Protokolls beskriver hur att utföra fNIRS hyperscanning experiment och analysera brain-till-hjärnan synchrony. Vidare diskuterar vi utmaningar och möjliga lösningar.
Samtidiga hjärnan inspelningar av två eller flera samverkande personer, en metod som kallas hyperscanning, vinner allt större betydelse för vår förståelse av den neurobiologiska underbyggnaden av sociala interaktioner, och möjligen mellanmänskliga relationer . Funktionella nära-infraröd spektroskopi (fNIRS) är väl lämpad för genomföra hyperscanning experiment eftersom den mäter lokala hemodynamiska effekter med en hög samplingsfrekvens och, ännu viktigare, det kan tillämpas i naturmiljöer, som inte kräver stränga motion begränsningar. I denna artikel presenterar vi ett protokoll för att utföra fNIRS hyperscanning experiment med överordnade och underordnade hjärtsvikten och analysera brain-till-hjärnan synchrony. Dessutom diskuterar vi kritiska frågor och framtida inriktningar, avseende försöksplanering, spatial registrering av fNIRS kanaler, fysiologiska influenser och data analysmetoder. Protokollet beskrivs är inte specifika för överordnade och underordnade hjärtsvikten, men kan tillämpas på en mängd olika Dyadiska konstellationer, såsom vuxna främlingar, romantisk partner eller syskon. Avslutningsvis har fNIRS hyperscanning potential att ge nya insikter i dynamiken i pågående social interaktion, som möjligen går utöver vad som kan studeras genom att undersöka verksamheten i enskilda hjärnor.
Under de senaste åren, neuroforskare har börjat studera sociala interaktioner genom inspelningen hjärnan verksamheten i två eller flera personer samtidigt, en metod kallas hyperscanning1. Denna teknik öppnar nya möjligheter att belysa de neurobiologiska mekanismer som ligger bakom dessa interaktioner. För att fullt förstå sociala interaktioner, kan det inte räcka att studera enstaka hjärnor i isolering utan snarare gemensamma aktiviteter av hjärnor av interagerande personer2. Använda olika neuroradiologiska tekniker, hyperscanning studier har visat att hjärnan aktiviteter av interagerande personer eller grupper synkronisera, t.ex., medan de samordnar sina åtgärder3, göra musik4, kommunicera5, engagera sig i klassrummet aktiviteter6 eller samarbeta7.
I artikeln presenteras ett protokoll för att genomföra samtidiga inspelningar med funktionella nära-infraröd spektroskopi (fNIRS). Liknar funktionell magnetresonanstomografi (fMRI), fNIRS mäter den hemodynamiska responsen till hjärnans aktivering. Förändringar i syresatt och syrefattigt hemoglobin (oxy-Hb och deoxy-Hb) beräknas baserat på mängden diffusively överförda nära infrarött ljus genom vävnad8. fNIRS är väl lämpad för att genomföra hyperscanning experiment, särskilt med barn, eftersom det kan tillämpas i mindre begränsade och mer naturliga inställningar än fMRI. Dessutom är det mindre benägna att rörelse artefakter än både, fMRI och EEG9. Dessutom fNIRS data kan förvärvas i höga samplingsfrekvenser (t.ex., 10 Hz), således mycket oversamples den relativt långsamma hemodynamiska responsen och därmed potentiellt ger en mer komplett temporal bild av den hjärnan hemodynamiken10 .
Detta protokoll utvecklades inom studiet av Reindl o.a. 11 och har ändrats något (i synnerhet med avseende på kanal placering och dålig kanal identifiering) nyligen. Syftet med studien var att undersöka synkroniserade hjärnaktiviteten hos överordnad-underordnad hjärtsvikten. Med fNIRS hyperscanning, utvärderade vi brain-till-hjärnan synchrony i prefrontala hjärnområden av barn (i åldern fem till nio år) och deras föräldrar, främst mödrar, under ett kooperativ och en konkurrenskraftig dator aktivitet. Prefrontala hjärnregioner riktade som de hade identifierats som viktiga regioner sociala interaktiva processer i föregående hyperscanning studier1. Den kooperativa och konkurrenskraftiga uppgiften utvecklades ursprungligen av Cui o.a. 12 och nyligen anställd av flera tidigare studier13,14,15. För att studera Reindl o.a. 11, uppgifterna ändrades för att lämpa sig för barn. Deltagarna instruerades att antingen svara gemensamt via knapptryckningar som svar på ett mål (samarbete) eller att svara snabbare än den andra spelaren (konkurrens). Varje barn utförs varje aktivitet en gång med förälder och en gång med en vuxen främling av samma kön som förälder. Inom varje barn-vuxen dyad beräknades wavelet samstämmighet för oxy-Hb signaler av motsvarande kanaler som ett mått på brain-till-hjärnan synchrony.
Det här protokollet beskriver procedurerna för att samla in fNIRS hyperscanning data av överordnade och underordnade under spelets kooperativa och konkurrenskraftiga. Det övergripande förfarandet, dock är inte specifikt för denna forskningsdesign men är lämpligt för olika populationer (t.ex., vuxna främlingar, romantisk partner, syskon, etc.) och kan anpassas för en rad olika experimentella uppgifter. Detta protokoll beskriver också ett möjligt analysförfarande, som täcker nödvändiga och valfria data analys steg, inklusive fNIRS data förbehandling, dålig kanal upptäckt, wavelet konsekvens analys och validering av slumpmässiga par analys.
I detta protokoll visar vi hur man genomför fNIRS hyperscanning experiment och ett möjligt sätt att analysera brain-till-hjärnan synchrony, mäta koncentrationen förändringar av oxy-Hb och deoxy-Hb på frontal hjärnregioner i två ämnen samtidigt. FNIRS hyperscanning är relativt lätt att applicera: en NIRS enhet är tillräcklig för att mäta hjärnans aktiviteter av båda ämnena genom att dela upp optodes dem emellan. Således är ingen synkronisering mellan olika enheter nödvändigt1</sup…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete finansierades av Excellence initiativ av den tyska federala staten och regeringen (ERS fröfond, OPSF449). Hitachi NIRS systemet stöddes av en finansiering av tysk forskning stiftelsen DFGEN (INST 948/18-1 FUGG).
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). |