Межмозговая синхронность в открытом совместном обучении: исследование fNIRS-гиперсканирования
21 июля 2021 г.
Изложен протокол проведения экспериментов гиперсканирования fNIRS на диадах совместного обучения в натуралистической среде обучения. Далее представлен конвейер для анализа межмозговой синхронии (СРК) сигналов оксигенированного гемоглобина (Oxy-Hb).
Этот протокол выявляет межмозговую синхронность в совместных диадах в натуралистической среде с помощью метода гиперсканирования fNIRS. Существенным преимуществом данной методики является то, что она позволяет в режиме реального времени проводить исследования динамики двух и более взаимодействующих мозгов. Прежде чем начать эксперимент, запустите систему ближней инфракрасной спектроскопии для достижения стабильной рабочей температуры, затем примите эластичный плавательный колпачок, чтобы разместить сетку оптоода-держателя и подготовить колпачки NIRS, как описано в текстовой рукописи.
Для канала с недостаточным количеством сигналов используйте освещенные волоконно-оптические зонды, чтобы переместить волосы под кончиком зонда в одну сторону. Как только рабочая температура стабилизируется, убедитесь, что триггерный приемник активен, и установите режим измерения на измерение, связанное с событиями. Подготовьте освещенный волоконно-оптический зонд, чтобы отодвинуть волосы в сторону.
Проинструктируйте участников относительно деталей методов измерения NIRS и не смотрите непосредственно в лазерные лучи, так как лазерный луч может быть вредным для глаз участника. Заставьте участников сесть лицом к лицу, чтобы убедиться, что они могут видеть друг друга напрямую, и отрегулируйте расстояние от стула до стола, чтобы участники сидели удобно. Включите лазерную кнопку, поместите четыре пучка оптического волокна свободно на руки держателя без контакта с участниками или стульями и поместите колпачок с наборами зондов на головы участников, гарантируя, что наборы зондов три на пять покрывают лоб участника, а наборы зондов четыре на четыре покрывают левую височно-темеменную кору, затем осторожно протолкните каждый подпружинетный зонд дальше в гнездо зонда, чтобы кончик зонда касался кожи головы участника.
Затем позвольте двум участникам совместно изучить учебные материалы с пятиминутным состоянием отдыха, которое служит базовым. Во-первых, чтобы проверить качество сигнала, нажмите на автоматическое усиление в окне монитора набора зондов функциональной машины NIRS, а затем отметьте плохой сигнал канала желтым цветом, а достаточный сигнал зеленым и повторяйте эту процедуру, пока все каналы не будут отмечены зеленым цветом. После эксперимента щелкните Text File Out, чтобы экспортировать необработанные данные об интенсивности света и сохранить данные в виде текстового файла.
Используйте трехмерный дигитайзер для определения местоположения излучателей, приемников и других ссылок для каждого участника, а затем получите координаты MNI каналов записи с использованием коммерчески доступной числовой вычислительной платформы. Были проанализированы данные от каждого участника в каждом канале. Была визуализирована оптоденность в канале 33 для определенной диады.
Данные были извлечены с использованием метода удаления артефактов движения на основе вейвлетов, отдельно и вместе с анализом основных компонентов. Разница между кривыми говорит о том, что PCA эффективен в удалении ненейропралических сигналов. Визуализирована матрица когерентности вейвлет-преобразования.
Цветовая карта варьировалась от синего до желтого, представляя значения синхронизации между мозгами в диапазоне от нуля до единицы, где единица обозначает наибольшую когерентность между двумя сигналами, а ноль обозначает отсутствие когерентности. Кроме того, были также получены значимые коэффициенты, сильная когерентность вокруг одного герца, представляющая когерентность сердечного ритма диады. Сравнение наблюдаемого значения T и распределения случайного значения T показывает значительные результаты в идентифицированном FOI.
Важно убедиться, что набор зондов охватывает область интересов и попытаться уменьшить отклонение.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Это исследование описывает протокол проведения гиперсканирования функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) для исследования межмозговой синхронии во время совместного обучения в естественной обстановке. Анализ сосредоточен на сигналах гемоглобина, связанного с кислородом (Oxy-Hb) для оценки динамических изменений в реальном времени в двух взаимодействующих мозгах.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Совместное обучение
- Мозговая связь
Бэкграунд
- Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) используется для исследования активности мозга.
- Межмозговая синхрония (IBS) помогает понять совместные взаимодействия.
- Естественные среды необходимы для изучения взаимодействий в реальной жизни.
- Протокол подробно описывает настройку оборудования и расположение участников.
Цель исследования
- Предоставить метод для изучения IBS в парах обучающихся.
- Описать настройку fNIRS для регистрации сигналов Oxy-Hb.
- Установить базовые показатели когнитивной активности во время совместного обучения.
Используемые методы
- Техника гиперсканирования fNIRS применялась во время командной работы.
- Участники размещались друг напротив друга для повышения взаимодействия.
- Сбор данных включал обеспечение стабильной работы fNIRS и комфорта участников.
- Качество сигналов оценивалось, и артефакты удалялись с помощью вейвлет-методов.
Основные результаты
- Межмозговая синхрония была визуализирована, что демонстрирует совпадение во время совместной работы.
- Анализ данных выявил сильную совместимость примерно в одном герце, связанную с сердечным ритмом.
- Протокол подтвердил эффективность ПКА в фильтрации неневронных сигналов.
Выводы
- Это исследование подтверждает комплексный метод оценки IBS в совместных контекстах.
- Результаты поддерживают понимание когнитивных процессов во время социальных взаимодействий.
- Этот протокол может способствовать дальнейшему изучению нейронной динамики в обучающих средах.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Inter-brain synchrony measurement via fNIRS hyperscanning provides a neurobiological index for assessing real-time collaborative dynamics, offering mechanistic insights into social learning processes. This approach supports target validation in neuroscience by enabling quantitative evaluation of neural coupling during interactive tasks, which can inform biomarker development for cognitive and behavioral disorders. The standardized pipeline enhances reproducibility and cross-lab comparability, aligning with open-science principles critical for preclinical de-risking and translational continuity.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to social cognition and neural connectivity mechanisms.
- Operational Value: Provides a reproducible method for functional target validation using inter-brain synchrony as a phenotypic readout.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by quantifying neural coherence as a biomarker of collaborative engagement.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems (dyadic brain networks) for downstream screening of compounds affecting social behavior.
- Quantitative Output: Delivers oxygenated hemoglobin-based synchrony metrics enabling dose-response analysis in preclinical models.
- Platform Scalability: Standardized fNIRS hyperscanning pipeline supports reuse across laboratories and study designs.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Applicable to disorders with social dysfunction (e.g., autism, schizophrenia) where inter-brain synchrony may serve as a translational biomarker.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery-phase neural mechanism identification with preclinical validation of pro-social compounds.
- Risk-Adjusted Advancement: IBS metrics inform go/no-go decisions by providing objective neural correlates of target engagement.
Pipeline & Workflow Integration
The fNIRS hyperscanning method integrates into the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification to preclinical validation, particularly for CNS targets modulating social neural circuits.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of neural pathways involved in social learning and interaction.
- Screening: Enables assay standardization and reproducibility for evaluating compounds that modulate inter-brain synchrony.
- Analytics: Provides wavelet coherence and principal component analysis outputs for quantitative comparison of neural dynamics across conditions.
- Translational Research: Connects Oxy-Hb synchrony measures to preclinical models of social cognition via biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neurophysiological platform for cross-functional teams studying social brain networks.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing ambiguity in social neural mechanism interpretation.
- Operational Value: Ensures standardization, reproducibility, and scalability of hyperscanning protocols across sites.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality through objective neural synchrony readouts, reducing late-stage attrition in CNS programs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on mechanistic biomarker data from interactive paradigms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, experimental design, and signal processing for fNIRS data.
- Dependent on stable near-infrared spectroscopy systems and motion artifact correction capabilities (e.g., wavelet-based methods, PCA).
- Necessitates cross-team standardization of probe placement, signal quality checks, and data export procedures.
- Adaptation across model systems must account for species-specific neuroanatomy and hemodynamic response characteristics.
- Practical limitations include susceptibility to motion artifacts and environmental light interference, as noted in source material.
