS），但由于功能近红外光谱（fNIRS）具有相对较高的空间分辨率、良好的解剖定位能力以及对运动伪影极高的耐受性，它已成为超扫描自然情境下社会互动的最受欢迎技术之一。以往基于fNIRS的超扫描研究通常采用小波变换相干性（WTC）计算时间滞后的INS，以描述个体间信息流动的方向和时间模式。然而，该方法的结果可能受到每个个体fNIRS信号自相关效应的干扰。为解决这一问题，研究引入了一种称为部分小波变换相干性（pWTC）的方法，旨在消除自相关效应，同时保持fNIRS信号的高时间-频谱分辨率。本研究首先通过模拟实验展示了pWTC在消除自相关对INS影响方面的有效性；随后，基于一项社会互动实验的fNIRS数据集，提供了pWTC操作的逐步指导。此外，本文还比较了pWTC方法与传统WTC方法、以及pWTC方法与格兰杰因果关系（GC）方法之间的差异。结果表明，pWTC可用于确定不同实验条件下INS的差异，以及自然社会互动中个体间INS的方向性和时间模式。同时，与传统WTC相比，pWTC具有更优的时间和频率分辨率；与GC方法相比，则具有更高的灵活性。因此，pWTC是推断自然社会互动中个体间信息流方向与时间模式的有力候选方法。

引言

社会互动对人类至关重要^1,2。为了理解社会互动的双脑神经认知机制，近年来研究者广泛采用超扫描（hyperscanning）方法，发现人际神经同步（interpersonal neural synchronization, INS）的模式能够很好地表征社会互动过程^{3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14}。在近期研究中，一个有趣的发现是，成对个体在互动中的角色差异可能导致INS出现时间滞后模式，即某一....

方案

本研究的人体实验方案已获得北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室机构审查委员会和伦理委员会的批准。所有参与者在实验开始前均签署了书面知情同意书。

1. 模拟实验

1. 生成两个相互关联的时间序列信号，其中一个信号在4秒的时间滞后下具有自相关性。将两个信号之间的相关系数r设为0.4。
2. 此外，生成两个无相关性的信号时间序列，其中一个信号具有自相关性。
3. 计算传统4秒时间滞后惯性导航系统（INS）的数值 公式 2 根据生成信号是否存在相关性，可将其命名为时滞 INS_WTC 使用自相关和时间滞后的基线 INS_WTC 通过自相关。
   注意：此处，传统的时滞 WTC 由以下公式表示（公式 2)²⁵
   

结果

模拟结果
结果表明，具有自相关的时间滞后 INS_WTC 显著高于无自相关的时间滞后 INS_WTC（t(1998) = 4.696，p < 0.001），也显著高于时间滞后 INS_pWTC（t(1998) = 5.098，p < 0.001）。此外，无自相关的时间滞后 INS_WTC 与 INS_pWTC 之间无显著差异（t(1998) = 1.573，p = 0.114，图 2A）。这些结果表明，pWTC 能有效消除自相关效应对 INS 的影响。此外，当 WTC 值接近 0 或 1 时，只要 WTC 值偏离 0 或 1，时间滞后 INS_pWTC 仍能呈现可靠的结果（补充图 2）。

实证实验结果

讨论

在超扫描研究中，通常需要描述个体之间信息传递的方向性和时间模式。以往大多数基于功能性近红外光谱（fNIRS）的超扫描研究采用传统的WTC²⁵方法，通过计算时间滞后的脑间同步性（INS）来推断这些特征。然而，fNIRS信号的一个固有特性是存在自相关效应^20,21，这可能会混淆时间滞后的INS结果。为解决这一问题，本方案引入了一种称为pWTC的方法²²。该方法在部分剔除自相关效应后估计时间滞后的INS，同时保留了WTC方法的优势。本方案提供了pWTC操作的逐步指导，并通过将pWTC结果与传统WTC和格兰杰因果关系（GC）检验结果进行比较，验证其有效性。

本方案展示了在基于功能性近红外光谱（fNIRS）的超扫描数据中应用部分小波相干性（pWTC）的关键步骤。具体而言，首先需要基于时间滞后的fNIRS时间序列计算时间滞后的小波相干性（WTC）、自相关WTC以及时间对齐的WTC。接.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
fNIRS拓扑系统	Shimadzu Corporation	Shimadzu LABNIRS systen	LABNIRS系统包含40个发射器和40个探测器，用于fNIRS信号的测量。在本方案中，我们利用这些发射器和探测器构建了两个定制的26通道探头组，并根据10-20系统将它们分别固定在两个帽具上。此外，LABNIRS系统还内置了图形用户界面（GUI）软件，可用于数据质量检查、数据转换和数据导出。
MATLAB	The MathWorks, Inc.	MATLAB 2019a	在本方案中，使用了MATLAB中的多个内置工具箱和函数： 使用SPM12工具箱通过其图形用户界面（GUI）对有效的MRI数据进行标准化处理。 使用NIRS_SPM工具箱通过其图形用户界面（GUI）将探头的MNI坐标投影到AAL模板上。 使用Homer3工具箱中的hmrMotionCorrectWavelet函数（默认参数）去除运动伪影。 使用小波工具箱中的wcoherence函数计算WTC和pWTC。
MRI扫描仪	Siemens Healthineers	TRIO 3-Tesla扫描仪	在本方案中，使用MRI扫描仪获取每个通道和光极的MNI坐标。扫描参数在正文中有详细描述。
定制帽具			在本方案中，我们首先在两个尼龙帽上标记出10-20系统的位置。然后，制备了两个26通道的定制光极探头组。最后，将探头组按照解剖标志对齐并固定在帽具上。