Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
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Protocol
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
- Prepare as tampas do NIRS.
- Escolha os tamanhos da tampa do mesmo tamanho ou ligeiramente maior do que a circunferência da cabeça do participante.
- Corte 15 furos com um diâmetro de cerca de 15 mm cada, organizados em uma grade de 3 x 5 horizontal, para a área da testa de cada um dos 2 tampas de EEG crus (ver Tabela de materiais). Certifique-se que os furos são espaçado 30 mm da outra em qualquer direção, que a coluna do meio de buracos está localizada no centro da testa, ou seja, acima do nariz, e que a linha inferior situa-se acima das sobrancelhas.
- Para fazer as tampas mais confortável e minimizar marcas de pressão, anexar material de espuma macia (por exemplo, adesiva janela da selagem, fita ou semelhante plano material de espuma de borracha) no lado interno da grade titular entre os soquetes da sonda e nas bordas. Use fita adesiva dupla face ou linha de costura, se necessário.
- Montar uma grade de titular de sonda de 3 x 5 vazio (ver Tabela de materiais) para cada um dos gorros de EEG modificados tais que a grade de suporte propriamente dito é colocada no interior da PAC e o titular soquetes vara nos buracos.
Nota: O sistema de medição de NIRS (ver Tabela de materiais) tem dois separar conjuntos de sonda, use uma sonda para cada participante. - Insira cuidadosamente as sondas nos encaixes nas grades suporte apropriado tal que apenas o primeiro cume de cada sonda é montado no soquete, que resulta em um som de clique.
- Abrir a sonda definir janela monitor no sistema de medição de NIRS e selecione sonda 2 conjuntos organizados em uma grade de 3 x 5 cada um, um para a criança participante e outra para o adulto. Certifique-se de que o regime de sonda das duas tampas corresponde ao regime na janela conjunto de sonda (ou seja, mesmo local do respectivo emissor e números de sonda do receptor).
- Prepare o experimento.
- Inicie o sistema de medição de NIRS com díodos laser ligados 30 min. antes da medição, tal que o sistema atinge um estábulo, temperatura de funcionamento.
- Defina todas as opções necessárias no sistema de medição de NIRS. Certifique-se que o dispositivo está definido como medição relacionados ao evento e que a entrada serial RS232, necessária para o recebimento de gatilhos do paradigma experimental, está ativa.
Nota: A experiência é uma versão adaptada por um paradigma idealizado por Cui et al 12, programado nas extensões não-comercial de ferramentas psicofísica, versão 3.0.1116. - Preparar o paradigma experimental, iniciando o software de computação técnico (consulte a Tabela de materiais) que serve como base para as extensões de ferramentas de psicofísica e definindo o diretório atual para a pasta que o paradigma é salvo em.
- Queixo de lugar dois baseia-se na frente da tela do computador para evitar que os movimentos da cabeça durante o experimento.
2. participante chegada no laboratório
- Prepare os participantes.
- Mostrar e explicar a instalação experimental, incluindo o sistema de medição de NIRS para os participantes. Sempre certifique-se que os participantes não olhe diretamente para o feixe de laser do sistema de medição de NIRS como isso pode ser prejudicial aos olhos.
- Assento os participantes ao lado do outro na frente da tela do computador. Ajuste a altura dos restos de queixo tal que ambos os participantes sente-se confortavelmente.
- Instruir os participantes e administrar testes de prática da cooperativa e o jogo competitivo. Dar instruções adicionais durante os ensaios de prática, se necessário.
- Medir e marcar o ponto Fpz de acordo com o sistema 10-20, que é 10% da distância entre o nasion e o Ínion, na cabeça de cada participante.
- Coloque as tampas com as sondas cuidadosamente sobre as cabeças dos participantes, com o laser desligado. Coloque a frente da PAC, incluindo a grade de sonda, na testa do participante primeiro e puxe para baixo a parte de trás da PAC para o pescoço. Certifique-se que a sonda média da linha de fundo é colocada no Fpz e a coluna do meio da sonda é alinhada ao longo da curva de referência sagital.
- Coloque os fios de fibra no braço titular ligado ao sistema de medição de NIRS para que penduram livremente sem contato com o participante ou cadeira e que eles não puxe as tampas. Utilize um suporte adicional (ex. modificada, microfone ou similar) para o segundo participante, se necessário.
- Empurre cada sonda ainda mais a sua tomada até o nariz branco pequeno no centro da parte superior do invólucro da sonda é visível.
Nota: O nariz é empurrado para cima por um mecanismo de mola de bobina assim que a ponta da sonda toca o couro cabeludo do participante. - Ligue novamente o laser e a qualidade do sinal de teste clicando no botão Auto ganho na janela monitor de conjunto de sonda do sistema de medição de NIRS.
- Se um canal não tem um sinal suficiente (ou seja, se está marcado em amarelo), gentilmente colocar de lado o cabelo por baixo circundante a ponta da sonda. Se necessário, empurrar as sondas mais longe em suas bases, mas assegurar o conforto do participante. Verifica se a qualidade de sinal melhorou (ou seja, que o canal agora é marcado em verde), clicando no botão Auto ganho novamente.
- Se passo 2.1.9. não conduzir a uma melhoria do sinal, ajustar a intensidade do sinal. Se houver muito sinal (ou seja, se o canal está marcado em vermelho), alterar a intensidade de sinal de baixa intensidade de sinal por repetidamente clicando no símbolo da respectiva sonda a sonda definir janela monitor do sistema de medição de NIRS. Se não houver suficiente sinal (ou seja, se o canal está marcado em amarelo), mude a intensidade do sinal de intensidade de sinal elevado, novamente clicando várias vezes no símbolo da sonda respectivos.
- Realizar o experimento
- Quando não existem perguntas após os ensaios de prática e um sinal de boa qualidade é assegurada, inicie o paradigma experimental.
- Coloque uma toalha sobre as mãos dos participantes para que eles não podem ver os movimentos da mão do seu respectivo parceiro de jogo.
- Após o experimento, salvar os dados e exportar os dados de intensidade de luz crua como um arquivo de texto clicando no botão texto arquivo para fora. Não aplica quaisquer filtros do sistema de medição do NIRS.
- Limpe todas as matérias (sondas, titulares de sonda, queixo descansos) com etanol. Lave as tampas em um ciclo suave com um detergente suave.
3. análise de dados
- Pré-processamento de dados
Nota: Existem vários pacotes de software não-comercial disponível para análise de dados fNIRS, por exemplo., HomER17, NIRS cérebro AnalyzIR18 ou SPM para fNIRS19. Este último foi utilizado para as seguintes etapas de pré-processamento. Para obter mais informações sobre como executar essas etapas, consulte o manual da caixa de ferramentas.- Converta os arquivos de dados para o SPM para formato de dados fNIRS.
- Calcule as alterações de concentração oxi-Hb e deoxy-Hb usando a lei de Beer-Lambert modificada, pressionando o botão converter na janela principal. Entra na idade da matéria e a distância entre a fonte e o detector (por exemplo, 3cm). Aceite os valores padrão para os coeficientes de absorção molar da oxi-Hb e deoxy-Hb em comprimento de onda (λ) 1 e λ 2, bem como os valores padrão para o fator diferencial pathlength (DPF) em λ 1 e λ 2.
- Pré-processar as séries de alterações hemodinâmicas para reduzir artefatos de movimento, selecionando o botão MARA (para obter mais informações sobre a veja algoritmo MARA Scholkman et al . 20).
- Pré-processar as séries cronológicas para reduzir desvios lentos, selecionando o botão DCT.
- Deteção de canal ruim
Nota: Deteção de canal ruim pode ser realizada antes e/ou após fNIRS de pré-processamento de dados. Neste protocolo, são combinados diferentes critérios objectivos para a detecção de canais ruins e inspeção visual. Por favor, note que a lista proposta de critérios objectivos não é exaustiva. Para a deteção de canal ruim, scripts auto escritos foram usados (para o técnico computação software, consulte Tabela de materiais).- Exclua os canais em que não há alteração de sinal para várias amostras contínuas, que é indicada por uma linha reta ao plotar as séries cronológicas.
- Calcular o coeficiente de variação CV = SD/média * 100 para os dados de atenuação cru. Excluir os canais em que o CV está acima de uma porcentagem predefinida (por exemplo, 10%; ver por exemplo van der Kant et al 21).
- Trace o espectro de potência do sinal. Se não tem batidas visíveis no espectro do sinal em torno de 1 Hz, conforme indicado por um poder maior nessa banda de frequência, exclua o canal da análise.
- Inspecione visualmente todos os dados antes ou depois do processamento. Decidir se deseja incluir o canal com base em critérios objectivos, descritos em 3.2.1 – 3.2.3, bem como na detecção visual subjetiva de canais ruidosos.
- Conectividade do cérebro-para-cérebro
Nota: Dois diferentes estimam tipos de conectividade do cérebro podem ser distinguidos: estimativas não direcionados, que quantificar a força da conectividade, e estimativas dirigidas, que visam estabelecer evidência estatística para o nexo de causalidade a partir dos dados22 . Aqui o foco foi a coerência wavelet transform (WTC), uma estimativa amplamente aplicada não direcionados para a conectividade do cérebro-para-cérebro de fNIRS. Dispõem de várias soluções de software não-comercial para a computação do WTC, por exemplo, um por Grinsted e colegas23 ou a ASToolbox,24, que foi utilizado neste protocolo para as etapas seguintes.- Na função AWCO da ASToolbox, especificar a wavelet mãe (por exemplo, generalizada Wavelet de Morse com seus parâmetros beta e gama), que é usada para transformar cada série de tempo para o domínio do tempo e da frequência da wavelet contínua transformação.
- Especifica o tipo de janela de suavização (por exemplo, janela Hanning) e o tamanho da janela suavização para o domínio do tempo e escala na função AWCO.
- Para examinar o significado dos coeficientes WTC e calcular seus p-valores, especificar o número de série de tempo substituto (n ≥ 300) e o modelo ARMA (por exemplo, AR (1)) na função AWCO.
- Com os parâmetros especificados em etapas 3.3.1 a 3.3.3, calcule a coerência de wavelet de dois canais correspondentes (o mesmo canal em dois participantes).
- Escolha uma faixa de frequência de interesse em que a sincronia de cérebro-para-cérebro relacionados à tarefa deverá ocorrer com base em estudos anteriores e inspeção visual dos dados (para uma abordagem alternativa, consulte Nozawa et al 25).
- Calcule a média dos coeficientes de WTC e/ou a percentagem de significativos coeficientes WTC na banda de frequências relacionadas a tarefas para cada bloco de tarefa em cada canal e para cada díade. Usar esse valor como uma medida de resultado de cérebro-para-cérebro sincronia para mais uma análise estatística (para mais informações, consulte Reindl et al 11).
- Comparação de pares aleatórios
Nota: Para validar os resultados, recomendamos comparar o WTC das díades reais para o WTC de aleatórios emparelhamentos de adulto-criança, que não jogou com o outro, mas executada a mesma tarefa experimental.- Calcular o WTC, conforme descrito no ponto 3.3., para pares de participante que não jogar juntos, mas executada a mesma tarefa experimental (isto é, pares aleatórios). Escolha o número de pares aleatórios (por exemplo, 300 para cada condição) e calcular o WTC para cada par aleatório.
- Compare a coerência dos pares aleatórios e reais para evitar a detecção de sincronicidade espúria.
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Representative Results
Dados representativos de uma díade mãe-filho durante a condição de cooperativa são mostrados na Figura 1. A tarefa cooperativa consiste de três 30 s resto blocos e blocos de duas tarefas, com 20 testes cada, apresentados em ordem de alternadas. Em cada julgamento, os participantes têm de reagir tão simultaneamente quanto possível a um sinal para ganhar um ponto11.
Figura 1: Hyperscanning análise e representante resultados dos dados. Dados de intensidade da luz são coletados em 22 canais (CHs) dos dois participantes. Primeiros, maus canais são detectadas e excluídas outras análises. Depois, dados de intensidade da luz são convertidos para alterações em oxi-hemoglobina (Δ oxi-Hb) e deoxy-hemoglobina (Δ Deoxy-Hb). Os sinais são mostrados para uma díade pai-filho exemplar no CH 8 durante a condição de cooperativa. Dados é pré-processado, reduzindo os artefatos de movimento e trações lentas. Depois disso, a coerência de wavelet é calculada a partir dos sinais de oxi-Hb. pré-processado. Para estimar o significado de cada valor de coerência wavelet, 300 mts do substituto são gerados. Se o valor de coerência de wavelet observado é superior a 95% dos valores de coerência de wavelet obtidos a partir da série de tempo substituto no mesmo ponto no tempo e escala, é considerado como significativo. Valores de coerência significativa wavelet são marcadas por linhas sólidas que cercam as respectivas áreas no enredo. Coerência na banda de frequências relacionados à tarefa é retratada dentro a caixa preta. Por favor, note que as etapas de análise e a parametrização retratada na figura devem ser entendidas como um exemplo. A parametrização ideal varia de acordo com os dados, por exemplo., diferentes parâmetros do algoritmo de MARA podem funcionar melhor para diferentes tipos de artefatos20e ainda não há nenhum padrão de ouro para qualquer uma das etapas da análise. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os resultados são exemplificados para os dados de fNIRS do canal 8 de ambos os participantes de uma díade pai-filho. Antes de pré-processamento, dados de atenuação de luz crua, recebidos do dispositivo fNIRS, são convertidos para alterações em oxi-Hb e deoxy-Hb para ambos os participantes. Em seguida, fNIRS série de tempo é pré-processados para reduzir desvios e artefatos de movimento. Finalmente, o WTC significativo é calculado a partir dos sinais de oxi-Hb pré-processado de ambos os participantes.
A Figura 1 ilustra uma matriz WTC real valorizada, que é composta dos coeficientes de coerência no domínio de tempo e frequência (aqui na duração do período). Os coeficientes podem variar entre 0 e 1, com 1, indicando um relacionamento perfeito em uma hora específica e frequência entre os dois sinais24. Os coeficientes são visualizados usando um mapa de cor variando de azul (pouca ou nenhuma coerência) para vermelho (forte ou máxima coerência). Valores significativos de coerência são marcadas por linhas sólidas pretas, cercando as respectivas áreas no enredo. O início e fim de cada bloco de tarefa são indicadas por linhas verticais tracejadas.
Os resultados mostram uma forte coerência em toda a experiência em uma banda de alta frequência, até a duração do período de ~ 1 s (1 Hz). Este resultados previsíveis de ritmos cardíacos de pai e filho. Além disso, os resultados mostram uma forte coerência em uma faixa de frequência mais baixa entre ~ 2 s e 8 duração do período s (0,5 - 0,125 Hz). Julgamento comprimentos diferem devido a durações de sinalização variável pseudo-aleatórios (600-1500 ms) e tempos de reação dos participantes individuais, mas foram em torno de 7 s, em média, assumindo que os tempos de reação de cerca de 1 s. Portanto, coerência neste intervalo de baixa frequência provável reflete uma sincronização das atividades cerebrais de ambos os assuntos durante a tarefa.
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Discussion
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.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pela iniciativa de excelência do estado federal alemão e governos (fundo de semente ERS, OPSF449). O sistema Hitachi NIRS foi apoiado por um financiamento de pesquisa alemão Fundação DFG (INST 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). |
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