Summary

Hyperscanning экспериментов с функциональной ближней инфракрасной спектроскопии

Published: January 19, 2019
doi:

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

До участия, все родители детей условии информированного согласия / согласие. Это исследование был одобрен Комитетом по этике медицинского факультета университета RWTH Aachen. 1. Подготовка перед участником прибывает Приготовьте НИРС шапки. Выберите размеры крышки ж…

Representative Results

Репрезентативных данных один родитель ребенок Диада во время совместных условия приведены на рисунке 1. Кооперативных задача состоит из трех 30 s отдыха и две задачи блоков, с 20 испытаний каждой, представленные в поочередно. В каждом испытании участники …

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

  1. Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
  2. Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
  3. 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).
  4. Lindenberger, U., Li, S. -. C., Gruber, W., Müller, V. Brains swinging in concert: cortical phase synchronization while playing guitar. BMC Neuroscience. 10, 22 (2009).
  5. Jiang, J., et al. Neural synchronization during face-to-face communication. Journal of Neuroscience. 32 (45), 16064-16069 (2012).
  6. Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
  7. 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).
  8. Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Baker, J. M., et al. Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning. Scientific Reports. 6, 26492 (2016).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kleiner, M., Brainard, D., Pelli, D. What’s new in Psychtoolbox-3?. Perception. 36, (2007).
  17. 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).
  18. Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR Toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Palumbo, R. V., et al. Interpersonal autonomic physiology: a systematic review of the literature. Personality and Social Psychology Review. 21 (2), 99-141 (2016).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Cooper, R. J., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
  33. 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).
  34. 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).

Play Video

Cite This Article
Reindl, V., Konrad, K., Gerloff, C., Kruppa, J. A., Bell, L., Scharke, W. Conducting Hyperscanning Experiments with Functional Near-Infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (143), e58807, doi:10.3791/58807 (2019).

View Video