Name: Hyperscanning Experimente mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-19T14:45:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: Erfahren Sie die Methodik für Hyperscanning-Experimente mit funktioneller Nah-Infrarot-Spektroskopie zur Analyse der Gehirn-zu-Gehirn-Synchronität bei Erwachsenen-Kind-Dyaden. Dieses Protokoll ermöglicht sozialneurowissenschaftliche Forschung.

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Diese Arbeit wurde durch die Exzellenzinitiative der deutschen Bundesland und Regierungen (ERS Seed Fund, OPSF449) finanziert. Das Hitachi NIRS-System wurde durch eine Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG (INST 948/18-1 FUGG) unterstützt.

Vor der Teilnahme, alle Eltern / Kinder vorgesehen Einwilligung / zustimmen. Die Studie wurde von der Ethikkommission der medizinischen Fakultät der RWTH Aachen genehmigt.
1. Vorbereitung vor der Teilnehmer kommt
<ol><li>Bereiten Sie NIRS Kappen.<ol>
<li>Wählen Sie die Kappe Größen gleich groß oder etwas größer als der Kopfumfang des Teilnehmers.</li>
		<li>Schnitt 15 Löcher mit einem Durchmesser von ca. 15 mm, angeordnet in einem horizontalen 3 x 5-Raster, in Stirnbereich aller 2 roh-EEG-Hauben (siehe Tabelle der Materialien). Stellen Sie sicher die Löcher Abstand 30 mm voneinander in eine beliebige Richtung, die die mittlere Spalte der Löcher in der Mitte der Stirn, d. h. über die Nase befindet und das in der unteren Zeile befindet sich oberhalb der Augenbrauen.</li>
		<li>Um die Kappen noch komfortabler zu machen und zu minimieren Druckstellen, legen weichen Schaumstoff (z. B. Klebstoff Fenster Abdichten, Klebeband oder ähnliche Wohnung Schaumstoff Material) an der Innenseite des Rasters Halterung zwischen die Sonde Steckdosen und an den Rändern. Verwenden Sie doppelseitiges Klebeband oder Nähgarn, wenn nötig.</li>
		<li>Ein leeres Raster der 3 x 5 Sonde-Halter zu montieren (siehe Tabelle der Materialien) aller geänderten EEG-Hauben Steckdosen so dass Halter Raster selbst befindet sich auf der Innenseite der Kappe und der Inhaber-Stick in die Löcher. Hinweis: Der NIRS-Mess-System (siehe Tabelle der Materialien) hat zwei Sonde Sätze zu trennen, verwenden Sie eine Sonde legen Sie für jeden Teilnehmer.</li>
		<li>Einfügen Sie sanft Sonden in die entsprechenden Halter Steckdosen auf den Gittern, so dass nur die ersten Grat jede Sonde in die Steckdose montiert ist, bewirkt ein Klick-Geräusch.</li>
		<li>Offen die Sonde Fenster "Monitor" auf der NIRS-Mess-System und wählen Sie 2 Sonde Sätze in einem 3 x 5 Raster angeordnet, jeweils eine für die teilnehmenden Kinder und eine für Erwachsene. Sicherzustellen, dass die Sonde Arrangements der beiden Kappen entspricht den Regelungen in der Sonde Set Fenster (d.h. gleiche Lage der jeweiligen Sender und Empfänger Sonde Zahlen).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bereiten Sie das Experiment.<ol>
<li>Beginnen der NIRS-Mess-System mit Laserdioden 30 min. vor der Messung eingeschaltet, so dass das System eine stabile Betriebstemperatur erreicht.</li>
		<li>Setzen Sie alle notwendige Optionen bei der NIRS-Mess-System. Stellen Sie sicher, dass das Gerät veranstaltungsbezogenen Messung eingestellt ist und dass der RS232 seriellen Eingang, notwendig für den Empfang von Trigger aus dem experimentellen Paradigma aktiv ist. Hinweis: Das Experiment ist eine angepasste Version von einem Paradigma von Cui Et Al. entwickelt 12, in den nicht-kommerziellen Psychophysik Toolbox Erweiterungen, Version 3.0.1116programmiert.</li>
		<li>Vorbereiten der experimentellen Paradigma durch technisches computing-Software starten (siehe Tabelle der Materialien), dient als Basis für die Psychophysik Toolbox Erweiterungen und das aktuelle Verzeichnis in den Ordner, die das Paradigma in gespeichert ist.</li>
		<li>Legen Sie zwei Kinn ruht vor dem Computerbildschirm Kopfbewegungen während des Experiments zu verhindern.</li>
	</ol>
</li>
</ol>(2) Teilnehmer Ankunft im Labor
<ol><li>Bereiten Sie die Teilnehmer.<ol>
<li>Zeigen Sie und erklären Sie den Versuchsaufbau einschließlich der NIRS-Mess-System an die Teilnehmer. Es ist darauf zu achten, dass die Teilnehmer nicht direkt in den Laserstrahl des Messsystems NIRS kümmern, da dies schädlich für das Auge sein kann.</li>
		<li>Platz für die Teilnehmer neben einander vor dem Computerbildschirm. Die Höheneinstellung der Kinn-Reste, so dass beide Teilnehmer bequem zu sitzen.</li>
		<li>Weisen Sie die Teilnehmer und verwalten Sie Praxis Studien von der Genossenschaft und kompetitives Spiel zu. Geben Sie zusätzliche Anweisungen während der Praxis-Tests, falls erforderlich.</li>
		<li>Messen Sie und markieren Sie den Fpz-Punkt nach dem 10-20-System, das 10 % des Abstandes zwischen Nasion und Inion auf jedes Teilnehmers Kopf.</li>
		<li>Legen Sie die Kappen mit Sonden sorgfältig auf die Teilnehmer Köpfen, mit dem Laser abgeschaltet. Legen Sie die Vorderseite der Kappe, einschließlich der Sonde Raster auf der Teilnehmer Stirn zuerst und dann die Rückseite der Kappe gegen den Hals herunterziehen. Stellen Sie sicher, dass die mittleren Sonde in der unteren Zeile auf Fpz gelegt wird und die mittleren Sonde Spalte entlang der sagittalen Referenzkurve ausgerichtet ist.</li>
		<li>Setzen Sie die Faser-Saiten auf den Halter-Arm an der NIRS-Mess-System befestigt, so dass sie locker, ohne Kontakt mit der Teilnehmer oder der Vorsitzende hängen und, die sie nicht an die Kappen ziehen. Benutzen Sie einen zusätzliche Halter (zB., modifizierte Mikrofonstativ oder ähnliches) für den zweiten Teilnehmer bei Bedarf.</li>
		<li>Drücken Sie jede Sonde weiter in seiner Halterung, bis die kleinen weißen Nase in der Mitte des oberen Teils der Sonde Gehäuse sichtbar ist. Hinweis: Die Nase wird nach oben durch einen Federmechanismus Spule gedrückt, sobald der Prüfspitze des Teilnehmers Kopfhaut berührt.</li>
		<li>Schalten Sie den Laser wieder und testen Sie die Signalqualität durch Klicken auf die Schaltfläche Auto gewinnen in der Sonde eingestellten Monitor-Fenster des Messsystems NIRS.</li>
		<li>Wenn ein Kanal kein ausreichendes Signal (d. h., wenn es in gelb markiert ist), sanft beiseite das Haar unter der umliegenden Sondenspitze. Wenn nötig, drücken Sie die Sonden weiter in ihren Höhlen aber sorgen für den Komfort des Teilnehmers. Überprüfen Sie, ob die Signalqualität (d. h. , die das Programm nun in grün markiert ist) verbessert hat indem Sie auf die Schaltfläche "Auto Gain" wieder.</li>
		<li>Wenn Schritt 2.1.9. führen zu einer Verbesserung des Signal nicht, passen Sie die Signalintensität. Ist zuviel Signal (d. h., wenn der Kanal in rot markiert ist), ändern die Signalintensität zu niedrige Signalintensität durch immer wieder festlegen einen Klick auf die jeweiligen Sonde Symbol in der Sonde Monitorfenster des Messsystems NIRS. Wenn es nicht genügend Signal (d. h., wenn der Kanal in gelb markiert ist), ändern Sie die Signalintensität in hohe Signalintensität wieder indem er wiederholt auf die jeweiligen Sonde Symbol.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Führen Sie das experiment<ol>
<li>Wenn gibt es keine Fragen nach der Praxis versuchen und eine gute Signalqualität wird sichergestellt, beginnen Sie die experimentellen Paradigma.</li>
		<li>Legen Sie ein Handtuch über die Teilnehmer Hände, so dass sie nicht die Handbewegungen des jeweiligen Spiels Partners sehen können.</li>
		<li>Nach dem Experiment speichern Sie die Daten und exportieren Sie die rohen Lichtintensität Daten als Text-Datei durch Klicken auf die Schaltfläche "Text Datei heraus". Gelten Sie Filter nicht in der NIRS-Mess-System.</li>
		<li>Reinigen Sie alle notwendige Materialien (Sonden, Inhaber von Sonde Kinn ruht) mit Ethanol. Waschen Sie die Kappen im Schonwaschgang mit Feinwaschmittel.</li>
	</ol>
</li>
</ol>(3) Datenanalyse
<ol><li>Daten-Vorverarbeitung Hinweis: Gibt es mehrere nicht-kommerzielle Software-Pakete zur fNIRS Datenanalyse, zB., HomER17, NIRS Gehirn AnalyzIR18 oder SPM für fNIRS19. Letzteres war für die Vorverarbeitung folgendermaßen verwendet. Weitere Informationen darüber, wie Sie diese Schritte durchführen finden Sie in der Toolbox-Handbuch.<ol>
<li>Konvertieren Sie die Datendateien in der SPM für fNIRS Datenformat.</li>
		<li>Oxy-Hb und Deoxy-Hb-Konzentration-Änderungen mit dem modifizierten Bier-Lambert Gesetz durch Drücken der Schaltfläche "Convert" im Hauptfenster zu berechnen. Geben Sie das Alter des Themas und der Abstand zwischen Quelle und Detektor (z.B. 3 cm). Übernehmen Sie die Standardwerte für die molare Absorption Koeffizienten der oxy-Hb und Deoxy-Hb bei Wellenlänge (λ) 1 und λ 2 sowie die Standardwerte für die differenzielle Pathlength Faktor (DPF) bei λ 1 und λ 2.</li>
		<li>Vorverarbeitung der Zeitreihe der hämodynamischen Veränderungen, Bewegungsartefakte zu reduzieren durch Auswahl der Schaltfläche "MARA" (für mehr Informationen über die MARA Algorithmus siehe Scholkman Et al. ( 20).</li>
		<li>Vorverarbeitung der Zeitreihe um langsam driften zu reduzieren, indem Sie die Schaltfläche "DCT" auswählen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Schlechte Kanalerkennung Hinweis: Schlechte Kanalerkennung kann vor und/oder nach fNIRS Daten Vorverarbeitung durchgeführt werden. In diesem Protokoll sind verschiedene Objektive Kriterien zur Erkennung von schlechten Kanäle und Sichtprüfung kombiniert. Bitte beachten Sie, dass die vorgeschlagene Liste von objektiven Kriterien nicht erschöpfend ist. Für schlechte Kanalerkennung dienten selbstgeschriebene Skripte (für die technische Datenverarbeitung Software siehe Tabelle of Materials).<ol>
<li>Schließen Sie Kanäle in denen gibt es keine Signaländerung für mehrere kontinuierliche Proben, die durch eine flache Linie, beim Plotten der Zeitreihe angezeigt wird aus.</li>
		<li>Berechnen der Variationskoeffizient CV = SD/Mittelwert * 100 für die rohen Dämpfung-Daten. Ausgeschlossen Sie Kanäle, in denen der Lebenslauf über einen vorgegebenen Prozentsatz (z. B.10 %; siehe z. B. van der Kant Et Al. ist, ( 21).</li>
		<li>Zeichnen Sie das Leistungsspektrum des Signals. Wenn kein Herzschlag sichtbar in der Signal-Spektrum etwa 1 Hz, wie durch eine Leistungssteigerung in diesem Frequenzband, schließen Sie den Kanal von der Analyse aus.</li>
		<li>Überprüfen Sie alle Daten vor und/oder nach Vorverarbeitung. Entscheiden, ob Sie den Kanal anhand objektiver Kriterien, beschrieben in 3.2.1 – gehören 3.2.3 sowie auf subjektive visuelle Erkennung von lauten Kanälen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Gehirn zu Gehirn-Konnektivität Hinweis: Zwei verschiedene schätzen Gehirn Anbindungsarten unterschieden werden: ungerichtete Schätzungen, welche die Stärke der Konnektivität zu quantifizieren, und gerichtete Schätzungen, die darauf abzielen, statistische Beweise für die Schadensursache aus den Daten22 zu etablieren . Hier lag der Schwerpunkt auf der Wavelet-Transformation Kohärenz (WTC), eine häufig angewandte ungerichtete Schätzung für fNIRS Gehirn zu Gehirn-Konnektivität. Mehrere nicht-kommerzielle Software-Lösungen für die Berechnung des WTC sind verfügbar, z.B.von Grinsted und Kollegen23 oder die ASToolbox24, die in diesem Protokoll für die folgenden Schritte verwendet wurde.<ol>
<li>Geben Sie in der AWCO Funktion der ASToolbox die Mutter Wavelet (z.B.generalisierte Morse Wavelet mit seiner Parameter Beta und Gamma), die verwendet wird, um jede Zeitreihe in der Zeit- und Frequenz-Domäne zu verwandeln durch die kontinuierliche wavelet Diese Transformation.</li>
		<li>Geben Sie die Glättung Fenstertyp (z. B. Hanning-Fenster) und die Glättung Fenstergröße für Zeit-und Maßstab in der AWCO-Funktion.</li>
		<li>Um die Bedeutung der WTC Koeffizienten prüfen und berechnen Sie ihre p-Werte, geben Sie die Anzahl der Surrogat-Zeitreihen (n ≥ 300) und das ARMA Modell (z. B.AR (1)) in der AWCO-Funktion.</li>
		<li>Berechnen Sie mit den Parametern angegeben in Schritten 3.3.1 bis 3.3.3 die Wavelet-Kohärenz der zwei entsprechenden Kanäle (den gleichen Kanal in zwei Teilnehmer).</li>
		<li>Wählen Sie ein Frequenzband von Interesse, in denen die aufgabenbezogene Gehirn zu Gehirn Synchronität gerechnet wird basierend auf früheren Studien und visuelle Inspektion der Daten (für einen alternativen Ansatz siehe Nozawa Et al. ( 25).</li>
		<li>Berechnen Sie den Mittelwert der WTC-Koeffizienten und/oder der Prozentsatz der bedeutenden WTC Koeffizienten in der aufgabenbezogenen Frequenzband für jede Aufgabe-Block in jedem Kanal und für jede Dyade. Verwenden Sie diesen Wert als Ergebnis Maßnahme von Gehirn zu Gehirn Synchronität für weitere statistische Auswertungen (für mehr Informationen siehe Reindl Et al. ( 11).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Im Vergleich zu zufälligen Paare Hinweis: Um die Ergebnisse zu validieren, empfehlen wir das WTC von der tatsächlichen Dyaden, das WTC von zufälligen Erwachsenen-Kind-Paarungen, die nicht mit einander spielen, aber die gleichen experimentellen Aufgabe zu vergleichen.<ol>
<li>Das WTC zu berechnen, wie in 3.3 beschrieben., für die teilnehmenden Paare, die nicht zusammen spielen, aber die gleiche experimentelle Aufgabe (d.h., zufällige Paare) durchgeführt. Wählen Sie die Anzahl der zufälligen Paare (z.B.300 für jede Bedingung) und berechnen Sie das WTC für jedes zufällige paar zu.</li>
		<li>Vergleichen Sie die Kohärenz der zufälligen und tatsächlichen Paare um die Erkennung von unechten Synchronizität zu vermeiden.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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<li>Brigadoi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Motion+artifacts+in+functional+near-infrared+spectroscopy%3A+a+comparison+of+motion+correction+techniques+applied+to+real+cognitive+data%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data.</a> NeuroImage. 85 (1), 181-191 (2014).</li>
<li>Cooper, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+systematic+comparison+of+motion+artifact+correction+techniques+for+functional+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy.</a> Frontiers in Neuroscience. 6, 147(2012).</li>
<li>Hirsch, J., Zhang, X., Noah, J. A., Ono, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frontal+temporal+and+parietal+systems+synchronize+within+and+across+brains+during+live+eye-to-eye+contact%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Frontal temporal and parietal systems synchronize within and across brains during live eye-to-eye contact.</a> NeuroImage. 157, 314-330 (2017).</li>
<li>Scholkmann, F., Holper, L., Wolf, U., Wolf, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+methodical+approach+in+neuroscience%3A+assessing+inter-personal+brain+coupling+using+functional+near-infrared+imaging+%28fNIRI%29+hyperscanning%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">A new methodical approach in neuroscience: assessing inter-personal brain coupling using functional near-infrared imaging (fNIRI) hyperscanning.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 7, 813(2013).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

In diesem Protokoll zeigen wir, wie zur Durchführung fNIRS Hyperscanning Experimente und eine Möglichkeit zum Analysieren von Gehirn zu Gehirn Synchronität, gleichzeitige Messung der Konzentration Änderungen der oxy-Hb und Deoxy-Hb bei frontalen Hirnregionen von zwei Themen. FNIRS Hyperscanning ist relativ einfach anzuwenden: ein einziges NIRS-Gerät ist ausreichend, um die Hirnaktivitäten beider Fächer zu messen, durch die Aufteilung der Optodes zwischen ihnen. Somit ist keine Synchronisation zwischen verschiedenen Gerät...

In den letzten Jahren Neurowissenschaftler haben damit begonnen, soziale Interaktionen zu untersuchen, indem Sie die Hirnaktivitäten von zwei oder mehr Personen gleichzeitig aufzeichnen, ein Ansatz bezeichnet Hyperscanning1. Diese Technik eröffnet neue Möglichkeiten, die neurobiologischen Mechanismen diese Wechselwirkungen aufzuklären. Um soziale Interaktionen zu verstehen, kann es nicht ausreichend, um einzelne Gehirne in Isolation, sondern vielmehr die gemeinsamen Aktivitäten der Gehirne von interagierenden Personen2studieren sein. Verwenden verschiedene bildgebende Verfahren, Hyperscanning Studien haben gezeigt, dass Gehirn, die Aktivitäten der interagierenden Personen oder Personengruppen zu synchronisieren, z.B., während sie ihre Aktionen3koordinieren, machen Musik4,5zu kommunizieren, ins Klassenzimmer Aktivitäten6 oder7zusammenarbeiten.
Der Artikel stellt ein Protokoll für die Durchführung von gleichzeitigen Aufnahmen mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie (fNIRS). Ähnlich wie bei der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), fNIRS misst die hämodynamische Reaktion auf Gehirn-Aktivierung. Änderungen im sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin (oxy-Hb und Deoxy-Hb) sind über die Höhe der Nah-Infrarot-diffusively Durchlicht durch Gewebe8berechnet. fNIRS eignet sich gut für Hyperscanning Experimente, vor allem mit Kindern, da es in weniger eingeschränkt und natürlicheren Einstellungen als fMRI angewendet werden kann. Darüber hinaus ist es weniger anfällig für Bewegungsartefakte als fMRI und EEG-9. Darüber hinaus fNIRS Daten mit hohen Abtastraten (z.B. 10 Hz) erworben werden können, damit es sehr oversamples die relativ langsame hämodynamische Reaktion und damit potenziell bietet ein vollständiges zeitliche Bild des Gehirns Hämodynamik10 .
Dieses Protokoll wurde im Rahmen der Studie von Reindl Et Al. entwickelt. 11 und leicht verändert wurde (insbesondere in Bezug auf die Kanal-Platzierung und schlechte Kanal Identifikation) vor kurzem. Ziel der Studie war, synchronisierte Hirnaktivität von Eltern-Kind-Dyaden zu untersuchen. Mit fNIRS Hyperscanning, untersuchten wir Gehirn zu Gehirn Synchronität in präfrontaler Hirnregionen von Kindern (im Alter von fünf bis neun Jahren) und ihre Eltern, vor allem Mütter während einer Genossenschaft und eine wettbewerbsfähige Computer-Aufgabe. Präfrontaler Hirnregionen wurden gezielt, wie sie sich als wichtige Regionen für soziale Interaktionsprozesse in früheren Hyperscanning Studien1erwiesen hatte. Die kooperative und wettbewerbsfähigere Aufgabe wurden ursprünglich von Cui Et al. 12 und kürzlich eingestellten von mehreren früheren Studien13,14,15. Für die Untersuchung von Reindl Et al. 11, die Aufgaben wurden geändert, um für Kinder geeignet. Teilnehmer waren entweder gemeinsam über Tastendrücke in Reaktion auf ein Ziel (Zusammenarbeit) reagieren oder reagieren schneller als der andere Spieler (Wettbewerb) angewiesen. Jedes Kind durchgeführt jede Aufgabe einmal mit dem Elternteil und einmal mit einem Erwachsenen fremden des gleichen Geschlechts wie das übergeordnete Element. Innerhalb jedes Kind-Erwachsener-Dyade wurde Wavelet Kohärenz für die oxy-Hb-Signale der entsprechenden Kanäle als Maß für die Synchronität von Gehirn zu Gehirn berechnet.
Dieses Protokoll beschreibt die Verfahren zur Erhebung von fNIRS Hyperscanning Daten von Eltern und Kind während der kooperativen und wettbewerbsfähige Spiel. Das gesamte Verfahren, jedoch ist nicht spezifisch für dieses Forschungsdesign aber eignet sich für verschiedene Populationen (z.B., Erwachsenen fremden, romantischen Partner, Geschwister, etc.) und kann für eine Reihe von verschiedenen experimentellen Aufgaben angepasst werden. Dieses Protokoll beschreibt auch eine mögliche analytische Vorgehensweise, die erforderlichen und optionalen Daten Analyseschritte, einschließlich fNIRS Daten Vorverarbeitung, schlechte Kanalerkennung, Wavelet-Kohärenz-Analyse und Validierung durch zufällige paar Analyse abdeckt.

<table><tbody><tr><td>NIRS-Messsystem mit Sondensätzen und Sondenhaltergittern</td><td>Hitachi Medical Corporation, Tokio, Japan</td><td>ETG-4000 Optisches Topographie-System&nbsp;</td><td>Das aktuelle Studienprotokoll erfordert ein optionales zweites Sondenset für Erwachsene für insgesamt 52 Messkanäle sowie zwei 3x5-Sondenhaltergitter</td></tr>.<tr><td>Roh-EEG-Kappen</td><td>EASYCAP GmbH, Herrsching, Deutschland</td><td>C-SCMS-56; C-SCMS-58</td><td>Kappen müssen vom Versuchsleiter mit Löchern für NIRS-Sonden versehen werden. Wählen Sie die Mützengröße in der gleichen Größe oder etwas größer als der Kopfumfang des Teilnehmers.</td></tr><tr><td>Technical-Computing-Software</td><td>The MathWorks, Inc., Natick, MA</td><td>MATLAB R2014a (oder spätere Versionen)</td><td>Dient als Basis für Psychophysics Toolbox-Erweiterungen (Stimulus-Präsentation), SPM für fNIRS-Toolbox&nbsp; (fNIRS-Datenanalyse) und ASToolbox (WTC-Berechnung).</td></tr></tbody></table>

hyperscanning experimente mit funktionalen nah-infrarot-spektroskopie

Conducting Hyperscanning Experiments with Functional Near-Infrared Spectroscopy

Gleichzeitige Gehirn Aufnahmen von mindestens zwei interagierende Personen ein Ansatz bezeichnet Hyperscanning, gewinnen zunehmenden Bedeutung für unser Verständnis von den neurobiologischen Grundlagen der sozialen Interaktionen und möglicherweise zwischenmenschliche Beziehungen . Funktionale Nah-Infrarot-Spektroskopie (fNIRS) eignet sich gut für Hyperscanning Experimente, denn er lokale hämodynamische Effekte mit einer hohen Abtastrate misst und vor allem in der Natur, ohne dass strenge Bewegung angewendet werden Einschränkungen. In diesem Artikel präsentieren wir ein Protokoll für fNIRS Hyperscanning Experimente mit Eltern-Kind-Dyaden und Analyse Synchronität von Gehirn zu Gehirn. Darüber hinaus diskutieren wir kritische Probleme und zukünftige Richtungen hinsichtlich der Versuchsplanung, räumliche Registrierung der fNIRS Kanäle, physiologische Einflüsse und Daten-Analyse-Methoden. Das beschriebene Protokoll ist nicht spezifisch für Eltern-Kind-Dyaden, sondern kann auch auf eine Vielzahl von unterschiedlichen dyadische Konstellationen, wie Erwachsene fremde, romantischen Partner oder Geschwister. Abschließend möchte ich sagen, hat fNIRS Hyperscanning das Potenzial, liefern neue Erkenntnisse über die Dynamik der laufenden sozialen Interaktion, die möglicherweise über das hinausgehen, was durch die Untersuchung der Aktivitäten der einzelnen Gehirne untersucht werden kann.

Repräsentative Daten von einer Eltern-Kind-Dyade während der Kooperative Zustand sind in Abbildung 1dargestellt. Die kooperative Aufgabe besteht aus drei 30 s Rest Blöcke und zwei Aufgabe Blöcke mit jeweils 20 Studien in abwechselnder Reihenfolge vorgestellt. In jeder Studie müssen Teilnehmer gleichzeitig möglich, ein Signal an einem Punkt11verdienen reagieren.
<img alt="Figu...

Dieses Protokoll beschreibt, wie fNIRS Hyperscanning Experimente durchführen und analysieren von Gehirn zu Gehirn Synchronität. Darüber hinaus diskutieren wir Herausforderungen und mögliche Lösungen.

Hyperscanning Experimente mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie

Concurrent brain recordings of two or more interacting persons, an approach termed hyperscanning, are gaining increasing importance for our understanding ...

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.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowissenschaften

Hier beschreiben wir eine Datenerhebung und Datenanalyse-Verfahren für die funktionelle Nahinfrarot-Spektroskopie (fNIRS), eine neue, nicht-invasive Bildgebung des Gehirns System in den kognitiven Neurowissenschaften, insbesondere in das Studium Kind die Entwicklung des Gehirns. Diese Methode bietet einen universellen Standard für die Datenerfassung und Analyse entscheidend für die Interpretation der Daten und der wissenschaftlichen Entdeckung.

Exploring Cognitive Functions in Babies, Kinder &amp; Erwachsene mit Nahinfrarot-Spektroskopie

Quelle: Reindl, V., et al. Durchführung von Hyperscanning-Experimenten mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie. (2019) Dieses Video demonstriert den Einsatz der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) zur Messung der Gehirnaktivität während sozialer Interaktionen. Die Teilnehmer nehmen an einer koordinierten Aufgabe teil, die die Aktivität im präfrontalen Kortex, einer für das Sozialverhalten kritischen Region, erhöht, während das System Veränderungen der Lichtabsorption aufgrund der...

Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität bei sozialen Interaktionen

Die Überwachung der Gehirnaktivität während aufrechter motorischer Aufgaben ist von großem Wert, wenn es darum geht, die neuronale Ursache von Bewegungsstörungen zu untersuchen. Hier demonstrieren wir ein Protokoll, das funktionelle Nahinfrarotspektroskopie mit einer kontinuierlichen Überwachung der Muskel- und kinematischen Aktivität bei 4 Arten von motorischen Aufgaben kombiniert.

Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben

Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufzeichnungen durchgeführt werden und wie die Beziehung zwischen eEG- und fNIRS-Daten überprüft wird.

Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe

Das Protokoll zur Durchführung von fNIRS-Hyperscanning-Experimenten an kollaborativen Lerndyaden in einer naturalistischen Lernumgebung wird skizziert. Darüber hinaus wird eine Pipeline zur Analyse der Inter-Brain Synchrony (IBS) von sauerstoffhaltigen Hämoglobin (Oxy-Hb) -Signalen vorgestellt.

Inter-Brain Synchrony im offenen kollaborativen Lernen: Eine fNIRS-Hyperscanning-Studie

Das vorliegende Protokoll kombiniert funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) und videobasierte Beobachtung, um die interpersonelle Synchronisation in Quartetten während einer kollaborativen Zeichenaufgabe zu messen.

Gruppensynchronisierung während des kollaborativen Zeichnens mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie

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.

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

Das Protokoll zielt darauf ab, eine detaillierte Beschreibung der Methodik zur Durchführung einer fNIRS-Hyperscanning-Studie in der psychologischen Beratung zu liefern. Dazu gehören die Vorbereitungen für das Experiment, das Vorgehen bei der Datenerhebung und der anschließende Prozess der Datenanalyse.

Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie Hyperscanning-Studie in der psychologischen Beratung

Wir verwenden Magnetenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) zu Hirnareale bei der Verarbeitung von einfachen sensorischen Stimuli beteiligt Karte.

Functional Mapping mit Simultaneous MEG und EEG

Die Verfahren für die Speicherung von High-Density-EEG und den Blick Daten während der Computerspiel-basierte kognitive Aufgaben beschrieben sind. Mit einem Video-Spiel, um kognitive Aufgaben präsentieren verbessert ökologische Validität, ohne experimentelle Kontrolle.

Die Kombination Computer Game-Based Behavioural Experimente mit High-Density EEG-und Infrarot-Tracking-Gaze

Erfahren Sie die Methodik für Hyperscanning-Experimente mit funktioneller Nah-Infrarot-Spektroskopie zur Analyse der Gehirn-zu-Gehirn-Synchronität bei Erwachsenen-Kind-Dyaden. Dieses Protokoll ermöglicht sozialneurowissenschaftliche Forschung.

Hyperscanning Experimente mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie

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