כיצד לחשב ולאמת סינכרון בין-מוחי במחקר היפר-סריקה של fNIRS
8 בספטמבר 2021
הדינמיקה בין מוחות מצמידים של אנשים מיוצגת יותר ויותר על ידי סנכרון בין מוחות (IBS) כאשר הם מתאמים זה עם זה, בעיקר באמצעות אותות הקלטה בו זמנית של מוח (כלומר היפר-סריקה) עם fNIRS. במחקרי סריקת יתר של fNIRS, IBS נבחן בדרך כלל באמצעות שיטת קוהרנטיות טרנספורמציה גל (WTC) בגלל היתרון שלה על הרחבת סדרות זמן לתוך מרחב תדר זמן שבו תנודות ניתן לראות בצורה אינטואיטיבית מאוד. ניתן לאמת עוד יותר את ה- IBS הנצפה באמצעות השיוך האקראי מבוסס התמורות של גירסת הניסיון, השותף והמצב. כאן, מוצג פרוטוקול כדי לתאר כיצד להשיג אותות מוחיים באמצ
פרוטוקול זה מספק צינור סטנדרטי פוטנציאלי של ניתוח סינכרון בין-מוח במחקר סריקת-על של fNIRS. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא מאפשרת חישוב חוק סנכרון בין מוחות אשר ישנה שיטה קוהרנטית ולאמת דרכי סנכרון בין מוח, תמורות המבוססות על העצמת תנאי החזה ומשתתפים. בצע את כל ניתוח הנתונים באמצעות תוכנת MATLAB עם ארגזי כלים מתאימים.
במהלך עיבוד מקדים של נתונים, במיוחד באמצעות שיטת ניתוח הרכיבים העקרוניים ושיטת שיפור האות המבוססת על מתאם, הסר את הרעש הפיזיולוגי העולמי F N I R S באמצעות מסנן NPCA. וממצאי תנועת הראש באמצעות תנועת HMR נכון להדגיש CBSI של הומרוס שני. לאחר מכן, לחישוב סינכרון בין-מוחי או IBS, אמץ את הפונקציה קוהרנטית של גלים צולבים וארגז כלים קוהרנטי גלים עם פרמטרי ברירת מחדל, וחשב את הערכים קוהרנטיים בכל פעם בנקודת תדר כדי להשיג מטריצת שני צירים של ערכים קוהרנטיים.
עבור פרמטרי ברירת המחדל, השתמש בגל האם Morlet כדי להפוך כל סידרה בכל פעם לתחום הזמן והתדירות על-ידי טרנספורמציית הגל המתמשכת. לאחר מכן, כדי לבחור את רצועת התדירות של עניין, בחר ממוצע הערכים קוהרנטיים של רצועת התדר בין 0.5 להרץ אחד. על פי רצועת התדר המשמשת במשימת תנועת האצבעות של מחקר סריקת Hyper-scanning F N I R S.
השג עמודה אחת של ערכים קוהרנטיים עבור כל זוג. לאחר מכן, בחר ממוצע של הערכים קוהרנטיים של חלון הזמן במהלך שלב המנוחה. ועל כל מצב ניסיוני, באמצעות המידע של סימן, להשיג חמישה ערכים קוהרנטיים עבור כל dyad עבור הפעלת המשימה, רק לבחור את משך הזמן שבו המשתתפים הקשו כדי לשחזר את הגירוי השמיעה, שהוא כ 12 שניות עבור כל ניסוי וכתוצאה מכך בסך הכל 180 שניות עבור כל מצב ניסיוני.
לאחר מכן, הפחת את הערך ההקוהרנטי במנוחה מהערך העקבי הקשור לפעילות. מאז ערך קוהרנטיות במהלך מצב המנוחה משמש כבסיס בניסוי זה. לאחר מכן, באמצעות דגימות מזווגות תמורות T לבדוק עם מאלט להדגיש comp להדגיש את הפונקציה T1 של טיפות עבודה.
השווה את הערכים ההקאופתיים המופחתים לאפס בכל ערוץ עבור כל מצב ניסיוני. לאחר מכן, באמצעות הפונקציה FDR של ארגז הכלים MATLAB, תקן את ערכי P בשיטת קצב הגילוי השגוי. לאחר מכן, באמצעות בדיקת התמורות T של דגימות משויכת עם comp המקף התחתון של מאלט המקף תחתון פונקציית T1 של טיפות עבודה, להשוות את ערכי קוהרנטיות בין תנאי פעילות שונים בערוץ שבו IBS היה קיים.
לאימות IBS, השתמש בפונקציית סלסל rant A MATLAB כדי להפוך את התווית של ניסויים במצב תיאום מטר עבור דיאד אחד בכל ערוץ. בצע את הצינור המודגם לחישוב IBS וסטטיסטיקה עבור תווית הניסיון אקראי, למעט ניתוח הרגישות עבור רצועת התדירות של עניין. נהלו את התמורות 1000 פעמים, ואז תתוו את התפלגות ערכי ה-Z הסטטיסטיים הנוצרים בתוך תמורות dyad.
לאחר מכן, בצע את הצינור כדי לחשב את IBS וסטטיסטיקה לאחר אקראיות זיווג של המשתתפים של אותו ניסוי, במצב תיאום מטר. לבסוף, עקוב אחר הצינור שוב לאחר אקראי תוויות התנאי עבור אותם חברים של dyad אחד באותו משפט. התוצאות הראו את נוכחותה של IBS בערוץ חמש במצב תיאום מטר.
בעוד שלא זוהה IBS בתנאים האחרים. בערוץ 5, ה-IBS ותנאי תיאום המונה היו גבוהים משמעותית מהערכים קוהרנטיים בתנאי תיאום ועצמאות המונה שאינם מטר. ניתוח התמורות הראה כי IBS שנצפה כנראה הציג בשני אנשים של dyad אחד שניסו להסתנכרן אחד עם השני בזמן התאים, אבל לא בזמן שותף או מצב של זיווג אקראי.
ודא כי, IBS הוא ספציפי עבור אינטראקציה נדירה. אז, חישוב IBS במשימה, רצועת תדרים מתואמת ותנאי אמון משתנים. חישוב ה- IBS של כל הערוצים בהישג ידם הפשוט, או בערוצים ובאזורים שונים, יעשיר את שותף החישוב של IBS.
ניתוח הרשת הבין-מוחית עבור קבוצות גדולות של משתתפים באינטראקציות טבעיות יועיל הוא ההסמכה של אינטראקציה חברתית.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מתמקד בסנכרון בין-מוחי (IBS) בין אנשים במהלך משימות מתואמות, תוך שימוש בספקטרוסקופיה פונקציונלית בשיטת האינפרה-אדום הקרוב (fNIRS) במערך של hyperscanning. המחקר עושה שימוש בקוהרנטיות של התמרת וייבלט (WTC) להערכת ה-IBS ומאשש את התוצאות באמצעות שיטות מבוססות פרמוטציה. נדונות שיקולים מתודולוגיים קריטיים במטרה לשפר את השחזוריות והמהימנות במחקרים אלו.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי העצבים
- דימיון מוחי
- תיאום בין-אישי
רקע
- סנכרון בין-מוחי (IBS) משקף תיאום בין פעילות המוח של אנשים שונים.
- היפר-סקנינג (Hyperscanning) מאפשר הקלטה סימולטנית של אותות מוחיים ממספר משתתפים.
- קוהרנטיות של התמרת וייבלט (WTC) משמשת לניתוח מאפייני זמן-תדר.
- שיטות פרמוטציה מסייעות בתיקוף ממצאי IBS על ידי בקרה על התרחשויות מקריות.
מטרת המחקר
- להציג פרוטוקול לניתוח IBS באמצעות מחקרי hyperscanning ב-fNIRS.
- לפרט כיצד לחשב ולתקף IBS באופן יעיל.
- לזהות שיקולים מתודולוגיים קריטיים לשיפור הניתוחים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- המחקר משתמש בספקטרוסקופיה פונקציונלית באינפרא-אדום קרוב (fNIRS) לרכישת אותות מוחיים.
- הוא מעריך קואורדינציה באמצעות פונקציית קוהרנטיות של התמרת וייבאלט (wavelet transform) באמצעות תוכנת MATLAB.
- עיבוד מקדמי של הנתונים כולל טכניקות כגון ניתוח רכיבים עיקריים (PCA) ושימוש במסנן NPCA.
- ההליך כולל בדיקה של ערכי קוהרנטיות בתנאים ניסיוניים שונים ושימוש במבחני פרמוטציה לצורך תיקוף.
תוצאות עיקריות
- IBS נצפה בתנאים ספציפיים, מה שמעיד על מאמצי סנכרון בין המשתתפים.
- נוכחות של IBS אוששה באמצעות בדיקות סטטיסטיות ואנליזות פרמוטציה.
- התוצאות מרמזות כי זיהוי IBS הוא ספציפי למשימות ולתנאים מסוימים, דבר המשפר את ההבנה של הדינמיקה באינטראקציות חברתיות.
מסקנות
- מחקר זה מספק מסגרת מתודולוגית להערכת IBS, ובכך מסייע למחקרים עתידיים בתחום הנוירו-מדע הבין-אישי.
- הוא משפר את השחזוריות והמהימנות בניתוח סנכרון עצבי בין אנשים.
- הממצאים תורמים לתובנות בעלות ערך לגבי הבסיס העצבי של אינטראקציות חברתיות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ניתוח סנכרון בין-מוחי (IBS) באמצעות היפר-סריקה (hyperscanning) ב-fNIRS מספק חלון מכניסטי לפעילות עצבית מתואמת, ובכך מציע למחקר ופיתוח בביו-פארמה ביומרקר כמותי למודלים של קוגניציה חברתית ומעורבות בין-אישית. גישה זו תומכת בתיקוף מטרות (target validation) בהפרעות נוירופסיכיאטריות על ידי מתן אפשרות למדידה אובייקטיבית של צימוד עצבי דיאדי, דבר שיכול להוות מדד ליעילות טיפולית במצבים המשפיעים על אינטראקציה חברתית. שיטת קוהרנטיות התמרת וייבלט (WTC) בשילוב עם תיקוף פרמוטציה (permutation validation) מגבירה את הביטחון החזוי במודלים פרה-קליניים על ידי הפחתת אותות סנכרון חיוביים כוזבים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הקשורות לרשתות המוח החברתי באמצעות כימות סנכרון עצבי בין נבדקים המקיימים אינטראקציה.
- ערך תפעולי: מספק תהליך עבודה הניתן לשחזור להערכת מעורבות המטרה בפרדיגמות התנהגותיות דיאדיות באמצעות hyperscanning של fNIRS.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מייצר מדדי קוהרנטיות ברזולוציית זמן-תדר המשמשים כקריאות כמותיות להשפעות של תרכובות על צימוד עצבי בין-אישי.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות פרוטוקולי מיצוע של חלון זמן ופס תדר שהוגדרו מראש (0.5–1 Hz), ובכך משפר את היכולת להשוואה בין מחקרים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקל על הפחתת סיכונים מנגנוניים על ידי הבחנה בין סנכרון אמיתי התלוי באינטראקציה לבין קורלציות ארטיפקטואליות, באמצעות תיקוף מבוסס פרמוטציה.
- ערך תפעולי: מאפשר מעקב אורך של פנוטיפים של קואורדינציה עצבית במודלים של מחלות, ובכך תומך ברצף תרגומי משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
צינור ניתוח ה-IBS משתלב בתהליכי עבודה של גילוי מוקדם שבהם מוערכים מתאמים עצביים של התנהגות חברתית, במיוחד בשלבי תיקוף המטרה ופיתוח בדיקות עבור תרופות למערכת העצבים המרכזית (CNS).
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות לגבי מנגנונים עצביים העומדים בבסיס אינטראקציה חברתית, באמצעות אספקת מדדים אובייקטיביים וכמותיים של צימוד בין-מוחי.
- סריקה: מספק פלטי קוהרנטיות ניתנים לשחזור ומוכנים לניתוח לאחר עיבוד מקדים (סינון NPCA, תיקון תנועה HMR) ואישוש סטטיסטי (בדיקת פרמוטציה, תיקון FDR).
- אנליזה: מייצר התפלגויות של ערכי Z מבדיקות פרמוטציה, המאפשרות השוואה סטטיסטית של IBS בין תנאים וערוצים שונים.
- מחקר תרגומי: עולה בקנה אחד עם מאמצים לפיתוח ביומרקרים על ידי הצעת מדד סנכרון עצבי הרגיש לתיאום ספציפי למטלה, הרלוונטי למודלים של לקות חברתית.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס מסגרת אנליטית הניתנת לשימוש חוזר וניתן להחלה על מספר מטלות דיאדיות ותנאים ניסויים, ובכך מפחית את עלויות הפיתוח מחדש.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתיקוף המטרה על ידי אישור ש-IBS שנצפה הוא ספציפי לאינטראקציה אמיתית ולא להצמדה אקראית או להשפעות של תנאי הניסוי.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות באמצעות עיבוד מקדמי סטנדרטי (הפחתת רעשים מבוססת PCA, תיקון תנועה) וצינורות סטטיסטיים מתוקפים (מבחן T של פרמוטציות, תיקון FDR).
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך או עצירה (go/no-go) על ידי אספקת סמן ביולוגי עצבי של מעורבות חברתית שניתן להשפיע עליו באמצעות התערבויות פרמקולוגיות.
- השפעה על תיק הפיתוח: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של תרכובות המכוונות למסלולי קוגניציה חברתית באמצעות קריאות IBS אובייקטיביות וכמותיות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות ברכישת נתוני fNIRS, תכנון ניסויי של hyperscanning ועיבוד אותות מבוסס MATLAB.
- תלוי בגישה לארגזי כלים של wavelet transform coherence ופונקציות לבדיקת permutation לצורך יישום תקין.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של שלבי עיבוד מקדמי (למשל, מסנן NPCA, תיקון תנועה של HMR) ופרמטרי ניתוח (פס תדרים, חלונות זמן) כדי להבטיח שחזוריות.
- כולל שיקולי התאמה בעת יישום הפרוטוקול על אוכלוסיות משתתפים, משימות או אזורים עצביים רלוונטיים שונים.
- מוגבל על ידי הצורך בבחירה קפדנית של ערוצים (למשל, ערוץ חמישה בתנאי קואורדינציה מוטורית) ופרשנות ספציפית לתנאי הניסוי כדי למנוע תוצאות חיוביות שגויות.
