Synchronizacja między mózgami w otwartym uczeniu się opartym na współpracy: badanie fNIRS-Hyperscanning
21 lipca 2021
Przedstawiono protokół przeprowadzania eksperymentów hiperskanowania fNIRS na diadach wspólnego uczenia się w naturalnym środowisku uczenia się. Ponadto przedstawiono proces analizy synchronizacji międzymózgowej (IBS) sygnałów hemoglobiny natlenionej (Oxy-Hb).
Protokół ten ujawnia synchronizację między mózgami we współpracujących diadach w środowisku naturalistycznym za pomocą techniki hiperskanowania fNIRS. Istotną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona badanie dynamiki w czasie rzeczywistym dwóch lub więcej oddziałujących na siebie mózgów. Przed rozpoczęciem eksperymentu uruchom system spektroskopii bliskiej podczerwieni w celu osiągnięcia stabilnej temperatury roboczej, a następnie załóż elastyczną czepek pływacki, aby umieścić siatkę uchwytu optody i przygotuj nasadki NIRS zgodnie z opisem w manuskrypcie tekstowym.
W przypadku kanału z niewystarczającymi sygnałami użyj podświetlanych sond światłowodowych, aby przesunąć włosy pod końcówką sondy na jedną stronę. Gdy temperatura robocza się ustabilizuje, upewnij się, że odbiornik wyzwalacza jest aktywny i ustaw tryb pomiaru na pomiar związany ze zdarzeniem. Przygotuj podświetlaną sondę światłowodową, aby odsunąć włosy na bok.
Poinstruuj uczestników o szczegółach metod pomiaru NIRS i nie patrz bezpośrednio w wiązki laserowe, ponieważ wiązka laserowa może być szkodliwa dla oczu uczestnika. Poproś uczestników, aby usiedli twarzą w twarz, aby upewnić się, że widzą się bezpośrednio i dostosuj odległość krzesła od stołu, aby uczestnicy siedzieli wygodnie. Włącz przycisk lasera, połóż cztery wiązki światłowodów luźno na ramionach uchwytu bez kontaktu z uczestnikami lub krzesłami i umieść nasadkę z zestawami sond na głowach uczestników, upewniając się, że zestawy sond trzy na pięć zakrywają czoło uczestnika, a zestawy sond cztery na cztery zakrywają lewą korę skroniowo-ciemieniową, Następnie ostrożnie wepchnij każdą sondę sprężynową głębiej w gniazdo sondy, tak aby końcówka sondy dotykała skóry głowy uczestnika.
Następnie pozwól dwóm uczestnikom na wspólne zapoznanie się z materiałami edukacyjnymi w pięciominutowym stanie odpoczynku, który służy jako punkt odniesienia. Najpierw, aby sprawdzić jakość sygnału, kliknij automatyczne wzmocnienie w oknie monitora zestawu sondy działającej maszyny NIRS, a następnie zaznacz słaby sygnał kanału na żółto, a wystarczający sygnał na zielono i powtarzaj tę procedurę, aż wszystkie kanały zostaną zaznaczone na zielono. Po zakończeniu eksperymentu kliknij Wyjście pliku tekstowego, aby wyeksportować surowe dane o natężeniu światła i zapisać dane jako plik tekstowy.
Użyj trójwymiarowego digitizera, aby określić lokalizacje emiterów, odbiorników i innych odniesień dla każdego uczestnika, a następnie uzyskaj współrzędne MNI kanałów rejestrujących za pomocą dostępnej na rynku platformy obliczeń numerycznych. Przeanalizowano dane od każdego uczestnika w każdym kanale. Zobrazowano optogęstość w kanale 33 dla określonej diady.
Dane zostały wyodrębnione przy użyciu metody usuwania artefaktów ruchu opartej na falkach, samodzielnie i wraz z analizą głównych składowych. Różnica między krzywymi sugeruje, że PCA jest skuteczny w usuwaniu sygnałów nieneuronalnych. Zwizualizowano macierz koherencji transformacji falkowej.
Mapa kolorów wahała się od niebieskiego do żółtego, reprezentując wartości synchronizacji między mózgami w zakresie od zera do jednego, gdzie jeden oznacza największą spójność między dwoma sygnałami, a zero oznacza brak spójności. Ponadto uzyskano również znaczące współczynniki, przy czym silna koherencja wokół jednego herca reprezentuje spójność rytmu serca diady. Porównanie obserwowanej wartości T z rozkładem losowej wartości T pokazuje istotne wyniki w zidentyfikowanym FOI.
Ważne jest, aby upewnić się, że zestaw sond obejmuje obszar zainteresowania i starać się zmniejszyć odchylenie.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie opisuje protokół przeprowadzania eksperymentów z hiperskanowaniem bliskiej podczerwieni funkcjonalnej (fNIRS) w celu zbadania synchronizacji międzymózgowej podczas współpracy w uczeniu się w naturalnym otoczeniu. Analiza koncentruje się na sygnałach z hemoglobiny utlenionej (Oxy-Hb), aby ocenić dynamikę w czasie rzeczywistym dwóch współpracujących mózgów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Współpraca w uczeniu się
- Połączenia mózgowe
Tło
- Funkcjonalna bliskooczerwona spektroskopia (fNIRS) jest używana do badania aktywności mózgu.
- Synchronia międzymózgowa (IBS) pomaga zrozumieć współpracujące interakcje.
- Naturalne środowiska są niezbędne do badania rzeczywistych interakcji.
- Protokół szczegółowo opisuje konfigurację sprzętu i pozycjonowanie uczestników.
Cel badania
- Aby zapewnić metodę badania IBS w dyadach uczących się.
- Aby szczegółowo opisać konfigurację fNIRS do rejestrowania sygnałów Oxy-Hb.
- Aby ustalić bazę danych dla zaangażowania poznawczego podczas współpracy w uczeniu się.
Zastosowane metody
- Technika hiperskanowania fNIRS została zastosowana podczas działań zespołowych.
- Uczestnicy zostali umieszczeni twarz w twarz, aby zwiększyć interakcję.
- Zbieranie danych obejmowało zapewnienie stabilnej pracy fNIRS i komfortu uczestników.
- Jakość sygnału została oceniona, a artefakty usunięto za pomocą metod falikowatych.
Główne wyniki
- Synchronia międzymózgowa została zwizualizowana, pokazując spójność podczas współpracy.
- Analiza danych wykazała silną spójność na poziomie około jednego herca związaną z rytmem serca.
- Protokół potwierdził skuteczność PCA w filtrowaniu sygnałów nieneuralnych.
Wnioski
- To badanie potwierdza kompleksową metodę oceny IBS w kontekstach współpracy.
- Wyniki wspierają zrozumienie procesów poznawczych podczas interakcji społecznych.
- Ten protokół może ułatwić dalsze badania dynamiki neuronowej w środowiskach edukacyjnych.
Często zadawane pytania
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.
