Hoe inter-brain synchronisatie te berekenen en te valideren in een fNIRS Hyperscanning-studie
8 september 2021
De dynamiek tussen gekoppelde hersenen van individuen wordt in toenemende mate weergegeven door inter-hersensynchronisatie (PDS) wanneer ze met elkaar coördineren, meestal met behulp van gelijktijdig opnemende signalen van hersenen (namelijk hyperscanning) met fNIRS. In fNIRS hyperscanning studies is IBS vaak beoordeeld via de wavelet transform coherence (WTC) methode vanwege het voordeel op het uitbreiden van tijdreeksen in tijd-frequentie ruimte waar oscillaties op een zeer intuïtieve manier kunnen worden gezien. De wa
Dit protocol biedt een potentieel standaard pijplijn voor het analyseren van Inter-Brain synchronisatie in fNIRS Hyper-scanning Study. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het het mogelijk maakt om de inter-hersensynchronisatiewet te berekenen die de coherente methode transformeert en inter-hersensynchronisatiemanieren valideert, permutatie op basis van empowerment van borstaandoeningen en deelneemt. Voer alle data-analyse uit met behulp van de MATLAB-software met de juiste toolboxen.
Tijdens de voorbewerking van gegevens, met name met behulp van de principecomponentanalyse en op correlatie gebaseerde signaalverbeteringsmethode, verwijdert u de F N I R S globale fysiologische ruis met behulp van het NPCA-filter. En de hoofdbewegingsartefacten met behulp van de HMR-bewegingscorrectie onderstrepen CBSI van Homerus twee. Vervolgens, voor het berekenen van Inter-Brain synchronisatie of IBS, gebruik de wavelet transform coherente functie van cross wavelet en wavelet coherent toolbox met standaardparameters, en bereken de coherente waarden op elk moment in frequentiepunt om een tweeassige matrix van coherente waarden te verkrijgen.
Gebruik voor de standaardparameters de Morlet-moedergolflet om elke tijdreeks om te zetten in het tijd- en frequentiedomein door de continue wavelettransformatie. Om vervolgens de frequentieband van belang te kiezen, selecteert u een gemiddelde van de coherente waarden van de frequentieband tussen 0,5 tot één Hertz. Volgens de frequentieband die wordt gebruikt bij de vingerbewegingstaak van de F N I R S Hyper-scanning studie.
Verkrijg één kolom met coherente waarden voor elk paar. Selecteer vervolgens een gemiddelde van de coherente waarden van het tijdvenster tijdens de rustfase. En voor elke experimentele toestand, met behulp van de informatie van mark, verkrijgen vijf coherente waarden voor elke dyade voor de taaksessie, selecteer alleen de duur waarin deelnemers tikten om de auditieve stimulus te reproduceren, wat ongeveer 12 seconden is voor elke proef, wat resulteert in een totaal van 180 seconden voor elke experimentele toestand.
Trek vervolgens de rustende coherente waarde af van de taakgerelateerde coherente waarde. Omdat de coherentiewaarde tijdens de rusttoestand als basis wordt gebruikt in dit experiment. Vervolgens, met behulp van de gepaarde monsters permutatie T-test met de mout underscore comp underscore perm T1 functie van druppels werken.
Vergelijk de afgetrokken coherente waarden met nul bij elk kanaal voor elke experimentele toestand. Corrigeer vervolgens met behulp van de A FDR-functie van de MATLAB-toolbox de P-waarden met de false discovery rate-methode. Vergelijk vervolgens met behulp van de gepaarde monsters permutatie T-test met de moutonderstreping comp underscore perm underscore T1-functie van druppels werk, de coherentiewaarden tussen verschillende taakomstandigheden in het kanaal waar IBS bestond.
Gebruik voor het valideren van de IBS de rant perm-functie een MATLAB om het label van onderzoeken in de metercoördinatieconditie voor één dyade in elk kanaal te randomiseren. Volg de gedemonstreerde pijplijn voor het berekenen van de IBS en statistieken voor het gerandomiseerde onderzoekslabel, exclusief de gevoeligheidsanalyse voor de frequentieband van belang. Voer de permutatie 1000 keer uit en plot vervolgens de verdeling van statistische Z-waarden gegenereerd binnen dyadpermutatie.
Volg vervolgens de pijplijn om de IBS en statistieken te berekenen na het randomiseren van de paring van de deelnemers aan dezelfde studie, in de toestand van de metercoördinatie. Volg ten slotte de pijplijn opnieuw na het randomiseren van de conditielabels voor dezelfde leden van één dyade in dezelfde studie. De resultaten toonden de aanwezigheid van IBS bij kanaal vijf in de metercoördinatieconditie.
Terwijl er bij de andere aandoeningen geen PDS werd gedetecteerd. Bij kanaal vijf waren de IBS en de metercoördinatieconditie significant hoger dan de coherente waarden in de niet-metercoördinatie en meteronafhankelijkheidsconditie. Permutatieanalyse toonde aan dat de waargenomen IBS zich waarschijnlijk presenteerde bij twee individuen van één dyade die probeerden met elkaar te synchroniseren in de gematchte tijd, maar niet in de tijdpartner of toestand van willekeurige paring.
Zorg ervoor dat de PDS specifiek is voor zeldzame interactie. Dus, het berekenen van PDS in de taak, gecorreleerde frequentieband en per muterende vertrouwensvoorwaarden en interviews. Het berekenen van de IBS van alle kanalen binnen het bereik, of over verschillende kanalen en de regio's, zou de IBS-berekeningspartner verrijken.
Het analyseren van het Inter-Brain netwerk voor grote groepen deelnemers aan natuurlijke interacties zal de kwalificatie van sociale interactie ten goede komen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie richt zich op inter-hersensynchronisatie (IBS) tussen individuen tijdens gecoördineerde taken, met behulp van functionele near-infrared spectroscopie (fNIRS) in een hyperscanning-opstelling. Het gebruikt wavelet-transformatiecoherentie (WTC) voor het beoordelen van IBS en valideert de resultaten door middel van permutatie-gebaseerde methoden. Kritische methodologische overwegingen worden besproken om de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van deze studies te verbeteren.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Hersenbeeldvorming
- Interpersoonlijke coördinatie
Achtergrond
- Inter-hersensynchronisatie (IBS) weerspiegelt de coördinatie tussen de hersenactiviteit van individuen.
- Hyperscanning maakt gelijktijdige opname van hersensignalen van meerdere deelnemers mogelijk.
- Wavelet-transformatiecoherentie (WTC) wordt gebruikt om tijd-frequentie-karakteristieken te analyseren.
- Permutatiemethoden helpen IBS-bevindingen te valideren door toevallige voorkomens te controleren.
Doel van het onderzoek
- Een protocol presenteren voor het analyseren van IBS met behulp van fNIRS hyperscanning-studies.
- Details geven over hoe IBS effectief kan worden berekend en gevalideerd.
- Kritische methodologische overwegingen identificeren voor verbeterde analyses.
Gebruikte methoden
- De studie maakt gebruik van functionele near-infrared spectroscopie (fNIRS) voor hersensignaalovername.
- Het beoordeelt coördinatie met behulp van de wavelet-transformatiecoherente functie met MATLAB-software.
- Datavoorverwerking omvat technieken zoals hoofdcomponentenanalyse en het gebruik van de NPCA-filter.
- De procedure omvat het testen van coherentiewaarden over experimentele omstandigheden en het gebruik van permutatietests voor validatie.
Belangrijkste resultaten
- IBS werd waargenomen tijdens specifieke omstandigheden, wat wijst op synchronisatie-inspanningen tussen deelnemers.
- De aanwezigheid van IBS werd bevestigd door statistische tests en permutatieanalyses.
- De resultaten suggereren dat IBS-detectie specifiek is voor bepaalde taken en omstandigheden, wat de begrip van sociale interactiedynamiek verbetert.
Conclusies
- Deze studie biedt een methodologisch kader voor het beoordelen van IBS, wat toekomstig onderzoek in interpersoonlijke neurowetenschappen helpt.
- Het verbetert de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid bij het analyseren van neurale synchronisatie tussen individuen.
- De bevindingen leveren waardevolle inzichten in de neurale basis van sociale interacties.
Veelgestelde vragen
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.
