Methodenartikel

Neuer Rahmen für das Verständnis der hirnübergreifenden Kohärenz in funktionellen Hyperscanning-Studien der Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS)

DOI:

10.3791/65347

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6. Oktober 2023

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1The Department of Behavioral Sciences and Psychology, Ariel University, 2Braude College of Engineering, 3Department of Psychology and Behavioral Sciences, Zhejiang University, 4Department of Psychology, Florida Atlantic University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Die Wavelet-Transformationskohärenz (WTC) ist eine gängige Methode zur Bewertung der Kopplung zwischen Signalen, die in Hyperscanning-Studien der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) verwendet wird. In dieser Arbeit wird ein Werkzeugkasten zur Beurteilung der Richtungsabhängigkeit der Signalwechselwirkung vorgestellt.

Zusammenfassung

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Trotz der wachsenden Zahl von funktionellen Hyperscanning-Studien mit Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) scheint die Bewertung der Kopplung zwischen zwei neuronalen Signalen mittels Wavelet-Transformationskohärenz (WTC) die Richtungsabhängigkeit der Wechselwirkung zu ignorieren. Dem Feld fehlt derzeit ein Rahmen, der es den Forschern ermöglicht, zu bestimmen, ob ein hoher Kohärenzwert, der mit einer WTC-Funktion erhalten wurde, eine phasengleiche Synchronisation (d. h. eine neuronale Aktivierung wird in beiden Mitgliedern der Dyade gleichzeitig beobachtet), eine verzögerte Synchronisation (d. h. eine neuronale Aktivierung wird in einem Mitglied der Dyade vor dem anderen Mitglied beobachtet) widerspiegelt. oder Anti-Phasen-Synchronisation (d.h. die neuronale Aktivierung ist in einem Mitglied der Dyade erhöht und in dem anderen vermindert). Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wird in dieser Arbeit ein komplementärer und sensitiverer Ansatz zur Analyse der Phasenkohärenz zweier neuronaler Signale vorgeschlagen. Die Toolbox ermöglicht es den Forschern, die Richtungsabhängigkeit der Kopplung abzuschätzen, indem sie die Phasenwinkelwerte, die mit herkömmlicher WTC ermittelt wurden, in phasengleiche Synchronisation, verzögerte Synchronisation und Antiphasensynchronisation klassifizieren. Die Toolbox ermöglicht es den Forschern auch, zu beurteilen, wie sich die Dynamik der Interaktionen während der Aufgabe entwickelt und verändert. Die Verwendung dieses neuartigen WTC-Ansatzes und der Toolbox wird unser Verständnis komplexer sozialer Interaktionen durch ihre Verwendung in fNIRS-Hyperscanning-Studien verbessern.

Einleitung

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In den letzten Jahren hat sich die Art der Studien, die durchgeführt werden, um die neuronalen Grundlagen des Sozialverhaltens zu verstehen, verschoben 1,2. Traditionell haben sich Studien in den sozialen Neurowissenschaften auf die neuronale Aktivierung in einem isolierten Gehirn während einer sozial relevanten Aufgabe konzentriert. Fortschritte in der Neuroimaging-Technologie ermöglichen es nun jedoch, die neuronale Aktivierung im Gehirn eines oder mehrerer Personen während sozialer Interaktion zu untersuchen, wie sie im "realen" Leben stattfindet3. Im "realen" Leben können sich Indiv....

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Protokoll

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Die Studie wurde an der Florida Atlantic University (FAU) durchgeführt und vom FAU Institutional Review Board (IRB) genehmigt.

1. Verwendung der Homer3-Software (Table of Materials) zur Vorverarbeitung der fNIRS-Hyperscanning-Daten

HINWEIS: Homer3 ist eine MATLAB-Anwendung, die fNIRS-Daten analysiert, um Schätzungen und Karten der Gehirnaktivierung zu erhalten29. Homer3 kann unter folgendem Link (https://openfnirs.org/software/homer/) heruntergeladen und installiert werden.

  1. Öffnen Sie MATLAB und navigieren Sie zu dem Ordner, in dem die unformatierten NIRS-Dateien....

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Ergebnisse

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In diesem Abschnitt werden die Arten von Analysen erläutert, die mit der Toolbox durchgeführt werden können (die unter https://www.ariel.ac.il/wp/sns/download/ oder https://github.com/Minisharmaa/Leader-Follower-By-Phase heruntergeladen werden kann. Für diese Analysen wurden fNIRS-Daten verwendet, die mit einer kleinen Stichprobe von Säuglings-Eltern-Dyaden gesammelt wurden. Sechs Paare von Mutter-Kind-Dyaden wurden mit einer validierten Verhaltensaufgabe, der Freispielaufgabe31, getestet, die ein.......

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Diskussion

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Eine der gebräuchlichsten Methoden, die in fNIRS-Studien verwendet wird, ist die Wavelet-Transformationskohärenz (WTC), die ein Maß für die Kreuzkorrelation zweier Zeitreihen in Abhängigkeit von Frequenz und Zeitist 10. WTC berechnet die Kohärenz und Phasenverschiebung zwischen zwei Zeitreihen mit Hilfe von Korrelationsanalysen (Supplementary File 1). FNIRS-Hyperscanning-Studien haben WTC verwendet, um das Reizdarmsyndrom in vielen Funktionsbereichen zu schätzen, einschließlich Ak.......

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

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Wir möchten uns für die Unterstützung bedanken, die von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 62207025), dem Forschungsprojekt für Geistes- und Sozialwissenschaften des Bildungsministeriums der Volksrepublik China (Nr. 22YJC190017) und den Grundlagenforschungsfonds für die zentralen Universitäten von Yafeng Pan geleistet wurde.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
NIRScout   NIRx Medical Technologies, LLCn.a.8Quellen, 8 Detektoren
MATLABThe Mathworks, Inc.Matlab 2022aIn diesem Protokoll wurden mehrere Toolboxen und MATLAB-Funktionen verwendet: Die HOMER3-Toolbox wurde verwendet, um die Intensität in OD umzuwandeln, um Bewegungsartefakte durch ihre Funktion hmrMotionCorrectWavelet mit Standardparametern zu entfernen und um OD in Conc zu konvertieren. Die Wavelet Toolbox wurde verwendet, um WTC zu berechnen.

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gvirts, H. Z., Perlmutter, R. What guides us to neurally and behaviorally align with anyone specific? A neurobiological model based on fNIRS hyperscanning studies. The Neuroscientist. 26 (2), 108-116 (2019).
  2. Balconi, M., Fronda, G., Vanutelli, M. E.

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Schlagwörter

Wavelet Transform Koh renzPhasensynchronisationKopplungsdirektionalit tIn Phase SynchronisationAnti Phase SynchronisationInter Brain SynchronieGraphentheorieMATLAB Toolbox

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