Summary
Denne protokol beskriver, hvordan du udføre fNIRS hyperscanning eksperimenter og analysere hjerne til hjerne synchrony. Yderligere, vi diskutere udfordringer og mulige løsninger.
Abstract
Samtidige hjernen optagelser af to eller flere personer, interagerende, tilgang betegnes hyperscanning, får stadig større betydning for vores forståelse af de neurobiologiske fundament for social interaktion, og eventuelt interpersonelle relationer . Funktionelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) er velegnet til at gennemføre hyperscanning eksperimenter, fordi den måler lokale hæmodynamiske effekter med en høj samplingfrekvens, og vigtigere, kan det anvendes i naturlige omgivelser, der ikke kræver strenge bevægelse begrænsninger. I denne artikel præsenterer vi en protokol til at foretage fNIRS hyperscanning eksperimenter med forældre-barn dyads og analysere hjerne til hjerne synchrony. Desuden diskuterer vi kritiske spørgsmål og fremtidige retninger, om forsøgets udformning, rumlig registrering af de fNIRS kanaler, fysiologiske påvirkninger og data analysemetoder. Den beskrevne protokol er ikke specifik for forældre-barn dyads, men kan anvendes til en lang række forskellige dyadic konstellationer, som voksne fremmede, romantiske partnere eller søskende. Afslutningsvis vil jeg sige, har fNIRS hyperscanning potentiale til at give ny indsigt i dynamikken i den igangværende sociale interaktion, som måske overskrider hvad kan studeres ved at undersøge aktiviteterne af individuelle hjerner.
Introduction
I de seneste år, neuroforskere har begyndte at studere sociale interaktioner ved at optage hjernen aktiviteter af to eller flere personer samtidigt, en tilgang betegnes hyperscanning1. Denne teknik åbner nye muligheder for at belyse de neurobiologiske mekanismer bag disse interaktioner. Fuldt ud at forstå sociale interaktioner, kan det ikke være tilstrækkeligt at studere enkelt hjerner i isolation, men snarere de fælles aktiviteter af hjerner af interagerende personer2. Bruger forskellige neuroimaging teknik, hyperscanning undersøgelser har vist, at hjernen aktiviteter af interagerende personer eller grupper synkroniseres, f.eks., mens de koordinerer deres handlinger3, lave musik4, kommunikere5, engagere sig i klasseværelset aktiviteter6 eller samarbejde7.
Artiklen præsenterer en protokol til at foretage samtidige optagelser med funktionelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS). Svarende til funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI), fNIRS måler de hæmodynamiske svar til hjerne aktivering. Ændringer i iltet og deoxygenated hæmoglobin (oxy-Hb og deoxy-Hb) beregnes baseret på mængden af diffusively nær-infrarødt lys gennem væv8. fNIRS er velegnet til at gennemføre hyperscanning eksperimenter, især med børn, fordi det kan anvendes i mindre begrænset og mere naturlige indstillinger end fMRI. Derudover er det mindre tilbøjelige til at bevægelse artefakter end både fMRI og EEG9. Derudover fNIRS data kan erhverves på høj sampling-frekvenser (f.eks, 10 Hz), således det stærkt oversamples den relativt langsom hæmodynamiske reaktion og dermed potentielt giver en mere komplet tidsmæssige billede af hjernen Hæmodynamik10 .
Denne protokol blev udviklet inden for studiet af Reindl et al. 11 og er blevet ændret en smule (navnlig hvad angår kanal placering og dårlig kanal identifikation) for nylig. Formålet med studiet var at undersøge synkroniserede hjerneaktivitet af forældre-barn dyads. Bruger fNIRS hyperscanning, vurderet vi hjerne til hjerne synchrony i præfrontal hjernen områder af børn (alderen fem til ni år) og deres forældre, for det meste mødre, under en kooperativ og en konkurrencedygtig computer opgave. Præfrontal hjerneregioner var målrettet som de var blevet identificeret som vigtige områder for sociale interaktive processer i forrige hyperscanning studier1. Kooperativ og konkurrencedygtige opgaven blev oprindeligt udviklet af Cui et al. 12 og for nylig ansat af adskillige tidligere undersøgelser13,14,15. For studiet af Reindl et al. 11, opgaverne, der blev ændret for at være egnet til børn. Deltagerne blev instrueret i at enten reagere i fællesskab via knappen presser som svar på et mål (samarbejde) eller til at reagere hurtigere end anden spilleren (konkurrence). Hvert barn udføres hver opgave en gang med en forælder og en gang med en voksen fremmed af samme køn som forældrene. Inden for hvert barn-voksen dyad, var wavelet sammenhæng beregnet for oxy-Hb signaler af tilsvarende kanaler som et mål for hjerne-til-hjerne synchrony.
Denne protokol beskriver procedurer til at indsamle fNIRS hyperscanning data af overordnede og underordnede under spillets kooperativ og konkurrencedygtige. Den samlede procedure, men er ikke specifikke for denne forskning design men er passende til forskellige befolkningsgrupper (fx, voksne fremmede, romantiske partnere, søskende, etc.) og kan tilpasses til en række forskellige eksperimentelle opgaver. Denne protokol beskriver også et muligt analytisk procedure, som dækker nødvendige og valgfrie data analyse trin, herunder fNIRS data forbehandling, dårlig kanal afsløring, wavelet sammenhæng analyse og validering af tilfældige par analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forud for deltagelse, alle forældre / børn givet informeret samtykke / samstemmende udtalelse. Undersøgelsen blev godkendt af den etiske komité i den medicinske fakultet RWTH Aachen University.
1. forberedelse før deltageren ankommer
- Forberede NIRS caps.
- Vælg cap størrelser i samme størrelse eller lidt større end deltagerens hovedomkreds.
- Skær 15 huller med en diameter på ca 15 mm hver, arrangeret i en vandret 3 x 5-gitter, ind i panden området i hver af 2 rå EEG caps (Se Tabel af materialer). Sørg for, at hullerne er fordelt 30 mm fra hinanden i en vilkårlig retning, at den midterste kolonne af huller er placeret i midten af panden, dvs over næsen, og at den nederste række er placeret over øjenbrynene.
- For at gøre caps mere komfortabel og minimere pres mærker, lægger blødt skum materiale (f.eks. selvklæbende vindue sealing tape eller lignende flad skumgummi materiale) på den indvendige side af gitteret indehaveren mellem sonde sockets og på kanterne. Bruge dobbeltsidet klæbebånd eller sytråd, hvis nødvendigt.
- Montere en tom 3 x 5 sonden indehaveren gitter (Se Tabel af materialer) til hver af de modificerede EEG caps sådan at gitteret indehaveren, selv er placeret på indersiden af fælles landbrugspolitik og holderen stik pind i hullerne.
Bemærk: NIRS målesystem (Se Tabel af materialer) har to separate sonde sæt, bruge en sonde til hver deltager. - Isæt forsigtigt sonderne ind i de passende holder stik på nettene sådan, at kun den første højderyg af hver sonden er monteret i soklen, hvilket resulterer i en klikkende lyd.
- Åben sonden indstille overvågningsvinduet på NIRS målesystem og vælg 2 sonde sæt arrangeret i et 3 x 5-gitter hver, en til de deltagende børn og en for voksne. Kontroller, at sonden arrangementer af de to hætter svarer ordningerne i vinduet sonde sæt (dvs. samme placering af respektive emitter og modtager sonde tal).
- Forberede forsøget.
- Start NIRS målesystem med laserdioder tændt 30 min. før måling, sådan at systemet når en stabil driftstemperatur.
- Angive alle nødvendige indstillinger på NIRS målesystem. Kontroller, at enheden er indstillet til event-relaterede måling og at den RS232 serielt input, nødvendige for at modtage udløser fra den eksperimentelle paradigme, er aktiv.
Bemærk: Eksperimentet er en tilpasset version af et paradigme, udtænkt af Cui et al. 12, programmeret i ikke-kommercielle Psychophysics værktøjskasse udvidelser, version 3.0.1116. - Forberede den eksperimentelle paradigme ved at starte den tekniske computing software (Se Tabel af materialer), der fungerer som base for Psychophysics værktøjskasse udvidelser og angiver den aktuelle mappe til mappen som paradigme er gemt i.
- Sted to hage hviler foran skærmen for at forhindre hoved bevægelser under eksperimentet.
2. deltager ankomst i laboratoriet
- Forberede deltagerne.
- Vis og Forklar opsætningen af eksperimenterende herunder NIRS målesystem til deltagerne. Sørg altid for, at deltagerne ikke ser direkte ind i laserstrålen NIRS måling system som dette kan være skadelige for øjet.
- Sæde deltagere ud for hinanden foran computerskærmen. Justere højden på hagen hviler, således at begge deltagere sidde komfortabelt.
- Pålægge deltagerne og administrere praksis forsøg med både kooperativet og konkurrencedygtige spillet. Give yderligere instruktioner under praksis forsøg, hvis nødvendigt.
- Måle og markere Fpz point efter 10-20-systemet, hvilket er 10% af afstanden mellem nasion og inion, på den enkelte deltagers hoved.
- Placere hætter med sonder omhyggeligt på deltagernes hoveder, med laser slukket. Anbring forreste del af fælles landbrugspolitik, herunder gitteret sonden på deltagerens pande først og derefter trække ned på bagsiden af fælles landbrugspolitik mod halsen. Sørg for at den midterste sonden i den nederste række er placeret på Fpz og kolonnen midterste sonden er afstemt langs sagittal reference kurve.
- Placer fiber strengene på indehaveren arm knyttet til NIRS målesystem, så de hænge løst uden kontakt med deltager eller stol, og at de ikke trækker på caps. Brug en ekstra holder (fx., modificerede mikrofon stativ eller lignende) for den anden deltager om nødvendigt.
- Skubbe hver sonden videre i sin sokkel, indtil den lille hvide næse i midten af toppen af kabinettet for sonden er synlige.
Bemærk: Næsen er skubbet opad af en spole foråret mekanisme som sonden spidsen berører deltagerens hovedbunden. - Tænd laser igen og test af signalkvaliteten ved at klikke på knappen Auto vinde i sonden sæt overvågningsvinduet NIRS målesystem.
- Hvis en kanal ikke har en tilstrækkelig signal (dvs., hvis det er markeret med gult), forsigtigt sætte hår nedenunder den omkringliggende sonde tip til side. Hvis det er nødvendigt, skubbe sonder yderligere i deres stikkontakter men sikre komfort af deltageren. Kontrollere, om signalkvaliteten er forbedret (dvs. kanalen er nu markeret med grønt) ved at klikke på knappen Auto vinde igen.
- Hvis trin 2.1.9. ikke føre til en forbedring af signal, justere signal intensitet. Hvis der er for meget signal (dvs., hvis kanalen er markeret med rødt), ændre signal intensitet til lav signal intensitet ved gentagne gange indstille at klikke på de respektive sonde symbol i sonden overvågningsvinduet NIRS målesystem. Hvis der ikke er nok signal (dvs., hvis kanalen er markeret i gul), ændre signal intensitet til højt signal intensitet, igen ved gentagne gange at klikke på de respektive sonde symbol.
- Køre eksperimentet
- Når der er ingen spørgsmål efter praksis forsøg og en god signalkvalitet er sikret, starte den eksperimentelle paradigme.
- Placer et håndklæde over deltagernes hænder, så de ikke kan se håndbevægelser af deres respektive spil partner.
- Efter forsøget, gemme data og eksportere rå lysintensitet data som en tekstfil ved at klikke på knappen tekst fil ud. Gælde ikke nogen filtre i NIRS målesystem.
- Ren alle nødvendige materialer (sonder, sonde indehavere, hage hviler) med ethanol. Vask caps i en blid cyklus med mild rengøringsmiddel.
3. dataanalyse
- Data forbehandling
Bemærk: Der er flere ikke-kommercielle software-pakker til rådighed for fNIRS dataanalyse, fx., HomER17, NIRS hjernen AnalyzIR18 eller SPM for fNIRS19. Sidstnævnte blev brugt til følgende forbehandling trin. For mere information om hvordan du udfører disse trin, se venligst vejledningen til værktøjskassen.- Konvertere datafilerne til SPM for fNIRS dataformat.
- Beregne oxy-Hb og deoxy-Hb koncentration ændringer ved hjælp af den modificerede øl-Lambert lov ved at trykke på knappen konverter i hovedvinduet. Indtaste en alder af emnet og afstanden mellem kilde og detektor (fx, 3 cm). Accepter standardværdierne for kindtand absorption koefficienterne af oxy-Hb og deoxy-Hb på bølgelængde (λ) 1 og λ 2 samt standardværdierne for den differentiale pathlength faktor (DPF) på λ 1 og λ 2.
- Forbehandle tidsserier af hæmodynamiske ændringer at reducere bevægelse artefakter ved at vælge knappen MARA (for mere information om MARA algoritme Se Scholkman et al. 20).
- Forbehandle tidsserier for at reducere langsom driver ved at vælge knappen DCT.
- Dårlig kanal påvisning
Bemærk: Dårlig kanal afsløring kan udføres før og/eller efter fNIRS data forbehandling. I denne protokol kombineres forskellige objektive kriterier til påvisning af dårlig kanaler og besigtigelse. Bemærk venligst at den foreslåede liste over objektive kriterier ikke er udtømmende. For dårlig kanal påvisning anvendtes selvstændige skriftlige scripts (for den tekniske computing software Se Tabel af materialer).- Udelukke kanaler, hvor der er uændret signal til flere løbende prøver, der er angivet med en flad kurve når plotte tidsserierne.
- Beregning variationskoefficienten CV = SD/gennemsnit * 100 for rå dæmpning data. Udelukke kanaler hvor CV er over foruddefinerede procent (f.eks.10%, og se for eksempel van der Kant et al. 21).
- Plot magt spektrum af signalet. Hvis der er ingen hjerteslag synlig i signal spektrum omkring 1 Hz, som anført af en øget magt i dette frekvensbånd, udelukke kanalen fra analysen.
- Visuelt inspicere alle data før og efter forbehandling. Beslutte, om at medtage kanalen baseret på objektive kriterier, beskrevet i punkt 3.2.1 – 3.2.3, såvel som på subjektive visuel genkendelse af støjende kanaler.
- Hjerne-til-hjerne connectivity
Bemærk: To forskellige skøn kan skelnes mellem typer af hjernen connectivity: ikke-dirigerede estimater, som kvantificere styrken af connectivity, og styret skøn, der har til formål at etablere statistiske beviser for årsagssammenhæng fra data22 . Her var der fokus på wavelet transform sammenhæng (WTC), et bredt anvendt ikke-dirigerede skøn for fNIRS hjerne til hjerne connectivity. Der findes flere ikke-kommercielle softwareløsninger til beregning af WTC, f.eks., en af Grinsted og kolleger23 eller den ASToolbox24, som blev brugt i denne protokol til følgende trin.- I funktionen AWCO i ASToolbox angive den mor wavelet (fxgeneraliseret Morse Wavelet med dens parametre beta og gamma), som bruges til at omdanne tid og frekvens domæne hver gang serie af den løbende wavelet transformation.
- Angiv den udjævning vinduestype (f.eks. Hanning vindue) og udglatning vinduesstørrelsen for domænet tid og skala i funktionen AWCO.
- At undersøge betydningen af WTC koefficienter og beregne deres p-værdier, angive antallet af surrogat tidsserier (n ≥ 300) og ARMA modellen (fxAR (1)) i funktionen AWCO.
- Med parametrene angivet i trin 3.3.1 til 3.3.3, beregne wavelet sammenhængen mellem to tilsvarende kanaler (den samme kanal i to deltagere).
- Vælg et frekvensbånd af interesse, hvor opgave-relaterede hjerne til hjerne synchrony er forventes at forekomme baseret på tidligere undersøgelser og besigtigelse af data (for en alternativ tilgang se Nozawa et al. 25).
- Beregne gennemsnittet af WTC koefficienter og/eller procentdelen af betydelig WTC koefficienter i opgaverelaterede frekvensbåndet for hver opgave blok i hver kanal og for hver dyad. Brug denne værdi som en resultat foranstaltning af hjerne-til-hjerne synchrony for yderligere statistiske analyse (for mere information se Reindl et al. 11).
- Sammenligning med tilfældige par
Bemærk: For at validere resultater, anbefaler vi sammenligne WTC af de faktiske dyads for WTC af tilfældige voksen-barn bindinger, der ikke har spillet med hinanden men udført samme forsøg opgaven.- Beregne WTC, som beskrevet i punkt 3.3., for deltager par, der ikke spiller sammen men udført samme forsøg opgaven (dvs. tilfældige par). Vælge antallet af tilfældige par (f.eks.300 for hver betingelse) og beregne WTC for hver tilfældige par.
- Undersøg sammenhængen mellem de tilfældige og faktiske par til at undgå afsløring af falske synkronicitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Repræsentative data af én overordnet-underordnet dyad under den kooperative betingelse er vist i figur 1. Den kooperative opgave består af tre 30 s resten blokke og to opgave blokke, med 20 forsøg hver, præsenteret i skiftende rækkefølge. I hvert forsøg har deltagerne at reagere så samtidigt som muligt til et signal til at tjene et punkt11.
Figur 1: Hyperscanning data analyse og repræsentative resultater. Lysintensiteten data er indsamlet i 22 kanaler (CHs) af to deltagere. Første, dårlig kanaler registreres og udelukket fra yderligere analyser. Bagefter, lysintensitet data omdannes til ændringer i oxy-hæmoglobin (Δ Oxy-Hb) og deoxy-hæmoglobin (Δ Deoxy-Hb). Signaler er vist for en eksemplarisk forælder-barn dyad i CH 8 under den kooperative betingelse. Data er preprocessed ved at reducere bevægelse artefakter og langsom driver. Bagefter, wavelet sammenhæng er beregnet ud fra de forhåndsbehandlede oxy-Hb signaler. Du skal vurdere betydningen af hver wavelet sammenhæng værdi, genereres 300 surrogat tidsserier. Hvis den observerede wavelet sammenhæng værdi er højere end 95% af wavelet sammenhæng værdier opnået fra surrogat tidsserier på det samme punkt i tid og omfang, kan det betragtes som signifikant. Betydelig wavelet sammenhæng værdier er præget af ubrudte linjer omkring de respektive områder i plottet. Sammenhæng i det opgaverelaterede frekvensbåndet er afbildet i den sorte boks. Bemærk, at skridt, analyse og parametrering afbildet i figur skal forstås som et eksempel. Den optimale parameterindstilling afhænger af dataene, fx., forskellige parametre af MARA algoritme måske fungerer bedst for forskellige typer af artefakter20, og der findes ingen guld standard for nogen af trinene analyse endnu. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Resultaterne er eksemplificeret i fNIRS data af kanal 8 af begge deltagere af en overordnet-underordnet dyad. Før forbehandling, der rå lys dæmpning data, modtaget fra fNIRS enheden, konverteres til ændringer i oxy-Hb og deoxy-Hb for begge deltagere. Næste, fNIRS tidsserie er forhåndsbehandlede at reducere bevægelse artefakter og driver. Endelig, den betydelige WTC beregnes fra forhåndsbehandlede oxy-Hb signalerne fra begge deltagere.
Figur 1 illustrerer en virkelig værdsat WTC matrix, som er sammensat af sammenhæng koefficienter i tid og frekvens domæne (her i periodelængden). Koefficienterne kan variere mellem 0 og 1, med 1 angiver en perfekt forhold på et bestemt tidspunkt og frekvens mellem de to signaler24. Koefficienterne er visualiseret ved hjælp af et farve kort spænder fra blå (lidt eller ingen sammenhæng) til rød (stærk eller maksimal sammenhæng). Signifikant sammenhæng værdier er præget af massive sorte streger omkring de respektive områder i plottet. I begyndelsen og slutningen af hver opgave blok angives af lodrette stiplede linjer.
Resultaterne viser en stærk sammenhæng i hele eksperimentet i en høj frekvens band, indtil en periodelængde på ~ 1 s (1 Hz). Denne sandsynlige resultater fra hjertets rytmer af overordnede og underordnede. Derudover resultaterne viser en stærk sammenhæng i en lavere frekvensbåndet mellem ~ 2 s og 8 s Periodelængde (0,5 - 0,125 Hz). Retssag længder afveg på grund af pseudo-randomiseret variable cue varigheder (600-1500 ms) og deltagernes individuelle reaktionstider, men blev omkring 7 s i gennemsnit, forudsat at reaktionstider på omkring 1 s. Derfor, sammenhæng i denne lave frekvensområde sandsynligvis afspejler en synkronisering af hjernens aktiviteter af begge emner under opgaven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne protokol viser vi hvordan man fører fNIRS hyperscanning eksperimenter og en mulig måde at analysere hjerne til hjerne synchrony, måle koncentrationen ændringer af oxy-Hb og deoxy-Hb på frontal hjerneregioner i to fag samtidig. FNIRS hyperscanning er forholdsvis let at anvende: en enkelt NIRS enhed er tilstrækkelige til at måle hjernens aktiviteter af begge emner ved at opdele optodes indbyrdes. Således er ingen synkronisering mellem forskellige enheder nødvendigt1. Derudover da fNIRS ikke kræver strenge bevægelse begrænsning, er det velegnet til udførelse hyperscanning eksperimenter i et naturligt miljø og hos børn. I følgende, vi fremhæve nogle kritiske spørgsmål når design, analyse og fortolkning (fNIRS) hyperscanning eksperimenter, diskutere udfordringer samt mulige løsninger.
Eksperimenterende Design. Et vigtigt spørgsmål for hyperscanning undersøgelser vedrører den eksperimentelle design. To deltagere, som gennemfører den samme eksperimentelle opgave uafhængigt af hinanden kan vise lignende hjerne aktiviteter, som derefter kan registreres som hjerne-til-hjerne synchrony26. For at differentiere mellem hjerne-til-hjerne synchrony induceret af den eksperimentelle opgave og social interaktion, er relevante eksperimentelle kontrol betingelser nødvendige. På den ene side er kooperativ og konkurrencedygtige opgaver meget velegnet da de adskiller sig kun i komponenten kooperative opgave og ikke i stimulus materiale og deltagerens motor adfærd. På den anden side mindre standardiserede og mere naturligt samspil (f.eks., at gøre et puslespil sammen) kan fremkalde mere varians i social interaktiv adfærd og muligvis en større økologisk validitet.
Fysisk registrering af kanaler. En udfordring i fNIRS hyperscanning måling hæmodynamiske aktivitet i tilsvarende kanaler. Vedhæfter emitter og detektor sonder på tilsvarende steder af to deltagere hoveder garanterer ikke, at aktivitet i to tilsvarende kortikale regioner er aflyttet, som enkelte hjernen anatomi er ansvarlig for at variere på tværs af deltagerne. Samtidig måling af en voksen og et barn forværrer problemet ved at indføre udviklingsmæssige forskelle på toppen af anatomiske ones. Med et stigende antal kanaler er placeringen af kanalerne desuden mindre reproducerbare på tværs af fag på grund af variation i hovedet form og størrelse27. En valgfri tilbehør til ETG-4000 er en sonde positionering enhed, der opretter sonde positioner i forhold til fiducial punkter på hoved i tre-dimensionelle rum. Disse data kan derefter være co-registreret til den strukturelle hr. billede af deltagerens hjernen27. Hentning af hr. billeder og ved hjælp af GPS enheden vil give eksperimentatoren at bedre kontrol om aktivitet er faktisk målt i tilsvarende hjerneregioner på tværs af to deltagere. Derudover kunne forskere dels omgå dette problem ved at beregne en alle-til-alle connectivity model, måling af forbindelsen mellem to kanaler af de to deltagere.
Påvirkning af den systemiske fysiologi. Et andet vigtigt spørgsmål er, at hæmodynamiske ændringer er kendt for at være påvirket ikke bare af effekten af neurovaskulære kobling, således neuronal aktivitet, men også af systemiske ændringer, såsom ændringer i hjertefrekvens, blodtryk, vejrtrækning, og autonome nervesystemet aktivitet28. Derfor, enhver synchrony opdaget i de hæmodynamiske ændringer af to samarbejdende deltagere kan også tilskrives en synchrony af disse faktorer. Tidligere undersøgelser har vist, at to interagerende partnere faktisk synkronisere deres fysiologiske aktiviteter29. Bemærk dog, at dette i opgaver med forskellige eksperimentelle betingelser, som er direkte i forhold til hinanden, er kun en confounder, hvis fysiologiske kobling er mere fremtrædende i ene men ikke anden betingelsen. Alligevel kan det være nyttigt at erhverve fysiologiske data i hyperscanning undersøgelser til at aktivere eksperimenterende styring af disse parametre. En anden mulighed, som demonstreret for nylig af Nozawa et al. 25, er at tilføje måling kanaler med en kort kilde-detektor (S-D) adskillelse (f.eks., 1 cm), som er følsomme over for overfladiske hud blodgennemstrømningen signal. De tilsvarende component kan derefter fjernes fra det fNIRS signal fra måling kanaler med en regelmæssig S-D adskillelse (fx, 3 cm), hvilket reducerer indflydelse af fysiologiske konfoundere. Sådan dual eller multi afstand tilgang har vist sig at forbedre følsomheden over for opgave-forbedret (her: kommunikation med forbedret) hjerne til hjerne synchrony.
Dataanalyse. Hyperscanning resultater afhænger en estimator at kvantificere hjerne til hjerne synchrony. I den aktuelle undersøgelse beregnet vi WTC af oxy-Hb signaler af tilsvarende kanaler som et mål for hjerne-til-hjerne synchrony. Wavelet-baserede metoder har den fordel, at de betragter oscillerende dynamikken i tidsserier i tid-hyppighed plads. WTC er en ikke-dirigerede foranstaltning beregnes fra wavelet omdannet tidsserier, der repræsenterer styrken af forholdet mellem to tidsserier. I fremtidige undersøgelser, det ville være interessant at desuden indeholde styret foranstaltninger, såsom Granger kausalitet, for at undersøge hvilke deltager "fører" aktiviteten (Se for eksempel Pan et al. 15). Endvidere, mens mange tidligere fNIRS-baseret hyperscanning undersøgelser undersøge hjerne til hjerne synchrony i kun et signal (f.eks. oxy-Hb), det er tilrådeligt at overveje både oxy-Hb og deoxy-Hb (og eventuelt total-Hb) for at tage fuld fordel af fNIRS teknik15.
Begrænsninger. Selv fNIRS tilbyder en lovende, hastigt voksende neuroimaging teknik, skal nogle tekniske begrænsninger i forbindelse med enheden overvejes, når du planlægger sådan en undersøgelse (for en nylig gennemgang Se Pinti et al. 30). i forhold til EEG og fMRI, fNIRS er mere modstandsdygtige over for motion artefakter, men det kræver stadig tilstrækkelig motion artefakt kontrol og registrering. Der er flere mulige årsager til artefakter. Første, nogle af deltagerne har tendens til at flytte deres hoved brat, især spædbørn og børn, og derved kan trække på fiber-skrifter, der påvirker optode kontakt. Udvikling af nye fiberless enheder er mere robust over for bevægelse og tillade dermed undersøgelser af aktive opgaver30. Brug af en hage-resten kan tjene som en ekstra motion artefakt kontrol; men det begrænser muligheden for at optage hjernen aktiviteter i naturlige interaktioner. For det andet kan erhverve en tilstrækkelig optode kontakt blive hæmmet af mørke, krøllet og / eller tykt hår af deltageren. Markedsføring af optodes kan således være tidskrævende og en perfekt signal er ikke altid garanteret. For det tredje, afhængigt af fNIRS systemet, iført optodes for en længere periode kan lægge pres på deltagerens hoved, som kan opleves som ubehagelige. Dette begrænser ikke kun registreringstid af eksperimentet, men kan også føre til mere bevægelse og artefakter (f.eks. mindre børn kan trække på fælles landbrugspolitik). Ud over motion artefakter, er det bemærkelsesværdigt, at fNIRS indeholder foranstaltninger af kortikale overflade kun. Endelig er der ingen standardiserede data analyse retningslinjer endnu. Adskillige værktøjskasser blev udviklet i de seneste år og første forsøg på at analysere effektiviteten af forskellige forbehandling teknikker (fx Brigadoi et al. 31 og Cooper et al. 32). Derudover analytiske protokollen præsenteret i denne artikel viser en måde at analysere fNIRS hyperscanning data. Vigtigere, bør de valgte parametre for analysen forstås som en mulighed og ikke som en standard retningslinje. Flere andre analytiske protokoller for fNIRS hyperscanning er blevet udviklet i de sidste år af forskellige forskergrupper (Se for eksempel Cui et al. 12; Hirsch et al. 33).
Konklusion. fNIRS hyperscanning er en lovende teknik til at opnå yderligere indsigt i de neurobiologiske fundament for sociale interaktioner34. I fremtiden, kan bærbare og fiberless NIRS enheder være særligt vigtigt når undersøge hjerne til hjerne synchrony i naturlige interaktioner og flytter fra dyad mod større grupper af forsøgspersoner. Endelig kan kombinerer forskellige neuroimaging teknik, fx EEG-fNIRS, give ny indsigt, udvide vores forståelse af hjerne-til-hjerne synchrony.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Dette arbejde blev finansieret af initiativet Excellence i den tyske forbundsstat og regeringer (ERS frø fonden, OPSF449). Hitachi NIRS system blev støttet af en finansiering af tyske Research Foundation 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). |
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, ECVP Abstract Supplement (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).
