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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este protocolo descreve a coerência parcial de transformação de ondas (pWTC) para calcular o padrão de sincronização neural interpessoal (INS) para inferir a direção e o padrão temporal do fluxo de informações durante a interação social. A eficácia do pWTC na remoção dos confusos da autocorrelação de sinal no INS foi comprovada por dois experimentos.
A interação social é de vital importância para os seres humanos. Embora a abordagem hiperscaning tenha sido amplamente usada para estudar a sincronização neural interpessoal (INS) durante as interações sociais, a espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) é uma das técnicas mais populares para hiperscanar interações sociais naturalistas devido à sua resolução espacial relativamente alta, localização sonora anatômica e excepcionalmente alta tolerância de artefatos de movimento. Estudos anteriores de hiperscaning baseados em fNIRS geralmente calculam um INS com atraso no tempo usando coerência de transformação de onda (WTC) para descrever a direção e o padrão temporal do fluxo de informações entre indivíduos. No entanto, os resultados deste método podem ser confundidos pelo efeito de autocorrelação do sinal fNIRS de cada indivíduo. Para lidar com esse problema, foi introduzido um método chamado de coerência de transformação de onda parcial (pWTC), que visava remover o efeito de autocorrelação e manter a alta resolução do espectro temporal do sinal fNIRS. Neste estudo, foi realizado primeiro um experimento de simulação para mostrar a eficácia do pWTC na remoção do impacto da autocorrelação no INS. Em seguida, foi oferecida orientação passo a passo sobre o funcionamento do pWTC com base no conjunto de dados fNIRS de um experimento de interação social. Além disso, foi traçada uma comparação entre o método pWTC e o método WTC tradicional e entre o método pWTC e o método de causalidade granger (GC). Os resultados mostraram que o pWTC poderia ser usado para determinar a diferença do INS entre diferentes condições experimentais e o padrão direcional e temporal do INS entre os indivíduos durante interações sociais naturalistas. Além disso, fornece melhor resolução temporal e de frequência do que o WTC tradicional e melhor flexibilidade do que o método GC. Assim, o PWTC é um forte candidato para inferir a direção e o padrão temporal do fluxo de informações entre indivíduos durante interações sociais naturalistas.
A interação social é de vital importância para o ser humano 1,2. Para compreender o mecanismo neurocognitivo dual-cérebro da interação social, a abordagem hiperscaning tem sido amplamente utilizada recentemente, mostrando que os padrões de sincronização neural interpessoal (INS) podem caracterizar bem o processo de interação social 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 13,14. Entre estudos recentes, um achado interessante é que a diferença de papel dos indivíduos em um diálido pode levar a um padrão de insímica, ou seja, o INS ocorre quando a atividade cerebral de um indivíduo fica atrás da de outro indivíduo por segundos, como a dos ouvintes aos palestrantes 5,9, de líderes a seguidores4, de professores a alunos8, de mães a criançasde 13,15 anos, e de mulheres a homens em um par romântico6. Mais importante, há uma boa correspondência entre o intervalo do INS com atraso de tempo e o dos comportamentos de interação social, como entre professores questionando e alunos respondendo8 ou entre comportamentos parentais de mães e comportamentos de compliance de criançasde 15 anos. Assim, o INS atrasado pode refletir um fluxo de informações direcionais de um indivíduo para outro, como proposto em um modelo hierárquico recente para a comunicação verbal interpessoal16.
Anteriormente, o INS defasado de tempo era calculado principalmente no sinal funcional de espectroscopia quase infravermelha (fNIRS) devido à sua resolução espacial relativamente alta, localização anatômica sólida e tolerância excepcionalmente alta dos artefatosde movimento 17 ao estudar interações sociais naturalistas. Além disso, para caracterizar precisamente a correspondência entre o atraso de tempo neural e o atraso de tempo comportamental durante a interação social, é essencial obter a força do INS para cada defasagem de tempo (por exemplo, de nenhuma defasagem de tempo a um intervalo de tempo de 10 s). Para isso, anteriormente, o procedimento de coerência de transformação de ondas (WTC) foi extensivamente aplicado após a mudança do sinal cerebral de um indivíduo para frente ou para trás em relação ao de outro indivíduo 5,6,18. Ao usar este procedimento WTC tradicional para sinais fNIRS, há um desafio potencial porque o INS observado pode ser confundido pelo efeito de autocorrelação do sinal fNIRS para um indivíduode 19,20,21. Por exemplo, durante um processo de interação social dídico, o sinal do participante A no momento pode ser sincronizado com o do participante B ao mesmo tempo. Enquanto isso, o sinal do participante A no momento t pode ser sincronizado com o do participante A em um ponto de tempo posterior t+1 por causa do efeito de autocorrelação. Portanto, pode ocorrer um INS espúrio de tempo defasado entre o sinal do participante A no ponto t de tempo e o do participante B no ponto t+1.
Mihanović e seus colegas22 primeiro introduziram um método chamado de coerência parcial de wavelet transform (pWTC), e depois a aplicaram na ciência marinha23,24. O objetivo original deste método era controlar o ruído de confusão exógeno ao estimar a coerência de dois sinais. Aqui, para abordar o problema de correção automática nos dados de hiperexpesagem fNIRS, o método pWTC foi estendido para calcular o INS com atraso no sinal fNIRS. Precisamente, um INS atrasado (e um fluxo de informações direcionais) do participante A para o participante B pode ser calculado usando a equação abaixo (Equação 1)23.

Aqui, supõe-se que existem dois sinais, A e B, dos participantes A e B, respectivamente. A ocorrência do sinal B sempre precede a do sinal A com um intervalo de tempo de n, onde wtc (At, Bt+n) é o WTC tradicional defasado pelo tempo. WTC (At, At+n) é o WTC autocorrelado no participante A. WTC (At, Bt) é o WTC alinhado ao tempo no ponto t de tempo entre o participante A e B. * é o operador conjugado complexo (Figura 1A).

Figura 1: Visão geral do pWTC. (A) A lógica do pWTC. Há dois sinais A e B, dentro de um díade. A ocorrência de A sempre segue a de B com um lag n. Uma caixa cinza é uma janela de onda em um determinado ponto de tempo t ou t+n. Com base na equação pWTC (representada na figura), três WTCs precisam ser calculados: o WTC defasado de tempo de At+n e Bt; o WTC autocorrelado no participante A de At e At+n; e o WTC alinhado ao tempo no ponto de tempo t, At e Bt. (B) O layout dos conjuntos de sonda optode. CH11 foi colocado em T3, e CH25 foi colocado no T4 seguindo o sistema internacional 10-2027,28. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Este protocolo introduziu pela primeira vez um experimento de simulação para demonstrar o quão bem o pWTC resolve o desafio de autocorrelação. Em seguida, explicou como conduzir o pWTC de forma passo a passo baseada em um experimento empírico de interações sociais naturalistas. Aqui, foi utilizado um contexto de comunicação para introduzir o método. Isso porque, anteriormente, o INS com atraso de tempo era geralmente calculado em um contexto de comunicação naturalista 3,4,6,8,13,15,18. Além disso, também foi realizada uma comparação entre o pWTC e o WTC tradicional e validação com o teste de causalidade granger (GC).
O protocolo de experimento humano foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional e pelo Comitê de Ética do Laboratório Estadual de Neurociência Cognitiva e Aprendizagem da Universidade Normal de Pequim. Todos os participantes deram consentimento por escrito informado antes do início do experimento.
1. O experimento de simulação


2. O experimento empírico

Resultados da simulação
Os resultados mostraram que oWTC ins com correção automática foi significativamente maior do que oWTC ins atrasado sem correção automática (t(1998) = 4,696, p < 0,001) e inspWTC (t(1998) = 5.098, p < 0,001). Além disso, não houve diferença significativa entre o INSWTC sem correção automática eo INS pWTC (t(1998) = 1,573, p = 0,114, Figura 2A). Esses resultados indicam que o pWTC pode efetivamente remover o impacto do efeito de correção automática no INS. Além disso, quando o valor do WTC foi definido para ser próximo de 0 ou 1, o INSpWTC ainda apresentava resultados confiáveis quando o valor wtc estava longe de 0 ou 1 (Figura Suplementar 2).
Resultados de experimentos empíricos
Padrão INS usando o método WTC tradicional
Os resultados mostraram que em 0,04-0,09 Hz,INSWTCno córtex sensorial (SMC, CH20) de mulheres e homens foi significativamente maior no tópico de apoio do que no tópico de conflito quando a atividade cerebral dos homens ficou atrás da das mulheres por 2 s, 4 s e 6 s (2 s: t(21) = 3.551, p = 0,0019; lag 4 s: t(21) = 3.837, p = 0,0009; lag 6 s: t(21) = 3.725, p = 0,0013). Além disso, em 0,4-0,6 Hz, o INSWTC no SMC foi significativamente maior no tópico de conflito do que no tópico de apoio quando a atividade cerebral dos homens ficou atrás da das mulheres por 4 s (t(21) = 2,828, p = 0,01, Figura 2B).
Além disso, para comparar a direção doINS WTC em diferentes tópicos, um tópico (apoio, conflito) x direção (mulheres para homens, homens para mulheres) ANOVA foi conduzida pela primeira vez no INSWTC do SMC sob um intervalo de tempo de 2-6. Os resultados de 0,04-0,09 Hz não mostraram efeitos significativos de interação em nenhum momento (ps > 0,05). Para a faixa de frequência de 0,4-0,6 Hz, os resultados mostraram que o efeito de interação foi marginalmente significativo (F(1, 21) = 3,23, p = 0,086). Comparações em pares mostraram que oINS WTC de mulheres para homens foi significativamente maior no tema do conflito do que no tema de apoio (MD. = 0,014, S.E. = 0,005, p = 0,015), enquanto o INSWTC de homens para mulheres não diferiu significativamente entre os tópicos (M.D. = 0,002, S.E. = 0,006, p = 0,695).
Finalmente, para testar o impacto da autocorrelação nos resultados doWTC ins defasado do tempo tradicional, o INSWTC foi comparado entre WTC(Wt, Mt+4) e WTC(Mt, Mt+4) a 0,04-0,09 Hz e 0,4-0,6 Hz, respectivamente. Observe que o INSWTC do WTC (Mt, Mt+4) reflete a correção automática. Os resultados mostraram que, no WTC(Mt, Mt+4) (t(21) = 0,336, p = 0,740. Em 0,04-0,09 Hz, o INSWTC do WTC (Mt, Mt+4) foi significativamente superior ao do WTC (Wt, Mt+4) (t(21) = 4,064, p < 0,001). Também foi realizada comparação entre as faixas de frequência de 0,04-0,09 Hz e 0,4-0,6 Hz em relação ao INSWTC do WTC (Mt, Mt+4). Os resultados mostraram que o INSWTC do WTC (Mt, Mt+4) foi significativamente maior em 0,04-0,09 Hz do que no 0,4-0,6 Hz (t(21) = 5,421, p < 0,001). Esses resultados indicam que oWTC do INS com atraso de tempo foi afetado pela correção automática tanto nas faixas de baixa e alta frequência, mas o impacto foi maior para a faixa de menor frequência do que para a faixa de maior frequência.
Padrão INS usando o método pWTC
Os resultados mostraram que a diferença no INSpWTC entre o conflito e os tópicos de apoio atingiu significância no SMC tanto de mulheres quanto de homens em 0,4-0,6 Hz quando a atividade cerebral masculina ficou atrás da das mulheres por 4 s (t(21) = 4,224, p = 0,0003). A 0,04-0,09 Hz; no entanto, não foram encontrados resultados significativos, nem seus resultados efetivos em outras faixas de frequência (Ps > 0,05, Figura 2C).
Um teste adicional de ANOVA foi realizado no INSpWTC do SMC em 0,4-0,6 Hz. Os resultados mostraram que a interação entre tópico e direção foi marginalmente significativa (F(1,21) = 3,48, p = 0,076). Outras comparações em pares mostraram que oINS pWTC de mulheres para homens foi significativamente maior no tema do conflito do que no tema de apoio (M.D. = 0,016, S.E. = 0,004, p = 0,002), enquanto INSpWTC de homens para mulheres não diferiu significativamente entre os tópicos (M.D. = 0,0007, S.E. = 0,006, p = 0,907, Figura 2D).
Padrão INS usando o método GC
Um teste ANOVA foi realizado no INSGC no SMC dentro apenas de 0,4-0,6 Hz. Os resultados mostraram interação significativa entre tópico e direção (F(1,21) = 8,116, p = 0,010). A análise em pares mostrou que o INSGC de mulheres para homens foi significativamente maior no tema conflito do que no tema de apoio (MD = 5,50, SE = 2,61, p = 0,043). Em contrapartida, o INSGC de homens para mulheres não foi significativamente diferente entre os tópicos (MD = 1,42, SE = 2,61, p = 0,591, Figura 2E).

Figura 2: Resultados da simulação e experimento empírico. (A) Os resultados da simulação de três amostras simuladas. OINS WTC com correção automática foi significativamente maior do que o INSWTC sem correção automática eINS pWTC. Não houve diferença significativa entre oINS WTC com atraso de tempo sem correção automática e pWTC. (B) O t-map do INSWTC no experimento empírico, mostrando efeitos significativos no contexto dentro de 0,04-0,09 Hz quando a atividade SMC dos homens ficou atrás da das mulheres por 2-6 s. Houve também um efeito de contexto marginalmente considerável dentro de 0,4-0,6 Hz quando a atividade SMC dos homens ficou atrás da das mulheres por 4 s. (C) O t-map do INSpWTC, mostrando um efeito de contexto significativo dentro de 0,4-0,6 Hz quando a atividade SMC dos homens ficou atrás da das mulheres por 4 s. (D) Comparação doINS direcional pWTC em diferentes tópicos pelo pWTC. O INS direcional de mulheres para homens é significativamente maior em contextos de conflito do que em contextos de apoio. (E) Validação do INS direcional pelo teste GC (INSGC). O padrão resultante do INSGC é semelhante aoINS pWTC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura suplementar 1: O gráfico do espectro de potência para a taxa de amostra de 11,1 Hz (linha azul) e 55,6 Hz (linha vermelha). O padrão de espectro de energia para os dois é bastante semelhante. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Figura suplementar 2: Os mapas pWTC do piso e do CEIL WTC. (A) Painel esquerdo: o mapa WTC com atraso de tempo gerado por dois mesmos sinais, o eixo x é ponto de tempo, e o eixo y é faixa de frequência. O valor médio do WTC em todos os pontos é ~1. Painel direito: o mapa pWTC de dois sinais semelhantes. O mapa pWTC é bastante semelhante ao mapa do WTC. (B) Painel esquerdo: o mapa WTC com atraso de tempo gerado por dois sinais aleatórios, o eixo x é o ponto de tempo, e o eixo y é a faixa de frequência. O valor médio do WTC em todos os pontos é ~0. Painel direito: o mapa pWTC de dois sinais semelhantes. O mapa pWTC é bastante semelhante ao mapa do WTC. Clique aqui para baixar este Arquivo.
Os autores não declaram interesses financeiros concorrentes.
Este protocolo descreve a coerência parcial de transformação de ondas (pWTC) para calcular o padrão de sincronização neural interpessoal (INS) para inferir a direção e o padrão temporal do fluxo de informações durante a interação social. A eficácia do pWTC na remoção dos confusos da autocorrelação de sinal no INS foi comprovada por dois experimentos.
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (61977008) e pelo Programa Jovens Talentos de Dez Mil Talentos.
| Sistema de topografia fNIRS | Shimadzu Corporation | Sistema Shimadzu LABNIRS | O sistema LABNIRS contém 40 emissores e 40 detectores para medição de sinais fNIRS. Neste protocolo, usamos esses emissores e detectores, criamos dois conjuntos de sondas de 26 canais personalizados e anexados a duas tampas de acordo com o sistema 10-20. Além disso, o sistema LABNIRS também contém softwares GUI integrados para verificação de qualidade de dados, conversão de dados e exportação de dados. |
| MATLAB | A MathWorks, Inc. | MATLAB 2019a | Neste protocolo, várias caixas de ferramentas e funções bulit no MATLAB foram usadas: A caixa de ferramentas SPM12 foi usada para normalizar os dados de ressonância magnética validados por meio de sua GUI. NIRS_SPM caixa de ferramentas foi usada para projetar as coordenadas MNI das sondas para o modelo AAL por meio de sua GUI. A caixa de ferramentas Homer3 foi usada para remover artefatos de movimento por meio de sua função hmrMotionCorrectWavelet com parâmetros padrão. Wavelet caixa de ferramentas foi usada para calcular WTC e pWTC por meio de sua função wcoherence. |
| Scanner de ressonância magnética | Siemens Healthineers | TRIO 3-Tesla | Neste protocolo, o scanner de ressonância magnética foi usado para obter as coordenadas MNI de cada canal e optpde. Os parâmetros de varredura são descritos no texto principal. |
| tampas | personalizadas | Neste protocolo, primeiro marcamos duas tampas de nylon com sistema 10-20. Em seguida, fizemos dois conjuntos de sondas optode personalizadas de 26 canais. Por fim, anexamos conjuntos de sondas a tampas alinhadas com pontos de referência. |