Name: Jak obliczyć i zweryfikować synchronizację między mózgami w badaniu hiperskanowania fNIRS (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-09-08T14:15:00.000+00:00
Duration: 5 min 33 s
Description: Poznaj metodę analizy synchronizacji między mózgami w badaniach hiperskanowania fNIRS przy użyciu spójności falkowej i testów permutacyjnych. Protokół ten usprawnia badania nad synchronizacją neuronalną podczas koordynowanych zadań.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie było wspierane przez: Chińska Narodowa Fundacja Nauk Przyrodniczych (31872783, 31800951).

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokół ten zapewnia procedurę krok po kroku do obliczania i walidacji IBS, wykorzystując podejście hiperskanowania fNIRS do jednoczesnego zbierania sygnałów mózgowych dwóch uczestników. Poniżej omówiono niektóre krytyczne problemy związane ze wstępnym przetwarzaniem danych fNIRS, obliczeniami IBS, statystykami i walidacją IBS.
Wstępne przetwarzanie danych Konieczne jest wstępne przetworzenie danych fNIRS w badaniach hiperskaningowych w celu wyodrębnienia rzeczywistych s...

Gdy ludzie koordynują swoje działania z innymi, ich mózgi i ciała stają się połączoną jednostką poprzez ciągłą wzajemną adaptację. Sprzężenie między mózgami może być reprezentowane przez synchronizację między mózgami (IBS) za pomocą podejścia hiperskanowania, które jednocześnie rejestruje sygnały mózgowe dwóch lub więcej osób1. Rzeczywiście, rosnąca liczba badań hiperskanujących fNIRS/EEG wykazała IBS w różnych kontekstach współpracy, w tym w stukaniu palcami2, grupowym chodzeniu3, grze na perkusji4, grze na gitarze5 oraz śpiewaniu/nuceniu6. fNIRS jest szeroko stosowany do badań nad IBS podczas interakcji społecznych, ponieważ w mniejszym stopniu ogranicza ruchy głowy/ciała w stosunkowo naturalnych warunkach (w porównaniu z fMRI/EEG)7.
Artykuł przedstawia protokół obliczania IBS metodą koherencji transformacji falkowej (WTC) w badaniu hiperskanowania fNIRS. WTC jest metodą oceny korelacji krzyżowej między dwoma sygnałami ruchu na płaszczyźnie czas-częstotliwość, a zatem może dostarczyć więcej informacji niż tradycyjna analiza korelacji (np. korelacja Pearsona i korelacja krzyżowa), która występuje tylko w dziedzinie czasu8. Ponadto sygnały hemodynamiczne są przekształcane w składowe falkowe, które mogą skutecznie usuwać szumy o niskiej częstotliwości. Chociaż WTC jest czasochłonne, jest najczęściej używaną metodą obliczania IBS w działaniu imitacja9, zachowanie kooperatywne10, komunikacja werbalna11, podejmowanie decyzji12, oraz interaktywne uczenie się13.
Artykuł przedstawia również, jak walidować IBS za pomocą opartego na permutacjach losowego parowania prób, warunków i uczestników. IBS w badaniach hiperskaningowych jest zawsze proponowany do śledzenia interakcji społecznych online między osobami, podczas gdy może być również interpretowany przez inne wyjaśnienia, takie jak podobieństwo bodźca, podobieństwo ruchu lub podobieństwo warunków14. Test permutacji, zwany również testem randomizacji, może być wykorzystany do przetestowania wyżej wymienionych hipotez zerowych poprzez ponowne próbkowanie obserwowanych danych15. Korzystając z permutacji, warto zbadać, czy zidentyfikowany IBS jest specyficzny dla zachowania interaktywnego, począwszy od modulacji IBS w diadach, a skończywszy na między grupami partnerów16.
Opisany tutaj protokół szczegółowo opisuje, jak uzyskać sygnały mózgowe za pomocą technologii fNIRS, obliczyć IBS za pomocą metody WTC i zweryfikować IBS za pomocą testów permutacyjnych w badaniu hiperskaningowym. Badanie to ma na celu sprawdzenie, czy uprzywilejowany IBS jest wywoływany przez mierniki muzyczne podczas koordynacji społecznej. Sygnały mózgowe zostały zarejestrowane w korze czołowej, w oparciu o lokalizację IBS w poprzednim odkryciu1. Zadanie eksperymentalne zostało pierwotnie opracowane przez Konvalinkę i jej colleges17, w którym uczestnicy zostali poproszeni o stukanie palcami w słuchową informację zwrotną od partnera lub samych siebie po wysłuchaniu bodźców z miernika lub bodźców niezwiązanych z miernikiem.

<table><tbody><tr><td>Firma</td><td>deweloperska Hewlett-Packard Computer, L.P.</td><td>Słuchawki HP S01-pF157mcn</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Royal Philips Electronics, Eindhoven, Holandia</td><td>SHE2405BK/00</td><td></td></tr><tr><td>Czapeczka EEG</td><td>Compumedics Neuroscan, Charlotte, USA</td><td>64-kanałowe oprogramowanie Quik-Cap</td><td></td></tr><tr><td>E-Prime</td><td>Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, USA</td><td>System E-Prime 3</td><td></td></tr><tr><td>fNIRS</td><td>Hitachi Medical Corporation, Tokio, Japonia</td><td>ETG-7100 Optyczny system</td><td></td>topograficzny</tr><tr><td>MATLAB 2014b</td><td>The MathWorks, Inc., Natick, MA</td><td>MATLAB 2014b</td><td></td></tr><tr><td>MuseScore</td><td>Musescore Company, Belgia</td><td>MuseScore 3.6.2.548021803</td><td></td></tr><tr><td>Czepek pływacki</td><td>Decathlon Group, Villeneuve-d'Ascq, Francja</td><td>1681552</td><td></td></tr></tbody></table>

jak obliczyć i zweryfikować synchronizację między mózgami w badaniu hiperskanowania fnirs

How to Calculate and Validate Inter-brain Synchronization in a fNIRS Hyperscanning Study

Dynamika między sprzężonymi mózgami osób jest coraz częściej reprezentowana przez synchronizację między mózgami (IBS), gdy koordynują się one ze sobą, głównie za pomocą jednoczesnego rejestrowania sygnałów mózgów (czyli hiperskanowania) z fNIRS. W badaniach hiperskanowania fNIRS, IBS był powszechnie oceniany za pomocą metody koherencji transformacji falkowej (WTC) ze względu na jej przewagę w rozszerzaniu szeregów czasowych do przestrzeni czasowo-częstotliwościowej, gdzie oscylacje można zobaczyć w bardzo intuicyjny sposób. Zaobserwowany IBS można dalej walidować za pomocą opartego na permutacjach losowego parowania badania, partnera i stanu. W tym miejscu przedstawiono protokół opisujący, w jaki sposób uzyskać sygnały mózgowe za pomocą technologii fNIRS, obliczyć IBS za pomocą metody WTC i zwalidować IBS przez permutację w badaniu hiperskaningowym. W dalszej części artykułu omówiono krytyczne kwestie związane z zastosowaniem powyższych metod, w tym wybór sygnałów fNIRS, metody wstępnego przetwarzania danych oraz opcjonalne parametry obliczeń. Podsumowując, zastosowanie metody i permutacji WTC jest potencjalnie standardowym potokiem do analizy IBS w badaniach hiperskanowania fNIRS, przyczyniając się zarówno do odtwarzalności, jak i wiarygodności IBS.

Wyniki wykazały występowanie IBS w kanale 5 w warunkach koordynacji metrycznej, podczas gdy IBS nie występował w pozostałych warunkach (tj. niezależności metrycznej, koordynacji niemetrycznej oraz niezależności niemetrycznej; Rysunek 2A). W kanale 5 wartość IBS w warunkach koordynacji metrycznej była znacząco wyższa niż wartości koherencji w warunkach koordynacji niemetrycznej i niezależności metrycznej (Rysunek 2B). Kanał 5 odpowiadał w przybliżeniu lewej grzbi...

Jak obliczyć i zweryfikować synchronizację między mózgami w badaniu hiperskanowania fNIRS

The dynamics between coupled brains of individuals have been increasingly represented by inter-brain synchronization (IBS) when they coordinate with each ...

Protokół ten zapewnia potencjalnie standardowy potok analizy synchronizacji między mózgami w badaniu hiperskanowania fNIRS. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na obliczenie prawa synchronizacji między mózgami, które przekształci spójną metodę i zweryfikuje sposoby synchronizacji między mózgami, permutację opartą na wzmocnieniu stanów klatki piersiowej i uczestnictwa. Wykonuj wszystkie analizy danych za pomocą oprogramowania MATLAB z odpowiednimi zestawami narzędzi.Podczas wstępnego przetwarzania danych, w szczególności przy użyciu analizy składowych głównych i metody poprawy sygnału opartej na korelacji, należy usunąć globalny szum fizjologiczny F N I R S za pomocą filtra NPCA. A artefakty ruchu głowy przy użyciu prawidłowego ruchu HMR podkreślają CBSI Homera dwa. Następnie, aby obliczyć synchronizację międzymózgową lub IBS, przyjmij funkcję koherentną transformacji falkowej krzyża falkowego i koherentnego zestawu narzędzi falkowych z parametrami domyślnymi i oblicz wartości koherentne za każdym razem w punkcie częstotliwości, aby uzyskać dwuosiową macierz wartości koherentnych.Jako parametry domyślne należy użyć falki macierzystej Morleta, aby przekształcić każdy szereg czasowy w dziedzinę czasu i częstotliwości przez ciągłą transformację falkową. Następnie, aby wybrać interesujące Cię pasmo częstotliwości, wybierz średnią wartości koherentnych pasma częstotliwości z zakresu od 0,5 do jednego Hca. Zgodnie z pasmem częstotliwości używanym w zadaniu ruchu palca w badaniu F N I R S Hyper-scaning.Uzyskaj jedną kolumnę spójnych wartości dla każdej pary. Następnie należy wybrać średnią wartości koherentnych okna czasowego w fazie spoczynku. Dla każdego warunku eksperymentalnego, korzystając z informacji o znaku, uzyskaj pięć spójnych wartości dla każdej diady dla sesji zadaniowej, wybierz tylko czas, w którym uczestnicy stukali, aby odtworzyć bodziec słuchowy, czyli około 12 sekund dla każdej próby, co daje w sumie 180 sekund dla każdego warunku eksperymentalnego.Następnie odejmij spoczynkową wartość spójną od wartości spójnej związanej z zadaniem. Ponieważ wartość koherencji w stanie spoczynku jest używana jako punkt odniesienia w tym eksperymencie. Następnie, używając testu permutacji T sparowanych próbek z funkcją kropli podkreślenia słodu comp underscore perm T1.Porównaj odjęte wartości koherentne z zerem na każdym kanale dla każdego warunku eksperymentalnego. Następnie, korzystając z funkcji FDR w przyborniku MATLAB, skoryguj wartości P metodą współczynnika fałszywych wykrywań. Następnie, korzystając z testu permutacji T sparowanych próbek z funkcją podkreślenia słodu comp underscore perm underscore T1 pracy kropli, porównaj wartości koherencji między różnymi warunkami zadania w kanale, w którym istniał IBS.Aby sprawdzić poprawność IBS, użyj funkcji perm rant a MATLAB, aby losowo określić etykietę prób w warunkach koordynacji miernika dla jednej diady na każdym kanale. Postępuj zgodnie z przedstawionym potokiem w celu obliczenia IBS i statystyk dla etykiety randomizowanego badania, z wyłączeniem analizy wrażliwości dla pasma częstotliwości będącego przedmiotem zainteresowania. Przeprowadź permutację 1000 razy, a następnie wykreśl rozkład statystycznych wartości Z wygenerowanych w ramach permutacji diady.Następnie postępuj zgodnie z potokiem, aby obliczyć IBS i statystyki po losowym dopasowaniu uczestników tego samego badania w warunkach koordynacji licznika. Na koniec ponownie postępuj zgodnie z potokiem po losowym zlosowaniu etykiet warunków dla tych samych członków jednej diady w tym samym badaniu. Wyniki wykazały obecność IBS na piątym kanale w stanie koordynacji licznika.Podczas gdy w innych warunkach nie wykryto IBS. Na kanale piątym IBS i warunek koordynacji licznika były znacznie wyższe niż wartości koherentne w warunku koordynacji bez licznika i niezależności licznika. Analiza permutacji wykazała, że obserwowany IBS prawdopodobnie występował u dwóch osób z jednej diady, które próbowały zsynchronizować się ze sobą w dopasowanym czasie, ale nie w partnerze czasowym lub warunku losowego parowania.Upewnij się, że IBS jest specyficzny dla rzadkich interakcji. Tak więc, obliczając IBS w zadaniu, skorelowano pasmo częstotliwości i na mutujące warunki zaufania i wywiady. Obliczanie IBS dla wszystkich kanałów w zasięgu prostym lub dla różnych kanałów i regionów wzbogaciłoby partnera obliczeniowego IBS.Analiza sieci Inter-Brain dla dużych grup uczestników naturalnych interakcji przyniesie korzyści w zakresie kwalifikacji interakcji społecznych.

how-to-calculate-validate-inter-brain-synchronization-fnirs

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Prezentujemy metodę porównywania funkcjonalnej aktywności mózgu zarejestrowanej podczas zadania naturalistycznego przy użyciu fNIRS z aktywnością zarejestrowaną podczas fMRI.

Walidacja fMRI pomiarów fNIRS podczas zadania naturalistycznego

Obecny protokół opisuje, jak przeprowadzać eksperymenty hiperskanowania fNIRS i analizować synchronizację mózg-mózg. Ponadto omawiamy wyzwania i możliwe rozwiązania.

Przeprowadzanie eksperymentów hiperskaningowych z funkcjonalną spektroskopią w bliskiej podczerwieni

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).

Synchronizacja między mózgami w otwartym uczeniu się opartym na współpracy: badanie fNIRS-Hyperscanning

Prezentujemy metodę jednoczesnego zbierania sygnałów fMRI i fNIRS od tych samych osób z pokryciem fNIRS całej głowy. Protokół został przetestowany na trzech młodych osobach dorosłych i może być dostosowany do zbierania danych do badań rozwojowych i populacji klinicznych.

Jednoczesne zbieranie danych z pomiarów fMRI i fNIRS przy użyciu matrycy optodowej całej głowicy i kanałów o krótkich odległościach

Koherencja transformacji falkowej (WTC) to powszechna metodologia oceny sprzężenia między sygnałami, która jest używana w badaniach hiperskanowania funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS). W niniejszej pracy przedstawiono zestaw narzędzi do oceny kierunkowości interakcji sygnału.

Nowe ramy zrozumienia koherencji międzymózgowej w badaniach hiperskanowania funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS)

Protokół ma na celu szczegółowe opisanie metodologii przeprowadzania badania hiperskanowania fNIRS w poradnictwie psychologicznym. Obejmuje to przygotowania do eksperymentu, procedurę zbierania danych oraz późniejszy proces analizy danych.

Funkcjonalne badanie hiperskanowania spektroskopii bliskiej podczerwieni w poradnictwie psychologicznym

Niniejszy film demonstruje sposób budowy systemu obrazowania kontrastu plamek laserowych (LSCI), który może być łatwo wykorzystany do monitorowania przepływu krwi.

Jak zbudować system obrazowania kontrastu plamek laserowych (LSCI) do monitorowania przepływu krwi

Rywalizacja binokularna występuje, gdy do obu oczu prezentowane są różne obrazy w tym samym miejscu: jeden obraz dominuje, podczas gdy drugi jest tłumiony, a dominacja ta zmienia się okresowo. Rywalizacja ta jest przydatna w badaniu selekcji percepcyjnej i świadomości wzrokowej. W niniejszej pracy opisujemy kilka prostych metod tworzenia i wykorzystywania bodźców do wywoływania rywalizacji binokularnej.

Jak tworzyć i wykorzystywać rywalizację binokularną

MazeSuite to kompletny zestaw narzędzi do przygotowywania, przeprowadzania i analizowania eksperymentów nawigacyjnych i przestrzennych. Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIR) jest optyczną techniką obrazowania mózgu, która umożliwia nieinwazyjne i przenośne monitorowanie zmian w utlenowaniu krwi mózgowej. Niniejszy artykuł podsumowuje wspólne zastosowanie MazeSuite i fNIR w paradygmacie uczenia się procesów poznawczych.

Wykorzystanie MazeSuite i funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni do badania uczenia się w nawigacji przestrzennej

Ten protokół opisuje kluczowe kroki związane z oceną wrażliwości mózgu jednej osoby na przetwarzanie bodźców bliskiej osoby poprzez wybór par partnerów, jednoczesne rejestrowanie ich elektroencefalogramu (EEG) i obliczanie ich potencjałów mózgowych związanych ze zdarzeniami (ERP).

Jak badać wpływ przetwarzania bodźców na potencjały wywołane w mózgu osób bliskich podczas hyperscanningu partnerów

Poznaj metodę analizy synchronizacji między mózgami w badaniach hiperskanowania fNIRS przy użyciu spójności falkowej i testów permutacyjnych. Protokół ten usprawnia badania nad synchronizacją neuronalną podczas koordynowanych zadań.

Jak obliczyć i zweryfikować synchronizację między mózgami w badaniu hiperskanowania fNIRS

Przeglądaj więcej filmów