Neuroscience

ניסויים Hyperscanning עם ספקטרוסקופיית אינפרא אדום הפונקציונליים

Published: January 19, 2019 doi: 10.3791/58807

Vanessa Reindl^1,2, Kerstin Konrad^1,2, Christian Gerloff^2,3, Jana A. Kruppa^1,2,4, Laura Bell¹, Wolfgang Scharke¹

¹Child Neuropsychology Section, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy, Medical Faculty, RWTH Aachen University, ²JARA-Brain Institute II, Molecular Neuroscience and Neuroimaging, RWTH Aachen & Research Centre Juelich, ³Lehrstuhl II für Mathematik, RWTH Aachen University, ⁴Translational Brain Research in Psychiatry and Neurology, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics, and Psychotherapy, University Hospital Aachen

Summary

בפרוטוקול הנוכחי מתאר כיצד לערוך ניסויים hyperscanning fNIRS וניתוח synchrony למוח. יתר על כן, נדון אתגרים ופתרונות אפשריים.

Abstract

המוח בו-זמניות הקלטות של שני אנשים או יותר אינטראקציה, גישה כינה hyperscanning, צובר קרנם על הבנתנו הפסיכולוגי הנוירוביולוגי של אינטראקציות חברתיות, וביחסים בין-אישיים ואולי . ספקטרוסקופיית אינפרא אדום הפונקציונליים (fNIRS) הוא גם מתאים ניסויים hyperscanning כי זה מודד המקומי בגרימת תופעות עם קצב הדגימה גבוהה, חשוב, זה יכול להיות מיושם בסביבה טבעית, לא דורש תנועה קפדנית הגבלות. במאמר זה, נציג פרוטוקול עבור ניסויים fNIRS hyperscanning עם דיאדת הורה-ילד, ניתוח synchrony למוח. יתר על כן, נדון בעיות קריטיות וכיוונים עתידיים, לגבי עיצוב ניסיוני, רישום המרחבי של ערוצי fNIRS, השפעות פיזיולוגיות, שיטות ניתוח הנתונים. הפרוטוקול המתואר אינה ספציפית כדי דיאדת הורה-ילד, אבל יכול להיות מיושם למגוון של הכוכבים dyadic שונים, כגון זרים למבוגרים, שותפים רומנטיים או אחים. לסיכום, fNIRS hyperscanning יש את הפוטנציאל להניב תובנות חדשות הדינמיקה של אינטראקציה חברתית מתמשכת, אשר אולי ללכת מעבר מה יכול להילמד על ידי בחינת הפעילות של המוח בודדים.

Introduction

בשנים האחרונות, מדעני מוח החלו ללמוד אינטראקציות חברתיות ע י הקלטת את פעילות המוח של שני אנשים או יותר בו זמנית, גישה כינה hyperscanning¹. טכניקה זו פותח הזדמנויות חדשות התירי המנגנונים הנוירוביולוגי אינטראקציות אלה. כדי להבין באופן מלא אינטראקציות חברתיות, לא ייתכן מספיקים ללמוד שכל יחיד בידוד, אבל מעדיף פעילויות משותפות של המוח של אנשים שמעצבת². שימוש בטכניקות דימות מוחי שונה, hyperscanning מחקרים הראו המוח הזה פעילות של אנשים או קבוצות שמעצבת לסנכרן, למשל, בזמן שהם לתאם את הפעולות שלהם³, לעשות מוזיקה⁴,⁵, תקשורת לעסוק בכיתה פעילויות⁶ או⁷לשתף פעולה.

המאמר מציג פרוטוקול לביצוע הקלטות בו זמנית עם אינפרא אדום הפונקציונליים ספקטרוסקופיה (fNIRS). בדומה דימות תהודה מגנטי תפקודי (fMRI), fNIRS מודד את התגובה והמודינמיקה הפעלה מוחית. שינויים רווית חמצן, המוגלובין (אוקסי-Hb ו deoxy-Hb) אינם מחושבים בהתבסס על כמות אור אינפרא אדום diffusively המשודרת דרך רקמות⁸. fNIRS הוא גם מתאים ניסויים של hyperscanning, במיוחד עם ילדים, כי זה יכול להיות מיושם בהגדרות פחות מאולצות וטבעית יותר מאשר ה-fMRI. יתר על כן, זה נוטה פחות תנועה חפצים יותר משניהם, fMRI ו- EEG⁹. בנוסף, ניתן לרכוש fNIRS נתונים בתדרים דגימה גבוהה (למשל, 10 הרץ), ובכך הוא מאוד oversamples את התגובה איטית יחסית בגרימת ומספק ובכך פוטנציאל טמפורלית תמונה שלמה יותר של ספיקת הדם המוח¹⁰.

פרוטוקול זה פותחה במסגרת המחקר של ריינדל. et al. ¹¹ , מעט שונה (בפרט ביחס ערוץ מיקום וזיהוי ערוץ רע) לאחרונה. מטרת המחקר הייתה לבחון את פעילות המוח מסונכרן של דיאדת הורה-ילד. שימוש fNIRS hyperscanning, אנחנו העריכו-למוח synchrony באזורי המוח הקדם חזיתית של ילדים (בגילאי חמש עד תשע שנים), ההורים שלהם, בעיקר אמהות, במהלך שיתופית, פעילות המחשב תחרותי. המוח הקדם חזיתית אזורים ממוקדים כפי שהם היו זוהה אזורים חשובים עבור תהליכים חברתיים אינטראקטיביים hyperscanning הקודם מחקרים¹ הפעילות קואופרטיב and תחרותי פותחו במקור על ידי קואי. et al. ¹² ומועסק לאחרונה מספר הקודם מחקרים¹³^,¹⁴^,¹⁵. לצורך המחקר של ריינדל. et al. ¹¹, המשימות ששונו מתאים לילדים. המשתתפים הונחו להשיב גם במשותף באמצעות לחצן מכבשים בתגובה מטרה (שיתוף פעולה) או להגיב מהר יותר השחקן השני (התחרות). כל ילד לבצע כל פעילות פעם עם האב ופעם אחת עם זר למבוגרים בני אותו המין כהורה. בתוך כל ילד םיפתתשמ ובניהם, דיסקרטית קוהרנטיות מחושב עבור האותות אוקסי-Hb של ערוצים המתאימים כאמצעי של synchrony למוח.

פרוטוקול זה מתאר את ההליכים כדי לאסוף נתונים hyperscanning fNIRS של הורה וילד במהלך המשחק קואופרטיב and תחרותי. התהליך הכללי, לעומת זאת, אינה ספציפית כדי עיצוב מחקר זה אבל מתאים לאוכלוסיות שונות (למשל, זרים למבוגרים, שותפים רומנטיים, אחים, וכו '), ניתן להתאים למספר משימות ניסויים שונים. פרוטוקול זה גם מתווה אפשרי אנליטי נוהל אחד, אשר מכסה צעדים ניתוח נתונים הכרחיות, כולל fNIRS נתונים preprocessing, זיהוי ערוץ רע, דיסקרטית קוהרנטיות ניתוח ואימות באמצעות ניתוח זוג אקראית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

לפני השתתפות, כל ההורים / ילדים בתנאי מדעת / סילוק. המחקר אושרה על ידי ועדת האתיקה של הפקולטה לרפואה של RWTH אאכן האוניברסיטה.

1. הכנה לפני המשתתף מגיעה

להכין כובעים NIRS.
1. לבחור גודל קאפ באותו גודל או מעט גדול יותר מאשר היקף הראש של המשתתף.
2. חותכים 15 חורים בקוטר של 15 מ מ כל אחת, מסודרים ברשת 3 x 5 אופקי, לאזור המצח של כל אחד 2 כמוסות EEG raw (ראה טבלה של חומרים). ודא כי החורים הם במרווחים 30 מ מ אחד מהשני בכל כיוון, כי העמודה האמצעית של חורים ממוקם במרכז המצח, קרי, מעל האף, וזה לשורה התחתונה ממוקם מעל הגבות.
3. על מנת להפוך את הפקקים לנוחה יותר, למזער את סימני לחץ, לצרף חומר קצף רך (למשל, דבק חלון אטימה קלטת או שטוח דומה חומר מוקצף גומי) על הצד הפנימי של הרשת מחזיק בין אדני בדיקה ולא בקצוות. השתמש דו-פרצופי דבק סלוטייפ או חוט תפירה במידת הצורך.
4. הר 3x5 אינץ המכשיר מחזיק טבלה ריקה (ראה טבלה של חומרים) לכל אחת משתי אותיות EEG ששונה כזה הרשת בעל עצמה ממוקמת על החלק הפנימי של הכיפה, בעל שקעים מקל החורים.
  הערה: מערכת מדידה NIRS (ראה טבלה של חומרים) יש שניים נפרדים ערכות בדיקה, השתמש רגש אחד עבור כל משתתף.
5. הכנס בעדינות את הגששים לתוך אדני מחזיק המתאים על הרשתות, כך רק הרכס הראשון של כל בדיקה נטען בשקע, שתוצאתו צליל נקישה אחת.
6. פתח המכשיר להגדיר הצג חלון במערכת מדידה NIRS, ערכות בדיקה 2 בחר לארגן ברשת 3 x 5 כל אחד, אחד עבור הילד המשתתפים ואחד עבור אדם בוגר. להבטיח כי ההסדרים בדיקה משתי אותיות שני מקביל הסידורים בחלון קביעת בדיקה (קרי, באותו מיקום של פולט בהתאמה, מקלט לווין מספרים).
להכין את הניסוי.
1. להתחיל בשיטת המדידה NIRS עם דיודות לייזר הדליק 30 דקות לפני מדידה, כך המערכת מגיעה טמפרטורת הפעלה יציבה.
2. לקבוע את כל האפשרויות הדרושות בשיטת המדידה NIRS. ודא כי ההתקן מוגדר למדידה הקשור לאירוע RS232 טורי הקלט, הכרחי עבור קבלת מפעילים של הפרדיגמה ניסיוני, פעילה.
  הערה: הניסוי הוא גרסה מותאמת על ידי פרדיגמה על ידי קואי. et al. ¹², מתוכנת בהרחבות פסיכופיזיקה בארגז הכלים מסחרי, גירסה 3.0.11¹⁶.
3. להכין את פרדיגמה נסיונית על-ידי הפעלת התוכנה מחשוב טכני (ראה טבלה של חומרים) אשר משמש כבסיס עבור ההרחבות של ארגז הכלים פסיכופיזיקה והגדרת את הספריה הנוכחית לתיקיה הפרדיגמה נשמר.
4. למקום השני הסנטר מונח מול מסך המחשב כדי למנוע תנועות ראש במהלך הניסוי.

2. המשתתפים ההגעה במעבדה

להכין את המשתתפים.
1. הצג והסבר את הגדרת הניסוי כולל מערכת מדידה NIRS למשתתפים. תמיד לוודא כי המשתתפים לא נראים ישירות לתוך קרן הלייזר של מערכת המדידה NIRS כמו זה עשוי להיות מזיקים לעין.
2. מושב המשתתפים אחד ליד השני מול מסך המחשב. להתאים את הגובה של הסנטר נשענת כך שני המשתתפים לשבת בנוחות.
3. להנחות את המשתתפים ולפקח על ניסויים בפועל של הקואופרטיב והן למשחק תחרותי. לתת הוראות נוספות במהלך תרגול במידת הצורך.
4. למדוד ולסמן את הנקודה Fpz על פי שיטת 10-20, אשר הוא 10% המרחק בין nasion inion, על הראש של כל משתתף.
5. מניחים את הפקקים הגששים בזהירות על ראשיהם המשתתפים, עם לייזר כבוי. המקום הקדמי של הכיפה, כולל הרשת בדיקה, על המצח של המשתתף הראשונה ולאחר מכן משוך במורד גבו של הכיפה לכיוון הצוואר. ודא כי המכשיר באמצע השורה התחתונה מושם על Fpz, העמודה האמצעית בדיקת מיושר לאורך העקומה הפניה הווריד.
6. במקום המחרוזות סיבים על הזרוע מחזיק מצורף אל מערכת מדידה NIRS כך הם תולים ברפיון ללא מגע עם המשתתף או כיסא, וכי הם לא למשוך את הפקקים. השתמש של מחזיק נוספים (למשל., ששונה מיקרופון לעמוד או דומה) עבור המשתתף השני במידת הצורך.
7. לדחוף את כל בדיקה נוספת לתוך השקע שלו עד האף לבן קטן במרכז החלק העליון של המעטפת המכשיר יהיה גלוי.
  הערה: האף הוא דחף כלפי מעלה ע י מנגנון קפיץ הגליל ברגע קצה המקדח נוגע הקרקפת של המשתתף.
8. להפעיל את הלייזר שוב ולבדוק את איכות האות על-ידי לחיצה על כפתור לקבל אוטומטית בחלון צג ערכה בדיקה של מערכת המדידה NIRS.
9. אם ערוץ לא קיים אות מספיק (כלומר, אם הוא מסומן בצהוב), בעדינות לשים בצד את השיער מתחת קצה המקדח שמסביב. במידת הצורך, דחפו את הגששים נוסף ממקומם אבל להבטיח את הנוחות של המשתתף. בדוק אם איכות האות השתפרה (קרי, שהערוץ כעת מסומן בירוק) על-ידי לחיצה על כפתור Auto לזכות שוב.
10. אם שלב 2.1.9. לא להוביל שיפור האות, להתאים את עוצמת האות. אם יש אות מדי (כלומר, אם הערוץ מסומן באדום), לשנות את עוצמת אות נמוך שוב ושוב את עוצמת האות על ידי לחיצה על הסמל של החללית בהתאמה את הגשוש להגדיר חלון צג של מערכת המדידה NIRS. אם אין מספיק אות (קרי, אם הערוץ מסומן בצהוב), לשנות את עוצמת האות עוצמת שידור גבוהה, שוב על-ידי שוב ושוב לחיצה על הסמל של החללית בהתאמה.
הפעל את הניסוי
1. כאשר קיימות אין שאלות לאחר המבחנים לתרגול מובטחת איכות אות טוב, להתחיל את פרדיגמה נסיונית.
2. המקום מגבת על הידיים המשתתפים, כך הם לא יכולים לראות את תנועות ידיים של בן הזוג משחק בהתאמה.
3. לאחר הניסוי, לשמור את הנתונים, לייצא את הנתונים הגולמיים עוצמת האור כקובץ טקסט על-ידי לחיצה על כפתור קובץ טקסט החוצה. אין להחיל מסננים כלשהם במערכת מדידה NIRS.
4. לנקות בחומרים נחוצים (הגששים, מחזיקי רכב הגישוש, הסנטר נשענת) עם אתנול. לשטוף את הפקקים במחזור עדין עם חומר ניקוי מתון.

3. ניתוח נתונים

נתונים Preprocessing
הערה: יש מספר חבילות תוכנה מסחרי זמינים עבור ניתוח נתונים של fNIRS, למשל., הומר¹⁷, AnalyzIR המוח NIRS¹⁸ או SPM עבור fNIRS¹⁹. האחרון שימש preprocessing בשלבים הבאים. לקבלת מידע נוסף כיצד לבצע את הפעולות הבאות, נא עיין במדריך בארגז הכלים.
1. להמיר את קבצי הנתונים SPM עבור תבנית נתונים fNIRS.
2. לחשב אוקסי-Hb deoxy-Hb ריכוז שינויים באמצעות החוק למברט ששונה על-ידי לחיצה על לחצן המר בחלון הראשי. הזן הגיל את הנושא ואת המרחק בין מקור גלאי (למשל, 3 ס מ). לקבל את ערכי ברירת המחדל עבור מקדמי קליטה טוחנת של אוקסי-Hb, deoxy-Hb-גל (λ) 1 ו λ 2, כמו גם ערכי ברירת המחדל עבור הגורם pathlength דיפרנציאלית (DPF) λ 1 ו λ 2.
3. של תהליך מוקדם סדרת הזמן בגרימת שינויים כדי להפחית לכלוכים תנועה על-ידי בחירת לחצן מארה (לקבלת מידע נוסף על הכס אלגוריתם מארה. Scholkman et al. ²⁰).
4. של תהליך מוקדם סדרת הזמן להפחית לאט נשתל על ידי בחירת לחצן DCT.
זיהוי ערוץ רע
הערה: זיהוי ערוץ רע יכול להתבצע לפני ועם לאחר preprocessing נתונים fNIRS. ב פרוטוקול זה, משולבים קריטריונים אובייקטיביים שונים לגילוי ערוצי רע, בדיקה ויזואלית. אנא שימו לב כי רשימת קריטריונים אובייקטיביים המוצעת אינה ממצה. לצורך זיהוי ערוץ רע, סקריפטים עצמית בכתב שימשו (טכני מחשוב תוכנה לראות טבלה של חומרים).
1. הכללת ערוצים שבה אין שינוי אות עבור מספר דגימות מתמשך, אשר מסומן על ידי קו שטוח בעת התוויית סדרת הזמן.
2. לחשב את המקדם של וריאציה CV = ממוצע/SD * 100 עבור הנתונים הגולמיים הנחתה. השמטת ערוצים בהם קורות חיים הוא מעל אחוז מוגדר מראש (למשל, 10%; ראה למשל קאנט ואן דר. et al. ²¹).
3. להתוות את ספקטרום ההספק של האות. אם אין דופק גלוי בספקטרום אות בסביבות 1 הרץ, כמצוין על-ידי כוח מוגבר בלהקת תדר, אל תכלול את הערוץ הניתוח.
4. מבחינה ויזואלית לבדוק את כל הנתונים לפני ו/או לאחר preprocessing. להחליט אם לכלול את הערוץ בהתבסס על קריטריונים אובייקטיביים, שמתואר 3.2.1 – 3.2.3, כמו גם בכל הקשור סובייקטיבית זיהוי חזותי של ערוצי רועש.
קישוריות למוח
הערה: שניים שונים להעריך סוגים של חיבוריות במוח ניתן להבחין: הערכות שאינו מכוון, אשר לכמת את הכוח של הקישוריות, ושל האומדנים מכוונת, אשר מבקשים לבסס ראיות סטטיסטיות הסיבתיות מהנתונים²². כאן הפוקוס היה על קוהרנטיות המרה אדוה (WTC), הערכה נרחב שהוחל שאינו מכוון עבור קישוריות למוח fNIRS. מספר פתרונות תוכנה מסחרי עבור חישוב של WTC זמינים, למשל, על ידי Grinsted ועמיתיו²³ או ASToolbox²⁴, אשר היה בשימוש פרוטוקול זה עבור השלבים הבאים.
1. הפונקציה AWCO של ASToolbox, ציין את אמא דיסקרטית (למשל, מוכללת מורס דיסקרטית עם פרמטרים בטא, גמא), המשמש אדוה רציפה כדי להפוך כל סדרה הזמן לתוך התחום זמן ותדירות טרנספורמציה.
2. ציין את סוג חלון החלקת (למשל, חלון הנינג) ואת גודל החלון החלקת עבור התחום זמן וקנה מידה בפונקציה AWCO.
3. כדי לבחון את משמעותה של מקדמי WTC וכדי לחשב שלהם p-ערכים, ציין את המספר של הפונדקאית זמן סדרת (n ≥ 300) ואת המודל ארמה (למשל, AR (1)) בפונקציה AWCO.
4. עם הפרמטרים שצוינו 3.3.1 כדי 3.3.3 שלבים, לחשב את קוהרנטיות דיסקרטית של שני ערוצים המתאימים (על אותו ערוץ שני משתתפים).
5. לבחור להקה תדירות עניין בו synchrony-למוח הקשור לפעילות הצפויה להתרחש בהתבסס על מחקרים קודמים, בדיקה ויזואלית של הנתונים (עבור ראה גישה חלופית. Nozawa et al. ²⁵).
6. חישוב הממוצע של מקדמי WTC ועם אחוז משמעותי המקדמים WTC בלהקה בתדירות הקשור לפעילות עבור כל בלוק הפעילות בכל אחד מהערוצים, ובניהם כל. השתמש בערך זה כאמצעי תוצאה של synchrony למוח לצורך ניתוח סטטיסטי נוסף (לקבלת מידע נוסף, ראה ריינדל. et al. ¹¹).
השוואה עם זוגות אקראי
הערה: כדי לאמת את התוצאות, מומלץ להשוות WTC של דיאדת בפועל הפיננסי של זיווגים מבוגר-ילד אקראי, לא לשחק אחד עם השני, אך ביצע את אותה הפעילות ניסיוני.
1. לחשב WTC, כמתואר ב- 3.3., לזוגות של המשתתף לא לשחק ביחד, אבל לבצע את המשימה ניסיוני אותו (קרי, זוגות אקראית). בחר את מספר אקראי זוגות (למשל, 300 עבור כל תנאי) ולחשב WTC עבור כל זוג אקראית.
2. להשוות את קוהרנטיות של זוגות אקראי, בפועל כדי למנוע הגילוי של מתכונת כדין.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

נציג נתונים של הצמד הורה-ילד אחד בתקופת התנאי שיתופית מוצגים באיור1. פעילות שיתופית מורכב s 30 שלושה מנוחה רחובות פעילות שני בלוקים, עם 20 ניסויים כל אחת, המוצגים מתחלפים סדר. בבכל ניסוי, המשתתפים יש להגיב בו זמנית ככל האפשר לאות כדי להרוויח נקודות¹¹.

איור 1: ניתוח נתונים Hyperscanning ותוצאות נציג. עוצמת האור נתונים נאספים בערוצים 22 (CHs) של שני המשתתפים. ערוצי הראשון, רע זוהה, נשלל מניתוחי עוד יותר. לאחר מכן, נתוני עוצמת האור מומר לשינויים אוקסי המוגלובין (Δ Oxy-Hb), deoxy-המוגלובין (Δ Deoxy-Hb). אותות מוצגים עבור הצמד אב למופת אחד ב- CH-8 בתקופת התנאי שיתופית. נתונים בקובייה על-ידי הפחתת התנועה והאיורים נשתל איטי. לאחר מכן, ה קוהרנטיות דיסקרטית מחושבת על פי האותות אוקסי-Hb עיבוד מקדים. כדי להעריך את המשמעות של כל ערך קוהרנטיות דיסקרטית, נוצרים 300 סדרת זמן הפונדקאית. אם הערך קוהרנטיות דיסקרטית שנצפה הוא גבוה יותר מ 95% מהערכים קוהרנטיות דיסקרטית המתקבל הסדרה זמן הפונדקאית באותה הנקודה ושעת בקנה מידה, שזה נחשב משמעותי. דיסקרטית משמעותי קוהרנטיות הערכים מסומנים באמצעות קווים מלאים סביב האזורים המתאימים בעלילה. קוהרנטיות בלהקה הקשורות למשימות שכיחות מתואר בתוך הקופסה השחורה. אנא שימו לב כי הצעדים ניתוח ולא את parameterization מתואר באיור צריך להבין כדוגמה. Parameterization האופטימלית תלויה הנתונים, למשל. פרמטרים שונים של האלגוריתם מארה עשוי לעבוד הכי טוב עבור סוגים שונים של חפצים²⁰, עדיין יש אין תקן זהב עבור כל אחד מהשלבים ניתוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

התוצאות הם דוגמה עבור הנתונים fNIRS של ערוץ 8 של שני המשתתפים של אב-צאצא ובניהם. לפני preprocessing, נתונים הנחתה קלות גולמית, קיבל את המכשיר fNIRS, עוברים המרה שינויים אוקסי-Hb deoxy-Hb שני המשתתפים. בשלב הבא, fNIRS הזמן סדרת הם עיבוד מקדים כדי להפחית לכלוכים תנועה ואת נשתל. לבסוף, WTC משמעותי מחושבת על פי האותות אוקסי-Hb עיבוד מקדים של שני המשתתפים.

איור 1 מדגימה מטריצה WTC מוערך מאוד, אשר מורכב של מקדמי קוהרנטיות בתחום התדר וזמן (כאן אורך התקופה). מקדמי יכול לנוע בין 0 ל- 1, עם 1 המציינת מערכת יחסים מושלמת בזמן ספציפי ואותות תדר בין שניהם²⁴. המקדמים הם visualized באמצעות מפת צבעים הנעים בין כחול (מעט או ללא קוהרנטיות) אדום (קוהרנטיות חזק או מקסימום). קוהרנטיות משמעותי הערכים מסומנים באמצעות קווים שחורים מלאים סביב האזורים המתאימים בעלילה. ההתחלה ואת הסוף של כל רחוב פעילות מסומנים באמצעות קווים מקווקווים אנכי.

התוצאות מראות על קוהרנטיות חזקה לאורך כל הניסוי בלהקה בתדירות גבוהה, עד לאורך תקופה של ~ 1 s (1 הרץ). זה סביר תוצאות לקצב הלב של הורה וילד. בנוסף, התוצאות מראות על קוהרנטיות חזקה בלהקה בתדירות נמוכה יותר בין ~ 2 s ו- s 8 תקופת אורך (0.5 - 0.125 הרץ). אורך משפט שונה בשל פסאודו אקראי הסימן משתנה המשכים (600-1500 ms), זמני תגובה אישית של המשתתפים אבל היו בסביבות 7 s בממוצע, בהנחה זמני תגובה כ 1 s. לכן, קוהרנטיות בטווח בתדר נמוך זה סביר משקף סנכרון של פעילויות המוח של שני נושאים במהלך הפעילות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ב פרוטוקול זה, אנו מציגים כיצד לערוך ניסויים hyperscanning fNIRS, דרך אפשרית. אחת כדי לנתח-למוח synchrony, מדידת ריכוז שינויים של אוקסי-Hb deoxy-Hb-אזורים במוח הקדמי של שני נושאים בו זמנית. FNIRS hyperscanning יחסית קל ליישם: מכשיר NIRS אחת מספיקה למדוד את פעילות המוח של שני נושאים על-ידי פיצול של optodes ביניהם. לפיכך, אין סינכרון בין התקנים שונים הוא הכרחי¹. יתר על כן, כיוון fNIRS אינה דורשת הגבלת תנועה קפדנית, היא מתאימה עבור ניסויים hyperscanning בסביבה טבעית, אצל ילדים. בחלק זה, אנו להדגיש כמה בעיות קריטיות בעת תכנון, ניתוח ופרשנות ניסויים hyperscanning (fNIRS), לדון באתגרים, כמו גם פתרונות אפשריים.

עיצוב ניסיוני. נושא חשוב אחד המחקרים hyperscanning נוגע הנבחנים. לשני משתתפים השלימו את אותה פעילות ניסיוני בנפרד עשוי להראות דומה לפעילות המוח, אשר אז אולי יהיה מזוהה כמו-למוח synchrony²⁶. כדי להבדיל בין synchrony למוח המושרה על ידי הפעילות ניסיוני על ידי אינטראקציה חברתית, נחוצים תנאים המתאימים בקרה ניסויית. מצד אחד, המשימות קואופרטיב and תחרותי היטב ומותאם שכן הם נבדלים רק ברכיב פעילות שיתופית, ולא החומר גירוי והתנהגות מוטורית של המשתתף. מצד שני, פחות אינטראקציות מתוקננת וטבעית יותר (למשל, עושה פאזל יחד) עלול לגרום עוד בשונות בהתנהגות חברתית אינטראקטיבית ואת שאולי תוקף אקולוגי גדול.

רישום המרחבי של ערוצים. אתגר אחד ב- fNIRS hyperscanning הוא מדידת פעילות והמודינמיקה בערוצים המתאימים. הצמדת הגששים פולט, גלאי במקומות המתאימים של שני המשתתפים ראשי אינה מתחייבת כי פעילות שני אזורים קורטיקליים המתאים הוא טפח, כמו המוח בודדים אנטומיה הוא עלול לחלוק על פני המשתתפים. במקביל מדידה מבוגר וילד מחריף בעיה זו על ידי הצגת הבדלים התפתחותיים מעל אלה אנטומיים. יתר על כן, עם מספר גדל והולך של ערוצים, המיקום של הערוצים הוא פחות לשחזור על פני נושאים בשל השתנות צורת הראש ואת גודל²⁷. אביזר אופציונלי אחד עד ETG-4000 שווה בדיקה מיצוב יחידה אשר יוצר עמדות בדיקה ביחס fiducial נקודות על הראש במרחב תלת-ממדי. נתונים אלה ואז ניתן שיתוף רשום על התמונה מר מבנית במוח של המשתתף²⁷. מר תמונות ומימוש יחידת המיקום יאפשר הנסיין לשלוט טוב יותר אם הפעילות נמדד למעשה באזורים במוח המקביל לרוחב לשני משתתפים. בנוסף, החוקרים יכולים חלקית לעקוף בעיה זו על-ידי חישוב מודל כל-אל-כל קישוריות, מדידת הקשר בין כל שני ערוצים של שני המשתתפים.

השפעה של הפיזיולוגיה מערכתית. נושא חשוב נוסף הוא בגרימת שינויים הם להיות מושפעת לא רק על ידי השפעת נוירו-וסקולריים מצמד, פעילות. עצבית ובכך, אלא גם על ידי שינויים מערכתית, כגון שינויי קצב הלב, לחץ הדם, קצב הנשימה, וידוע אוטונומי פעילות מערכת העצבים²⁸. לכן, כל synchrony זוהה עם השינויים והמודינמיקה לשני משתתפים משתפים פעולה גם ניתן לייחס synchrony של גורמים אלו. מחקרים קודמים הראו כי שני השותפים אינטראקציה אכן לסנכרן שלהם פעילויות פיזיולוגיות²⁹. עם זאת, שים לב במשימות עם תנאים שונים ניסיוני, אשר ישירות מושווים אחד לשני, שזה רק confounder אם צימוד פיזיולוגיים בולט יותר אחד אבל לא התנאים האחרים. בכל זאת, זה יכול להיות מועיל לרכוש נתונים פיזיולוגיים במחקרים hyperscanning כדי לאפשר שליטה ניסויית של פרמטרים אלה. אפשרות נוספת, כפי שהוכח לאחרונה על ידי Nozawa. et al. ²⁵, היא להוסיף ערוצי מדידה עם פרידה קצרה מקור-גלאי (S-D) (למשל, 1 ס מ), אשר רגישים האות זרימת הדם עור שטחיים. הרכיב התואם ואז ניתן להסיר את האות fNIRS המתקבל ערוצי מדידה עם פרידה S-D רגיל (למשל, 3 ס מ), ובכך להקטין את ההשפעה של confounders פיזיולוגית. בגישה כזו כפול או מרחק רב הוכח לשפר את הרגישות לתהודות פעילות משופרת (כאן: תקשורת משופרת) synchrony למוח.

ניתוח נתונים. Hyperscanning התוצאות תלויות משערך לכמת synchrony למוח. במחקר הנוכחי, אנחנו מחושב WTC אוקסי-Hb אותות של ערוצים המתאימים כאמצעי של synchrony למוח. שיטות מבוססות דיסקרטית יש יתרון כי הם מחשיבים את הדינמיקה מתנדנדות סדרות זמן בחלל זמן-תדר. WTC הוא מדד שאינו מכוון מחושב מתוך סדרת זמן דיסקרטית טרנספורמציה, המייצג את עוצמת הקשר בין שתי סדרות זמן. בעתיד מחקרים, זה יהיה מעניין שיכלול בנוסף אמצעי מכוון, כגון גריינג'ר סיבתיות, כדי לבחון אילו משתתף "מוביל" הפעילות (ראה למשל פאן. ואח ¹⁵). יתרה מכך, בעוד מחקרים רבים מבוססי fNIRS hyperscanning הקודם בוחנים-למוח synchrony אות אחת בלבד (למשל, אוקסי-Hb), זה רצוי לשקול אוקסי-Hb והן deoxy-Hb (וגם אולי סה כ- Hb) על מנת לקחת מלא היתרון של טכניקת fNIRS¹⁵.

מגבלות. למרות fNIRS מציעה טכניקה דימות מוחי מבטיח, הגדל במהירות, כמה מגבלות טכניות הקשורות להתקן צריכים לקחת בחשבון בעת תכנון מחקר כזה (עבור ראה סקירה האחרונה. Pinti et al. ³⁰)-לעומת EEG, fMRI, fNIRS עמיד יותר לחפצים תנועה, עדיין, זה עדיין דורש מספקת בקרת החפץ תנועה וזיהוי. קיימות מספר סיבות אפשריות של חפצים. ראשית, חלק מהמשתתפים נוטים להזיז את הראש שלהם בפתאומיות, במיוחד בתינוקות וילדים, ואת ובכך עלול למשוך את ספינלי סיבים, המשפיעים על הקשר optode. ההתפתחויות של מכשירים חדשים fiberless עמידים יותר לתנועה, ובכך לאפשר חקירה של משימות פעילות³⁰. השימוש של מנוחה הסנטר יכול לשמש בפקד פריט תנועה נוספים; עם זאת, זה מגביל את היכולת להקליט את פעילות המוח באינטראקציות טבעי. שנית, רכישת איש קשר optode הולם יכול להיות מוגבל בשל שיער כהה, מתולתל ו / או עבה של המשתתף. הצבת את optodes ובכך פקוקה, אות מושלם אינה מובטחת תמיד. שלישית, בהתאם לסוג מערכת fNIRS, לובש optodes לתקופה ארוכה יותר של זמן יכולים ללחוץ על הראש של המשתתף, אשר יכולה להיות מנוסה להיות לא נעימה. זו אינה מגבילה רק את זמן ההקלטה של הניסוי, אך עלול גם להוביל תנועה וממצאים נוספים (למשל, ילדים קטנים יותר עשויים לבטל על המכסה). בנוסף תנועה חפצים, זה לציון fNIRS הזה מספק אמצעים של המשטח בקליפת המוח בלבד. לבסוף, ישנם הנחיות ניתוח נתונים מתוקננים אין עדיין. מספר תיבות כלים שפותחו במהלך השנים האחרונות, נעשו ניסיונות הראשון כדי לנתח את היעילות של טכניקות preprocessing שונות (למשל, Brigadoi. et al. ³¹ , קופר. et al. ³²). יתר על כן, הפרוטוקול אנליטי שהוצגו במאמר זה מציגה דרך אחת כדי לנתח נתונים hyperscanning fNIRS. חשוב, צריך להבין את ערכי הפרמטרים של הניתוח כאופציה אפשרית אחת, לא בתור קו מנחה סטנדרטי. מספר פרוטוקולים אחרים אנליטי עבור fNIRS hyperscanning פותחו בשנים האחרונות על ידי קבוצות מחקר שונות (ראה למשל קואי. et al. ¹²; . הירש ואח ³³).

מסקנה. fNIRS hyperscanning היא טכניקה מבטיח כדי לקבל עוד תובנות בסיס הנוירוביולוגי של אינטראקציות חברתיות³⁴. בעתיד, מכשירים ניידים NIRS fiberless עשויה להיות חשובה במיוחד כאשר בחינת-למוח synchrony אינטראקציות טבעיות, להזיז הצמד כלפי קבוצות גדולות יותר של נושאים. לבסוף, שילוב טכניקות דימות מוחי שונה, למשל, EEG-fNIRS, עשוי לספק תובנות חדשות, הרחבת ההבנה שלנו של synchrony למוח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו מומן על ידי יוזמה מצוינות של המדינה הפדרלית הגרמנית, ממשלות (ERS זרע קרן, OPSF449). מערכת Hitachi NIRS נתמכה על ידי מימון DFG קרן מחקר גרמני (מוסד 948/18-1 FUGG).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 3x5 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).