Come calcolare e convalidare la sincronizzazione inter-cervello in uno studio di iperscansione fNIRS
8 settembre 2021
Le dinamiche tra cervelli accoppiati di individui sono state sempre più rappresentate dalla sincronizzazione inter-cerebrale (IBS) quando si coordinano tra loro, per lo più utilizzando segnali di registrazione simultanea del cervello (vale a dire iperscansione) con fNIRS. Negli studi di iperscansione fNIRS, l'IBS è stato comunemente valutato attraverso il metodo della coerenza della trasformazione wavelet (WTC) a causa del suo vantaggio nell'espandere le serie temporali nello spazio tempo-frequenza in cui le oscillazioni
Questo protocollo fornisce una pipeline potenzialmente standard di analisi della sincronizzazione inter-cervello nello studio fNIRS Hyper-scanning. Il vantaggio principale di questa tecnica è che consente di calcolare la legge di sincronizzazione inter-cervello che trasformerà il metodo coerente e convaliderà i modi di sincronizzazione inter-cervello, la permutazione basata sul potenziamento delle condizioni del torace e partecipa. Esegui tutte le analisi dei dati utilizzando il software MATLAB con le apposite toolbox.
Durante la pre-elaborazione dei dati, in particolare utilizzando l'analisi dei componenti principali e il metodo di miglioramento del segnale basato sulla correlazione, rimuovere il rumore fisiologico globale F N I R S utilizzando il filtro NPCA. E gli artefatti di movimento della testa usando il hmR motion correct sottolineano CBSI di Homer due. Successivamente, per calcolare la sincronizzazione inter-cerebrale o IBS, adottare la funzione coerente di trasformazione wavelet di cross wavelet e wavelet coherent toolbox con parametri predefiniti e calcolare i valori coerenti in ogni momento nel punto di frequenza per ottenere una matrice a due assi di valori coerenti.
Per i parametri predefiniti, utilizzate la wavelet madre di Morlet per trasformare ogni serie temporale nel dominio del tempo e della frequenza mediante la trasformazione wavelet continua. Successivamente, per scegliere la banda di frequenza di interesse, selezionare una media dei valori coerenti della banda di frequenza compresa tra 0,5 a un Hertz. Secondo la banda di frequenza utilizzata nel compito di movimento delle dita dello studio F N I R S Hyper-scanning.
Ottenere una colonna di valori coerenti per ogni coppia. Quindi, selezionare una media dei valori coerenti della finestra temporale durante la fase di riposo. E per ogni condizione sperimentale, utilizzando le informazioni del segno, ottenere cinque valori coerenti per ogni diade per la sessione di attività, selezionare solo la durata durante la quale i partecipanti hanno toccato per riprodurre lo stimolo uditivo, che è di circa 12 secondi per ogni prova risultando in un totale di 180 secondi per ogni condizione sperimentale.
Quindi, sottrarre il valore coerente a riposo dal valore coerente correlato all'attività. Poiché il valore di coerenza durante lo stato di riposo viene utilizzato come linea di base in questo esperimento. Successivamente, utilizzando il test T di permutazione dei campioni accoppiati con il malto underscore comp underscore perm T1 funzione di lavoro delle gocce.
Confrontare i valori coerenti sottratti con zero in corrispondenza di ciascun canale per ogni condizione sperimentale. Quindi, utilizzando la funzione A FDR della casella degli strumenti MATLAB, correggere i valori P con il metodo del tasso di scoperta falso. Successivamente, utilizzando il test T di permutazione dei campioni accoppiati con il malto underscore comp underscore perm underscore T1 funzione di lavoro drops, confrontare i valori di coerenza tra le diverse condizioni di attività nel canale in cui esisteva IBS.
Per convalidare l'IBS, utilizzare la funzione rant perm un MATLAB per randomizzare l'etichetta degli studi nella condizione di coordinazione del misuratore per una diade a ciascun canale. Seguire la pipeline dimostrata per il calcolo dell'IBS e le statistiche per l'etichetta dello studio randomizzato, escludendo l'analisi di sensibilità per la banda di frequenza di interesse. Condurre la permutazione 1000 volte, quindi tracciare la distribuzione dei valori Z statistici generati all'interno della permutazione della diade.
Successivamente, seguire la pipeline per calcolare l'IBS e le statistiche dopo aver randomizzato l'accoppiamento dei partecipanti allo stesso studio, nella condizione di coordinamento del contatore. Infine, segui di nuovo la pipeline dopo aver randomizzato le etichette delle condizioni per gli stessi membri di una diade nello stesso studio. I risultati hanno mostrato la presenza di IBS al canale cinque nella condizione di coordinamento del misuratore.
Mentre nessun IBS è stato rilevato nelle altre condizioni. Al canale cinque, l'IBS e la condizione di coordinamento del contatore erano significativamente superiori ai valori coerenti nella condizione di coordinamento e indipendenza del contatore. L'analisi di permutazione ha mostrato che l'IBS osservato probabilmente si presentava in due individui di una diade che cercavano di sincronizzarsi tra loro nel tempo corrispondente, ma non nel partner temporale o nella condizione di accoppiamento casuale.
Assicurarsi che l'IBS sia specifico per le interazioni rare. Quindi, calcolando l'IBS nel compito, la banda di frequenza correlata e le condizioni di fiducia e le interviste mutate. Il calcolo dell'IBS di tutti i canali a portata di mano, o attraverso diversi canali e regioni, arricchirebbe il partner di calcolo IBS.
L'analisi della rete Inter-Brain per grandi gruppi di partecipanti alle interazioni naturali trarrà beneficio dalla qualifica di interazione sociale.
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Panoramica
Questo studio si concentra sulla sincronizzazione inter-cervello (IBS) tra individui durante attività coordinate, utilizzando la spettroscopia funzionale a infrarossi vicini (fNIRS) in un setup di iperscansione. Utilizza la coerenza della trasformata wavelet (WTC) per valutare l'IBS e convalida i risultati attraverso metodi basati su permutazione. Vengono discusse considerazioni metodologiche critiche per migliorare la riproducibilità e l'affidabilità in questi studi.
Componenti chiave dello studio
Area di scienza
- Neuroscienza
- Imaging cerebrale
- Coordinazione interpersonale
Sfondo
- La sincronizzazione inter-cervello (IBS) riflette la coordinazione tra l'attività cerebrale degli individui.
- L'iperscansione permette la registrazione simultanea dei segnali cerebrali di più partecipanti.
- La coerenza della trasformata wavelet (WTC) viene utilizzata per analizzare le caratteristiche tempo-frequenza.
- I metodi di permutazione aiutano a convalidare i risultati dell'IBS controllando le occorrenze casuali.
Obiettivo dello studio
- Presentare un protocollo per analizzare l'IBS utilizzando studi di iperscansione fNIRS.
- Dettagliare come calcolare e convalidare l'IBS in modo efficace.
- Identificare considerazioni metodologiche critiche per analisi migliorate.
Metodi utilizzati
- Lo studio utilizza la spettroscopia funzionale a infrarossi vicini (fNIRS) per l'acquisizione dei segnali cerebrali.
- Valuta la coordinazione utilizzando la funzione coerente della trasformata wavelet con il software MATLAB.
- Il preprocessing dei dati include tecniche come l'analisi delle componenti principali e l'uso del filtro NPCA.
- La procedura prevede il test dei valori di coerenza in diverse condizioni sperimentali e l'uso di test di permutazione per la convalida.
Risultati principali
- L'IBS è stata osservata in condizioni specifiche, indicando sforzi di sincronizzazione tra i partecipanti.
- La presenza di IBS è stata confermata attraverso test statistici e analisi di permutazione.
- I risultati implicano che il rilevamento dell'IBS è specifico per certi compiti e condizioni, migliorando la comprensione delle dinamiche di interazione sociale.
Concludenze
- Questo studio fornisce un quadro metodologico per valutare l'IBS, supportando la futura ricerca nella neuroscienza interpersonale.
- Migliora la riproducibilità e l'affidabilità nell'analisi della sincronia neurale tra individui.
- I risultati forniscono preziose intuizioni sulla base neurale delle interazioni sociali.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Inter-brain synchronization (IBS) analysis via fNIRS hyperscanning provides a mechanistic window into coordinated neural activity, offering biopharma R&D a quantitative biomarker for social cognition and interpersonal engagement models. This approach supports target validation in neuropsychiatric disorders by enabling objective measurement of dyadic neural coupling, which can inform therapeutic efficacy in conditions affecting social interaction. The wavelet transform coherence (WTC) method combined with permutation validation enhances predictive confidence in preclinical models by reducing false-positive synchrony signals.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to social brain networks by quantifying neural synchrony between interacting subjects.
- Operational Value: Provides a reproducible pipeline for assessing target engagement in dyadic behavioral paradigms using fNIRS hyperscanning.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates time-frequency resolved coherence metrics that serve as quantitative readouts for compound effects on interpersonal neural coupling.
- Operational Value: Supports assay standardization through predefined frequency band (0.5–1 Hz) and time-window averaging protocols, improving cross-study comparability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by distinguishing true interaction-dependent synchrony from artifactual correlations via permutation-based validation.
- Operational Value: Enables longitudinal tracking of neural coordination phenotypes in disease models, supporting translational continuity from discovery to preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
The IBS analysis pipeline fits within early discovery workflows where neural correlates of social behavior are evaluated, particularly in target validation and assay development stages for CNS therapeutics.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of neural mechanisms underlying social interaction by providing objective, quantifiable measures of inter-brain coupling.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible coherence outputs after preprocessing (NPCA filtering, HMR motion correction) and statistical validation (permutation testing, FDR correction).
- Analytics: Produces Z-value distributions from permutation tests that enable statistical comparison of IBS across conditions and channels.
- Translational Research: Aligns with biomarker development efforts by offering a neural synchrony metric sensitive to task-specific coordination, relevant for social dysfunction models.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable analytical framework applicable across multiple dyadic tasks and experimental conditions, reducing redevelopment costs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by confirming that observed IBS is specific to genuine interaction and not random pairing or condition effects.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized preprocessing (PCA-based noise reduction, motion correction) and validated statistical pipelines (permutation T-test, FDR correction).
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing a neural biomarker of social engagement that can be modulated by pharmacological interventions.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds targeting social cognition pathways through objective, quantifiable IBS readouts.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fNIRS data acquisition, hyperscanning experimental design, and MATLAB-based signal processing.
- Depends on access to wavelet transform coherence toolboxes and permutation testing functions for proper implementation.
- Necessitates cross-team standardization of preprocessing steps (e.g., NPCA filter, HMR motion correction) and analysis parameters (frequency band, time windows) to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations when applying the protocol to different participant populations, tasks, or neural regions of interest.
- Limited by the need for careful channel selection (e.g., channel five in the motor coordination condition) and condition-specific interpretation to avoid false positives.
