Summary
El presente Protocolo describe cómo realizar fNIRS hyperscanning experimentos y analizar la sincronía de cerebro a cerebro. Además, discutimos los retos y posibles soluciones.
Abstract
Grabaciones de cerebro concurrente de dos o más personas interactúan, un enfoque llamado hyperscanning, están ganando cada vez mayor importancia para la comprensión de las bases neurobiológicas de las interacciones sociales y relaciones interpersonales posiblemente . Funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (fNIRS) es idóneo para la realización de experimentos de hyperscanning porque mide los efectos hemodinámicos locales con una alta velocidad de muestreo y, lo que es importante, puede aplicarse en escenarios naturales, que no requieren movimiento estricto restricciones. En este artículo, presentamos un protocolo para realizar fNIRS hyperscanning experimentos con díadas de padres e hijos y para análisis sincronía de cerebro a cerebro. Además, discutimos los asuntos críticos y direcciones futuras, en relación con el diseño experimental, registro espacial de los canales de fNIRS, influencias fisiológicas y métodos de análisis de datos. El protocolo descrito no es específico de díadas de padres e hijos, pero se puede aplicar a una variedad de diferentes constelaciones de dos días, como adultos extraños, pareja romántica o hermanos. Para concluir, fNIRS hyperscanning tiene el potencial para producir nuevos conocimientos sobre la dinámica de la interacción social permanente, que posiblemente vayan más allá de lo que puede ser estudiada examinando las actividades de los cerebros individuales.
Introduction
En los últimos años, los neurocientíficos han empezado a estudiar las interacciones sociales mediante el registro de las actividades del cerebro de dos o más personas al mismo tiempo, un enfoque llamado hyperscanning1. Esta técnica abre nuevas oportunidades para dilucidar los mecanismos neurobiológicos subyacentes a estas interacciones. Para comprender las interacciones sociales, puede no ser suficiente para el estudio de cerebros individuales en aislamiento sino más bien las actividades conjuntas de los cerebros de las personas interactuantes2. Mediante técnicas de neuroimagen diferentes, hyperscanning estudios han demostrado eso cerebro sincronización actividades de interacción de las personas o grupos, por ejemplo, mientras que coordinan sus acciones3, hacer música4,5, se comunican participar en actividades de aula6 o7de cooperar.
El artículo presenta un protocolo para la realización de grabaciones simultáneas con funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (fNIRS). Similar a la proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI), fNIRS mide la respuesta hemodinámica a la activación del cerebro. Cambios en la hemoglobina oxigenada y desoxigenada (Oxi-Hb y deoxi-Hb) se calculan basándose en la cantidad de luz infrarroja diffusively transmitida a través de tejido8. fNIRS es idóneo para la realización de experimentos de hyperscanning, especialmente con los niños, porque pueden aplicarse en contextos con menos restricciones y más naturales que el fMRI. Por otra parte, es menos propenso a artefactos de movimiento que fMRI y EEG9. Además, datos fNIRS pueden ser adquiridos en altas frecuencias de muestreo (p. ej., 10 Hz), así muy sobremuestrea la respuesta hemodinámica relativamente lenta y tal modo potencialmente proporciona una imagen temporal más completa de la hemodinámica del cerebro10 .
Este protocolo fue desarrollado dentro del estudio de Reindl et al. 11 y ha sido ligeramente modificado (en particular con respecto a la colocación de la canal y la identificación de canal mala) más recientemente. El objetivo del estudio fue examinar la actividad cerebral sincronizada de díadas de padres e hijos. Utilizando fNIRS hyperscanning, se evaluaron la sincronía de cerebro a cerebro en áreas del cerebro prefrontal de los niños (de cinco a nueve años) y sus padres, sobre todo madres, en una cooperativa y una tarea de equipo competitivo. Regiones prefrontales del cerebro fueron objeto ya había sido identificados como regiones importantes para procesos sociales interactivos en anteriores estudios de hyperscanning1. La tarea de cooperación y competitiva fueron desarrollados originalmente por Cui et al. 12 y recientemente empleado anterior varios estudios13,14,15. Para el estudio de Reindl et al. 11, las tareas fueron modificadas para ser conveniente para los niños. Los participantes fueron instruidos o responder conjuntamente a través de pulsar un botón en respuesta a un objetivo (cooperación) o para responder más rápido que el otro jugador (competencia). Cada niño realiza cada tarea una vez con el padre y una vez con un adulto desconocido del mismo sexo como el padre. Dentro de cada díada niño-adulto, coherencia de wavelet se calculó para las señales de oxi-Hb de canales correspondientes como una medida de la sincronía de cerebro a cerebro.
Este protocolo describe el procedimiento para recopilar fNIRS hyperscanning datos de los padres y el niño durante el juego cooperativo y competitivo. El procedimiento general, sin embargo, no es específico de este diseño de la investigación pero es apropiado para poblaciones diferentes (por ejemplo, adultos extranjeros, socios románticos, hermanos, etc.) y puede ser adaptado para un número de diferentes tareas experimentales. Este protocolo también esboza un procedimiento analítico posible, que cubre los pasos de análisis de datos necesarios y opcionales, incluyendo fNIRS preprocesado de datos, detección de canales malos, wavelet coherencia análisis y validación por análisis par al azar.
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Protocol
Antes de la participación, todos los padres / niños proporcionan consentimiento / asentimiento. El estudio fue aprobado por el Comité de ética de la facultad médica de Universidad RWTH de Aquisgrán.
1. preparación antes de que el participante llegue
- Preparar tapas de NIRS.
- Elegir los tamaños de la tapa del mismo tamaño o ligeramente más grande que la circunferencia de la cabeza del participante.
- Corte 15 orificios con un diámetro de aproximadamente 15 mm cada una, dispuestas en una cuadrícula de 3 x 5 horizontal, en el área de la frente de cada uno de 2 tapas de EEG sin procesar (véase Tabla de materiales). Asegúrese de que los agujeros están espaciados a 30 mm unos de otros en cualquier dirección, que la columna media de agujeros se encuentra en el centro de la frente, es decir, arriba de la nariz, y que la fila inferior se encuentra por encima de las cejas.
- Para hacer más cómodas las tapas y minimizar marcas de presión, coloque material de espuma suave (por ejemplo, adhesivo ventana plana similar o cinta de cierre material de espuma de goma) en el lado interno de la red de soporte entre las tomas de la sonda y en los bordes. Use cinta adhesiva de doble cara o hilo de coser si es necesario.
- Montar una red de soporte vacío sonda 3 x 5 (véase Tabla de materiales) a cada una de las tapas de EEG modificadas tal que la red de soporte sí mismo se coloca en el interior de la tapa y el soporte zócalos de palo en los agujeros.
Nota: El sistema de medición de NIRS (véase Tabla de materiales) tiene dos separados sistemas de la sonda, utilice una sonda para cada participante. - Suavemente inserte las puntas de prueba en los zócalos soporte apropiado en las rejillas que sólo la primera cresta de cada sonda está montada en el zócalo, que se traduce en un sonido de clic.
- Abierta la sonda ventana monitor en el sistema de medición de NIRS y seleccione sonda 2 conjuntos dispuestos en una cuadrícula de 3 x 5 cada uno, uno para los niños participantes y para el adulto. Asegúrese de que los arreglos de la punta de prueba de las dos tapas corresponde a los arreglos en la ventana de set de sonda (es decir, misma ubicación de los respectivo emisor y receptor sonda números).
- Preparar el experimento.
- Inicie el sistema de medición de NIRS con diodos láser encendidos 30 minutos antes de medir, que el sistema alcanza una estable temperatura de funcionamiento.
- Configurar todas las opciones necesarias en el sistema de medición de NIRS. Asegúrese que el dispositivo está configurado a medida relacionados con el evento y que la entrada serial RS232, necesaria para la recepción activa del paradigma experimental, está activa.
Nota: El experimento es una versión adaptada por un paradigma ideado por Cui et al. 12, programado en las extensiones de caja de herramientas psicofísica no comercial, versión 3.0.1116. - Preparar el paradigma experimental por iniciar el software informático técnico (véase Tabla de materiales) que sirve como base para las extensiones de la caja de herramientas de psicofísica y establecer el directorio actual a la carpeta guardada en el paradigma.
- Barbilla de lugar dos descansa frente a la pantalla del ordenador para evitar movimientos de la cabeza durante el experimento.
2. llegada participante en el laboratorio
- Preparar a los participantes.
- Mostrar y explicar el montaje experimental incluyendo el sistema de medición de NIRS para los participantes. Asegúrese de que los participantes no mire directamente el haz láser del sistema de medición de NIRS como esto puede ser perjudicial para el ojo.
- Asiento de los participantes al lado del otro frente a la pantalla del ordenador. Ajuste la altura de los restos de la barbilla que ambos participantes se sientan cómodamente.
- Instruir a los participantes y administrar pruebas de la práctica de la cooperativa y el juego competitivo. Dar instrucciones adicionales durante los ensayos de práctica si es necesario.
- Mida y marque el punto de Fpz según el sistema 10-20, que es el 10% de la distancia entre el nasion y el inion, en cabeza de cada participante.
- Coloque las tapas de las puntas de prueba cuidadosamente en cabeza de los participantes, con el láser apagado. Coloque la parte delantera de la tapa, incluyendo la red de la sonda, en frente del participante primero y luego tire hacia abajo la parte posterior de la tapa hacia el cuello. Asegúrese de que la sonda media de la fila inferior se coloca en Fpz y la columna del medio de la sonda se alinea a lo largo de la curva de referencia sagital.
- Coloque los hilos de la fibra en el brazo de soporte conectado al sistema de medición de NIRS para que cuelgan libremente sin contacto con el participante o la silla y no tiran de las tapas. Utilice un soporte adicional (por ej., modificado soporte de micrófono o similar) para el segundo participante si fuera necesario.
- Empuje cada sonda más lejos en su toma hasta la nariz blanca pequeña en el centro de la parte superior de la carcasa de la sonda es visible.
Nota: La nariz es empujada hacia arriba por un mecanismo de resorte de bobina tan pronto como la punta de la sonda toca el cuero cabelludo de los participantes. - Vuelva a encender el láser y la calidad de la señal de prueba haciendo clic en el botón Auto del aumento en la ventana de monitor set de sonda del sistema de medición de NIRS.
- Si un canal no tiene señal suficiente (es decir, si está marcado en amarillo), suavemente dejar el pelo por debajo de la punta de prueba circundante. Si es necesario, empuje las sondas más lejos en sus zócalos pero garantizar la comodidad del participante. Compruebe si ha mejorado la calidad de la señal (es decir, que el canal está ahora marcado en verde) haciendo clic en el botón Auto del aumento otra vez.
- Si paso 2.1.9. no conducir a una mejora de la señal, ajustar la intensidad de la señal. Si hay demasiada señal (es decir, si el canal está marcado en rojo), cambiar la intensidad de la señal de baja intensidad de señal por varias veces haciendo clic en el símbolo de la punta de prueba respectivos en la sonda de ajuste ventana del monitor del sistema de medición de NIRS. Si no hay suficiente señal (es decir, si el canal está marcado en amarillo), cambiar la intensidad a la intensidad de la señal de alto, otra vez varias veces haciendo clic en el símbolo de la sonda correspondiente.
- Ejecutar el experimento
- Cuando no existen preguntas después de los ensayos de práctica y se garantiza una calidad de señal buena, empezar el paradigma experimental.
- Coloque una toalla sobre las manos de los participantes para que no se ven los movimientos de la mano de su pareja de juego respectivo.
- Después del experimento, guardar los datos y exportar los datos de intensidad de la luz cruda como un archivo de texto haciendo clic en el botón archivo de texto hacia fuera. No se aplican los filtros en el sistema de medición de NIRS.
- Limpie los materiales necesarios (sondas, los titulares de la sonda, la barbilla descansa) con etanol. Lave las tapas en un ciclo suave con detergente suave.
3. Análisis de los datos
- Preprocesamiento de datos
Nota: Se dispone de diversos paquetes de software no comercial para fNIRS análisis de datos, por ejemplo., HomER17, NIRS cerebro AnalyzIR18 o SPM por fNIRS19. El último fue utilizado para los siguientes pasos de preprocesamiento. Para obtener más información sobre cómo realizar estos pasos, consulte el manual de la caja de herramientas.- Convertir los archivos de datos para el SPM para formato de datos fNIRS.
- Calcular los cambios de concentración de oxi-Hb y desoxi-Hb usando la ley de Beer-Lambert modificada pulsando el botón de convertir en la ventana principal. Introduzca la edad del sujeto y la distancia entre la fuente y el detector (por ejemplo, 3 cm). Acepte los valores predeterminados de los coeficientes de absorción molar de oxi-Hb y desoxi-Hb en longitud de onda (λ) 1 y λ 2 así como los valores por defecto para el factor de longitud diferencial (PD) en λ 1 y λ 2.
- Preprocesar la serie de tiempo de cambios hemodinámicos para reducir artefactos de movimiento seleccionando el botón MARA (para más información sobre la sede de algoritmo MARA Scholkman et al. 20).
- Preprocesar la serie de tiempo para reducir la deriva lenta seleccionando el botón de la DCT.
- Detección de canal mala
Nota: Puede realizar detección de canal mala antes y/o después de fNIRS preprocesado de datos. En este protocolo, se combinan diferentes criterios para la detección de canales malos y la inspección visual. Tenga en cuenta que la lista de criterios no es exhaustiva. Para la detección de canales malos, uno mismo-escrita scripts fueron utilizados (por la técnica informática software véase Tabla de materiales).- Excluir canales en que no hay ningún cambio de la señal para varias muestras de continuo, que es indicado por una línea plana cuando trazar la serie de tiempo.
- Calcular el coeficiente de variación CV = SD/Media * 100 para los datos crudos de la atenuación. Excluir canales en los que el CV está por encima de un porcentaje predefinido (por ejemplo, 10%; ver por ejemplo van der Kant et al. 21).
- Trazar el espectro de energía de la señal. Si no hay ningún latido visible en el espectro de la señal alrededor de 1 Hz, como se indica por una potencia creciente en esta banda de frecuencia, excluir el canal a partir del análisis.
- Inspeccione visualmente todos los datos antes o después de preprocesamiento. Decidir si incluir el canal basado en los criterios objetivos, descritos en 3.2.1, 3.2.3, así como en la detección visual subjetiva de canales ruidosos.
- Conectividad de cerebro a cerebro
Nota: Dos diferentes estiman tipos de Conectividad del cerebro pueden distinguirse: estimaciones no dirigida, que cuantificar la fuerza de la conectividad, y estimaciones dirigidas, encaminadas a establecer la evidencia estadística de causalidad de datos22 . Aquí el enfoque fue sobre la coherencia de transformación wavelet (WTC), una estimación ampliamente aplicada no dirigida para la conectividad de cerebro a cerebro fNIRS. Existen varias soluciones de software no comercial para el cómputo del WTC, por ejemplo, por Grinsted y colegas23 o el ASToolbox24, que fue utilizado en el presente Protocolo para los siguientes pasos.- En la función de la ASToolbox de AWCO, especifique la wavelet madre (p. ej., Wavelet generalizado de Morse con sus parámetros beta y gamma), que se utiliza para transformar cada serie temporal en el dominio tiempo y frecuencia de la wavelet continua transformación.
- Especificar el tipo de ventana de suavizado (por ejemplo, ventana de Hanning) y tamaño de la ventana de suavizado para el dominio de tiempo y escala en la función AWCO.
- Para examinar la significación de los coeficientes WTC y calcular su p-valores, especificar el número de serie de tiempo de suplente (n ≥ 300) y el modelo ARMA (p. ej., AR (1)) en la función AWCO.
- Con los parámetros especificados en los pasos 3.3.1 a 3.3.3, calcular la coherencia de la wavelet de dos canales correspondientes (el mismo canal en dos participantes).
- Elegir una banda de frecuencia de interés en que la sincronía de cerebro a cerebro relacionados con la tarea se espera que se producen en base a estudios previos y la inspección visual de los datos (para una sede alternativa Nozawa et al. 25).
- Calcular la media de los coeficientes WTC y/o el porcentaje de coeficientes significativos de WTC en la banda de frecuencia relacionados con la tarea para cada bloque de la tarea en cada canal y de cada díada. Utilice este valor como una medida de resultado de sincronía de cerebro a cerebro para su posterior análisis estadístico (para más información, consulte Reindl et al. 11).
- Comparación de pares al azar
Nota: Para validar los resultados, se recomienda comparar el WTC de las díadas reales para el WTC de emparejamientos aleatorios de adulto-niño, que no jugaron entre sí, sino realizan la misma tarea experimental de.- Calcular el WTC, como se describe en 3.3., para los pares participantes que no jugaron juntos, pero realizan la misma tarea experimental (es decir, pares al azar). Elija el número de pares al azar (p. ej., 300 para cada enfermedad) y calcular el WTC para cada par al azar.
- Comparar la coherencia de los pares al azar y reales para evitar la detección de falso sincronicidad.
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Representative Results
Datos representativos de una díada padre-hijo durante la condición cooperativa se muestran en la figura 1. La tarea cooperativa consiste en tres 30 s resto bloques y bloques de dos tareas, con 20 ensayos cada uno, presentados en orden de alternancia. En cada ensayo, los participantes tienen que reaccionar tan simultáneamente como sea posible a la señal para ganar un punto11.
Figura 1: Resultados de análisis y representante de datos de Hyperscanning. Datos de intensidad de la luz se recogen en 22 canales (CHs) de dos participantes. En primer lugar, malos canales son detectados y excluidos de mayores análisis. Luego, datos de la intensidad de la luz se convierten en cambios en la oxi-hemoglobina (Δ Oxy-Hb) y la desoxi-hemoglobina (Δ deoxi-Hb). Las señales se muestran para una díada padre-hijo ejemplar en CH 8 durante la condición de cooperativa. Datos es preprocesados por reducción de artefactos de movimiento y lentas derivas. Luego, la coherencia de la wavelet se calcula de las señales de oxi-Hb preprocesadas. Para estimar la importancia de cada valor de la coherencia de wavelet, se generan 300 series de tiempo de alquiler. Si el valor de la coherencia de wavelet observado es superior al 95% de los valores de coherencia wavelet obtenidos de las series de tiempo de suplente en el mismo punto en tiempo y escala, se considera como significativa. Valores de coherencia significativa wavelet están marcados por líneas continuas alrededor de las áreas respectivas en la trama. Coherencia en la banda de frecuencia relacionados con la tarea se representa dentro de la caja negra. Tenga en cuenta que los pasos de análisis y parametrización representado en la figura deben entenderse como un ejemplo. La parametrización óptima depende de los datos, por ej. diferentes parámetros del algoritmo MARA podrían funcionar mejor para los diferentes tipos de artefactos20y todavía no hay ningún estándar de oro para cualquiera de los pasos de análisis. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Se ejemplifican los resultados de los datos de fNIRS de canal 8 de ambos participantes de una díada padre-hijo. Antes de preprocesamiento, datos de la atenuación de la luz cruda, recibidos desde el dispositivo fNIRS, se convierten en cambios en oxi-Hb y la desoxi-Hb para ambos participantes. A continuación, serie fNIRS es preprocesada para reducir artefactos de movimiento y derivas. Finalmente, el WTC significativa se calcula de las señales de oxi-Hb preprocesadas de ambos participantes.
La figura 1 muestra una matriz WTC real valor, que está formada por los coeficientes de coherencia en el dominio tiempo y frecuencia (aquí en longitud de período). Los coeficientes pueden variar entre 0 y 1, con 1 que indica una perfecta relación en un momento específico y frecuencia entre dos señales de24. Los coeficientes son visualizados usando un mapa de color que van del azul (poca o ninguna coherencia) a rojo (fuerte o máxima coherencia). Valores de coherencia significativa están marcados por rayas negras alrededor de las áreas respectivas en la trama. Las líneas punteadas verticales indican el inicio y final de cada bloque de tareas.
Los resultados muestran una fuerte coherencia durante todo el experimento de una banda de alta frecuencia, hasta una longitud de período de ~ 1 s (1 Hz). Esto resulta probablemente de los ritmos cardíacos de padre e hijo. Además, los resultados muestran una fuerte coherencia en una banda de frecuencia más baja entre ~ 2 s y 8 s período longitud (0.5 - 0,125 Hz). Ensayo longitudes difieren debido a la duración de referencia variable pseudo-aleatorios (600-1500 ms) y tiempos de reacción individual de los participantes pero fueron alrededor de 7 s en promedio, asumiendo que los tiempos de reacción de aproximadamente 1 s. Por lo tanto, coherencia en esta gama de baja frecuencia probablemente refleja una sincronización de actividades del cerebro de ambos sujetos durante la tarea.
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Discussion
En este protocolo, se muestra cómo llevar a cabo experimentos de hyperscanning fNIRS y una manera posible de analizar sincronía de cerebro a cerebro, medir cambios de concentración de oxi-Hb y desoxi-Hb en regiones del cerebro frontal de dos temas al mismo tiempo. Hyperscanning FNIRS es relativamente fácil de aplicar: un único dispositivo NIRS es suficiente para medir las actividades cerebrales de ambos temas dividiendo las optodes entre ellos. Por lo tanto, no hay sincronización entre diferentes dispositivos es necesario1. Por otra parte, ya fNIRS no requiere restricción de movimiento estricto, es idóneo para realizar experimentos de hyperscanning en un entorno natural y en los niños. A continuación, destacamos algunas cuestiones críticas al diseño, análisis e interpretación de experimentos de hyperscanning (fNIRS), hablar de desafíos, así como posibles soluciones.
Experimental diseño. Un tema importante de los estudios de hyperscanning refiere el diseño experimental. Dos los participantes que completen la misma tarea experimental independientemente uno del otro pueden mostrar similar actividades del cerebro, que entonces podrían ser detectadas como sincronía de cerebro a cerebro26. Para distinguir entre sincronía de cerebro a cerebro, inducido por la tarea experimental y la interacción social, las condiciones de control experimental apropiado son necesarias. Por un lado, las tareas cooperativas y competitivas se adaptan muy bien ya que se diferencian sólo en el componente de la tarea cooperativa y no en el material de estímulo y el comportamiento motor de los participantes. Por otro lado, menos interacciones estandarizadas y más naturales (por ejemplo, hacer un rompecabezas juntos) pueden inducir más variación en el comportamiento interactivo social y tengan una mayor validez ecológica.
Registro espacial de los canales. Un reto en hyperscanning fNIRS mide actividad hemodinámica en los canales correspondientes. Colocar el emisor y el detector de sondas en los lugares correspondientes de las cabezas de dos participantes no garantiza que la actividad en dos regiones corticales correspondientes es aprovechada, como cerebro individual anatomía es responsable difieren entre los participantes. Medir simultáneamente un adulto y un niño exacerba este problema mediante la introducción de diferencias del desarrollo en la parte superior los anatómicos. Además, con un creciente número de canales, la colocación de los canales es menos reproducible en materias debido a la variabilidad en la forma de la cabeza y tamaño27. Un accesorio opcional para la ETG-4000 es una sonda de posicionamiento de la unidad que crea posiciones de la sonda en relación a puntos de referencia en la cabeza en el espacio tridimensional. Estos datos pueden ser registrados junto a la imagen de Señor estructural del participante cerebro27. Adquisición de imágenes de Señor y utilizando la unidad de colocación permitirá al experimentador para mejor control si la actividad se mide realmente en las regiones del cerebro correspondiente a través de dos participantes. Además, los investigadores podrían en parte eludir este problema mediante el cálculo de un modelo de conectividad de todos a todos, medir la conexión entre los dos canales de los dos participantes.
Influencia de la fisiología sistémica. Otra cuestión importante es que los cambios hemodinámicos son conocidos influenciados no sólo por el efecto de la neurovascular de acoplamiento, actividad neuronal así, sino también por los cambios sistémicos, tales como cambios en la frecuencia cardíaca, presión arterial, frecuencia respiratoria y autonómica sistema nervioso actividad28. Por lo tanto, cualquier sincronía en los cambios hemodinámicos de dos cooperantes participantes también puede ser atribuible a una sincronía de esos factores. Estudios anteriores han demostrado que dos socios interactúan efectivamente sincronizar sus actividades fisiológicas29. Sin embargo, hay que tener en cuenta que en las tareas a las diferentes condiciones experimentales que se comparan directamente uno al otro, esto es sólo una confusión si acoplamiento fisiológico es más prominente en una pero no la otra condición. Sin embargo, puede ser útil para la adquisición de datos fisiológicos en los estudios de hyperscanning para habilitar el control experimental de estos parámetros. Otra opción, como quedó demostrado recientemente por Nozawa et al. 25, es agregar canales de medida con una separación corta fuente-detector (S-D) (p. ej., 1 cm), que son sensibles a la señal de flujo sanguíneo superficial de la piel. Luego se puede quitar el componente correspondiente de la señal fNIRS obtenida de canales de medida con una separación regular de S-D (p. ej., 3 cm), reduciendo así la influencia de factores de confusión fisiológicas. Un enfoque dual o múltiple de la distancia se ha demostrado para mejorar la sensibilidad a la tarea-realzado (aquí: comunicación-realzado) sincronía de cerebro a cerebro.
Análisis de datos. Hyperscanning resultados dependen de un estimador para cuantificar sincronía de cerebro a cerebro. En el presente estudio, se calculó el WTC de oxi-Hb señales de canales correspondientes como una medida de la sincronía de cerebro a cerebro. Métodos basados en wavelets tienen la ventaja que consideran la dinámica oscilatoria de series de tiempo en el espacio de tiempo-frecuencia. El WTC es una medida no dirigida calculada a partir de series de tiempo transformada wavelet, que representa la fuerza de la relación entre dos series temporales. En el futuro los estudios, sería interesante incluir además medidas dirigidas, tales como causalidad de Granger, con el fin de examinar qué participante "conduce" la actividad (véase, por ejemplo, Pan et al. 15). Además, mientras que muchos estudios previos de hyperscanning basada en fNIRS examinan sincronía de cerebro a cerebro en sólo una señal (por ejemplo, oxi-Hb), es recomendable considerar oxi-Hb y la desoxi-Hb (y posiblemente total-Hb) para tener completo ventaja de la técnica de fNIRS15.
Limitaciones. Aunque fNIRS ofrece una técnica de neuroimagen prometedor, rápido crecimiento, algunas limitaciones técnicas asociadas con el dispositivo hay que considerar al planear un estudio (para una revisión reciente véase Pinti et al. 30). en comparación con EEG y fMRI, fNIRS es más resistente a los artefactos de movimiento, sin embargo, aún requiere suficiente control de artefactos de movimiento y detección. Existen varias causas potenciales de artefactos. En primer lugar, algunos participantes tienden a mover la cabeza bruscamente, en especiales niños y niños y lo pueden tirar en los tractos de fibra, afectando el contacto optode. Desarrollos de nuevos dispositivos fiberless son más robustos al movimiento y así permitir que las investigaciones de tareas activas30. El uso de un apoya-mentón-puede servir como un control de artefacto de movimiento adicionales; sin embargo, limita la capacidad para registrar actividades del cerebro en las interacciones naturales. En segundo lugar, adquirir un contacto adecuado optode puede ser obstaculizado por el pelo oscuro, rizado o grueso de los participantes. Colocar el optodes puede ser desperdiciador de tiempo y una perfecta señal no está siempre garantizada. En tercer lugar, dependiendo del sistema fNIRS, usando optodes por un largo periodo de tiempo puede ejercer presión sobre la cabeza del participante, que puede ser experimentada como desagradable. Esto no sólo limita el tiempo de grabación del experimento pero también podría generar más movimiento y artefactos (por ejemplo, los niños más pequeños podrían tirar de la tapa). Además de artefactos de movimiento, es de destacar que fNIRS proporciona medidas de la superficie cortical solamente. Por último, no existen datos estandarizados análisis directrices todavía. Varias cajas de herramientas fueron desarrolladas en los últimos años y las primeras tentativas se hicieron para analizar la eficacia de diversas técnicas de preprocesamiento (p. ej., Brigadoi et al. 31 y Cooper et al. 32). por otra parte, el protocolo analítico presentado en este artículo muestra una forma de analizar los datos de hyperscanning fNIRS. Lo importante, los parámetros seleccionados del análisis deben entenderse como una opción posible y no como una pauta estándar. Varios otros protocolos analíticos para fNIRS hyperscanning se han desarrollado en los últimos años por diferentes grupos de investigación (véase por ejemplo Cui et al. 12; Hirsch et al. 33).
Conclusión. fNIRS hyperscanning es una técnica prometedora para obtener más información sobre las bases neurobiológicas de las interacciones sociales34. En el futuro, dispositivos portátiles y fiberless de NIRS pueden ser particularmente importantes al examinar la sincronía de cerebro a cerebro en interacciones naturales y de la díada a grandes grupos de sujetos en movimiento. Finalmente, la combinación de técnicas de neuroimagen diferentes, por ejemplo, EEG-fNIRS, puede proporcionar nuevas perspectivas, ampliar nuestra comprensión de la sincronía de cerebro a cerebro.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue financiado por la iniciativa de excelencia del estado federal alemán y los gobiernos (fondo de semilla de ERS, OPSF449). El sistema NIRS de Hitachi fue apoyado por una financiación de la investigación alemán 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). |
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