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
Niniejsze badanie przedstawia protokół przeprowadzania eksperymentów z zastosowaniem hiperskanowania metodą funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) w celu zbadania synchronizacji międzymózgowej podczas wspólnego uczenia się w naturalnym środowisku. Analiza koncentruje się na sygnałach hemoglobiny utlenionej (Oxy-Hb), aby ocenić dynamikę w czasie rzeczywistym dwóch oddziałujących ze sobą mózgów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Uczenie się we współpracy
- Łączność mózgowa
Wstęp
- Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS) jest wykorzystywana do badania aktywności mózgu.
- Międzymózgowa synchronizacja (IBS) pomaga zrozumieć interakcje o charakterze współpracującym.
- Środowiska naturalistyczne są niezbędne do badania interakcji w rzeczywistych warunkach.
- Protokół szczegółowo opisuje konfigurację sprzętu oraz pozycjonowanie uczestników.
Cel badania
- Przedstawienie metody badania IBS w diadach uczących się.
- Szczegółowy opis konfiguracji fNIRS do rejestracji sygnałów Oxy-Hb.
- Ustanowienie poziomu bazowego dla zaangażowania poznawczego podczas wspólnego uczenia się.
Zastosowane Metody
- Podczas działań zespołowych zastosowano technikę hiperskanowania fNIRS.
- Uczestników ustawiono naprzeciw siebie, aby usprawnić interakcję.
- Gromadzenie danych polegało na zapewnieniu stabilnego działania fNIRS oraz komfortu uczestników.
- Oceniono jakość sygnału, a artefakty usunięto za pomocą metod falkowych.
Główne wyniki
- Zwizualizowano synchronizację międzymózgową, wykazując koherencję podczas współpracy.
- Analiza danych wykazała silną koherencję przy około jednym hercu związaną z rytmem serca.
- Protokół potwierdził skuteczność PCA w filtrowaniu sygnałów niepochodzących z neuronów.
Wnioski
- Niniejsze badanie waliduje kompleksową metodę oceny IBS w kontekstach współpracy.
- Wyniki wspierają zrozumienie procesów poznawczych podczas interakcji społecznych.
- Niniejszy protokół może ułatwić dalszą eksplorację dynamiki neuronalnej w środowiskach uczenia się.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Pomiar synchronizacji międzymózgowej za pomocą hyperscanningu fNIRS dostarcza neurobiologicznego wskaźnika do oceny dynamiki współpracy w czasie rzeczywistym, oferując mechanistyczny wgląd w procesy uczenia się społecznego. Podejście to wspiera walidację celów w neuronauce, umożliwiając ilościową ocenę sprzężenia neuronalnego podczas zadań interaktywnych, co może pomóc w opracowaniu biomarkerów dla zaburzeń poznawczych i behawioralnych. Standaryzowany schemat postępowania zwiększa powtarzalność i porównywalność między laboratoriami, zgodnie z zasadami otwartej nauki, które są kluczowe dla ograniczania ryzyka w fazie przedklinicznej oraz ciągłości translacyjnej.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez terapeutycznych związanych z poznawaniem społecznym i mechanizmami łączności neuronalnej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną metodę walidacji celów funkcjonalnych, wykorzystując synchronizację międzymózgową jako odczyt fenotypowy.
- Wartość prognostyczna: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez kwantyfikację koherencji neuronalnej jako biomarkera zaangażowania we współpracy.
Przesiewy i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne (diadyczne sieci mózgowe) do dalszego przesiewu związków wpływających na zachowania społeczne.
- Wynik ilościowy: Dostarcza miary synchronizacji oparte na hemoglobinie utlenowanej, umożliwiając analizę zależności dawka-odpowiedź w modelach przedklinicznych.
- Skalowalność platformy: Standaryzowany potok hyperscanningu fNIRS umożliwia ponowne wykorzystanie w różnych laboratoriach i schematach badań.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Związek z chorobami: Możliwość zastosowania w zaburzeniach z dysfunkcją społeczną (np. autyzmie, schizofrenii), w których synchronizacja międzymózgowa może służyć jako biomarker translacyjny.
- Ciągłość przedkliniczna: Łączy identyfikację mechanizmów neuronalnych w fazie odkryć z przedkliniczną walidacją związków prospołecznych.
- Postęp skorygowany o ryzyko: Metryki IBS dostarczają obiektywnych neuronalnych korelatów zaangażowania celu, co pozwala na podejmowanie decyzji typu go/no-go.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda hyperskanowania fNIRS integruje się z kontinuum odkryć, od testowania hipotez dotyczących konkretnych celów, przez identyfikację wiodących cząsteczek, aż po walidację przedkliniczną, szczególnie w odniesieniu do celów w OUN modulujących społeczne obwody neuronalne.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących szlaków neuronalnych zaangażowanych w uczenie się i interakcje społeczne.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzację i powtarzalność testów służących ocenie związków modulujących synchronizację międzymózgową.
- Analityka: Dostarcza wyniki koherencji falkowej oraz analizy głównych składowych w celu ilościowego porównania dynamiki neuronalnej w różnych warunkach.
- Badania translacyjne: Łączy pomiary synchronizacji Oxy-Hb z przedklinicznymi modelami poznania społecznego poprzez dopasowanie biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę neurofizjologiczną dla interdyscyplinarnych zespołów badających społeczne sieci neuronalne mózgu.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez zmniejszenie niejednoznaczności w interpretacji społecznych mechanizmów neuronalnych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację, powtarzalność i skalowalność protokołów hyperscanningu pomiędzy ośrodkami.
- Wartość strategiczna: Poprawia jakość decyzji go/no-go dzięki obiektywnym odczytom synchronizacji neuronalnej, co zmniejsza odsetek niepowodzeń na późnych etapach programów CNS.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację związków z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o mechanistyczne dane biomarkerowe z paradygmatów interaktywnych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie neuroobrazowania, projektowania eksperymentów oraz przetwarzania sygnałów dla danych fNIRS.
- Zależne od stabilnych systemów spektroskopii bliskiej podczerwieni oraz możliwości korekcji artefaktów ruchowych (np. metod opartych na falkach, PCA).
- Wymaga standaryzacji rozmieszczenia sond, kontroli jakości sygnału oraz procedur eksportu danych pomiędzy zespołami.
- Adaptacja w różnych systemach modelowych musi uwzględniać specyficzną dla gatunku neuroanatomię oraz charakterystykę odpowiedzi hemodynamicznej.
- Ograniczenia praktyczne obejmują podatność na artefakty ruchowe i interferencje światła zewnętrznego, jak zaznaczono w materiale źródłowym.
