Przeprowadzanie eksperymentów hiperskaningowych z funkcjonalną spektroskopią w bliskiej podczerwieni
19 stycznia 2019
Obecny protokół opisuje, jak przeprowadzać eksperymenty hiperskanowania fNIRS i analizować synchronizację mózg-mózg. Ponadto omawiamy wyzwania i możliwe rozwiązania.
Mierząc aktywność mózgu dwóch lub więcej osób jednocześnie, metoda ta może rzucić światło na mechanizmy neurobiologiczne leżące u podstaw interakcji społecznych. Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS) dobrze nadaje się do przeprowadzania takich eksperymentów hiperskaningowych, ponieważ mierzy odpowiedź hemodynamiczną mózgu z dużą częstotliwością próbkowania i może być stosowana w stosunkowo naturalnych warunkach. Chociaż protokół ten pokazuje, jak przeprowadzać jednoczesne zapisy fNIRS diad dorosłych-dzieci, można go dostosować do różnych konstelacji diadycznych, takich jak romantyczni partnerzy, oraz do różnych zadań eksperymentalnych.
Zacznij od wybrania rozmiaru czapki, który jest tego samego rozmiaru lub nieco większy niż obwód głowy uczestnika. Wytnij 15 otworów o średnicy około 15 milimetrów każdy, ułożonych w poziomą siatkę trzy na pięć w obszarze czoła każdej z dwóch surowych czapek EEG. Upewnij się, że otwory są oddalone od siebie o 30 milimetrów w dowolnym kierunku, aby środkowa kolumna otworów znajdowała się pośrodku czoła.
Aby nasadki były wygodniejsze i zminimalizować ślady nacisku, przymocuj miękki materiał piankowy po wewnętrznej stronie siatki uchwytu między gniazdami sondy i na krawędziach. Następnie zamontuj pustą siatkę uchwytu sondy trzy na pięć do każdej ze zmodyfikowanych nasadek EEG tak, aby sama siatka uchwytu była umieszczona po wewnętrznej stronie nasadki, a gniazda uchwytu wbiły się w otwory. Następnie delikatnie włóż sondy do odpowiednich gniazd uchwytów na siatce, tak aby tylko pierwszy grzbiet każdej sondy był zamontowany w gnieździe, co powoduje dźwięk jednego kliknięcia.
Otwórz okno monitora zestawu sond w najbliższym systemie pomiarowym i wybierz dwa zestawy sond ułożone w siatkę trzy na pięć każdy, jeden dla uczestniczącego dziecka i jeden dla osoby dorosłej. Upewnij się, że rozmieszczenie sond dwóch nasadek odpowiada układom w okienku zestawu sondy. Następnie na 30 minut przed pomiarem należy włączyć diody laserowe najbliższego układu pomiarowego, aby system osiągnął stabilną temperaturę pracy.
Ustaw wszystkie niezbędne opcje w najbliższym systemie pomiarowym. Upewnij się, że urządzenie jest ustawione na pomiar związany ze zdarzeniami i że wejście szeregowe RS232 niezbędne do odbierania wyzwalaczy z paradygmatu eksperymentalnego jest aktywne. Następnie przygotuj paradygmat eksperymentalny, uruchamiając techniczne oprogramowanie obliczeniowe, które służy jako podstawa dla rozszerzeń Psychophysics Toolbox i ustawiając bieżący katalog na folder, w którym paradygmat jest zapisany.
Na koniec umieść dwa podbródki przed ekranem komputera, aby zapobiec ruchom głowy podczas eksperymentu. Zacznij od odprowadzenia dwóch uczestników do pokoju testowego i wyjaśnienia konfiguracji eksperymentalnej. Następnie posadź uczestników obok siebie przed ekranem komputera.
Dostosuj wysokość podbródka tak, aby obaj uczestnicy wygodnie siedzieli. Udzielaj instrukcji i przeprowadzaj próby próbne zarówno w grze kooperacyjnej, jak i konkurencyjnej. Następnie zmierz i zaznacz punkt Fpz zgodnie z systemem 10-20, który wynosi 10% odległości między nasionami a inionami na głowie każdego uczestnika.
Następnie wyłącz laser i ostrożnie umieść nasadki z sondami na głowach uczestników. Upewnij się, że środkowa sonda dolnego rzędu jest umieszczona na Fpz, a środkowa kolumna sondy jest wyrównana wzdłuż strzałkowej krzywej odniesienia. Umieść sznurki światłowodowe na ramieniu uchwytu przymocowanym do najbliższego układu pomiarowego tak, aby zwisały luźno bez kontaktu z uczestnikiem lub krzesłem i nie ciągnęły za nasadki.
Następnie wepchnij każdą sondę głębiej do gniazda, aż mały biały nos pośrodku górnej części obudowy sondy będzie widoczny. Następnie ponownie włącz laser i przetestuj jakość sygnału, klikając przycisk Auto Gain w oknie monitora zestawu sondy najbliższego systemu pomiarowego. Jeśli kanał jest zaznaczony na żółto, co oznacza niewystarczający sygnał, delikatnie odłóż włosy pod otaczającą końcówką sondy na bok.
Dokonaj regulacji sondy i ponownie kliknij przycisk Auto Gain (Automatyczne wzmocnienie), aby sprawdzić, czy jakość sygnału uległa poprawie, czy jest zaznaczona na zielono. Gdy jakość sygnału jest zadowalająca, połóż ręcznik na rękach uczestników, aby nie widzieli ruchów rąk swojego partnera do gry. Następnie rozpocznij eksperyment.
Następnie, po zakończeniu eksperymentu, zapisz dane i wyeksportuj surowe dane o natężeniu światła jako plik tekstowy, klikając przycisk Wyjście pliku tekstowego. Na koniec wyczyść sondy, uchwyty sondy i podbródek etnolem, a nasadki umyj łagodnym detergentem. Jako miarę synchronizacji mózg-mózg, spójność falkowa jest obliczana między sygnałami fNIRS osób wchodzących w interakcję.
Współczynniki koherencji falkowej są wizualizowane za pomocą mapy kolorów od niebieskiego, małej koherencji lub jej braku, do czerwonego, co oznacza silną lub maksymalną spójność. Wyniki wskazują na silną spójność w całym eksperymencie w paśmie wysokich częstotliwości aż do okresu o długości około jednej sekundy, co prawdopodobnie wynika z rytmów serca badanych. Dodatkowo silna koherencja pojawia się w niższym paśmie częstotliwości między dwu- a ośmiosekundowym okresem.
Koherencja w tym niskim zakresie częstotliwości prawdopodobnie odzwierciedla synchronizację aktywności mózgu obu badanych podczas zadania. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby dokładnie sprawdzić, czy nasadki są prawidłowo umieszczone na głowach uczestników i zapewnić dobrą jakość sygnału. Po jej opracowaniu, technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie neuronauki społecznej do badania synchronizacji mózg-mózg w wielu różnych zadaniach, badając korelaty zachowań i powiązania z cechami osób i ich relacjami.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje metodologię przeprowadzania eksperymentów hyperscanningu z użyciem funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) w celu analizy synchronizacji mózg-mózg, w szczególności w interakcjach dorosły-dziecko. Protokół odnosi się do różnych wyzwań związanych z konfiguracją i realizacją tych eksperymentów, oferując wgląd w obszar neuronauki społecznej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka społeczna
- Obrazowanie mózgu
- Techniki hyperscanningu
Wstęp
- Do pomiaru aktywności mózgu wykorzystuje się funkcjonalną spektroskopię bliskiej podczerwieni.
- Hyperscanning umożliwia jednoczesną rejestrację aktywności mózgowej wielu osób.
- Technika ta pozwala zgłębić neurobiologiczne mechanizmy interakcji społecznych.
- Protokół odnosi się również do kwestii związanych z przygotowaniem uczestników i jakością sygnału.
Cel badania
- Opracowanie wiarygodnego podejścia do pomiaru synchronizacji mózg-mózg podczas interakcji społecznych.
- Przedstawienie przejrzystej metodologii przeprowadzania eksperymentów z wykorzystaniem hyperscanningu fNIRS.
- Zbadanie możliwości adaptacji tej metody dla różnych par uczestników oraz różnorodnych zadań.
Zastosowane metody
- Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS) jest główną platformą wykorzystywaną do pomiarów aktywności mózgu.
- Kluczowy model biologiczny obejmuje diady rodzic-dziecko podczas zadań związanych z interakcją społeczną.
- Układ eksperymentalny obejmuje przygotowanie czapek EEG ze specyficznymi konfiguracjami rozmieszczenia sond.
- Jakość sygnału musi być regularnie monitorowana i korygowana w trakcie eksperymentu.
- Do analizy synchronizacji aktywności mózgu między uczestnikami wykorzystuje się koherencję falkową.
Główne wyniki
- Silna koherencja w pasmach wysokich częstotliwości odzwierciedla fizjologiczne rytmy serca, natomiast koherencja w pasmach niskich częstotliwości wskazuje na synchronizację aktywności mózgu.
- Układ ilustruje, jak skutecznie mierzyć i interpretować synchronizację mózg-mózg.
- Wyniki potwierdzają, że aktywność mózgu uczestników może synchronizować się podczas wykonywania określonych zadań.
- Omówiono adaptacje dla różnych par uczestników oraz zadań, co zwiększa wszechstronność eksperymentalną.
Wnioski
- Niniejszy protokół wspomaga rozwój badań w obszarze neuronauki społecznej poprzez analizę synchronizacji mózg-mózg.
- Adaptacyjność tej metodologii pozwala na rozszerzenie jej zastosowań w różnych dziedzinach badań.
- Zrozumienie synchronizacji mózgów w kontekstach społecznych może dostarczyć wiedzy na temat szerszych implikacji relacji interpersonalnych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Zrozumienie synchronizacji mózg-mózg podczas interakcji społecznych dostarcza mechanistycznego wglądu w dynamikę interpersonalną, istotną dla walidacji celów neuropsychiatrycznych. Hyperskanowanie fNIRS umożliwia ilościową ocenę sprzężenia neuronalnego w warunkach ekologicznie trafnych, co wspiera ograniczanie ryzyka w terapiach ukierunkowanych na OUN poprzez wyjaśnienie biomarkerów poznania społecznego. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną we wczesnej fazie odkrywania leków, łącząc synchronizację neuronalną z efektami behawioralnymi w układach istotnych dla danej choroby.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wstępna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez terapeutycznych dotyczących sieci społecznych mózgu w zaburzeniach neurorozwojowych i psychiatrycznych.
- Wartość operacyjna: Wspiera biologiczną redukcję ryzyka poprzez bezpośredni pomiar sprzężenia neuronalnego międzymózgowego podczas ekologicznie ważnych zadań społecznych.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia selekcję portfela projektów poprzez identyfikację celów o mierzalnym wpływie na synchronizację interpersonalną, która stanowi kluczowy endofenotyp w obszarach poznania społecznego.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do późniejszej standaryzacji analiz poprzez ustanowienie wiarygodnych protokołów hyperscaningu fNIRS.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność analiz dzięki standaryzowanemu rozmieszczeniu sond, monitorowaniu jakości sygnału oraz analizie koherencji falkowej.
- Skalowalność: Umożliwia ponowne wykorzystanie platformy w różnych konstelacjach dyadycznych (np. rodzic-dziecko, partnerzy romantyczni) bez konieczności znaczącej zmiany protokołu.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy wyniki odkryć z modelami przedklinicznymi poprzez kwantyfikację synchronii neuronalnej jako biomarkera skorelowanego z zachowaniem społecznym.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Wyjaśnia, czy modulacja celu wpływa na łączność międzymózgową, co zmniejsza niejednoznaczność w zakresie mechanizmu działania.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Wspiera decyzje o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez powiązanie zmian synchronii neuronalnej z punktami końcowymi w zakresie funkcjonowania społecznego w badaniach klinicznych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów badawczych, dostarczając ilościowych odczytów neuronalnych, które wspierają testowanie hipotez oraz wyjaśnianie szlaków w celach badawczych w obszarze neuronauki społecznej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących celów sieci społecznych mózgu poprzez pomiar odpowiedzi hemodynamicznych w czasie rzeczywistym podczas zadań interakcyjnych.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do analizy dzięki zestandaryzowanej konfiguracji hyperscanningu fNIRS oraz wynikom koherencji falkowej do ilościowego określania synchronii.
- Analityka: Dostarcza ilościowych pomiarów zmiennych zależnych (współczynników koherencji falkowej), umożliwiając porównanie siły sprzężenia neuronalnego pomiędzy różnymi warunkami.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną poprzez walidację synchronii neuronalnej jako translacyjnego biomarkera poznania społecznego.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako powtarzalna metoda oceny wpływu celów na interpersonalną dynamikę neuronalną w wielu projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów poprzez zmniejszenie niejednoznaczności mechanistycznej w obrębie ścieżek społecznego mózgu.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność dzięki ścisłej rejestracji przestrzennej kanałów fNIRS oraz kontroli szumów fizjologicznych.
- Wartość strategiczna: Usprawnia decyzje go/no-go poprzez dostarczanie mierzalnych danych o synchronii neuronalnej powiązanej z wynikami zachowań społecznych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację celów z uwzględnieniem ryzyka w przypadku wykazania mierzalnych efektów na łączność międzymózgową w systemach istotnych dla danej choroby.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy w zakresie projektowania eksperymentów w neuronauce społecznej oraz akwizycji sygnałów fNIRS.
- Zależne od stabilnych systemów diod laserowych i wielokanałowych macierzy sond do jednoczesnego rejestrowania aktywności dwóch mózgów.
- Wymaga standaryzacji rozmieszczenia sond, progów jakości sygnału oraz potoków analizy koherencji falkowej pomiędzy zespołami.
- Uwzględnia kwestie adaptacyjne związane ze zmiennością rozmiarów głowy i gęstości włosów w populacjach uczestników.
- Ograniczone przez fizjologiczne źródła szumu (np. kardiologiczne, oddechowe), co wymaga starannego doboru pasm częstotliwości w celu interpretacji synchronii neuronalnej.
