方法論記事

機能的近赤外分光法による Hyperscanning 実験を実施

DOI：

10.3791/58807

⸱

2019年1月19日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Child Neuropsychology Section, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy, Medical Faculty, RWTH Aachen University, 2JARA-Brain Institute II, Molecular Neuroscience and Neuroimaging, RWTH Aachen & Research Centre Juelich, 3Lehrstuhl II für Mathematik, RWTH Aachen University, 4Translational Brain Research in Psychiatry and Neurology, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics, and Psychotherapy, University Hospital Aachen

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この議定書では、fNIRS hyperscanning 実験を行い、脳-脳の同調性を分析する方法について説明します。さらに、私たちは課題と可能な解決策について説明します。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

脳の同時録音 2 つまたは複数の相互作用の人の hyperscanning と呼ばれるアプローチは、社会的相互作用やおそらく対人関係の神経生物学の基盤の私達の理解の重要性の高まりを集めています。.機能的近赤外分光法 (fNIRS) ため、サンプリング レートが高いとローカルの血行力学的効果を測定し、厳密な運動を必要としない、自然な設定で適用できる重要なは、hyperscanning の実験に適しています制限。この記事では親子母子で fNIRS hyperscanning 実験と分析脳-脳の同期プロトコルを提案します。さらに、重要な問題と実験的なデザイン、fNIRS チャンネル、生理学的影響、データ分析手法の空間登録について、今後の方向性について論じる。記述されていたプロトコル親子母子に固有ではないが、さまざまな大人の他人、ロマンチックなパートナー、または兄弟などの異なる二者星座に適用することができます。最後に、fNIRS hyperscanning 個々 の脳の活動を調べることによって学ぶことができる何を越えて行く可能性が継続的な社会的相互作用のダイナミクスに新しい洞察力をもたらす可能性があります。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

近年、神経科学者は、同時に 2 つ以上の人の脳活動を記録することによって社会的な相互作用を研究し始めているとのアプローチ呼ばれる hyperscanning1。この手法は、これらの相互作用の神経生理機構を解明するための新しい機会を開きます。社会的な相互作用を完全に理解するには、は、分離が相互作用する人2の脳の共同の活動ではなく単一の脳の研究できない可能性があります。異なるニューロ イメージング技術を使用して、hyperscanning の研究がその脳相互作用する人やグループの活動を同期などを示されている、彼らは彼らのアクション3を調整、間を作る音楽45の通信教室活動6に従事または7を協力します。

記事は、機能的近赤外分光法 (fNIRS) と同時の録音を行うためのプロトコルを示します。機能的磁気共鳴画像 (fMRI) と同様に、fNIRS 脳の活性化、血流応答を測定します。(デオキシ ヘモグロビンとオキシ Hb) は酸素と脱酸素化ヘモグロビン量の変化は拡散透過近赤外光組織8の金額に基づいて計算されます。fNIRS は、fMRI よりも少ない制約とより自然な設定で適用できるので子どもたち、とくに、hyperscanning の実験に適しています。また、機能的 Mri と脳波9の両方より動きアーチファクトが発生しにくいです。さらに、高いサンプリング周波数 (例えば、10 Hz) で fNIRS のデータを得ることができる、従ってそれは比較的遅い血流応答が高いオーバー サンプリングされ、それにより潜在的脳血行動態10 のより完全な一時的な画像を提供します.

このプロトコルはゆっくりくつろぐらの研究で開発されました。11とわずかに変更された (チャネル配置と悪いチャネル同定に関して特に) で最近では。研究の目的は親-子母子の同期の脳活動を検討しました。FNIRS の hyperscanning を使用して、我々 は、協調と競争力のあるコンピューター作業中 (5 ~ 9 歳) の子供の前頭前野の脳領域の脳-脳同調その親、ほとんど母親を評価します。前頭前野の脳の領域は、彼らは、以前 hyperscanning 研究1で社会的な対話型プロセスの重要な領域として認識されていたように目標とされました。Cuiらによって開発された協調と競争力のあるタスク12最近いくつか以前研究13,14,15に雇われています。ゆっくりくつろぐらの研究のため11タスクは、子供に合うように変更されました。参加者は、ターゲット (協力) に応答ボタンを押すを介して対応共同でいずれかまたは他のプレーヤー (競争) より迅速に応答を指示されました。それぞれの子は、親と親として同性の大人の見知らぬ人回各タスクを実行できます。各子大人ダイアド内は、脳-脳の同調性の尺度として対応するチャンネルのオキシ Hb 信号のウェーブレット コヒーレンスを求めた。

このプロトコルでは、協調と競争力のあるゲームの間に親と子の fNIRS hyperscanning データを収集する手順について説明します。全体的な手順はしかし、この研究デザインに固有ではないが、別の集団 (例えば、大人の他人、ロマンチックなパートナー、兄弟、等) に適して、さまざまな実験的タスクの数に適応することができます。このプロトコルには、カバーする必要および省略可能なデータ解析の手順を実行するには、ランダムなペアによる fNIRS データの前処理、悪いチャンネル検出、ウェーブレット コヒーレンス解析および検証を含む 2 つの可能な分析方法もについて説明します。

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プロトコル

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参加、すべての親の前に子提供インフォームド コンセント//同意します。研究は、RWTH アーヘン大学医学部倫理委員会によって承認されました。

1. 参加者が到着する前に、の準備

  1. 放医研のキャップを準備します。
    1. 同じサイズまたは参加者の頭囲よりも少し大きめのキャップのサイズを選択します。
    2. 2 生脳波キャップ (材料の表参照) のそれぞれの額を地域に水平 3 x 5 グリッドに配置された約 15 mm の直径の 15 穴をカットします。穴は任意の方向に互いから間隔 30 mm、穴の中央の列、すなわち鼻の上、額の中心にあることを確認してくださいと一番下の行は、眉上にあります。
    3. キャップをより快適にする、圧力印を最小限にするために、添付ソフト発泡材 (テープまたは同様のフラット シール接着剤ウィンドウなど発泡ゴム素材) とエッジ間のプローブ ソケット ホルダー グリッドの内側で。必要に応じて両面粘着テープやミシン糸を使用します。
    4. 空の 3 x 5 プローブ ホルダー グリッドをマウント (材料の表を参照してください) にそれぞれ変更された脳波キャップのキャップとホルダーの内側にホルダー グリッド自体を配置するようなソケットの穴にスティック。
      注: NIRS 計測システム (材料表参照) 2 つの別個のプローブ セット、各参加者の設定 1 つのプローブを使用するには。
    5. 各プローブの最初のリッジのみが結果 1 つのクリック音、ソケットにマウントされているような優しくグリッド上の適切なホルダー ソケットにプローブを挿入します。
    6. オープン プローブ NIRS 計測システムでのモニター ウィンドウを設定し、2 プローブ セットの選択がそれぞれ、参加子供用と大人用 3 x 5 グリッドに配置します。2 つのキャップのプローブの手配がプローブ設定ウィンドウの配置に対応していることを確認 (つまり、それぞれエミッタとレシーバー プローブ番号の同じ場所)。
  2. 実験を準備します。
    1. システムが安定した温度に到達するよう、レーザー ダイオードを測定する前に 30 分点灯で NIRS 計測システムを開始します。
    2. NIRS 測定システムですべての必要なオプションを設定します。イベント関連の計測デバイスが設定されている実験パラダイムからトリガーを受信するために必要な RS232 シリアル入力がアクティブであることを確認します。
      注: 実験は Cuiらによって考案されたパラダイムによる適応バージョンです。12、非商業心理ツールボックス拡張は、バージョン 3.0.1116プログラムします。
    3. 技術計算ソフトウェアを起動することによって実験パラダイムを準備心理ツールボックス拡張機能と、パラダイムに保存されているフォルダーに現在のディレクトリを設定のベースとして機能する (材料の表を参照してください)。
    4. 場所 2 つのあごは、実験中に頭の動きを防ぐためにコンピューター画面の前にかかっています。

2 研究室で参加者到着

  1. 参加者を準備します。
    1. 表示し、参加者に NIRS 計測システムを含む実験のセットアップを説明します。常にこれは目に有害である可能性がありますように NIRS 計測システムのレーザ光線に直接参加者を見ていないことを確認します。
    2. コンピューター画面の前で隣同士に参加者を座席します。両方の参加者が快適に座るようなあごの残りの高さを調整します。
    3. 参加者に指示し、協調と競争のゲームの両方の練習試行を管理します。必要に応じて練習試行中に追加の指示を与えます。
    4. 測定し、10% ナジオンと各参加者の頭の上のイオン間の距離は、10-20 システムに従って Fpz ポイントをマークします。
    5. 参加者の頭の上に慎重にプローブ レーザーをオフにキャップを配置します。まず参加者の額に、プローブのグリッドを含むキャップの前面、首に向かってキャップの後ろを引き出します。Fpz の一番下の行の真ん中のプローブを配置し、中間プローブ列は矢状参照カーブに揃えられていることを確認します。
    6. 彼らは参加者や椅子と接触することがなくだらりし、彼らはキャップを引っ張らないように NIRS 計測システムに添付ホルダー アームにファイバー文字列を配置します。追加ホルダーを使用 (e.g。 修正、マイク スタンドまたは類似) 必要に応じて 2 番目の参加者のため。
    7. プローブ筐体上部の中央に小さな白い鼻が表示されるまでさらに各プローブをソケットに押し込みます。
      注: 鼻はプローブ先端が参加者の頭皮に触れるとすぐに、コイルばねのメカニズムによっての上向きを押されます。
    8. 再度レーザーをオンにし、近赤外光計測装置のプローブ セット モニター ウィンドウの自動ゲイン ボタンをクリックして信号品質をテストします。
    9. チャネルが (すなわち、それは黄色でマークされている場合)、十分な信号を優しくない場合周囲のプローブの先端の下に髪を脇に置きます。必要に応じて、さらにプローブをソケットに押し込みますが、参加者の快適性を確保します。信号品質が自動ゲイン ボタンをもう一度クリックして (すなわちチャネル、現在は緑色でマーク) 改善するかどうかを確認します。
    10. 場合 2.1.9 のステップ。信号の改善につながるいない、信号強度を調整します。(すなわちチャネルは赤でマークされている場合)、あまりにも多くの信号で信号強度を繰り返し低信号強度の変更がある場合はそれぞれのプローブのプローブでシンボルをクリックすると NIRS 計測システムのモニター ウィンドウを設定します。十分な信号を (すなわちチャネルが黄色でマークされている場合) がない場合信号強度高い信号強度に再び繰り返しをクリックして変更それぞれのプローブのシンボル。
  2. 実験を実行します。
    1. 練習の試験の後の質問がなく、良好な信号品質を確保、実験パラダイムを起動します。
    2. 彼らはそれぞれのゲーム相手の手の動きを見ることができないので、参加者の手でタオルを配置します。
    3. 実験の後、データを保存してテキスト ファイルを保存] ボタンをクリックしてテキスト ファイルとして生照度データをエクスポートします。NIRS 測定システムで任意のフィルターは適用されません。
    4. すべての必要な材料 (プローブ、プローブ ホルダー、あごにかかっている) エタノールで拭きます中性洗剤で穏やかな回転でキャップを洗います。

3. データ分析

  1. データ前処理
    注: いくつかの非商用ソフトウェア パッケージ利用できるがある fNIRS データ分析、例えば。、fNIRS19SPM や NIRS 脳 AnalyzIR18 17のホームラン。後者は、プリプロセス手順に使われました。これらの手順を実行する方法の詳細については、[ツールボックス] のマニュアルを参照してください。
    1. データ ファイルを SPM fNIRS のデータ フォーマットに変換します。
    2. メイン ウィンドウで変換ボタンを押すと修正したビール-ランバートの法則を使用してデオキシ ヘモグロビンとオキシ Hb 濃度の変化を計算します。ソースと検出器 (例えば、3 cm) と被写体との距離の年齢を入力します。波長 (λ) にデオキシ ヘモグロビンとオキシ Hb のモル吸光係数のデフォルト値を受け入れる 1、λ 2、λ 1 と λ 2 の差分 pathlength 係数 (DPF) の既定値です。
    3. (詳細マラ アルゴリズムを参照してください Scholkmanらのマラのボタンを選択してモーションの成果物を減らすために血行動態の時系列を前処理します。20)。
    4. DCT のボタンを選択して低速のドリフトを減らすために時系列を前処理します。
  2. 悪いチャンネル検出
    注: fNIRS データの前処理の後および/または前に、悪いチャンネル検出を実行できます。このプロトコルでは、悪いチャンネルと目視検査の検出に異なる客観的な基準が結合されます。客観的な基準の提案のリストは完全ではありませんのでご注意ください。悪いチャンネル検出自己書かれたスクリプトは (技術的なコンピューティング ソフトウェア参照表の材料) の使用されました。
    1. 時系列をプロットするときに平坦な線で示されているいくつかの連続したサンプルの信号の変化がないチャンネルを除外します。
    2. CV の変化の係数を計算 = SD/平均 * 生減衰データの 100。CV が定義済みの割合 (例えば10%; 参照たとえばファン ・ デル ・ カントら上はチャンネルを除外します。21)。
    3. 信号のパワー スペクトルをプロットします。この周波数帯の電力の増加によって示されるように、信号スペクトル 1 Hz 付近に表示されているハートビートがないの場合は、チャネルを解析から除外します。
    4. 前処理の前後にすべてのデータを目視で確認します。3.2.1 – で説明した客観的な基準に基づいてチャネルを含めるかどうかを決定する 3.2.3, 同様に雑音の主観的な視覚的検出。
  3. 脳-脳接続
    注: 2 つの異なる推定脳接続の種類を区別できる: 接続の強さを定量化する無指向性の推定とデータ22 から因果関係の統計的な証拠を確立しようとする監督の見積もり.ここでフォーカスは、ウェーブレット変換のコヒーレンス (WTC)、fNIRS 脳-脳の接続に広く応用無指向見積もりに。WTC の計算のためのいくつかの非営利ソフトウェア ソリューションがあります、例えば、Grinsted および同僚の23で 1 つまたは次の手順でこのプロトコルで使用された ASToolbox24に。
    1. ASToolbox の AWCO 関数で指定連続ウェーブレット変換による各時系列を時間と周波数ドメインに変換するものです (例えばパラメーター β と γ のモールス信号ウェーブレットの一般化)、母ウェーブレット変換です。
    2. AWCO 関数でスムージング ウィンドウの種類 (例えば、ハニング ウィンドウ) と時間とスケール ドメインのスムージングのウィンドウのサイズを指定します。
    3. WTC 係数の重要性を確認し、自分のpを計算します-値、AWCO 関数でサロゲート時系列 (n ≥ 300) の数と ARMA モデル (例えばAR (1)) を指定します。
    4. 3.3.1 に 3.3.3 の手順で指定されたパラメーターを持つ 2 つの対応するチャネル (2 つの参加者に同じチャンネル) のウェーブレット コヒーレンスを計算します。
    5. タスク関連脳-脳の同調が予想されている先行研究と (野沢らを参照してください方法のデータの目視検査に基づいて関心の周波数帯を選択します。25)。
    6. WTC の係数の平均値および/または重要な WTC 係数各ダイアド、各チャネル内の各タスク ブロックでタスク関連周波数帯域の割合を計算します。(より多くの情報を参照してくださいゆっくりくつろぐらをさらに統計分析脳-脳同調のアウトカム指標としてこの値を使用してください。11)。
  4. ランダムなペアとの比較
    注: 結果を検証するため、ランダムの大人子供ペアを相互に再生されませんでしたが、同じ実験的タスクを実行の WTC に実際の母子の WTC を比較することをお勧めします。
    1. 3.3 で説明したように、WTC を計算します。、一緒に遊ばなかったが、同じ実験タスク (すなわち、ランダムな組み合わせ) を実行した参加者のペアの。ランダムなペア (例えば、条件ごとに 300) の数を選択し、ランダムの各ペアの WTC を計算します。
    2. スプリアス シンクロニシティの検出を避けるために乱数と実際のペアのコヒーレンスを比較します。

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結果

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協調の状態の間に 1 つの親-子ダイアドの代表的なデータは、図 1のとおりです。協調タスクは順序を交互に提示 3 30 の残りブロックと、それぞれ 20 試験での 2 つのタスク ブロックで構成されます。それぞれの試験参加者は、11ポイントを獲得する信号にできるだけ同時に反応する必要。

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図 1:Hyperscanning データ解析と代表の結果。照度データは 2 つの参加者の 22 チャンネル (CHs) に収集されます。最初、悪いチャンネルが検出され、さらに解析から除外。その後、照度データはオキシ ヘモグロビン量の変化に変換されます (Δ オキシ...

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ディスカッション

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このプロトコルではオキシ Hb と 2 科目の前頭葉の脳領域でデオキシ ヘモグロビンの濃度変化を同時に計測 fNIRS hyperscanning 実験・脳-脳の同調性を分析する方法の 1 つを行う方法を示します。FNIRS の hyperscanning は比較的簡単に適用する: 単一の放医研デバイスはそれらの間バイオケミカルを分割することによって両方の被験者の脳の活動を測定するのに十分です。したがって、異なるデバイス間での同期には必要な1はありません。また、fNIRS が厳格な運動制限を必要としないので、自然環境と子供の hyperscanning 実験に適してです。以下では、我々 はいくつかの重要な問題を強調表示設計、分析・解釈 (fNIRS) hyperscanning 実験課題と可能な解決策を議論するとき。

実験的なデザイン。Hyperscanning 研究の 1 つの重要な問題にかかわる実験的なデザイン。互いに独立して同じ実験タスクを完了する 2 つの参加者は、脳-脳同調

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開示事項

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者が明らかに何もありません。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この作品は、エクセレンス イニシアチブはドイツの連邦国家の政府 (ERS シード基金、OPSF449) によって賄われていた。放医研日立システムは、ドイツの研究基礎 DFG (INST 948/18-1 FUGG) の資金によって支えられました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
プローブセットとプローブホルダーグリッドを備えたNIRS測定システム株式会社日立メディコ、東京、日本ETG-4000光トポグラフィーシステム 現在の研究プロトコルでは、合計52チャンネルの測定用のオプションの2番目の成人用プローブセットと、2つの3x5プローブホルダーグリッドが必要です。 
生のEEGキャップEASYCAP GmbH、Herrsching、ドイツC-SCMS-56;C-SCMS-58キャップには、実験者がNIRSプローブ用の穴を開ける必要があります。キャップサイズは、参加者の頭囲と同じサイズまたは少し大きいサイズを選択します。
テクニカルコンピューティングソフトウェアThe MathWorks, Inc., Natick, MAMATLAB R2014a (またはそれ以降のバージョン)Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), SPM for fNIRS toolbox (fNIRSデータ分析)、ASToolbox(WTC計算)。

参考文献

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