부분 웨이블릿 변환 일관성 방법을 사용한 fNIRS-하이퍼스닝 데이터에서 방향 정보 흐름 측정

요약

이 프로토콜은 사회적 상호 작용 동안 정보 흐름의 방향과 시간 패턴을 추론하기 위해 대인 관계 신경 동기화 (INS)의 시간 지연 패턴을 계산하기위한 부분 웨이블릿 변환 일관성 (pWTC)을 설명합니다. INS에 대한 신호 자기상관관계의 혼란을 제거하는 데 있어서 pWTC의 효과는 두 번의 실험에 의해 입증되었다.

초록

사회적 상호 작용은 인간에게 매우 중요합니다. 하이퍼 스캐닝 접근법은 사회적 상호 작용 중에 대인 관계 신경 동기화 (INS)를 연구하는 데 광범위하게 사용되었지만 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)은 상대적으로 높은 공간 해상도, 사운드 해부학 적 현지화 및 모션 아티팩트의 예외적으로 높은 내성으로 인해 자연 주의적 사회적 상호 작용을 하이퍼 스캐닝하는 데 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 이전의 fNIRS 기반 하이퍼스닝 연구는 일반적으로 개인 간의 정보 흐름의 방향과 시간 패턴을 설명하기 위해 웨이블릿 변환 일관성 (WTC)을 사용하여 시간 지연 INS를 계산합니다. 그러나, 이 방법의 결과는 각 개인의 fNIRS 신호의 자기상관관계에 의해 혼동될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 부분 웨이블릿 변환 일관성 (pWTC)이라는 방법이 도입되었는데, 이는 자기 상관 효과를 제거하고 fNIRS 신호의 높은 시간적 스펙트럼 분해능을 유지하는 것을 목표로했습니다. 본 연구에서, INS에 대한 자기상관관계의 영향을 제거하는데 있어서 pWTC의 효과를 보여주기 위해 먼저 시뮬레이션 실험을 수행하였다. 이어서, 사회적 상호작용 실험으로부터의 fNIRS 데이터세트에 기초한 pWTC의 작동에 대한 단계별 지침을 제공하였다. 추가적으로, pWTC 방법과 전통적인 WTC 방법 사이의 비교와 pWTC 방법과 그랜저 인과성 (GC) 방법 사이의 비교가 도출되었다. 결과는 pWTC가 자연주의 사회적 상호 작용 동안 개인간에 다른 실험 조건과 INS의 방향성 및 시간적 패턴 사이의 INS 차이를 결정하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 또한 기존 WTC보다 더 나은 시간 및 주파수 분해능을 제공하고 GC 방법보다 더 나은 유연성을 제공합니다. 따라서, pWTC는 자연주의적 사회적 상호작용 동안 개인들 사이의 정보 흐름의 방향과 시간적 패턴을 추론하기 위한 강력한 후보이다.

서론

사회적 상호 작용은 인간에게 매우 중요합니다 ^1,2. 사회적 상호 작용의 이중 뇌 신경인지 메커니즘을 이해하기 위해 하이퍼 스캐닝 접근법이 최근에 광범위하게 사용되어 대인 관계 신경 동기화 (INS)의 패턴이 사회적 상호 작용 과정을 잘 특징 지을 수 있음을 보여줍니다 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,^13,14. 최근의 연구 중에서, 흥미로운 발견은 다야드에....

프로토콜

인간 실험 프로토콜은 베이징 사범 대학의인지 신경 과학 및 학습의 국가 핵심 연구소의 기관 검토위원회 및 윤리위원회에 의해 승인되었습니다. 모든 참가자는 실험이 시작되기 전에 서면 정보에 입각 한 동의를했습니다.

1. 시뮬레이션 실험

1. 서로 상관 관계가 있는 두 개의 시계열 신호를 생성하며, 하나의 신호는 4s 시간 지연에서 자기 상관 관계를 갖습니다. 두 신호 간의 상관 계수 r을 0.4로 설정합니다.
2. 또한 상관 관계 없이 하나의 신호에서 자기 상관 관계가 있는 두 개의 시계열 신호를 생성합니다.
3. 상관 관계가 있거나 없는 생성된 신호를 기반으로 방정식 2를 사용하여 기존의 4s 시간 지연 INS의 값을 계산하며, 이는 자기 상관 관계가 있는 시간 지연 INS WTC와 자기 상관 관계가 있는 시간 지연 기준선 INS_WTC로 명명될 수 있습니다.
   참고: 여기서 전통적인 시차적 WTC는 다음 방정식(수학식 2)²⁵로 표현됩니다.
   

결과

시뮬레이션 결과
결과는 자기상관관계를 갖는 시간-지연된 INS WTC가 자기상관관계가 없는 시간-지연된 INS_WTC보다 유의하게 더 높았다는 것을 보여주었다(t(1998) = 4.696, p< 0.001) 및 시간-지연된 INS_pWTC(t(1998) = 5.098, p<001). 추가적으로, 자기상관관계가 없는 INS WTC와 INS_pWTC 사이에는 시차적인 차이가 없었다(t(1998) = 1.573,_p=0.114, 도 2A). 이러한 결과는 pWTC가 INS에 대한 자기상관관계의 영향을 효과적으로 제거할 수 있음을 나타낸다. 추가적으로, WTC 값이 0 또는 1에 근접하도록 설정되었을 때, 시간-지연된 INS_{pWTC는 WTC} 값이 0 또는 1.......

토론

하이퍼 스캐닝 연구에서는 일반적으로 개인 간의 정보 흐름의 방향성 및 시간적 패턴을 설명하는 것이 필수적입니다. 대부분의 이전의 fNIRS 하이퍼스닝 연구는 전통적인 WTC²⁵를 사용하여 시간 지연 INS를 계산하여 이러한 특성을 추론했습니다. 그러나, fNIRS 신호(^20,21)의 본질적인 특징들 중 하나로서^, 자기상관성 효과는 시간-지연된 INS를 혼동시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 명세서의 프로토콜에서, pWTC라고 불리는 방법이 도입되었다⁽²²). 이 방법은 부분적으로 자기 상관 관계를 벗어난 후 시간 지연 INS를 추정하고 WTC 방법의 장점을 유지합니다. 이 프로토콜은 pWTC를 수행하는 방법에 대한 단계별 지침을 제공하고 pWTC의 결과를 기존 WTC 및 GC 테스트의 결과와 비교하여 검증합니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
fNIRS 지형 시스템	Shimadzu Corporation	Shimadzu LABNIRS systen	LABNIRS 시스템에는 fNIRS 신호 측정을 위한 40개의 이미터와 40개의 검출기가 포함되어 있습니다. 이 프로토콜에서는 이러한 이미터와 검출기를 사용하여 두 개의 맞춤형 26채널 프로브 세트를 만들고 10-20 시스템에 해당하는 두 개의 캡에 부착했습니다. 또한 LABNIRS 시스템에는 데이터 품질 검사, 데이터 변환 및 데이터 내보내기를 위한 내장 GUI 소프트웨어도 포함되어 있습니다.
MATLAB	매스웍스(The MathWorks, Inc.)	MATLAB 2019a	이 프로토콜에서는 MATLAB의 여러 도구 상자 및 함수가 사용되었습니다. SPM12 도구 상자는 GUI를 통해 검증된 MRI 데이터를 정규화하는 데 사용되었습니다. NIRS_SPM 도구 상자는 GUI를 통해 프로브의 MNI 좌표를 AAL 템플릿에 투영하는 데 사용되었습니다. Homer3 도구 상자는 기본 매개변수가 있는 hmrMotionCorrectWavelet 함수를 통해 모션 아티팩트를 제거하는 데 사용되었습니다. Wavelet toolbox는 wcoherence 함수를 통해 WTC 및 pWTC를 계산하는 데 사용되었습니다.
MRI 스캐너	Siemens Healthineers	TRIO 3-Tesla 스캐너	이 프로토콜에서 MRI 스캐너는 각 채널 및 optpde의 MNI 좌표를 얻는 데 사용되었습니다. 스캔 매개변수는 본문에 설명되어 있습니다.
맞춤형 캡			이 프로토콜에서는 먼저 10-20 시스템으로 두 개의 나일론 캡을 표시했습니다. 그런 다음 두 개의 26채널 맞춤형 optode 프로브 세트를 만들었습니다. 마지막으로, 우리는 랜드마크와 정렬된 캡에 프로브 세트를 부착했습니다.