Hyperscanning экспериментов с функциональной ближней инфракрасной спектроскопии
Summary
Настоящий Протокол описывает, как проводить эксперименты hyperscanning fNIRS и анализировать синхронности мозга к мозгу. Кроме того мы обсуждаем проблемы и возможные решения.
Abstract
Одновременных мозга записи двух или более лиц, взаимодействующих, подход называется hyperscanning, приобретают все большее значение для нашего понимания нейробиологических основ социальных взаимодействий, и возможно межличностных отношений . Функциональные ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) хорошо подходит для проведения экспериментов hyperscanning, потому что он измеряет местных Гемодинамические эффекты с высоким дискретизации и, главное, он может быть применен в естественных условиях, не требующие строгого движения ограничения. В этой статье мы представляем протокол для проведения fNIRS hyperscanning экспериментов с родитель ребенок диад и для анализа синхронности мозга к мозгу. Кроме того мы обсуждаем важнейшие вопросы и будущие направления деятельности, касающиеся экспериментальный дизайн, пространственной регистрации fNIRS каналов, физиологических влияний и методов анализа данных. Описывается протокол не является специфичным для диад родитель ребенок, но может применяться к целому ряду различных диадических созвездий, например взрослыми незнакомцами, романтических партнеров или братьев и сестер. В заключение, fNIRS hyperscanning имеет потенциал, чтобы дать новому взглянуть на динамику продолжающегося социального взаимодействия, которые возможно выходить за рамки того, что можно изучить путем изучения деятельности отдельных мозги.
Introduction
В последние годы нейрофизиологи начали изучать социальные взаимодействия путем записи мозга деятельность двух или более лиц одновременно, подход называется hyperscanning1. Эта технология открывает новые возможности для выяснения нейробиологических механизмы, лежащие в основе этих взаимодействий. Для полного понимания социальных взаимодействий, она не может быть достаточно для изучения одного мозги в изоляции, но скорее совместная деятельность мозги взаимодействующих лиц2. Использование различных нейровизуализационных методов, hyperscanning исследования показали, что мозг деятельности взаимодействующих лиц или групп синхронизации, например, в то время как они координируют свои действия3, сделать музыку4,5, общаться участвовать в классе деятельности6 или7сотрудничать.
Статья представляет собой протокол для проведения одновременных записей с функциональным ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS). Аналогично функциональной магнитно-резонансная томография (МРТ), fNIRS меры гемодинамического ответа для активации мозга. Изменения в насыщенной кислородом и венозная гемоглобина (кислородно Hb и deoxy-Hb) рассчитываются на основе количества diffusively ближнего инфракрасного света через ткани8. fNIRS хорошо подходит для проведения hyperscanning экспериментов, особенно с детьми, потому что он может быть применен в настройках менее ограниченных и более естественным, чем МР-томографию. Кроме того он менее подвержен артефакты движения чем, МР-томографию и ЭЭГ9. Кроме того fNIRS данные могут быть приобретены на высоких частотах дискретизации (например, 10 Гц), таким образом высоко oversamples относительно медленно гемодинамического ответа и тем самым потенциально обеспечивает более полную картину височной мозга гемодинамики10 .
Этот протокол был разработан в рамках исследования Reindl и др. 11 и был слегка изменен (в частности в отношении каналов размещения и идентификации плохой канал) совсем недавно. Целью исследования было изучить синхронизированных мозговой активности диад родитель ребенок. С помощью fNIRS hyperscanning, мы оценивали мозга к мозгу синхронности в областях префронтальной мозга детей (от пяти до девяти лет) и их родителей, главным образом матери, во время кооператив и конкурентных компьютер задач. Префронтальной мозга были направлены, как они были определены в качестве важных регионов для социальных интерактивных процессов в предыдущих hyperscanning исследований1. Задача сотрудничества и конкуренции были первоначально разработан Cui et al. 12 и недавно занятых на нескольких предыдущих исследований13,14,15. Для изучения Reindl и др. 11, задачи были изменены, чтобы быть пригодным для детей. Участникам было поручено реагировать либо совместно через нажатие кнопки в ответ на цели (сотрудничество) или реагировать быстрее, чем другой игрок (конкуренция). Каждый ребенок выполнена каждая задача один раз с родителем и один раз с Взрослый незнакомец того же пола как родитель. В рамках каждого ребенка Взрослый Диада вейвлет согласованности рассчитывалась для кислородно Hb сигналы соответствующих каналов как мера синхронности мозга к мозгу.
Этот протокол описывает процедуры сбора данных hyperscanning fNIRS родителя и ребенка во время сотрудничества и конкурентные игры. Общая процедура, однако, не является специфичным для этот дизайн исследования, но подходит для различных групп населения (например, взрослыми незнакомцами, романтических партнеров, братьев и сестер, и т.д.) и может быть адаптирована для целого ряда различных экспериментальных задач. Этот протокол также определяет один из возможных аналитические процедуры, которая охватывает необходимые и необязательные данные анализа шаги, включая fNIRS данных первичной обработки, плохой канал обнаружения, вейвлет-анализ согласованности и проверки путем анализа случайных пара.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе мы покажем, как проводить эксперименты hyperscanning fNIRS и один из возможных способов анализа синхронности мозга к мозгу, измерения изменения концентрации кислородно Hb и deoxy-Hb в лобной мозга регионах двух предметов одновременно. FNIRS hyperscanning относительно легко применять: одно у…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась Excellence инициативе немецкого федерального государства и правительств (ERS семенной фонд, OPSF449). Hitachi NIRS системы была поддержана финансирования немецкого DFG исследовательский фонд (INST 948/18-1 FUGG).
Materials
| 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 3×5 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). |
References
- Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
- Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
- Funane, T., et al. Synchronous activity of two people’s prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 16 (7), 077011 (2011).
- Lindenberger, U., Li, S. -. C., Gruber, W., Müller, V. Brains swinging in concert: cortical phase synchronization while playing guitar. BMC Neuroscience. 10, 22 (2009).
- Jiang, J., et al. Neural synchronization during face-to-face communication. Journal of Neuroscience. 32 (45), 16064-16069 (2012).
- Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
- Liu, N., et al. NIRS-based hyperscanning reveals inter-brain neural synchronization during cooperative Jenga game with face-to-face communication. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 82 (2016).
- Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
- Lloyd-Fox, S., Blasi, A., Elwell, C. Illuminating the developing brain: the past, present and future of functional near infrared spectroscopy. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 34 (3), 269-284 (2010).
- Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage. 29 (2), 368-382 (2006).
- Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
- Cui, X., Bryant, D. M., Reiss, A. L. NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation. NeuroImage. 59 (3), 2430-2437 (2012).
- Baker, J. M., et al. Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning. Scientific Reports. 6, 26492 (2016).
- Cheng, X., Li, X., Hu, Y. Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: a fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 36 (6), 2039-2048 (2015).
- Pan, Y., Cheng, X., Zhang, Z., Li, X., Hu, Y. Cooperation in lovers: an fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping. 38 (2), 831-841 (2017).
- Kleiner, M., Brainard, D., Pelli, D. What’s new in Psychtoolbox-3?. Perception. 36, (2007).
- Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Applied Optics. 48 (10), D280-D298 (2009).
- Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR Toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
- Tak, S., Uga, M., Flandin, G., Dan, I., Penny, W. D. Sensor space group analysis for fNIRS data. Journal of Neuroscience Methods. 264, 103-112 (2016).
- Scholkmann, F., Spichtig, S., Muehlemann, T., Wolf, M. How to detect and reduce movement artifacts in near-infrared imaging using moving standard deviation and spline interpolation. Physiological Measurement. 31 (5), 649-662 (2010).
- van der Kant, A., Biro, S., Levelt, C., Huijbregts, S. Negative affect is related to reduced differential neural responses to social and non-social stimuli in 5-to-8-month-old infants: a functional near-infrared spectroscopy-study. Developmental Cognitive Neuroscience. 30, 23-30 (2018).
- Bastos, A. M., Schoffelen, J. -. M. A tutorial review of functional connectivity analysis methods and their interpretational pitfalls. Frontiers in Systems Neuroscience. 9, 175 (2016).
- Grinsted, A., Moore, J. C., Jevrejeva, S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlinear Processes in Geophysics. 11, 561-566 (2004).
- Aguiar-Conraria, L., Soares, M. J. The continuous wavelet transform: moving beyond uni-and bivariate analysis. Journal of Economic Surveys. 28 (2), 344-375 (2014).
- Nozawa, T., Sasaki, Y., Sakaki, K., Yokoyama, R., Kawashima, R. Interpersonal frontopolar neural synchronization in group communication: an exploration toward fNIRS hyperscanning of natural interactions. NeuroImage. 133, 484-497 (2016).
- Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
- Tsuzuki, D., Dan, I. Spatial registration for functional near-infrared spectroscopy: from channel position on the scalp to cortical location in individual and group analyses. NeuroImage. 85, 92-103 (2014).
- Tachtsidis, I., Scholkmann, F. False positives and false negatives in functional near-infrared spectroscopy: issues, challenges, and the way forward. Neurophotonics. 3 (3), 031405 (2016).
- Palumbo, R. V., et al. Interpersonal autonomic physiology: a systematic review of the literature. Personality and Social Psychology Review. 21 (2), 99-141 (2016).
- Pinti, P., et al. The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences. , (2018).
- Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. NeuroImage. 85 (1), 181-191 (2014).
- Cooper, R. J., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
- Hirsch, J., Zhang, X., Noah, J. A., Ono, Y. Frontal temporal and parietal systems synchronize within and across brains during live eye-to-eye contact. NeuroImage. 157, 314-330 (2017).
- Scholkmann, F., Holper, L., Wolf, U., Wolf, M. A new methodical approach in neuroscience: assessing inter-personal brain coupling using functional near-infrared imaging (fNIRI) hyperscanning. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 813 (2013).
