Hyperscanning Experimente mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie

Durch die Messung der Gehirnaktivitäten von zwei oder mehr Menschen gleichzeitig, kann diese Methode Licht auf die neurobiologischen Mechanismen, die sozialen Interaktionen zugrunde liegen. Die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) eignet sich gut für die Durchführung solcher Hyperscanning-Experimente, da sie die hämodynamische Reaktion des Gehirns mit einer hohen Abtastrate misst und in relativ natürlichen Umgebungen angewendet werden kann. Während dieses Protokoll zeigt, wie gleichzeitig fNIRS-Aufnahmen von erwachsenen-Kind-Dyaden durchgeführt werden, kann es an verschiedene dyadische Konstellationen wie romantische Partner und an verschiedene experimentelle Aufgaben angepasst werden.

Wählen Sie zunächst eine Kappengröße aus, die die gleiche Größe oder etwas größer als der Kopfumfang des Teilnehmers ist. Schneiden Sie 15 Löcher mit einem Durchmesser von jeweils etwa 15 Millimetern, angeordnet in einem horizontalen Drei-mal-Fünf-Raster in den Stirnbereich von jeweils zwei rohen EEG-Kappen. Stellen Sie sicher, dass die Löcher 30 Millimeter voneinander entfernt sind, und stellen Sie sicher, dass sich die mittlere Lochsäule in der Mitte der Stirn befindet.

Um die Kappen komfortabler zu machen und Druckspuren zu minimieren, befestigen Sie weiches Schaumstoffmaterial an der Innenseite des Haltergitters zwischen den Sondenbuchsen und an den Kanten. Als nächstes montieren Sie ein leeres dreimal fünf Sondenhaltergitter an jeder der modifizierten EEG-Kappen, so dass das Haltergitter selbst auf der Innenseite der Kappe platziert wird und die Halterbuchsen in den Löchern kleben. Legen Sie dann die Sonden vorsichtig in die entsprechenden Halterungsbuchsen am Raster ein, so dass nur der erste Grat jeder Sonde in der Buchse montiert ist, was zu einem Klickgeräusch führt.

Öffnen Sie das Sonden-Monitorfenster am nächstgelegenen Messsystem und wählen Sie zwei Sondensätze aus, die jeweils in einem Drei-mal-Fünf-Raster angeordnet sind, einen für das teilnehmende Kind und einen für den Erwachsenen. Stellen Sie sicher, dass die Sondenanordnungen der beiden Kappen den Anordnungen im Sondensatzfenster entsprechen. Schalten Sie als nächstes die Laserdioden des nächstgelegenen Messsystems 30 Minuten vor der Messung ein, damit das System eine stabile Betriebstemperatur erreicht.

Stellen Sie alle erforderlichen Optionen am nächstgelegenen Messsystem ein. Stellen Sie sicher, dass das Gerät auf ereignisbezogene Messung eingestellt ist und dass die serielle RS232-Eingabe, die für den Empfang von Triggern aus dem experimentellen Paradigma erforderlich ist, aktiv ist. Bereiten Sie dann das experimentelle Paradigma vor, indem Sie die technische Computersoftware starten, die als Basis für die Psychophysics Toolbox-Erweiterungen dient, und das aktuelle Verzeichnis auf den Ordner festlegen, in dem das Paradigma gespeichert ist.

Schließlich legen Sie zwei Kinnstützen vor den Computerbildschirm, um Kopfbewegungen während des Experiments zu verhindern. Beginnen Sie, indem Sie die beiden Teilnehmer in den Testraum begleiten und den Versuchsaufbau erklären. Setzen Sie dann die Teilnehmer nebeneinander vor den Computerbildschirm.

Passen Sie die Höhe der Kinnstützen so an, dass beide Teilnehmer bequem sitzen. Geben Sie Anweisungen und verwalten Sie Praxisversuche sowohl des kooperativen als auch des Wettbewerbsspiels. Als nächstes messen und markieren Sie den Fpz-Punkt nach dem 10-20-System, das 10 % des Abstands zwischen Nasion und Inion auf dem Kopf jedes Teilnehmers beträgt.

Schalten Sie dann den Laser aus und legen Sie die Kappen mit den Sonden vorsichtig auf die Köpfe der Teilnehmer. Stellen Sie sicher, dass die mittlere Sonde der unteren Zeile auf Fpz platziert ist und die mittlere Sondensäule entlang der sagittalen Referenzkurve ausgerichtet ist. Legen Sie die Fasersaiten auf den Halterarm, der am nächsten Messsystem befestigt ist, damit sie lose ohne Kontakt mit dem Teilnehmer oder Stuhl hängen und nicht an den Kappen ziehen.

Als nächstes schieben Sie jede Sonde weiter in ihren Sockel, bis die kleine weiße Nase in der Mitte der Oberseite des Sondengehäuses sichtbar ist. Schalten Sie dann den Laser wieder ein und testen Sie die Signalqualität, indem Sie auf die Auto Gain-Taste im Sonden-Monitorfenster des nächstgelegenen Messsystems klicken. Wenn ein Kanal gelb markiert ist, was ein unzureichendes Signal bedeutet, legen Sie das Haar vorsichtig unter die umgebende Sondenspitze zur Seite.

Nehmen Sie Diesanpassungen vor, und klicken Sie erneut auf die Schaltfläche Auto Gain, um zu sehen, ob sich die Signalqualität verbessert hat oder grün markiert ist. Sobald die Signalqualität zufriedenstellend ist, legen Sie ein Handtuch über die Hände der Teilnehmer, damit sie die Handbewegungen ihres jeweiligen Spielpartners nicht sehen können. Starten Sie dann das Experiment.

Speichern Sie dann nach Abschluss des Experiments die Daten und exportieren Sie die Rohlichtintensitätsdaten als Textdatei, indem Sie auf die Schaltfläche Textdatei aus klicken. Schließlich reinigen Sie die Sonden, Sondenhalter und Kinn mit Ethnol, und waschen Sie die Kappen mit mildem Reinigungsmittel. Als Maß für die Synchronisation von Gehirn zu Gehirn wird die Wavelet-Kohärenz zwischen den fNIRS-Signalen interagierender Probanden berechnet.

Die Wellenkohärenzkoeffizienten werden anhand einer Farbkarte visualisiert, die von blau, wenig oder gar nicht kohärent bis rot reicht, was eine starke oder maximale Kohärenz bedeutet. Die Ergebnisse zeigen eine starke Kohärenz während des gesamten Experiments in einem Hochfrequenzband bis zu einer Periodenlänge von etwa einer Sekunde, die wahrscheinlich aus den Herzrhythmusrhythmen der Probanden resultiert. Darüber hinaus tritt eine starke Kohärenz in einem niedrigeren Frequenzband zwischen der Länge von zwei und acht Sekunden auf.

Die Kohärenz in diesem niederfrequenten Bereich spiegelt wahrscheinlich eine Synchronisation der Gehirnaktivitäten beider Probanden während der Aufgabe wider. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, zu überprüfen, ob die Kappen korrekt auf den Köpfen der Teilnehmer platziert sind, und eine gute Signalqualität zu gewährleisten. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der sozialen Neurowissenschaften, um die Gehirn-Hirn-Synchronität in einer Vielzahl von verschiedenen Aufgaben zu erforschen und Verhaltenskorrelierte und Assoziationen zu Merkmalen der Individuen und ihrer Beziehung zu untersuchen.