Summary
Dit protocol wordt beschreven hoe fNIRS hyperscanning experimenten uitvoeren en analyseren van de hersenen-aan-hersenen synchronie. Verder bespreken we uitdagingen en mogelijke oplossingen.
Abstract
Gelijktijdige hersenen opnames van twee of meer interactie personen, winnen een aanpak genoemd hyperscanning, toenemende belang voor ons begrip van de neurobiologische onderbouwing van sociale interacties, en eventueel interpersoonlijke relaties . Functionele nabij-infrarood spectroscopie (fNIRS) is zeer geschikt voor het uitvoeren van hyperscanning experimenten omdat het plaatselijke hemodynamische effecten met een hoge sampling rate maatregelen en, nog belangrijker is, het kan worden toegepast in een natuurlijke omgeving, niet vereist strikte beweging beperkingen. In dit artikel presenteren we een protocol voor fNIRS hyperscanning experimenten met ouder-kind dyads uitvoeren en analyseren hersenen-aan-hersenen synchronie. Bovendien bespreken we kritieke problemen en de toekomstige richtingen, over de proefopzet, de ruimtelijke registratie van de fNIRS kanalen, de fysiologische invloeden en de analysemethoden van de gegevens. De beschreven protocol is niet specifiek voor ouder-kind dyads, maar kan worden toegepast op een verscheidenheid van verschillende paren sterrenbeelden, zoals volwassen vreemden, romantische partners of broers en zussen. Tot slot, heeft fNIRS hyperscanning het potentieel om het opleveren van nieuwe inzichten in de dynamiek van de lopende sociale interactie, die eventueel verder gaan dan wat kan worden bestudeerd door het onderzoek van de activiteiten van individuele hersenen.
Introduction
In de afgelopen jaren neurowetenschappers zijn begonnen met het bestuderen van sociale interacties door het opnemen van de activiteiten van de hersenen van twee of meer personen gelijktijdig, een aanpak genoemd hyperscanning1. Deze techniek opent nieuwe mogelijkheden de neurobiologische mechanismen die ten grondslag liggen aan deze interacties ophelderen. Om volledig te begrijpen sociale interacties, het mogelijk niet voldoende om te studeren één hersenen in isolatie, maar eerder de gezamenlijke activiteiten van hersenen van interagerende personen2. Met behulp van verschillende neuroimaging technieken, hyperscanning studies hebben aangetoond dat hersenen activiteiten van interagerende personen of groepen synchroniseren, bijvoorbeeld, terwijl zij hun acties3coördineren, maken muziek4,5, communiceren deelnemen aan de klassikale activiteiten6 of7, werken.
Het artikel stelt een protocol voor het uitvoeren van gelijktijdige opnamen met functionele nabij-infrarood spectroscopie (fNIRS). Gelijkaardig aan functionele magnetische resonantie imaging (fMRI), fNIRS meet de hemodynamische reactie op de activering van de hersenen. Wijzigingen in zuurstofrijk en gedeoxygeneerd hemoglobine (oxy-Hb en deoxy-Hb) zijn berekend op basis van de hoeveelheid diffusively doorvallend nabij-infrarood licht door weefsel8. fNIRS is zeer geschikt voor het voeren van de experimenten van de hyperscanning, vooral met kinderen, omdat het kan worden toegepast in de instellingen van de minder gebonden en natuurlijker dan fMRI. Bovendien, het is minder vatbaar voor bewegingsartefacten dan zowel, fMRI en EEG9. Bovendien fNIRS gegevens kan worden verkregen bij hoge bemonsteringsfrequenties (bijv, 10 Hz), dus het zeer oversamples de relatief trage hemodynamische reactie en daarmee potentieel biedt een temporele vollediger beeld van de hersenen hemodynamica10 .
Dit protocol werd ontwikkeld binnen de studie van Reindl et al. 11 en is licht gewijzigd (met name met betrekking tot de plaatsing van het kanaal en de slechte kanaal identificatie) recenter. Het doel van de studie was om te onderzoeken van gesynchroniseerde hersenactiviteit van ouder-kind dyads. Met behulp van fNIRS hyperscanning, beoordeeld we hersenen-aan-hersenen synchrony in prefrontale hersengebieden voor kinderen (van vijf tot negen jaar) en hun ouders, meestal moeders, tijdens een coöperatie en een concurrerende computertaak. Prefrontale hersengebieden waren gericht zoals ze had aangemerkt als belangrijke regio's voor sociale interactieve processen in vorige hyperscanning studies1. De coöperatieve en concurrerende taak werden oorspronkelijk ontwikkeld door Cui et al. 12 en onlangs werknemer door verscheidene vorige studies13,14,15. Voor de studie van Reindl et al. 11, de taken werden aangepast om geschikt voor kinderen. Deelnemers kregen de opdracht ofwel reageren gezamenlijk via knooppersen in reactie op een target (samenwerking) of reageren sneller dan de andere speler (concurrentie). Elk kind uitgevoerd elke taak eenmaal met de ouder en een keer met een volwassen vreemdeling van hetzelfde geslacht als de ouder. Binnen elk kind-volwassene dyade, werd wavelet samenhang berekend voor de oxy-Hb-signalen van de corresponderende kanalen als een maatregel van de hersenen-aan-hersenen synchronie.
Dit protocol beschrijft de procedures fNIRS hyperscanning om gegevens te verzamelen van ouder en kind tijdens het coöperatief en competitief spel. De algemene procedure, echter, is niet specifiek voor deze onderzoeksdesign maar geschikt is voor verschillende bevolkingsgroepen (bijvoorbeeldvolwassen vreemden, romantische partners, broers en zussen, enz.) en kan worden aangepast voor een aantal verschillende experimentele taken. Dit protocol wordt ook uitgelegd welke één mogelijke analytische procedure, waarin de vereiste en optionele gegevens analyse stappen, met inbegrip van fNIRS gegevens voorbewerken, slechte kanaal detectie, wavelet samenhang veiligheidsanalyse- en goedkeuringssystemen door willekeurige paar analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Vóór deelname, alle ouders / kinderen provided geïnformeerde toestemming / instemming. De studie werd goedgekeurd door de ethische commissie van de medische faculteit van de RWTH Aachen University.
1. voorbereiding voordat de deelnemer komt
- Bereiden NIRS caps.
- Kies de grootte van het GLB even groot of iets groter dan de hoofdomtrek van de deelnemer.
- Gesneden 15 gaten met een diameter van ongeveer 15 mm per stuk, gerangschikt in een horizontaal raster van 3 x 5, naar het voorhoofd gebied van elk van de 2 rauwe EEG caps (Zie Tabel van materialen). Zorg ervoor dat de gaten verdeelde 30 mm van elkaar in elke richting, dat de middelste kolom van gaten is gelegen in het midden van het voorhoofd, dat wil zeggen, boven de neus, en dat de onderste rij bevindt zich boven de wenkbrauwen.
- Om te maken van de caps comfortabeler en druk merken te minimaliseren, worden nagekomen zacht schuim materiaal (b.v., zelfklevende venster sealing tape of soortgelijke flat schuimrubber materiaal) op de binnenzijde van het raster van de houder tussen de sonde aansluitingen en aan de randen. Gebruik dubbele plakband of naaigarens indien nodig.
- Monteren van een leeg raster van 3 x 5 sonde houder (Zie Tabel van materialen) aan elk van de gemodificeerde EEG caps doppen zodanig dat het raster van de houder zelf is geplaatst aan de binnenkant van het GLB en de houder van de stok in de gaten.
Opmerking: Het systeem voor NIRS-meting (Zie Tabel van materialen) heeft twee afzonderlijke sonde sets, gebruik één sonde instellen voor elke deelnemer. - Zachtjes de sondes in de juiste houder-aansluitingen op de rasters invoegen, zodat alleen de eerste bergrug van elke sonde is gemonteerd in de aansluiting past, wat in een klikkend geluid resulteert.
- Open de sonde vastgesteldop monitorvenster de NIRS-meetsysteem en selecteer 2 sonde sets die in een raster van 3 x 5 elk, één voor het deelnemende kind en één voor de volwassen zijn gerangschikt. Ervoor zorgen dat de regelingen van de sonde van de twee doppen overeenkomt met de regelingen in de sonde Stel venster (dat wil zeggen, dezelfde positie van de respectieve zender en ontvanger sonde nummers).
- Voorbereiding van het experiment.
- Begin de NIRS-meetsysteem met laserdioden 30 min. ingeschakeld voordat het meten, zodanig dat het systeem een stabiele temperatuur bereikt.
- Alle nodige opties instellen op het systeem voor NIRS-meting. Zorg ervoor dat het apparaat is ingesteld op gebeurtenissen gerelateerde meting en dat de RS232 seriële input, nodig voor het ontvangen van de triggers van de experimentele paradigma, actief is.
Opmerking: Het experiment is een aangepaste versie van een paradigma bedacht door Cui et al. 12, geprogrammeerd in de niet-commerciële Psychofysica Toolbox extensies, versie 3.0.1116. - De experimentele paradigma voor te bereiden door de technische computing software te starten (Zie Tabel van materialen) dat dient als basis voor de Psychofysica Toolbox-extensies en instellen van de huidige map naar de map die het paradigma wordt opgeslagen in.
- Plaats twee kin rust voor het computerscherm om te voorkomen dat hoofdbewegingen tijdens het experiment.
2. deelnemer aankomst in het laboratorium
- De deelnemers bereiden.
- Weergeven en uitleggen van de experimentele opstelling met inbegrip van het systeem voor NIRS-meting aan de deelnemers. Zorg er altijd voor dat de deelnemers niet rechtstreeks in de laserstraal van het meetsysteem NIRS kijken als dit schadelijk voor het oog zijn kan.
- Plaats de deelnemers naast elkaar voor het computerscherm. Stel de hoogte van de kin rust zo in dat beide deelnemers comfortabel zitten.
- Instrueren van de deelnemers en beheren van de praktijk proeven van zowel de coöperatie als het concurrerende spel. Extra instructies geven tijdens de proeven van de praktijk, indien nodig.
- Meet en markeer het punt Fpz volgens het systeem van 10-20, dat 10% van de afstand tussen nasion en inion, op elke deelnemer hoofd is.
- Plaats de caps met de sondes zorgvuldig op de deelnemers hoofd, met de laser uitgeschakeld. Leg de voorkant van het GLB, met inbegrip van de sonde raster, op de deelnemer voorhoofd eerst en dan Trek langs de achterkant van het GLB naar de nek. Zorg ervoor dat de middelste sonde van de onderste rij op Fpz wordt geplaatst en de sonde van de middelste kolom wordt uitgelijnd tussen de Sagittaal reference curve.
- Plaats de vezel snaren op de arm van de houder aan het systeem voor NIRS-meting gekoppeld zodat ze losjes zonder contact met de deelnemer of de stoel hangen en dat ze Trek niet aan op de caps. Gebruik een extra houder (bv., bewerkt microfoonstandaard of gelijkaardig) voor de tweede deelnemer indien nodig.
- Duw elke sonde verder in een socket totdat de kleine witte neus in het midden van de bovenkant van de behuizing van de sonde zichtbaar is.
Opmerking: De neus wordt geduwd omhoog door een spoel veermechanisme zodra de sondepunt van de deelnemer hoofdhuid raakt. - De laser weer inschakelen en test de signaalkwaliteit door te klikken op de knop Auto krijgen in het venster instellen monitor sonde van het systeem voor NIRS-meting.
- Als een kanaal niet over een voldoende signaal (dat wil zeggen beschikt, als het is gemarkeerd in geel), voorzichtig zetten de haren onder de omliggende sondepunt opzij. Indien nodig, de sondes verder in hun kassen duwen maar zorgen voor het comfort van de deelnemer. Controleer of de signaalkwaliteit (dat wil zeggen, die het kanaal is nu gemarkeerd in het groen) verbeterd door nogmaals te klikken op de knop Auto krijgen.
- Als stap 2.1.9. niet leiden tot een verbetering van het signaal, aanpassen van de signaalsterkte. Als er teveel signaal (dat wil zeggen, als het kanaal is gemarkeerd in het rood), veranderen de signaalsterkte tot lage signaal intensiteit door herhaaldelijk instellen te klikken op de respectieve sonde symbool in de sonde venster van de monitor van het systeem voor NIRS-meting. Als er niet voldoende signaal (dat wil zeggen, als het kanaal is gemarkeerd in geel), wijzigen de signaalsterkte te hoog signaal intensiteit, opnieuw door herhaaldelijk op de respectieve sonde symbool te klikken.
- Uitvoeren van het experiment
- Wanneer er geen vragen na de proeven van de praktijk zijn en een goede signaalkwaliteit is gewaarborgd, beginnen de experimentele paradigma.
- Plaats een handdoek over de deelnemers handen zodat ze niet de handbewegingen van hun respectieve spel partner zien.
- Na het experiment, de prestatiegegevens opslaat en de ruwe lichtintensiteit gegevens als een tekstbestand exporteren door te klikken op de knop tekst bestand uit. Niet alle filters van toepassing in het systeem voor NIRS-meting.
- Reinig alle benodigde materialen (sondes, sonde houders, kin rust) met ethanol. De doppen in een zachte cyclus met mild wasmiddel wassen.
3. de gegevensanalyse
- Gegevens voorbewerken
Opmerking: Er zijn verscheidene niet-commerciële softwarepakketten beschikbaar voor de analyse van de gegevens van fNIRS, bv., HomER17, NIRS hersenen AnalyzIR18 of SPM voor fNIRS19. De laatste werd gebruikt voor de volgende pre-processing stappen. Voor meer informatie over het uitvoeren van deze stappen, raadpleegt u de handleiding van de werkset.- De gegevensbestanden converteren naar de SPM voor de notatie van de gegevens van de fNIRS.
- Bereken oxy-Hb en deoxy-Hb concentratie veranderingen met behulp van de gewijzigde wet van Lambert-Beer door te drukken op de Convert-knop in het hoofdvenster. Voer de leeftijd van het onderwerp en de afstand tussen de bron- en detector (bijv., 3 cm). Accepteer de standaardwaarden voor de molaire absorptie coëfficiënten van oxy-Hb en deoxy-Hb bij golflengte (λ) 1 en 2 λ, evenals de standaardwaarden voor de differentiële pathlength factor (DPF) op λ 1 en 2 λ.
- Voorbehandelen van de tijdreeks van hemodynamische veranderingen te verminderen motion artefacten door het selecteren van de MARA-knop (voor meer informatie over de MARA algoritme Zie Scholkman et al. 20).
- Voorbehandelen van de tijdreeks om langzame driften door de DCT-knop te selecteren.
- Slechte kanaal detectie
Opmerking: Slechte kanaal detectie kan worden uitgevoerd vóór en/of na de fNIRS gegevens voorbewerken. In dit protocol, worden verschillende objectieve criteria voor het opsporen van slechte kanalen en visuele inspectie gecombineerd. Houd er rekening mee dat de voorgestelde lijst van objectieve criteria niet uitputtend is. Slechte kanaal detectie, werden zelfgeschreven scripts gebruikt (voor de technische computing software Zie Tabel van materialen).- Kanalen waarin er geen signaal verandering voor verschillende continu monsters, die wordt aangegeven door een platte lijn is bij het uitzetten van de tijdreeks uitsluiten.
- Berekenen van de variatiecoëfficiënt CV = SD/gemiddelde * 100 voor de demping van de ruwe gegevens. Uitsluiten van de kanalen waarin de CV boven een vooraf gedefinieerde percentage (bijvoorbeeld10%; Zie bijvoorbeeld van der Kant et al. is 21).
- Plot de macht spectrum van het signaal. Indien er geen hartslag zichtbaar in het signaal spectrum ongeveer 1 Hz, is zoals aangegeven door een hogere macht in deze frequentieband, het kanaal van de analyse uitsluiten.
- Visueel inspecteren alle gegevens vóór en/of na het voorbewerken. Beslissen of u wilt opnemen van het kanaal op basis van objectieve criteria, beschreven in 3.2.1 – 3.2.3, zo goed als op subjectieve visuele detectie van luidruchtige kanalen.
- Hersenen-aan-hersenen connectiviteit
Opmerking: Schatten twee verschillende soorten hersenen connectiviteit kunnen worden onderscheiden: niet-gerichte raming, die het kwantificeren van de sterkte van de verbinding, en gestuurde raming, die getracht vast te stellen statistische bewijs voor een oorzakelijk verband van de gegevens22 . Hier lag de focus op de wavelet transformatie samenhang (WTC), een algemeen toegepaste niet-geleide schatting voor fNIRS hersenen-aan-hersenen connectiviteit. Verscheidene niet-commerciële softwareoplossingen voor de berekening van het WTC zijn beschikbaar, bijvoorbeeld, door Grinsted en collega's23 of de ASToolbox24, dat in dit protocol werd gebruikt voor de volgende stappen.- Geef in het AWCO-functie van de ASToolbox, de moeder wavelet (bijvoorbeeldGeneralized Morse Wavelet met zijn parameters bèta en gamma), die wordt gebruikt om te zetten elke tijdreeks in de tijd en frequentie-domein door de continue wavelet transformatie.
- Het smoothing venstertype (bijvoorbeeld Hanning venster) en de smoothing venstergrootte voor de tijd en schaal domein opgeven in het AWCO-functie.
- Onderzoekt de betekenis van de WTC-coëfficiënten en berekenen van hun p-waarden, geef het aantal surrogaat tijdreeksen (n ≥ 300) en de ARMA model (bijvoorbeeldAR (1)) in het AWCO-functie.
- Met de parameters die zijn opgegeven in stappen 3.3.1 aan 3.3.3, berekenen de wavelet-samenhang van twee overeenkomstige kanalen (hetzelfde kanaal in twee deelnemers).
- Kies een frequentieband van belang waarin de hersenen-aan-hersenen taakgerelateerde synchrony is naar verwachting zullen optreden op basis van eerdere studies en visuele inspectie van de gegevens (voor een alternatieve benadering Zie Nozawa et al. 25).
- Bereken het gemiddelde van de WTC-coëfficiënten en/of het percentage van aanzienlijke WTC coëfficiënten in de taakgerelateerde frequentieband voor elk blok van taak in elk kanaal en voor elke dyade. Gebruik deze waarde als een maatregel van de uitkomst van de hersenen-aan-hersenen synchrony voor verdere statistische analyse (Zie voor meer informatie Reindl et al. 11).
- Vergelijking met willekeurige paren
Opmerking: Om te controleren van de resultaten, raden we vergelijken het WTC van de werkelijke dyads aan de WTC van willekeurige volwassene-kind paringen, die niet met elkaar spelen, maar dezelfde experimentele taak uitgevoerd.- Berekenen van het WTC, zoals beschreven in punt 3.3., voor deelnemer paren die niet samen spelen maar uitgevoerd dezelfde experimentele taak (dat wil zeggen, willekeurige paren). Kies het aantal willekeurige paren (bijvoorbeeld300 voor elke voorwaarde) en bereken het WTC voor elk willekeurig paar.
- Vergelijk de samenhang van de willekeurige en feitelijke paren om te voorkomen dat de opsporing van valse synchroniciteit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representatieve gegevens van één ouder-kind dyade tijdens de coöperatieve voorwaarde zijn afgebeeld in Figuur 1. De coöperatieve taak bestaat uit drie 30 s rest blokken en twee taak blokken, met elk 20 proeven in wisselende volgorde gepresenteerd. In elk afzonderlijk experiment moeten deelnemers reageren zo gelijktijdig mogelijk aan een signaal om te verdienen een punt11.
Figuur 1: Hyperscanning analyse en vertegenwoordiger gegevensresultaten. Lichtintensiteit gegevens verzameld in 22 kanalen (CHs) van twee deelnemers. Eerste, slechte kanalen zijn gedetecteerd en uitgesloten van verdere analyses. Daarna, lichtintensiteit gegevens wordt geconverteerd naar veranderingen in oxy-hemoglobine (Δ Oxy-Hb) en deoxy-hemoglobine (Δ Deoxy-Hb). Signalen zijn voor een voorbeeldige ouder-kind dyade in CH 8 getoond tijdens de coöperatieve voorwaarde. Gegevens is voorverwerkt doordat beweging artefacten en langzame driften. Daarna wordt de wavelet-samenhang berekend uit de voorverwerkte oxy-Hb-signalen. Als u wilt de betekenis van elke wavelet samenhang waarde schatten, worden 300 surrogaat tijdreeksen gegenereerd. Indien de waargenomen wavelet samenhang waarde hoger dan 95% van de wavelet samenhang waarden is, verkregen uit de surrogaat tijdreeksen op hetzelfde punt in tijd en omvang, is het zo belangrijk beschouwd. Belangrijke wavelet samenhang waarden worden gekenmerkt door ononderbroken lijnen rondom de respectieve zones in het proefvlak. Samenhang in de taakgerelateerde frequentieband wordt afgebeeld in de zwarte doos. Houd er rekening mee dat de stappen van de analyse en de parametrage afgebeeld in de figuur moeten worden opgevat als een voorbeeld. De optimale parametrage hangt af van de gegevens, bijv., verschillende parameters van de MARA-algoritme zou werken het beste voor verschillende typen artefacten20, en er is geen gouden standaard voor de analyse stappen nog. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
De resultaten worden geïllustreerd voor de fNIRS-gegevens van kanaal 8 van beide deelnemers van een ouder-kind dyade. Voordat het voorbewerken, worden ruwe lichte verzwakking gegevens, ontvangen van het fNIRS apparaat, geconverteerd naar veranderingen in oxy-Hb en deoxy-Hb voor beide deelnemers. Vervolgens zijn fNIRS tijdreeksen voorverwerkte beweging artefacten en driften te verminderen. Ten slotte is de aanzienlijke WTC berekend op basis van de voorverwerkte oxy-Hb-signalen van beide deelnemers.
Figuur 1 illustreert een echte gewaardeerd WTC matrix, die is samengesteld uit de coëfficiënten van de samenhang in tijd en frequentie-domein (hier in Periodelengte). De coëfficiënten kunnen variëren tussen 0 en 1, met 1 die een perfecte relatie aangeeft op een bepaald tijdstip en frequentie tussen beide signalen24. De coëfficiënten worden gevisualiseerd met behulp van een kleurplan variërend van blauw (weinig of geen samenhang) tot rood (sterke of maximale samenhang). Significante samenhang waarden worden gekenmerkt door stevige zwarte lijnen rond de respectieve zones in het proefvlak. Het begin en einde van elke blok van taak worden aangegeven door verticale stippellijnen.
Resultaten tonen een sterke samenhang gedurende het gehele experiment in een hoge frequentieband, tot een periode van ~ 1 s (1 Hz). Deze verwachten resultaten van de cardiale ritmes van ouder en kind. Bovendien blijkt een sterke samenhang in een lagere frequentieband tussen ~ 2 s en 8 s Periodelengte (0.5 - 0,125 Hz). Proef lengtes verschilde vanwege variabele cue pseudo-gerandomiseerde duur (600-1500 ms) en deelnemers individuele reactietijden maar waren ongeveer 7 s op gemiddelde, uitgaande van de reactietijden van ongeveer 1 s. Samenhang in dit lage frequentiebereik waarschijnlijk weerspiegelt dus een synchronisatie van hersenen activiteiten van beide onderwerpen tijdens de taak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In dit protocol, we laten zien hoe fNIRS hyperscanning experimenten en een mogelijke manier om te analyseren van de hersenen-aan-hersenen synchrony, meten van de concentratie veranderingen van oxy-Hb en deoxy-Hb bij frontale hersengebieden van twee onderwerpen tegelijk. FNIRS hyperscanning is relatief eenvoudig toe te passen: een enkel NIRS-apparaat is voldoende voor het meten van hersenen activiteiten van beide onderwerpen door te splitsen van de optodes tussen hen. Geen synchronisatie tussen verschillende apparaten is dus nodig1. Bovendien, aangezien fNIRS geen beweging van de strikte beperking nodig heeft, is het zeer geschikt voor het voeren van de experimenten van de hyperscanning in een natuurlijke omgeving en bij kinderen. In het volgende benadrukken we sommige kritieke problemen bij het ontwerpen, analyseren en interpreteren van (fNIRS) hyperscanning experimenten, uitdagingen, evenals mogelijke oplossingen bespreken.
Proefopzet. Een belangrijk punt van hyperscanning studies betreft de proefopzet. Twee deelnemers die volledig dezelfde experimentele taak onafhankelijk van elkaar kunnen tonen soortgelijke activiteiten van de hersenen, die vervolgens kunnen worden gedetecteerd als hersenen-aan-hersenen synchrony26. Om te differentiëren tussen hersenen-aan-hersenen synchrony geïnduceerd door de experimentele taak en door de sociale interactie, zijn passende controlemaatregelen van de experimentele voorwaarden noodzakelijk. Aan de ene kant, zijn de coöperatieve en concurrerende taken zeer geschikt omdat ze alleen in de coöperatieve taak component en niet in het materiaal van de stimulus en de motor gedrag van de deelnemer verschillen. Aan de andere kant, minder gestandaardiseerd en natuurlijker interacties (bijvoorbeeldsamen een puzzel te maken) kunnen veroorzaken meer variantie in sociaal interactieve gedrag en wellicht een grotere ecologische validiteit.
Ruimtelijke registratie van kanalen. Een uitdaging in fNIRS hyperscanning is het meten van hemodynamische activiteit in bijbehorende kanalen. Koppelen van de emitter en detector sondes op overeenkomstige locaties van twee deelnemers hoofden garandeert niet dat de activiteit in twee overeenkomstige corticale gebieden wordt onttrokken, als individuele hersenen anatomie dreigt te verschillen van de deelnemers. Tegelijk meten van een volwassene en een kind verergert dit probleem door de invoering van ontwikkelingsstoornissen verschillen op de top van anatomische ones. Bovendien, met een toenemend aantal kanalen, de plaatsing van de kanalen is minder reproduceerbare over onderwerpen vanwege de variabiliteit in de vorm van de kop en grootte27. Een optionele accessoire aan de ETG-4000 is een sonde positionering van de eenheid waardoor sonde posities ten opzichte van fiducial punten op het hoofd in de driedimensionale ruimte. Deze gegevens kunnen vervolgens worden mede geregistreerd aan het structurele heer beeld van de deelnemer hersenen27. MIJNHEER afbeeldingen ophalen en het gebruik van de positionering eenheid kan de experimentator om betere controle of activiteit eigenlijk in overeenkomstige hersengebieden over twee deelnemers gemeten is. Bovendien kunnen onderzoekers deels omzeilen dit probleem door het berekenen van een all-naar-all connectiviteit model, het meten van de verbinding tussen alle twee kanalen van de twee deelnemers.
Invloed van de systemische fysiologie. Een ander belangrijk punt is dat hemodynamische wijzigingen bekend worden beïnvloed niet alleen door het effect van de neurovasculaire koppeling, aldus Neuronale activiteit, maar ook door de systemische veranderingen, zoals veranderingen in de hartslag, bloeddruk, ademhalingstarief, en autonome zenuwstelsel activiteit28. Derhalve kunnen synchrony gedetecteerd in de hemodynamische veranderingen van twee samenwerkende deelnemers ook te wijten aan een synchronie van deze factoren. Eerdere studies hebben aangetoond dat twee interagerende partners inderdaad hun fysiologische activiteiten29worden gesynchroniseerd. Merk echter op dat in taken met verschillende experimentele omstandigheden die rechtstreeks met elkaar worden vergeleken, dit alleen een confounder is als fysiologische koppeling meer prominent in de ene maar niet de andere voorwaarde is. Toch kan het nuttig zijn om fysiologische gegevens in hyperscanning studies om experimentele controle van deze parameters te vergaren. Een andere optie, zoals onlangs door Janeway et al. blijkt 25, is het toevoegen van meting kanalen met een korte bron-detector (S-D) scheiding (bijvoorbeeld, 1 cm), die gevoelig voor de oppervlakkige huid doorbloeding signaal zijn. De overeenkomstige component kan vervolgens worden verwijderd van het signaal van de fNIRS verkregen uit meting kanalen met een reguliere S-D-scheiding (bijv., 3 cm), waardoor de invloed van fysiologische verstrengeling. Dergelijke een dual of multi afstand aanpak is aangetoond dat het verbeteren van de gevoeligheid voor taak-enhanced (hier: communicatie-enhanced) hersenen-aan-hersenen synchronie.
Gegevensanalyse. Hyperscanning resultaten hangen af van een schatter te kwantificeren van hersenen-aan-hersenen synchronie. In de huidige studie berekend we het WTC van oxy-Hb signalen van bijbehorende kanalen als een maatregel van de hersenen-aan-hersenen synchronie. Wavelet-gebaseerde methoden hebben het voordeel dat ze de oscillerende dynamiek van tijdreeksen in de ruimte-tijd-frequentie overwegen. Het WTC is een niet-gerichte maatregel berekend op basis van wavelet getransformeerd tijdreeksen, vertegenwoordigt de sterkte van de relatie tussen twee tijdreeksen. In de toekomst studies, het zou interessant zijn bovendien gericht om maatregelen te nemen, zoals Granger causaliteit, om te onderzoeken welke deelnemer "" de activiteit (zie bijvoorbeeld Pan et al. leidt 15). Bovendien, terwijl vele eerdere studies van de fNIRS gebaseerde hyperscanning onderzoekt hersenen-aan-hersenen synchrony in slechts één signaal (bijvoorbeeld oxy-Hb), is het raadzaam te overwegen oxy-Hb zowel deoxy-Hb (en eventueel totaal-Hb) om volledige voordeel van de fNIRS techniek15.
Beperkingen. Hoewel fNIRS een veelbelovende, snel groeiende neuroimaging techniek biedt, enkele technische beperkingen die zijn gekoppeld aan het apparaat moeten worden overwogen bij het plannen van een dergelijke studie (Zie voor een recente beoordeling Pinti et al. 30). in vergelijking met de EEG en fMRI, fNIRS is beter bestand tegen beweging artefacten, maar het vereist nog steeds voldoende artefact bewegingscontrole en detectie. Er zijn verschillende mogelijke oorzaken van artefacten. Ten eerste, sommige deelnemers de neiging te bewegen hun hoofd abrupt, in het bijzonder zuigelingen en kinderen, en daardoor kunnen trekken op de vezel traktaten, beïnvloeden de optode contact. Ontwikkelingen van nieuwe fiberless apparaten zijn robuuster verkeer en daarmee laat onderzoeken van actieve taken30. Het gebruik van een kin-rust kan dienen als een aanvullende artefact regeltechniek; echter, het beperkt de mogelijkheid tot het opnemen van hersenen activiteiten in natuurlijke interacties. Ten tweede kan verwerven een adequate optode contactpersoon worden gehinderd door donkere, krullend en / of dik haar van de deelnemer. Plaatsen van de optodes zo tijdrovend kan zijn en een perfect signaal is niet altijd gegarandeerd. Ten derde, afhankelijk van het fNIRS systeem, het dragen van optodes voor een langere periode van tijd druk kan uitoefenen op het hoofd van de deelnemer, die kan worden ervaren als onaangename. Dit beperkt niet alleen de opnametijd van het experiment, maar kan ook leiden tot meer verkeer en artefacten (bijvoorbeeld kleinere kinderen kunnen trekken op het GLB). Naast beweging artefacten, het is opmerkelijk dat fNIRS bevat maatregelen van alleen de corticale oppervlak. Tenslotte zijn er nog geen gestandaardiseerde gegevens analyse richtlijnen. Verschillende kasten werden ontwikkeld in het afgelopen jaar en eerste pogingen werden gedaan om het analyseren van de effectiviteit van verschillende pre-processing technieken (bijvoorbeeld, Brigadoi et al. 31 en Cooper et al. 32). bovendien het analytische protocol gepresenteerd in dit artikel toont één manier om fNIRS hyperscanning gegevens te analyseren. Nog belangrijker is, moeten de geselecteerde parameters van de analyse worden opgevat als een mogelijke optie en niet als een standaard richtsnoer. Verschillende andere analytische protocollen voor fNIRS hyperscanning hebben ontwikkeld in de afgelopen jaren door verschillende onderzoeksgroepen (zie bijvoorbeeld Cui et al. 12; Hirsch et al. 33).
Conclusie. fNIRS hyperscanning is een veelbelovende techniek inzichten te krijgen verder in de neurobiologische onderbouwing van sociale interacties34. In de toekomst, kunnen draagbare en fiberless NIRS-apparaten met name van belang bij het onderzoek van de hersenen-aan-hersenen synchrony in natuurlijke interacties en het bewegen van de dyade naar grotere groepen van onderwerpen. Ten slotte kan combineren verschillende neuroimaging technieken, bijvoorbeeld EEG-fNIRS, nieuwe inzichten, verbreding van ons begrip van de hersenen-aan-hersenen synchrony bepalen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gefinancierd door het Excellence-initiatief van de Duitse federale staat en de regering (ERS Seed Fonds, OPSF449). De Hitachi NIRS-systeem werd gesteund door een financiering van de Duitse onderzoek Stichting DFG (INST 948/18-1 FUGG).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids | Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan | ETG-4000 Optical Topography System | The current study protocol requires an optional second adult probe set for 52 channels of measurement in total as well as two 3x5 probe holder grids. |
| raw EEG caps | EASYCAP GmbH, Herrsching, Germany | C-SCMS-56; C-SCMS-58 | Caps must be provided with holes for NIRS probes by the experimenter. Choose cap size the same size or slightly larger than participant's head circumference. |
| Technical computing software | The MathWorks, Inc., Natick, MA | MATLAB R2014a (or later versions) | Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), SPM for fNIRS toolbox (fNIRS data analysis), and ASToolbox (WTC computation). |
References
- Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
- Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
- Funane, T., et al. Synchronous activity of two people's prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 077011 (2011).
- Lindenberger, U., Li, S. -C., Gruber, W., Müller, V. Brains swinging in concert: cortical phase synchronization while playing guitar. BMC Neuroscience. 10, 22 (2009).
- Jiang, J., et al. Neural synchronization during face-to-face communication. Journal of Neuroscience. 32 (45), 16064-16069 (2012).
- Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
- Liu, N., et al. NIRS-based hyperscanning reveals inter-brain neural synchronization during cooperative Jenga game with face-to-face communication. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 82 (2016).
- Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
- Lloyd-Fox, S., Blasi, A., Elwell, C. Illuminating the developing brain: the past, present and future of functional near infrared spectroscopy. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 34 (3), 269-284 (2010).
- Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage. 29 (2), 368-382 (2006).
- Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
- Cui, X., Bryant, D. M., Reiss, A. L. NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation. NeuroImage. 59 (3), 2430-2437 (2012).
- Baker, J. M., et al. Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning. Scientific Reports. 6, 26492 (2016).
- Cheng, X., Li, X., Hu, Y. Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: a fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 36 (6), 2039-2048 (2015).
- Pan, Y., Cheng, X., Zhang, Z., Li, X., Hu, Y. Cooperation in lovers: an fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 38 (2), 831-841 (2017).
- Kleiner, M., Brainard, D., Pelli, D. What's new in Psychtoolbox-3? Perception. 36, ECVP Abstract Supplement (2007).
- Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Applied Optics. 48 (10), D280-D298 (2009).
- Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR Toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
- Tak, S., Uga, M., Flandin, G., Dan, I., Penny, W. D. Sensor space group analysis for fNIRS data. Journal of Neuroscience Methods. 264, 103-112 (2016).
- Scholkmann, F., Spichtig, S., Muehlemann, T., Wolf, M. How to detect and reduce movement artifacts in near-infrared imaging using moving standard deviation and spline interpolation. Physiological Measurement. 31 (5), 649-662 (2010).
- van der Kant, A., Biro, S., Levelt, C., Huijbregts, S. Negative affect is related to reduced differential neural responses to social and non-social stimuli in 5-to-8-month-old infants: a functional near-infrared spectroscopy-study. Developmental Cognitive Neuroscience. 30, 23-30 (2018).
- Bastos, A. M., Schoffelen, J. -M. A tutorial review of functional connectivity analysis methods and their interpretational pitfalls. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 175 (2016).
- Grinsted, A., Moore, J. C., Jevrejeva, S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlinear Processes in Geophysics. 11, 561-566 (2004).
- Aguiar-Conraria, L., Soares, M. J. The continuous wavelet transform: moving beyond uni-and bivariate analysis. Journal of Economic Surveys. 28 (2), 344-375 (2014).
- Nozawa, T., Sasaki, Y., Sakaki, K., Yokoyama, R., Kawashima, R. Interpersonal frontopolar neural synchronization in group communication: an exploration toward fNIRS hyperscanning of natural interactions. NeuroImage. 133, 484-497 (2016).
- Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
- Tsuzuki, D., Dan, I. Spatial registration for functional near-infrared spectroscopy: from channel position on the scalp to cortical location in individual and group analyses. NeuroImage. 85, 92-103 (2014).
- Tachtsidis, I., Scholkmann, F. False positives and false negatives in functional near-infrared spectroscopy: issues, challenges, and the way forward. Neurophotonics. 3 (3), 031405 (2016).
- Palumbo, R. V., et al. Interpersonal autonomic physiology: a systematic review of the literature. Personality and Social Psychology Review. 21 (2), 99-141 (2016).
- Pinti, P., et al. The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences. , (2018).
- Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. NeuroImage. 85 (1), 181-191 (2014).
- Cooper, R. J., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
- Hirsch, J., Zhang, X., Noah, J. A., Ono, Y. Frontal temporal and parietal systems synchronize within and across brains during live eye-to-eye contact. NeuroImage. 157, 314-330 (2017).
- Scholkmann, F., Holper, L., Wolf, U., Wolf, M. A new methodical approach in neuroscience: assessing inter-personal brain coupling using functional near-infrared imaging (fNIRI) hyperscanning. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 813 (2013).
