Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: een fNIRS-Hyperscanning Studie
21 juli 2021
Het protocol voor het uitvoeren van fNIRS hyperscanning experimenten op collaboratieve leren dyads in een naturalistische leeromgeving wordt geschetst. Verder wordt een pijplijn gepresenteerd om de Inter-Brain Synchrony (IBS) van zuurstofhoudende hemoglobine (Oxy-Hb) signalen te analyseren.
Dit protocol onthult inter-brain synchronie in de collaboratieve dyads in de naturalistische omgeving door de fNIRS hyperscanning techniek. Het belangrijke voordeel van deze techniek is dat het onderzoek mogelijk maakt naar real-time dynamiek van twee of meer op elkaar inwerkende hersenen. Voordat u met het experiment begint, start u het nabij-infraroodspectroscopiesysteem voor het bereiken van een stabiele bedrijfstemperatuur, neemt u vervolgens een elastische badmuts aan om het optode-holder-raster te plaatsen en de NIRS-doppen voor te bereiden zoals beschreven in het tekstmanuscript.
Voor een kanaal met onvoldoende signalen gebruikt u de verlichte glasvezelsondes om het haar onder de punt van de sonde naar één kant te verplaatsen. Zodra de bedrijfstemperatuur stabiliseert, zorgt u ervoor dat de triggerontvanger actief is en stelt u de meetmodus in op gebeurtenisgerelateerde meting. Bereid de verlichte glasvezelsonde voor om het haar opzij te schuiven.
Instrueer de deelnemers met betrekking tot de details van NIRS-meetmethoden en niet om rechtstreeks in de laserstralen te kijken, omdat de laserstraal schadelijk kan zijn voor de ogen van de deelnemer. Laat de deelnemers face-to-face zitten om ervoor te zorgen dat ze elkaar direct kunnen zien en pas de afstand van stoel tot tafel aan om de deelnemers comfortabel te laten zitten. Zet de laserknop aan, leg de vier optische vezelbundels losjes op de armen van de houder zonder contact met de deelnemers of stoelen en plaats de dop met de sondesets op de hoofden van de deelnemers, zorg ervoor dat de drie bij vijf sondesets het voorhoofd van de deelnemer bedekken en de vier bij vier sondesets de linker temporoparietale cortex bedekken, duw vervolgens elke veerbelastingsonde voorzichtig verder in de sondekom, zodat de punt van de sonde de hoofdhuid van de deelnemer raakt.
Laat vervolgens twee deelnemers het leermateriaal samen leren met vijf minuten rusttoestand, die als basis dient. Om eerst de kwaliteit van het signaal te controleren, klikt u op de automatische versterking in het monitorvenster van de sondeset van de functionele NIRS-machine en markeert u vervolgens het slechte signaal van het kanaal in geel en het voldoende signaal in groen en herhaalt u deze procedure totdat alle kanalen groen zijn gemarkeerd. Klik na het experiment op Tekstbestand uit om de onbewerkte lichtintensiteitsgegevens te exporteren en de gegevens op te slaan als een tekstbestand.
Gebruik de driedimensionale digitizer om de locaties van emitters, ontvangers en andere referenties voor elke deelnemer te bepalen en verkrijgt vervolgens de MNI-coördinaten van de opnamekanalen met behulp van het commercieel beschikbare numerieke computerplatform. De gegevens van elke deelnemer in elk kanaal werden geanalyseerd. De optodensiteit in kanaal 33 voor een bepaalde dyade werd gevisualiseerd.
De gegevens werden geëxtraheerd met behulp van de op wavelet gebaseerde bewegingsartefacten verwijderen methode, alleen en samen met de analyse van de belangrijkste componenten. Het verschil tussen de curven suggereert dat PCA efficiënt is in het verwijderen van niet-neurale signalen. De wavelet transform coherence matrix werd gevisualiseerd.
De kleurenkaart varieerde van blauw tot geel en vertegenwoordigde inter-hersensynchronisatiewaarden variërend van nul tot één, waarbij één de grootste samenhang tussen twee signalen aangeeft en nul geen coherentie aangeeft. Daarnaast werden ook significante coëfficiënten verkregen, waarbij de sterke coherentie rond één hertz de hartritmecoherentie van de dyade vertegenwoordigt. De vergelijking tussen de waargenomen T-waarde en de verdeling van de willekeurige T-waarde toont significante resultaten in geïdentificeerde FOI.
Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de sondeset het gebied van belangen dekt en probeer de afwijking te verminderen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie schetst een protocol voor het uitvoeren van functionele near-infrared spectroscopie (fNIRS) hyperscanning-experimenten om inter-hersensynchronisatie tijdens collaboratief leren in een naturalistische omgeving te onderzoeken. De analyse richt zich op geoxygeneerd hemoglobine (Oxy-Hb) signalen om real-time dynamica van twee interacterende hersenen te beoordelen.
Belangrijke Studie Componenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Collaboratief Leren
- Hersenconnectiviteit
Achtergrond
- Functionele near-infrared spectroscopie (fNIRS) wordt gebruikt om hersenactiviteit te bestuderen.
- Inter-hersensynchronisatie (IBS) helpt bij het begrijpen van collaboratieve interacties.
- Naturalistische omgevingen zijn essentieel voor het bestuderen van real-life interacties.
- Het protocol beschrijft de apparatuuropstelling en positionering van de deelnemers.
Doel van het Onderzoek
- Om een methode te bieden voor het onderzoeken van IBS in leer-dyaden.
- Om de fNIRS-opstelling voor het vastleggen van Oxy-Hb signalen te detailleren.
- Om een basislijn te vestigen voor cognitieve betrokkenheid tijdens collaboratief leren.
Gebruikte Methoden
- De fNIRS hyperscanning-techniek werd gebruikt tijdens teamwerkactiviteiten.
- Deelnemers werden tegenover elkaar geplaatst om interactie te bevorderen.
- Gegevensverzameling omvatte het waarborgen van stabiele fNIRS-werking en comfort van de deelnemers.
- De signaalkwaliteit werd beoordeeld en artefacten werden verwijderd met behulp van wavelet-methoden.
Belangrijkste Resultaten
- Inter-hersensynchronisatie werd gevisualiseerd, waardoor coherentie tijdens samenwerking werd aangetoond.
- Data-analyse benadrukte sterke coherentie rond één hertz gerelateerd aan het hartritme.
- Het protocol bevestigde de effectiviteit van PCA bij het filteren van niet-neurale signalen.
Conclusies
- Deze studie valideert een uitgebreide methode om IBS in collaboratieve contexten te beoordelen.
- De bevindingen ondersteunen het begrijpen van cognitieve processen tijdens sociale interacties.
- Dit protocol kan verdere verkenning van neurale dynamica in leeromgevingen faciliteren.
Veelgestelde Vragen
Executive Industry Relevance
Inter-brain synchrony measurement via fNIRS hyperscanning provides a neurobiological index for assessing real-time collaborative dynamics, offering mechanistic insights into social learning processes. This approach supports target validation in neuroscience by enabling quantitative evaluation of neural coupling during interactive tasks, which can inform biomarker development for cognitive and behavioral disorders. The standardized pipeline enhances reproducibility and cross-lab comparability, aligning with open-science principles critical for preclinical de-risking and translational continuity.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to social cognition and neural connectivity mechanisms.
- Operational Value: Provides a reproducible method for functional target validation using inter-brain synchrony as a phenotypic readout.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by quantifying neural coherence as a biomarker of collaborative engagement.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems (dyadic brain networks) for downstream screening of compounds affecting social behavior.
- Quantitative Output: Delivers oxygenated hemoglobin-based synchrony metrics enabling dose-response analysis in preclinical models.
- Platform Scalability: Standardized fNIRS hyperscanning pipeline supports reuse across laboratories and study designs.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Applicable to disorders with social dysfunction (e.g., autism, schizophrenia) where inter-brain synchrony may serve as a translational biomarker.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery-phase neural mechanism identification with preclinical validation of pro-social compounds.
- Risk-Adjusted Advancement: IBS metrics inform go/no-go decisions by providing objective neural correlates of target engagement.
Pipeline & Workflow Integration
The fNIRS hyperscanning method integrates into the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification to preclinical validation, particularly for CNS targets modulating social neural circuits.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of neural pathways involved in social learning and interaction.
- Screening: Enables assay standardization and reproducibility for evaluating compounds that modulate inter-brain synchrony.
- Analytics: Provides wavelet coherence and principal component analysis outputs for quantitative comparison of neural dynamics across conditions.
- Translational Research: Connects Oxy-Hb synchrony measures to preclinical models of social cognition via biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neurophysiological platform for cross-functional teams studying social brain networks.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing ambiguity in social neural mechanism interpretation.
- Operational Value: Ensures standardization, reproducibility, and scalability of hyperscanning protocols across sites.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality through objective neural synchrony readouts, reducing late-stage attrition in CNS programs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on mechanistic biomarker data from interactive paradigms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, experimental design, and signal processing for fNIRS data.
- Dependent on stable near-infrared spectroscopy systems and motion artifact correction capabilities (e.g., wavelet-based methods, PCA).
- Necessitates cross-team standardization of probe placement, signal quality checks, and data export procedures.
- Adaptation across model systems must account for species-specific neuroanatomy and hemodynamic response characteristics.
- Practical limitations include susceptibility to motion artifacts and environmental light interference, as noted in source material.
