Artigo de método

Sincronia inter-cerebral em aprendizagem colaborativa aberta: um estudo fNIRS-Hyperscanning

DOI:

10.3791/62777

⸱

21 de julho de 2021

 ,  , 
1School of Psychology and Cognitive Science, East China Normal University, 2Shanghai Key Laboratory of Mental Health and Crisis Intervention, East China Normal University

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O protocolo de realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS sobre disads de aprendizagem colaborativa em um ambiente de aprendizagem naturalista é delineado. Além disso, é apresentado um pipeline para analisar os sinais inter-cerebrais de síncronia oxigenada (Oxy-Hb).

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O hiperexquente fNIRS é amplamente utilizado para detectar os fundamentos neurobiológicos da interação social. Com essa técnica, os pesquisadores qualificam a atividade cerebral simultânea de dois ou mais indivíduos interativos com um novo índice chamado sincronia inter-cerebral (IBS) (ou seja, alinhamento de fase e/ou amplitude dos sinais neuronais ou hemodinâmicos ao longo do tempo). Aqui é apresentado um protocolo para a realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS sobre disads de aprendizagem colaborativa em um ambiente de aprendizagem naturalista. Além disso, explica-se um pipeline de análise do IBS de hemoglobina oxigenada (Oxy-Hb). Especificamente, o design experimental, o processo de registro de dados do NIRS, métodos de análise de dados e direções futuras são todos discutidos. No geral, a implementação de um pipeline de hiper-varredura fNIRS padronizado é uma parte fundamental da neurociência em segunda pessoa. Além disso, isso está em consonância com o apelo à ciência aberta para auxiliar na reprodutibilidade da pesquisa.

Introdução

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Recentemente, para revelar a atividade cerebral simultânea através dos díades interativos ou membros de um grupo, os pesquisadores empregam a abordagem hiperscaning1,2. Especificamente, eletroencefalograma (EEG), ressonância magnética funcional (fMRI) e espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) são usados para registrar as atividades neurais e cerebrais de dois ou mais sujeitos simultaneamente3,4,5. Os pesquisadores extraem um índice neural que implique um acoplamento cerebral simultâneo com base nessa técnica, que se refere à sincronia interfencefálica (IBS) (ou seja, alinhamento de fase e/ou amplitude dos sinais neuronais ou hemodinâmicos ao longo do tempo). Uma grande variedade de pesquisas de hiper-pesquisa encontrou IBS durante a interação social entre múltiplos indivíduos (por exemplo, jogador-público, instrutor-aprendiz e líder-seguidor)6,7,8. Além disso, o IBS detém implicações específicas da aprendizagem efetiva e instrução9,10,11,12,13,14. Com o surgimento de pesquisas hiperscaning em cenários de aprendizagem naturalista, é necessário estabelecer um protocolo padrão de experimentos de hiperexcitação e o pipeline de análise de dados neste campo.

Assim, este artigo fornece um protocolo para a realização de hiperscanagem baseada em fNIRS de disads de aprendizagem colaborativa e um pipeline para análise do IBS. fNIRS é uma ferramenta de imagem óptica, que irradia luz infravermelha próxima para avaliar a absorção espectral da hemoglobina indiretamente, e então a atividade hemodinâmica/oxigenação é medida15,16,17. Em comparação com o fMRI, o fNIRS é menos propenso a artefatos de movimento, permitindo medições de indivíduos que estão fazendo experimentos da vida real (por exemplo, imitação, conversa e comunicação não verbal)18,7,19. Em comparação com o EEG, o FNIRS possui maior resolução espacial, permitindo que os pesquisadores detectem a localização da atividade cerebral20. Assim, essas vantagens na resolução espacial, logística e viabilidade qualificam fNIRS para realizar a medição de hiperscanagem1. Usando essa tecnologia, um corpo de pesquisa emergente detecta um termo de índice como IBS - o alinhamento neural de duas (ou mais) atividades cerebrais de pessoas em diferentes formas de configurações sociais naturalistas9,10,11,12,13,14. Nesses estudos, são aplicados vários métodos (ou seja, análise de correlação e análise de Coerência de Transformação de Onda (WTC) para calcular esse índice; Enquanto isso, um pipeline padrão sobre tal análise é essencial, mas carente. Como resultado, um protocolo para a realização de hiperexcing baseado em fNIRS e um pipeline usando análise WTC para identificar o IBS é apresentado neste trabalho

Este estudo tem como objetivo avaliar o IBS em disads de aprendizagem colaborativa utilizando a técnica de hiperscanagem fNIRS. Em primeiro lugar, uma resposta hemodinâmica é registrada simultaneamente nas regiões pré-frontal e esquerda de cada díade durante uma tarefa de aprendizagem colaborativa. Essas regiões foram identificadas como associadas ao ensino interativo e aprendizagem9,10,11,12,13,14. Em segundo lugar, o IBS é calculado em cada canal correspondente. O processo de gravação de dados fNIRS consiste em duas partes: sessão de estado de repouso e sessão colaborativa. A sessão de estado de repouso dura 5 min, durante a qual ambos os participantes (sentados cara a cara, além um do outro por uma mesa (0,8 m)) são obrigados a permanecer parados e relaxar. Esta sessão de estado de repouso é servida como a linha de base. Em seguida, na sessão colaborativa, os participantes são orientados a estudar juntos todos os materiais de aprendizagem, provocando compreensão, resumindo as regras e certificando-se de que todos os materiais de aprendizagem sejam dominados. Aqui, são apresentadas as etapas específicas de realização do experimento e da análise de dados fNIRS.

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Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Todos os participantes recrutados (40 díades, média de 22,1 ± 1,2 anos; 100% destro; visão normal ou corrigida ao normal) eram saudáveis. Antes do experimento, os participantes deram consentimento informado. Os participantes foram compensados financeiramente por sua participação. O estudo foi aprovado pelo Comitê Universitário de Proteção à Pesquisa Humana (HR-0053-2021), Universidade Normal da China Oriental.

1. Etapas de preparação antes da adoção de dados

  1. Tampas nirs caseiras
    1. Adote a tampa elástica de natação para colocar a grade do suporte do optode.
      NOTA: Considerando que os tamanhos da cabeça dos participantes são diferentes, são utilizados dois tamanhos de tampas. As small caps são preparadas para os participantes com circunferência da cabeça de 55,4 ± 1,1 cm, e as tampas grandes são para os participantes com circunferência da cabeça de 57,9 ± 1,2 cm.
    2. Ancorar a localização dos eletrodos EEG (inion, Cz, T3, T4, Fpz e P5) como optodes de referência de acordo com o sistema padrão internacional 10-10 em tampinhas de natação elásticas (ver Tabela de Materiais).
      1. Primeiro, coloque a tampa padrão 10-10 EEG (ver Tabela de Materiais) no molde da cabeça, e coloque a tampa de natação elástica na tampa EEG. Em segundo lugar, marcam optodes de referência (inion, Cz, T3, T4, Fpz e P5) com giz em cada tampa. Por fim, corte dois orifícios de cerca de 15 mm de diâmetro para colocar os dois optodes de referência (ou seja, Fpz e P5, Figura 1).
        NOTA: Especificamente, um conjunto de sonda optode 3 x 5 e um conjunto de sonda optode 4 x 4 são colocados separadamente sobre a área pré-frontal (optode de referência é colocado em Fpz, Figura 1B) e regiões temporoparietais esquerdas (optode de referência é colocado em P5, Figura 1B).
    3. Corte buracos para colocar os outros optodes. Organize uma tampa de natação com dois suportes de grade diretamente no molde da cabeça. Em seguida, marque a localização de outros optodes com giz. Depois disso, corte os orifícios de descanso para garantir que o suporte da grade se encaixe.
    4. Monte dois conjuntos de sondas (ou seja, 3 x 5 e 4 x 4) para as tampinhas de natação (ver Tabela de Materiais).
      NOTA: O sistema de medição NIRS (ver Tabela de Materiais) fornece estes conjuntos de sonda padrão (ou seja, 3 x 5 e 4 x 4) com soquetes de suporte padrão garantindo a separação de 30 mm optode.
    5. Abra a janela do monitor do conjunto de sondas no sistema de medição NIRS e selecione quatro conjuntos de sondas dispostos em 3 x 5 e 4 x 4 para cada pessoa, separadamente.
      NOTA: Os arranjos da sonda das duas tampas devem corresponder às estruturas na janela do conjunto da sonda (ou seja, a localização exata dos números da sonda receptora e do respectivo emissor).
  2. Preparação do experimento
    1. Antes de registrar os dados, certifique-se de que o sistema NIRS está mantendo uma temperatura de funcionamento estável, iniciando o sistema por pelo menos 30 minutos.
      NOTA: A temperatura de funcionamento estável variou de 5 °C a 35 °C.
    2. Defina o modo de medição para a medição relacionada ao evento. Certifique-se de que o receptor de acionamento está ativo (ou seja, a entrada serial RS232).
      NOTA: O experimento é programado em software de psicologia disponível comercialmente (ver Tabela de Materiais). A absorção de luz infravermelha próxima (dois comprimentos de onda: 695 e 830 nm) é medida com uma taxa amostral de 10 Hz.
    3. Prepare a sonda de fibra óptica iluminada, que pode ser usada para mover o cabelo de lado.
    4. Defina o ambiente de experimentos com uma mesa com duas cadeiras para manter os assentos dos participantes frente a frente.

2. Adoção de dados instruindo os participantes

  1. Prepare os participantes
    1. Instrua os participantes, incluindo os detalhes dos métodos de medição do NIRS.
      NOTA: Todos os participantes estavam saudáveis e foram compensados financeiramente pela participação. Nenhum participante se retirou do experimento no meio do caminho. O raio laser do NIRS pode ser prejudicial aos olhos dos participantes, e eles foram instruídos a não olhar diretamente para os raios laser.
    2. Faça com que os participantes se sentem cara a cara (além de uma mesa (0,8 m)) para garantir que eles possam se ver diretamente. Ajuste a distância cadeira-mesa (ou seja, quase 0,3 m) para que os participantes se sentem confortavelmente.
    3. Ligue o botão laser e coloque as tampas com os conjuntos da sonda na cabeça dos participantes.
      NOTA: Os conjuntos da sonda 3 x 5 cobrem a testa dos participantes (a sonda média da linha inferior é colocada em Fpz); os conjuntos de sonda 4 x 4 cobrem o córtex temporoparietal esquerdo (a terceira sonda da terceira linha é colocada em P5).
    4. Coloque os quatro feixes de fibra óptica vagamente nos braços do suporte sem contato com os participantes ou cadeiras.
      NOTA: Aqui, o sistema de medição NIRS tem quatro feixes de fibras ópticas. Além disso, certifique-se de que os participantes não se sintam muito pesados para tirar as tampas.
    5. Deixe as pontas da sonda tocarem o couro cabeludo dos participantes empurrando cuidadosamente cada sonda de carga de mola mais adiante em seu soquete.
    6. Realize a calibração do sinal.
      1. Primeiro, verifique a qualidade do sinal clicando no Ganho Automático na janela do monitor do conjunto de sondas da máquina fNIRS. Em seguida, o sinal ruim de um canal e o sinal suficiente são marcados em amarelo e verde na janela do monitor do conjunto da sonda, respectivamente.
        NOTA: Para um canal com sinais insuficientes, sondas de fibra óptica iluminadas são usadas para mover o cabelo sob a ponta da sonda para um lado.
      2. Em seguida, empurre as sondas ainda mais para dentro de suas tomadas para obter sinais suficientes. Repita este processo até que todos os canais estejam marcados em verde na janela de monitor do sistema de medição NIRS, indicando que a qualidade dos sinais é acessível.
  2. Executar o experimento
    1. Inicie o experimento com um estado de descanso de 5 minutos, que serve como linha de base. Em seguida, dois participantes são obrigados a co-aprender os materiais de aprendizagem.
    2. Após o experimento, clique em Arquivo de texto para exportar os dados de intensidade de luz bruta e salvar os dados como um arquivo de texto.
      NOTA: Nenhum filtro é aplicado no sistema de medição NIRS.
    3. Use o digitalizador tridimensional (3D) (ver Tabela de Materiais) para determinar os locais de emissores, receptores e outras referências (ou seja, inion, nasion, Cz e orelhas esquerda e direita) para cada participante.
      1. Obtenha as coordenadas MNI para os canais de gravação utilizando a plataforma de computação numérica comercialmente disponível21 (ver Tabela de Materiais). Tabela suplementar S1 mostra as localizações anatômicas correspondentes de cada canal.
    4. Limpe sondas e suportes de sonda com etanol. Lave as tampas com detergente suave e deixe as tampas secarem.

3. Análise de dados

  1. Pré-processamento de dados
    NOTA: Pesquisas anteriores adotaram pacotes de software não comerciais variáveis (por exemplo, Homer222, AnalyzIR23, ou nirs LAB24) com plataformas numéricas de computação (ver Tabela de Materiais), na análise de dados fNIRS, e todos eles estão disponíveis no site. Aqui homer2 foi usado para fazer o pré-processamento dos dados NIRS. Além disso, tanto os dados de gravação do FNIRS coletados nas demais e fases de aprendizagem colaborativa compartilham o mesmo pipeline de pré-processamento e análise.
    1. Copie o conjunto de dados da máquina fNIRS. Converta a formação original de dados para a formação adequada (ou seja, converta arquivo cvs em arquivo nirs).
    2. Converter dados brutos em dados de densidade óptica (OD) com função "hmrIntensity2OD" fornecida na plataforma numérica de computação (ver Tabela de Materiais).
    3. Exclua os canais ruins. Em seguida, a média do valor de OD para cada participante em cada canal e pontos de amostra completos, respectivamente.
      NOTA: Aqui, são obtidos 46 valores de OD médios.
      1. Calcule o desvio padrão (SD) para cada participante.
      2. Marque como inutilizável e remova os canais com OD muito baixo ou alto (que excedeu 5 SDs) da análise para cada participante.
        NOTA: Esta etapa pode ser realizada antes e/ou após o pré-processamento de dados fNIRS. Neste pipeline de análise de dados, os canais ruins são detectados antes do pré-processamento de dados fNIRS.
    4. Converta os dados de tempo de OD em Oxy-Hb, DeOxy-Hb e sinal combinado com base na lei25modificada de Beer-Lambert .
      NOTA: A referência25 diz: "Todas as etapas de análise de dados são realizadas nos dados da Oxy-Hb, que é um indicador da mudança no fluxo sanguíneo cerebral regional, com maior relação sinal-ruído26. Além disso, pesquisas anteriores utilizaram hiperscanagem de fNIRS em cenários de ensino e aprendizagem focados principalmente na concentração de Oxy-Hb11,12,13,14.".
    5. Calibrar a série temporal Oxy-Hb a partir de artefatos de movimento pelo método baseado em ondas canal por canal.
      NOTA: Especificamente, a vaga de onda Daubechies 5 (db5) com parâmetro de ajuste em 0.1 (veja detalhes no manual homer2)27,28 é adotada na remoção de artefatos de movimento.
    6. Aplique o filtro de passe de banda (ou seja, 0,01-1 Hz) nos dados calibrados de Oxy-Hb para reduzir o ruído de alta frequência e a deriva lenta.
    7. Realize a análise dos componentes principais (PCA) no sinal OxyHb para remover componentes globais não neurais (por exemplo, pressão arterial, respiração e variação do fluxo sanguíneo)29.
      NOTA: A análise do PCA proposta por Zhang e pelos colegas29 é adotada aqui.
      1. Primeiro, decompondo o sinal.
        NOTA: A fórmula específica de decomposição do sinal fNIRS é: H = UΣVT. Aqui, padrões temporais e espaciais de dados fNIRS são apresentados em duas matrizes (ou seja, você e V). U é uma matriz 2D (ponto amostral x componente principal). V também é uma matriz 2D (componente principal x componente principal). A coluna em V indica um componente principal (PC), e a força desse PC para um determinado canal é estimada em cada entrada da coluna. A importância relativa de cada PC é representada pelo valor da matriz diagonal Σ.
      2. Segundo, conduzir a suavização espacial.
        NOTA: A convolução do kernel gaussiano é empregada para remover sinais localizados e obter o componente global.
      3. Terceiro, reconstrua o sinal.
        NOTA: Para calcular o componente global dos dados fNIRS, a matriz de padrão espacial suavizada V* está conectada de volta à fórmula de decomposição: HGlobal = UΣ(V*)T. Em seguida, o sinal neuronal derivado localizado pode ser obtido usando dados originais H para subtrair HGlobal : HNeuronal = H - HGlobal.
  2. Sincronia inter-cerebral
    NOTA: Para revelar o acoplamento cerebral na neurociência em segunda pessoa, a coerência wavelet transform (WTC) é adotada aqui. Resumidamente, o WTC mede a correlação entre séries duplas em função da frequência e do tempo. A fórmula específica da coerência wavelet das séries duplas x e y é:
    figure-protocol-1
    T e s denotam a escala de tempo e onda separadamente, ‹·› indica uma operação de suavização em escala e tempo. W representa a contínua transformação de ondas. Em seguida, uma matriz WTC 2D (tempo x frequência) é gerada30. Várias caixas de ferramentas são usadas para calcular o valor WTC. Aqui a caixa de ferramentas criada por Grinsted e colegas foi usada30.
    1. Adotar a função WTC da plataforma numérica de computação (ver Tabela de Materiais).
      NOTA: Aqui, a configuração padrão da wavelet mãe (ou seja, Onda Morse Generalizada com seus parâmetros beta e gama) é usada. A onda mãe converte cada série de tempo no domínio de frequência e tempo.
    2. Defina a configuração padrão nos outros parâmetros (ou seja, MonteCarloCount, representando o número de conjuntos de dados substitutos no cálculo de significância).
    3. Calcule o valor do WTC para dois canais correspondentes (o mesmo canal em dois participantes) em uma plataforma numérica de computação (ver Tabela de Materiais). Após o mesmo procedimento, 46 matrizes WTC são geradas a partir de 46 canais.
    4. Determine a faixa de frequência de interesse (FOI), sensível à aprendizagem colaborativa.
      NOTA: Aqui, uma abordagem de permutação baseada em cluster é adotada para detectar esse FOI31, que oferece uma solução para múltiplas comparações em dados multicanais e multifrequências.
      1. Execute a média de tempo dos valores do WTC nas fases de descanso e aprendizagem colaborativa, respectivamente, para cada combinação de canal. Em seguida, realize testes de amostra emparelhadoscom toda a frequência (faixa de frequência: 0,01-1Hz32) nesses valores WTC mediados por tempo (aprendizado colaborativo versus descanso). Em seguida, identifique as caixas de frequência nas quais o efeito da tarefa é significativo (aprendizado colaborativo > descanso, p < 0,05).
      2. Obtenha pontos vizinhos de frequência significativa (≥2) como clusters observados e valores T correspondentes.
      3. Realize uma série de testes tde amostra emparelhados em dados permutados para gerar os valores T para cada cluster qualificado na etapa 3.2.4.2 por 1000 vezes.
        NOTA: Para formar dados permutados, os participantes são aleatoriamente designados para formar novos pares de dois membros. Como o comprimento dos conjuntos de dados variava entre os disads para cada par aleatório, o conjunto de dados mais longo é aparado ao mesmo comprimento do mais curto33.
      4. Compare os valores T baseados em cluster médios dos pares originais com os valores T de 1000 permutações.
        NOTA: Os valores p avaliados por esta fórmula34:
        figure-protocol-2, onde S0 denota valor t-cluster médio observado, μp e σp indicam o desvio médio e padrão dos valores de permutação.
      5. Valores médios de WTC na FOI identificada em cada canal em cada táinga. Em seguida, aplique a transformação de fisher z aos valores WTC para obter uma distribuição normal dos valores do WTC. Use esse valor para indexar o IBS para análise estatística posterior.

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Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A Figura 1 ilustra o protocolo experimental e a localização da sonda. O processo de registro de dados fNIRS consiste em duas partes: sessão de estado de repouso (5 min) e sessão colaborativa (15-20 min). Os diá díndos de aprendizagem colaborativo são necessários para relaxar e manter-se ainda na sessão de estado de repouso. Depois disso, os participantes são orientados a co-aprender o material de aprendizagem (Figura 1A). Suas regiões temporoparietais pré-fronta...

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Discussão

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Em primeiro lugar, no presente protocolo, são declaradas as etapas específicas de realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS em um cenário de aprendizagem colaborativa. Em segundo lugar, também é apresentado o pipeline de análise de dados que avalia o IBS de sinais hemodinâmicos em diálidos de aprendizagem colaborativa. A operação detalhada na realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS promoveria o desenvolvimento da ciência aberta. Além disso, o pipeline de análise é fornecido aqui para aumentar a reprodut...

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Divulgações

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabalho é apoiado pelo Programa de Promoção da Inovação Acadêmica da ECNU para excelentes doutorandos (YBNLTS2019-025) e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (31872783 e 71942001).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Tampas de EEGCompumedics Neuroscan, Charlotte, EUAQuik-Cap de 64 canaisEscolhemos dois tamanhos de tampa (ou seja, médio e grande).
Sistema de medição NIRS com conjuntos de sondas e grades de suporte de sondaHitachi Medical Corporation, Tóquio, JapãoSistema de Topografia Óptica ETG-7100O protocolo de estudo atual requer um segundo conjunto opcional de sondas para adultos para 92 canais de medição no total.
Plataforma de computação numéricaThe MathWorks, Inc., Natick, MAMATLAB R2020aServe como base para extensões de caixa de ferramentas de psicofísica (apresentação de estímulo), Homer2  (análise de pré-processamento fNIRS) e função "wtc" (computação WTC).
Software de psicologiaferramentas de software de psicologia, Sharpsburg, PA, EUAE-prime 2.0Aplicamos o E-prime para iniciar o sistema de medição fNIRS e enviar gatilhos que marcam a fase de descanso e a fase de aprendizado colaborativo para dados de gravação fNIRS.
Toucas de nataçãoZoke corporation, Xangai, China611503314Primeiro colocamos a tampa padrão de 10-20 EEG no molde da cabeça e colocamos a touca de natação na touca de EEG. Em segundo lugar, marcamos (inion, Cz, T3, T4, PFC e P5) com giz.
Digitalizador tridimensional (3-D)Polhemus, Colchester, VT, EUA;Digitalizador tridimensional (3-D)localizações anatômicas dos optódios em relação aos pontos de referência padrão da cabeça foram determinadas para cada participante usando um digitalizador Patriot 3D
As

Referências

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