O presente protocolo descreve como realizar experimentos de hyperscanning de fNIRS e analisar o cérebro-cérebro de sincronia. Além disso, discutimos os desafios e as soluções possíveis.
Gravações simultâneas de cérebro de duas ou mais pessoas interagindo, uma abordagem denominada hyperscanning, estão ganhando importância crescente para a nossa compreensão das bases neurobiológicas do interações sociais e relações interpessoais possivelmente . Espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS) é bem adequada para experimentos de hyperscanning porque ele mede efeitos hemodinâmicos locais com uma alta taxa de amostragem e, importante, pode ser aplicado em ambientes naturais, não exigindo movimento estrito restrições. Neste artigo, apresentamos um protocolo para a realização de experiências de hyperscanning fNIRS com díades mãe-criança e para analisar sincronia de cérebro-para-cérebro. Além disso, podemos discutir questões críticas e direções futuras, sobre o projeto experimental, registo espacial dos canais fNIRS, influências fisiológicas e métodos de análise de dados. O protocolo descrito não é específico para díades mãe-criança, mas pode ser aplicado a uma variedade de diferentes constelações diádica, como adultos estranhos, parceiros românticos ou irmãos. Para concluir, fNIRS hyperscanning tem potencial para produzir novos insights sobre a dinâmica da interação social em curso, que possivelmente ultrapassam o que pode ser estudado, examinando as atividades dos cérebros individuais.
Nos últimos anos, neurocientistas começaram a estudar as interações sociais, gravando-as atividades do cérebro de duas ou mais pessoas simultaneamente, uma abordagem denominada hyperscanning1. Esta técnica abre novas oportunidades para elucidar os mecanismos neurobiológicos subjacentes a essas interações. Para compreender as interações sociais, pode não ser suficiente estudar o cérebro único em isolamento, mas prefiro as actividades conjuntas dos cérebros de interação de pessoas2. Usando técnicas de neuroimagem diferentes, hyperscanning os estudos mostraram aquele cérebro sincronizar as atividades de interação de pessoas ou grupos, por exemplo, enquanto eles coordenam suas ações3, fazer música4,5, comunicar-se se envolver em atividades de sala de aula6 ou7de cooperar.
O artigo apresenta um protocolo para a realização de gravações simultâneas com funcional espectroscopia de infravermelho próximo (fNIRS). Semelhante à ressonância magnética funcional (fMRI), fNIRS mede a resposta hemodinâmica à ativação do cérebro. Alterações na hemoglobina oxigenada e desoxigenada (oxi-Hb e deoxy-Hb) são calculadas com base na quantidade de luz de infravermelho próximo diffusively transmitida através de do tecido8. fNIRS é bem adequado para a realização de experiências de hyperscanning, especialmente com crianças, porque pode ser aplicado em configurações mais naturais e menos restrita do que a ressonância magnética. Além disso, é menos propenso a artefatos de movimento do que ambos, fMRI e EEG9. Além disso, dados de fNIRS podem ser adquiridos na alta frequência de amostragem (por exemplo, 10 Hz), assim, altamente oversamples a resposta hemodinâmica relativamente lenta e, assim, potencialmente fornece uma imagem mais completa de temporal de hemodinâmica o cérebro10 .
Este protocolo foi desenvolvido no âmbito do estudo de Reindl et al 11 e foi ligeiramente modificado (em especial no que diz respeito à colocação de canal e identificação de canal ruim) mais recentemente. O objetivo do estudo foi examinar a atividade cerebral sincronizada de díades mãe-criança. Usando o fNIRS hyperscanning, avaliamos sincronia de cérebro-para-cérebro em áreas pré-frontal do cérebro das crianças (idade entre cinco a nove anos) e seus pais, principalmente mães, durante uma cooperativa e uma tarefa de computador do competidor. Regiões pré-frontal do cérebro foram apontadas como eles tinham sido identificados como importantes regiões para sociais processos interativos em anteriores estudos de hyperscanning1. A tarefa de cooperativa e competitiva foram originalmente desenvolvidos por Cui et al 12 e recentemente independentes por vários anteriores estudos13,14,15. Para o estudo da Reindl et al 11, as tarefas foram modificadas para ser adequado para crianças. Os participantes foram instruídos também responder conjuntamente via pressiona o botão em resposta a um alvo (cooperação) ou para responder mais rápido do que o outro jogador (concorrência). Cada criança realizada cada tarefa uma vez com o pai e uma vez com um estranho adulto do mesmo sexo como o pai. Dentro de cada díade criança-adulto, coerência de wavelet foi calculada para os sinais de oxi-Hb de canais correspondentes como uma medida de sincronia de cérebro-para-cérebro.
Este protocolo descreve os procedimentos para coletar dados de hyperscanning fNIRS de pai e filho durante o jogo cooperativo e competitivo. O procedimento geral, no entanto, não é específico para este projeto de pesquisa, mas é apropriado para diferentes populações (por exemplo, adultos estranhos, parceiros românticos, irmãos, etc.) e pode ser adaptado para um número de diferentes tarefas experimentais. Este protocolo também descreve um possível procedimento analítico, que abrange as etapas de análise de dados necessários e opcionais, incluindo pré-processamento de dados fNIRS, deteção de canal ruim, análise de coerência de wavelets e validação pela análise par aleatório.
Antes da participação, todos os pais / filhos desde o consentimento informado / parecer favorável. O estudo foi aprovado pelo Comitê de ética da faculdade médica de RWTH Aachen Universidade.
1. preparação antes da chegada do participante
2. participante chegada no laboratório
3. análise de dados
Neste protocolo, mostramos como conduzir experimentos de hyperscanning de fNIRS e uma maneira de analisar o cérebro-para-cérebro sincronia, medindo as alterações de concentração de oxi-Hb e deoxy-Hb em regiões do cérebro frontal de duas disciplinas simultaneamente. FNIRS hyperscanning é relativamente fácil de aplicar: um único dispositivo NIRS é suficiente para medir as atividades cerebrais de ambos os assuntos dividindo os optodes entre eles. Assim, nenhuma sincronização entre dispositivos diferentes é necessário1. Além disso, uma vez que fNIRS não implica restrição de movimento estrito, é bem adequado para a realização de experiências de hyperscanning em um ambiente natural e em crianças. A seguir, destacamos algumas questões críticas ao projeto, análise e interpretação de experimentos de hyperscanning (fNIRS), discutir os desafios, bem como possíveis soluções.
Experimental Design. Uma questão importante de estudos hyperscanning refere-se o delineamento experimental. Dois participantes que completar a mesma tarefa experimental independentemente uns dos outros podem mostrar atividades similares do cérebro, que então podem ser detectadas como sincronia cerebral para-cérebro-26. Para diferenciar entre sincronia de cérebro-para-cérebro induzida pela tarefa experimental e pela interação social, impõem-se as condições adequadas de controle experimental. Por um lado, as tarefas cooperativas e competitivas são muito bem adaptadas porque eles diferem apenas na componente tarefas cooperativo e não no material o estímulo e o comportamento motor do participante. Por outro lado, menos interações padronizadas e mais naturais (por exemplo, fazendo um quebra-cabeça juntos) podem induzir mais variação no comportamento social interativo e podem ter uma maior validade ecológica.
Espacial registo de canais. Um desafio em fNIRS hyperscanning é medir a actividade hemodinâmica em canais correspondentes. Anexar o emissor e o detector de sondas em locais correspondentes das cabeças dos dois participantes não garante que a atividade em duas regiões corticais correspondentes é aproveitada, como individual do cérebro anatomia for susceptível de diferem entre os participantes. Simultaneamente, medir um adulto e uma criança agrava este problema introduzindo diferenças do desenvolvimento em cima aqueles anatômicas. Além disso, com um número crescente de canais, a colocação dos canais é menos reprodutível em assuntos devido à variabilidade na forma da cabeça e tamanho27. Um acessório opcional para a ETG-4000 é uma sonda posicionando a unidade que cria sonda posições em relação a pontos fiduciais na cabeça no espaço tridimensional. Estes dados podem então ser co registrados para a imagem de senhor estrutural do participante cérebro27. Aquisição de imagens de Sr e usando a unidade de posicionamento permitirá que o experimentador para melhor controlar se a atividade é realmente medida em regiões correspondentes do cérebro através de dois participantes. Além disso, pesquisadores poderiam parcialmente contornar esse problema, calculando um modelo de conectividade de todos-para-todos, medindo a conexão entre quaisquer dois canais dos dois participantes.
Influência da fisiologia sistêmica. Outra questão importante é que as alterações hemodinâmicas são conhecidos para ser influenciado não só pelo efeito da neurovascular acoplamento, atividade neuronal assim, mas também por alterações sistêmicas, como alterações na frequência cardíaca, pressão arterial, taxa de respiração e autonômica sistema nervoso atividade28. Portanto, qualquer sincronia detectada nas alterações hemodinâmicas dos dois participantes que colaboraram também pode ser atribuível a uma sincronia desses fatores. Estudos anteriores mostraram que dois parceiros interagindo com efeito sincronizar suas atividades fisiológicas,29. Observe, entretanto, que, nas tarefas com diferentes condições experimentais que são directamente comparadas uns aos outros, este é apenas um confundente se acoplamento fisiológico é mais proeminente em um, mas não a outra condição. No entanto, pode ser útil adquirir dados fisiológicos em estudos hyperscanning para habilitar o controle experimental destes parâmetros. Outra opção, como demonstrado recentemente por Nozawa et al 25, é para adicionar canais de medição com uma separação de curto fonte-detector (S-D) (por exemplo, 1 cm), que são sensíveis ao sinal do fluxo sanguíneo superficial da pele. O componente correspondente pode ser removido do sinal fNIRS obtido dos canais de medição com uma separação de S-D regular (por exemplo, 3cm), reduzindo assim a influência dos fisiológicos confundidores. Uma abordagem dual ou multi distância foi mostrada para melhorar a sensibilidade à tarefa avançada (aqui: comunicação avançada) sincronia de cérebro-para-cérebro.
Análise de dados. Hyperscanning resultados dependem de um estimador de quantificar a sincronia do cérebro-para-cérebro. No estudo atual, calculamos o WTC de oxi-Hb sinais de canais correspondentes como uma medida de sincronia de cérebro-para-cérebro. Métodos baseados em wavelet tem a vantagem que eles consideram a dinâmica oscilatória de séries temporais no espaço de tempo-frequência. O WTC é uma medida não direcionados, calculada a partir da série de tempo transformada de wavelet, representando a força da relação entre duas séries de tempo. No futuro, estudos, seria interessante para além disso, incluir medidas dirigidas, como causalidade de Granger, a fim de examinar qual participante “conduz” a atividade (ver, por exemplo, Pan et al 15). Além disso, enquanto muitos estudos anteriores de hyperscanning baseada em fNIRS examinar o cérebro-para-cérebro sincronia em somente um sinal (por exemplo, oxi-Hb), é aconselhável considerar tanto a oxi-Hb e deoxy-Hb (e possivelmente total-Hb) para ter total vantagem da técnica fNIRS15.
Limitações. Embora fNIRS oferece uma técnica de neuroimagem promissor, cresce rapidamente, algumas limitações técnicas, associadas com o dispositivo precisam ser considerados ao planejar um estudo (para uma revisão recente, ver Pinti et al 30). em comparação com EEG e ressonância magnética, fNIRS é mais resistente aos artefatos de movimento, no entanto, ele ainda requer controle de artefato de movimento suficiente e deteção. Existem várias causas potenciais de artefatos. Primeiro, alguns participantes tendem a mover sua cabeça abruptamente, em particulares infantes e crianças e desse modo podem puxar os panfletos de fibra, afetando o contato optode. Desenvolvimentos de novos dispositivos fiberless são mais robustos para o movimento e, assim, permitir que as investigações de tarefas ativas30. O uso de um descanso de queixo pode servir como um controle de artefato de movimento adicionais; no entanto, limita a capacidade de gravar as atividades do cérebro em interações naturais. Em segundo lugar, adquirir um contato optode adequada pode ser prejudicada pelos cabelo escuro, encaracolado e / ou espesso do participante. Colocar o optodes, portanto, pode ser demorado e um sinal perfeito não é sempre garantido. Em terceiro lugar, dependendo do sistema de fNIRS, usar optodes por um longo período de tempo pode colocar pressão na cabeça do participante, que pode ser experimentada tão desagradável. Isto não só limita o tempo de gravação da experiência, mas também pode levar a mais movimento e artefatos (por exemplo, crianças menores podem puxar a tampa). Além de artefatos de movimento, é interessante notar que fNIRS fornece medidas da superfície cortical apenas. Finalmente, ainda existem sem diretrizes de análise de dados padronizados. Várias caixas de ferramentas foram desenvolvidas nos últimos anos e as primeiras tentativas foram feitas para analisar a eficácia das várias técnicas de pré-processamento (e.g., et al . Brigadoi 31 e Cooper et al . 32). Além disso, os protocolos analíticos apresentados neste artigo mostram uma maneira de analisar os dados de hyperscanning de fNIRS. Importante, os parâmetros da análise devem ser entendidos como uma possível opção e não como uma orientação padrão. Vários outros protocolos analíticos para hyperscanning de fNIRS foram desenvolvidos nos últimos anos por grupos de pesquisa diferentes (ver, por exemplo, Cui et al 12. o; Hirsch et al . 33).
Conclusão. fNIRS hyperscanning é uma técnica promissora para ganhar ainda mais insights sobre as bases neurobiológicas da interações sociais34. No futuro, portátil e fiberless dispositivos NIRS podem ser particularmente importantes quando examinar o cérebro-para-cérebro sincronia em interações naturais e se deslocam da díade para grandes grupos de indivíduos. Finalmente, combinar técnicas de neuroimagem diferentes, por exemplo, EEG-fNIRS, pode fornecer novas perspectivas, ampliando nossa compreensão do cérebro-para-cérebro sincronia.
The authors have nothing to disclose.
NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids | Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan | ETG-4000 Optical Topography System | The current study protocol requires an optional second adult probe set for 52 channels of measurement in total as well as two 3×5 probe holder grids. |
raw EEG caps | EASYCAP GmbH, Herrsching, Germany | C-SCMS-56; C-SCMS-58 | Caps must be provided with holes for NIRS probes by the experimenter. Choose cap size the same size or slightly larger than participant's head circumference. |
Technical computing software | The MathWorks, Inc., Natick, MA | MATLAB R2014a (or later versions) | Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), SPM for fNIRS toolbox (fNIRS data analysis), and ASToolbox (WTC computation). |