本方案描述了如何在家庭环境中从婴儿-照顾者配对中同步采集脑电图、心电图和行为记录。
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摘要
摘要
以往同时记录照料者与儿童脑活动的超扫描研究主要在实验室环境中进行，这限制了研究结果向真实生活场景的推广。本文提出了一项全面的实验方案，用于在家庭环境中记录婴儿-照料者二人组在多种互动任务期间同步的脑电图（EEG）、心电图（ECG）及行为数据。该方案展示了如何同步不同数据流，并报告脑电图数据的保留率与质量检查结果。此外，还讨论了在家庭环境中进行实验设置、任务设计和数据采集过程中可能遇到的关键问题及潜在解决方案。该方案不仅适用于婴儿-照料者二人组，还可推广至多种类型的二人互动组合。总体而言，我们展示了脑电图超扫描系统的灵活性，使其能够脱离实验室环境，在更具生态效度的自然场景中捕捉参与者的脑活动。然而，运动干扰及其他类型的伪迹仍然限制了在家庭环境中可实施的实验任务类型。
引言
通过同步记录两个或多个互动个体的大脑活动（也称为超扫描技术），研究者得以揭示社会互动复杂、双向且快速动态变化背后的神经机制1。该技术将研究重点从孤立且严格控制条件下的个体研究，转向更接近真实情境的自然互动，例如自由游戏中的亲子互动2,3、解谜任务4以及合作性电脑游戏5,6。这些研究表明，在社会互动过程中，个体间的大脑活动会出现同步现象，即表现出时间上的相似性，这一现象被称为人际神经同步（interpersonal neural synchrony, INS）。然而，绝大多数超扫描研究仍局限于实验室环境。尽管这种设置有助于实现更严格的实验控制，但可能以牺牲部分生态效度为代价。由于环境陌生且人为化，加之所设定任务的性质，实验室中观察到的行为可能无法代表参与者日常典型的互动行为7。
近年来，移动式神经影像设备（如脑电图（EEG）或功能性近红外光谱成像（fNIRS））的发展缓解了上述问题，因为这些设备不再要求受试者必须物理连接到记录用计算机。因此，我们可以在受试者于教室或家中自由互动时，测量其大脑活动
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方案
本方案已获得新加坡南洋理工大学机构审查委员会（IRB）的批准。所有成年参与者均签署了知情同意书，婴儿的知情同意书由其父母代为签署。
1. 家庭实验环节的设备与空间注意事项
- 根据国家和季节的不同，准备应对不同的湿度和温度条件。在高温高湿环境中，应确保空气流通良好，并尽可能开启家用空调。
- 远离 WiFi 发射器、蓝牙设备（例如手机、键盘、鼠标等）以及微波炉，因为工作在相同频段的邻近设备可能造成信号干扰。此外，尽量将实验装置远离家中正在充电的设备，以避免在数据中引入显著的电源线噪声。请注意，附近高速运转的落地风扇或吊扇可能导致脑电（EEG）电缆晃动，从而产生机械伪迹。
- 在受试者家中准备一个适宜进行实验的空间。确保测试区域有足够的空旷空间，可容纳一名照护者和一名坐在高脚椅上的婴儿围绕桌子就座，以及三台架设在三脚架上的摄像头。如有可能，清空桌面上的所有物品，以减少潜在的干扰因素。
- 确保测试区域具有足够的亮度，以便摄像机能够清晰捕捉受试者的面部表情。若桌子靠近窗户，切勿将摄像机镜头朝向窗户，以防产生镜头眩光。
2. 会话前的准备工作
- 告知参与者，进行脑电图（EEG）测量前，成人需在测试前一天洗头，且不得使用任何护发产品。并询问其是否可在EEG测试....
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结果
本研究纳入的参与者为8至12个月大、正常发育的婴儿及其母亲和/或祖母，这些婴儿在家中使用英语或英语与第二语言进行交流。在实验任务期间，同步采集成人和婴儿的7导联脑电图（EEG）和单导联心电图（ECG），以及来自三台摄像机和麦克风的视频和音频记录。根据国际10-20系统，在F3、F4、C3、Cz、C4、P3和P4电极位置测量神经活动。不同数据流在时间上对齐，并在实验开始和结束时进行截取，使所有记录均从时间点t = 0开始（图4）。
图4：.......
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讨论
在本实验方案中，我们在参与者的家中进行测量，婴儿及其看护人在此环境中可能感到更加舒适，其行为表现也更能反映真实生活中的互动情况，而非实验室环境下的反应，从而提高了生态效度7。此外，在家庭环境中进行记录可减轻参与者 的负担，例如减少交通时间，因而可能使某些参与者群体更容易参与研究。然而，在享有这些优势的同时，真实情境下自然状态的脑电图（EEG）超扫描记录在实验设计与操作流程方面，以及数据伪迹的控制上，也面临一系列特有的挑战与局限性。下文将讨论家庭记录中的各类挑战及可能的解决方案。
自然环境可能引入一系列混杂变量，例如空间、温度和干扰因素，这些变量在参与者家中可能因组别而异，但在受控的实验室环境中则保持恒定。EEG 超扫描方案需要大量技术设备，例如多个摄像头、麦克风和记录用笔记本电脑，因此参与者家中空间不足有时会成为问题。研究人员必须注意，不得随意设置设备，或将其放置在杂乱物品包围的位置。例如，应避免将设备放置在摆放食物或饮料的桌面上，并确保摄像机三脚架不会阻碍狭窄空间的通行。预防空间问题的一种方法是在实验前访问参与者家中，提前.......
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披露
无任何利益冲突需要声明。
致谢
该项工作由南洋理工大学授予VR的总统博士后奖学金资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 不带针头的10 cc鲁尔锁扣注射器 | Terumo Corporation | ||
| actiCAP slim 8通道电极组（LiveAMP8） | Brain Products GmbH | ||
| Arduino 软件（IDE） | Arduino | Arduino IDE 1.8.19 | 用于编写Arduino微控制器代码的软件。可使用其他编程软件配合所选的微控制器单元。 |
| Arduino Uno 开发板 | Arduino | 用于构建触发盒电路。可使用其他微控制器开发板。 | |
| BNC 连接器 | 用于连接触发盒装置各个部件的BNC连接器。 | ||
| BNC 按钮开关 | Brain Products GmbH | BP-345-9000 | 用于发送触发信号的BNC触发按钮。 |
| BNC 转 2.5 mm 插孔触发线缆（80 cm） | Brain Products GmbH | BP-245-1200 | 连接两个LiveAmp设备与触发盒的BNC线缆。 |
| BrainVision Analyzer 版本 2.2.0.7383 | Brain Products GmbH | 脑电图分析软件。 | |
| 带加密狗的 BrainVision Recorder 许可证 | Brain Products GmbH | S-BP-170-3000 | |
| BrainVision Recorder 版本 1.23.0003 | Brain Products GmbH | 脑电图记录软件。 | |
| 定制8通道LiveAmp被动式帽（婴儿脑电帽） | Brain Products GmbH | LC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 | 适用于头围为44、46、48的婴儿。可使用其他婴儿脑电帽。 |
| Dell Latitude 3520 笔记本电脑 | Dell | 两台笔记本电脑，分别用于成人和婴儿脑电记录。可使用其他计算机。 | |
| 牙科冲洗注射器 | |||
| LiveAmp 8通道无线放大器 | BrainProducts GmbH | BP-200-3020 | 两个LiveAmp设备，分别用于成人和婴儿脑电记录。可使用其他放大器。 |
| Manfrotto MT190X3 三脚架配128RC微型流体云台 | Manfrotto | MT190X3 | 可使用其他三脚架。 |
| Matlab 软件 | The MathWorks, Inc. | R2023a | 可使用其他分析和展示软件。 |
| 移动电源（10000 mAh） | Philips | DLP6715NB/69 | 可使用其他移动电源。 |
| 原始脑电帽（Raw EEG caps） | EASYCAP GmbH | 适用于头围为52、54、56、58的成人。可使用其他脑电帽。 | |
| Rode Wireless Go II 单套无线麦克风 | Røde Microphones | 可使用其他麦克风。 | |
| Sony FDR-AX700 摄像机 | Sony | FDR-AX700 | 可使用其他摄像机或网络摄像头。 |
| SuperVisc 高粘度导电膏 | EASYCAP GmbH | NS-7907 |
参考文献
- Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
- Endevelt-Shapira, Y., Djalovski, A., Dumas, G., Feldman, R. Maternal chemosignals enhance infant-adult brain-to-brain synchrony. Sci Adv. 7
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