Summary
Protokolls beskriver hur att utföra fNIRS hyperscanning experiment och analysera brain-till-hjärnan synchrony. Vidare diskuterar vi utmaningar och möjliga lösningar.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Före deltagande, alla föräldrar / barn gett informerat samtycke / samtycke. Studien godkändes av den etiska kommittén vid medicinska fakulteten av RWTH Aachen universitetet.
1. beredning innan deltagaren anländer
- Förbereda NIRS caps.
- Välj snäckstorlekar samma storlek eller något större än deltagarens huvudomfång.
- Skär 15 hål med en diameter på cirka 15 mm vardera, ordnade i en horisontell 3 x 5 rutnät, in i pannan området av varje 2 rå EEG caps (se Tabell för material). Se till att hålen är placerade 30 mm från varandra i någon riktning, att den mellersta kolumnen hål ligger i mitten av pannan, dvs ovanför näsan, och som den nedersta raden ligger ovanför ögonbrynen.
- För att göra mössor bekvämare och minimera tryckmärken, bifoga mjukt skummaterial (t.ex. självhäftande fönster tätning tejp eller liknande platt skumgummi material) på den inre sidan av rutnätet innehavaren mellan sonden uttagen och på kanterna. Använd double-faced tejp eller sytråd vid behov.
- Montera en tom 3 x 5 sond innehavaren rutnät (se Tabell för material) till var och en av de modifierade EEG tak så att rutnätet innehavaren själv placeras på insidan av locket och innehavaren uttagen stick i hålen.
Obs: NIRS mätsystemet (se Tabell för material) har två separata probe set, använda en sond för varje deltagare. - Sätt försiktigt sonderna i lämpliga hållare uttagen på gallren så att endast första åsen av varje sond monteras i sockeln, vilket resulterar i ett klickande ljud.
- Öppna sonden Övervakningsfönstret vid NIRS mätsystemet som Välj 2 sond uppsättningar ordnade i ett 3 x 5 rutnät varje, en för de deltagande barnet och en för vuxna. Säkerställa att sonden arrangemangen av två mössor motsvarar bestämmelserna i fönstret probe set (dvs. samma plats av respektive sändaren och mottagaren sonden nummer).
- Förbereda experimentet.
- Börja NIRS mätsystemet med laserdioder övergått på 30 min. innan mätning, så att systemet når en stabil arbetstemperatur.
- Ange alla nödvändiga alternativ på NIRS mätsystemet. Kontrollera att enheten är inställd på evenemangsrelaterade mätning och att RS232 seriell indata, nödvändigt för att ta emot utlösare från experimentella paradigm, är aktiv.
Obs: Experimentet är en anpassad version av ett paradigm som utarbetats av Cui o.a. 12, programmerad i icke-kommersiella psykofysiken Toolbox tillägg, versionen 3.0.1116. - Förbereda den experimentella paradigmen genom att starta programvaran för teknisk databehandling (se Tabell för material) som fungerar som bas för psykofysiken Toolbox tilläggen och ställa in den aktuella katalogen till den mapp som paradigm sparas i.
- Plats två hakan vilar framför datorskärmen för att förhindra huvudrörelser under experimentet.
2. deltagare ankomst till laboratoriet
- Förbereda deltagarna.
- Visa och förklara experimentella installationen inklusive NIRS mätsystemet till deltagarna. Se alltid till att deltagarna inte ser direkt in i laserstrålen NIRS mätsystemets eftersom detta kan vara skadligt för ögat.
- Plats för deltagarna bredvid varandra framför datorskärmen. Justera höjden på hakan vilar så att båda deltagarna sitta bekvämt.
- Instruera deltagarna och administrera praktiken prövningar av både kooperativet och konkurrenskraftiga spel. Ge ytterligare instruktioner under praktiken prövningar vid behov.
- Mät och markera den Fpz punkten enligt 10-20 systemet, vilket är 10% av avståndet mellan nasion och inion, på varje deltagares huvud.
- Placera locken med sonderna försiktigt på deltagarnas huvuden, med laser avstängd. Placera framsidan av den gemensamma jordbrukspolitiken, inklusive rutnätet sonden på deltagarens panna först och sedan dra ner på baksidan av den gemensamma jordbrukspolitiken mot halsen. Se till att den nedersta raden mitten sond placeras på Fpz och den mellersta sond kolumnen justeras längs den sagittala referenskurva.
- Placera fiber strängarna på innehavaren armen bifogas NIRS mätsystemet så att de hänger löst utan kontakt med deltagare eller stol och att de inte dra på mössor. Använd ett extra hållare (t.ex., modifierad mikrofonstativet eller liknande) för den andra deltagaren vid behov.
- Tryck varje sond ytterligare i sin sockel tills små vita näsan i mitten av toppen av sonden höljet är synlig.
Obs: Näsan skjuts uppåt av en spole våren mekanism så fort sonden vidrör deltagarens hårbotten. - Aktivera lasern igen och testa signalkvaliteten genom att klicka på knappen Auto funktion i fönstret probe set monitor av NIRS mätsystemet.
- Om en kanal inte har en tillräcklig signal (dvs om den är markerad i gult), försiktigt lägger håret under omgivande sondens spets undan. Om nödvändigt, tryck sonderna ytterligare i deras uttag men säkerställa bekvämligheten av deltagaren. Kontrollera om signalkvaliteten har förbättrats (dvs kanalen är nu markerad i grönt) genom att klicka på knappen Auto vinna igen.
- Om steg 2.1.9. inte leda till en förbättring av signal, justera signalintensitet. Om det finns för mycket signal (dvs. om kanalen markeras i rött), ändra signal intensiteten till låg signalintensitet av upprepade gånger in respektive sondens symbolen i sonden Övervakningsfönstret NIRS mätsystemets. Om det inte finns tillräckligt signal (dvs. om kanalen är markerad i gult), ändra signal intensiteten hög signal intensiteten, igen genom att upprepade gånger Klicka på respektive sondens symbol.
- Köra experimentet
- När det finns inga frågor efter praktiken prövningar och en bra signalkvalitet säkerställs, starta den experimentella paradigmen.
- Placera en handduk över deltagarnas händer så att de inte kan se handrörelser av partner för respektive spel.
- Efter experimentet, spara data och exportera raw ljusintensiteten data som en textfil genom att klicka på knappen Text fil ut. Applicera inte eventuella filter i NIRS mätsystemet.
- Ren alla nödvändiga material (sonder, innehavare av sonden, haka vilar) med etanol. Tvätta mössor i en mild cykel med milt rengöringsmedel.
3. dataanalys
- Data förbehandling
Obs: Det finns flera icke-kommersiell programvarupaket för fNIRS analys av data, t.ex., HomER17, NIRS hjärnan AnalyzIR18 eller SPM för fNIRS19. De senare användes för förbearbetning följande. För mer information om hur du utför dessa steg, se verktygslådan manualen.- Konvertera datafiler till SPM för fNIRS dataformat.
- Beräkna oxy-Hb och deoxy-Hb koncentration ändringar med hjälp av modifierade öl-Lambert lagen genom att trycka på knappen konvertera i huvudfönstret. Ange ålder ämnet och avståndet mellan käll- och detektor (t.ex., 3 cm). Acceptera standardvärdena för molar absorption koefficienter av oxy-Hb och deoxy-Hb på våglängd (λ) 1 och λ 2 samt standardvärdena för differentiell pathlength faktorn (DPF) på λ 1 och λ 2.
- Förbearbeta tidsserierna för hemodynamiska förändringar minska rörelse artefakter genom att välja knappen MARA (för mer information om MARA algoritm se Scholkman o.a. ( 20).
- Förbearbeta tidsserierna för att minska långsam drivor genom att välja knappen DCT.
- Dålig kanal upptäckt
Obs: Dålig kanal identifiering kan utföras före och/eller efter fNIRS data förbehandling. I detta protokoll kombineras olika objektiva kriterier för att upptäcka dåliga kanaler och okulärbesiktning. Observera att den föreslagna listan av objektiva kriterier inte är uttömmande. För dålig kanal detektering användes egenskrivna manus (för teknisk databehandling programvara se Tabell för material).- Utesluta kanaler där det finns ingen signal förändring för flera kontinuerlig prover, vilket indikeras av en platt linje när plottning tidsserierna.
- Beräkna variationskoefficienten CV = SD/medelvärde * 100 för raw dämpning data. Utesluta kanaler där CV är ovanför en fördefinierad procentandel (t.ex., 10%, det se exempelvis van der Kant et al. ( 21).
- Rita ström spectrumen av signalen. Om det finns inga hjärtslag syns i signal spektrum runt 1 Hz, vilket framgår av en ökad makt i detta frekvensband, utesluta kanalen från analysen.
- Inspektera alla data före eller efter förbehandling. Besluta om att inkludera kanalen baserat på objektiva kriterier, beskrivs i punkt 3.2.1-3.2.3, samt på subjektiv visuell identifiering av bullriga kanaler.
- Brain-till-hjärnan-anslutning
Obs: Uppskatta två olika typer av hjärnan-anslutning kan urskiljas: icke-riktade uppskattningar, som kvantifiera styrkan i anslutning, och riktad uppskattningar, som syftar till att fastställa statistiska bevis för orsakssamband från data22 . Här var fokus på wavelet transform samstämmigheten (WTC), en allmänt tillämpad icke-riktade uppskattning för fNIRS brain-till-hjärnan-anslutning. Finns flera icke-kommersiell programvarulösningar för uträkningen av WTC, t.ex., en i Grinsted och kollegor23 eller ASToolbox24, som användes i detta protokoll för följande steg.- I funktionen AWCO i ASToolbox, ange mor wavelet (t.ex., generaliserade Morse Wavelet med dess parametrar beta och gamma), som används för att omvandla varje tidsserie till domänen tid och frekvens av kontinuerlig wavelet omvandling.
- Ange den utslätande fönstertyp (t.ex. Hanning fönster) och utslätande fönsterstorleken för domänen tid och skala i funktionen AWCO.
- Att undersöka betydelsen av koefficienterna som WTC och beräkna deras p-värden, ange antalet surrogat tidsserier (n ≥ 300) och den ARMA-modellen (t.ex., AR (1)) i funktionen AWCO.
- Med de parametrar som anges i steg 3.3.1 till 3.3.3, beräkna wavelet samstämmigheten i två motsvarande kanaler (samma kanal i två deltagare).
- Välj ett frekvensband av intresse där de uppgiftsrelaterade brain-till-hjärnan synchrony förväntas ske baserat på tidigare studier och visuell inspektion av data (för en alternativ metod se Nozawa o.a. ( 25).
- Beräkna medelvärdet av koefficienterna som WTC och/eller procentandelen av betydande WTC koefficienter i uppgiftsrelaterade frekvensbandet för varje uppgift block i varje kanal och för varje dyad. Använd detta värde som ett resultat av brain-till-hjärnan synchrony för ytterligare statistisk analys (för mer information se Reindl o.a. ( 11).
- Jämförelse med slumpmässiga par
Obs: För att validera resultaten, rekommenderar vi jämföra WTC av de faktiska hjärtsvikten till WTC av random vuxen-barn-motståndare, som inte spela med varandra men utförs samma experimentella uppgift.- Beräkna WTC, som beskrivs i punkt 3.3., för deltagare par som inte spela tillsammans men utförs samma experimentella uppgift (d.v.s. slumpmässiga par). Välj antalet slumpmässiga par (t.ex., 300 för varje villkor) och beräkna WTC för varje tabellpar som slumpmässiga.
- Jämföra samstämmigheten i de slumpmässiga och faktiska paren att undvika upptäckt av falska synkronicitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representativa uppgifter av en förälder-barn dyad under kooperativa villkoret visas i figur 1. Kooperativa uppgiften består av tre 30 s vila block och två uppgift, med 20 prövningar varje, presenteras i omväxlande ordning. I varje studie har deltagare att reagera så samtidigt som möjligt till en signal att tjäna en punkt11.
Figur 1: Hyperscanning data analys och representativt resultat. Ljusintensitet data samlas i 22 kanaler (CHs) av två deltagare. Första, dåliga kanaler upptäcks och undantas från ytterligare analyser. Efteråt, ljusintensiteten data konverteras till förändringar i oxy-hemoglobin (Δ Oxy-Hb) och deoxy-hemoglobin (Δ Deoxy-Hb). Signalerna visas för en exemplarisk förälder-barn dyad i CH 8 under villkoret kooperativa. Data är preprocessed genom att minska rörelse artefakter och långsam drivor. Efteråt beräknas wavelet samstämmigheten från förbehandlas oxy-Hb signalerna. För att uppskatta betydelsen av varje värde med wavelet i samstämmighet, genereras 300 surrogat tidsserier. Om observerade wavelet samstämmighet värdet är högre än 95% av de wavelet samstämmighet värden som erhålls från surrogat tidsserierna vid samma punkt i tid och omfattning, betraktas det som betydande. Betydande wavelet samstämmighet värden markeras med heldragna linjer kring respektive områden i observationsområdet. Samstämmighet i frekvensbandet uppgiftsrelaterade avbildas inom den svarta lådan. Observera att stegen analys och den Parameterisering som avbildas i figur bör förstås som ett exempel. Den optimala Parameterisering beror på data, t.ex., olika parametrar av MARA algoritmen kan fungera bäst för olika typer av artefakter20och det finns ingen guld standard för analys steg ännu. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Resultaten exemplifieras för fNIRS data av kanal 8 av båda deltagarna i en överordnad-underordnad dyad. Innan förbehandling konverteras rå ljus dämpning uppgifter, från den fNIRS enheten, till förändringar i oxy-Hb och deoxy-Hb för båda deltagarna. Nästa, fNIRS tidsserien är förbearbetade att minska rörelse artefakter och drivor. Slutligen beräknas betydande WTC från förbehandlas oxy-Hb signalerar av båda deltagarna.
Figur 1 illustrerar en riktig värderas WTC-matris, som består av koefficienterna som konsekvens i tid och frekvens domän (här i periodens längd). Koefficienterna kan variera mellan 0 och 1, med 1 som anger ett perfekt förhållande vid en viss tid och frekvens mellan båda signaler24. Koefficienterna är visualiserade använder en färgkarta alltifrån blå (liten eller ingen samstämmighet) till rött (stark eller maximal konsekvens). Betydande samstämmighet värden markeras med solida svarta linjer kring respektive områden i observationsområdet. Början och slutet av varje uppgift block indikeras av vertikala streckade linjer.
Resultaten visar en stark sammanhållning i hela experimentet i en hög frekvensband, tills en periodlängd på ~ 1 s (1 Hz). Detta sannolikt resultat från hjärt rytmer av överordnade och underordnade. Dessutom kan resultaten visar en stark sammanhållning i en lägre frekvensband mellan ~ 2 s och 8 s periodens längd (0,5 - 0,125 Hz). Rättegång längder skiljde sig åt på grund av pseudo-randomiserad variabel cue varaktigheter (600-1500 ms) och deltagarnas individuella reaktionstider men var runt 7 s i genomsnitt, förutsatt att reaktionstider på cirka 1 s. Därför avspeglar konsekvens i detta låg frekvens spänner sannolikt en synkronisering av båda ämnena verksamhet på hjärnan under aktiviteten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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. Dessutom eftersom fNIRS inte kräver stränga motion begränsning, är det väl lämpade för att genomföra hyperscanning experiment i en naturlig miljö och i barn. I följande, lyfter vi fram några kritiska frågor när utforma, analysera och tolka (fNIRS) hyperscanning experiment, diskutera utmaningar samt möjliga lösningar.
Försöksplanering. En viktig fråga av hyperscanning studier gäller experimentell design. Två deltagare som genomför samma experimentella uppgift oberoende av varandra kan visa liknande hjärnaktiviteter, vilket sedan kan upptäckas som brain-till-hjärnan synchrony26. För att skilja mellan brain-till-hjärnan synchrony inducerad av experimentella aktiviteten och den sociala interaktionen, är lämplig experimentell kontroll villkorar nödvändiga. Dels, är de kooperativa och konkurrenskraftiga uppgifterna mycket lämpliga eftersom de skiljer sig bara i komponenten kooperativa uppgift och inte i stimulans materialet och deltagarens motoriska beteende. Däremot, mindre standardiserade och mer naturlig interaktion (t.ex., att göra ett pussel tillsammans) kan inducera mer variansen i sociala interaktiva beteende och kan ha en större ekologisk validitet.
Spatial registrering av kanaler. En utmaning i det fNIRS hyperscanning mäter hemodynamiska aktivitet i motsvarande kanaler. Fästa sändare och detektor sonder på motsvarande platser på två deltagarnas huvuden garanterar inte att aktivitet i två motsvarande kortikala regioner tappas, som enskilda hjärnans anatomi är skyldig att varierar mellan deltagarna. Samtidigt mäta en vuxen och ett barn förvärrar detta problem genom att införa utvecklingsmässiga skillnaderna ovanpå anatomiska ettor. Med ett ökande antal kanaler är placeringen av kanalerna dessutom mindre reproducerbara över ämnen på grund av variationer i huvudform och storlek27. Ett valfritt tillbehör till den ETG-4000 är en sond som positionering enhet som skapar sonden positioner i förhållande till relaterat punkter på huvudet i tredimensionell rymd. Dessa data kan sedan vara DT strukturella MR bilden av deltagarens hjärnan27. Herr bilder och använda positionering enheten aktiveras försöksledaren att bättre styra huruvida aktiviteten mäts faktiskt i motsvarande regioner i hjärnan över två deltagare. Dessutom kunde forskare delvis kringgå problemet genom att beräkna en all-till-all anslutning modell, mäta sambandet mellan vilka två kanaler av de två deltagarna.
Påverkan av systemisk fysiologi. En annan viktig fråga är att hemodynamiska förändringar är kända påverkas inte bara av effekten av den neurovaskulära koppling, således neuronal aktivitet, men också av systemiska förändringar, såsom förändringar i hjärtfrekvens, blodtryck, andning, och autonoma nervsystemet aktivitet28. Någon synchrony upptäckts i hemodynamiska förändringar av två samarbetsvilliga deltagare kan också därför tillskrivas en synkronisering mellan dessa faktorer. Tidigare studier har visat att två samverkande partner verkligen synkronisera deras fysiologiska aktiviteter29. Observera dock att i aktiviteter med olika experimentella förhållanden som jämförs direkt till varandra, detta är bara en confounder om fysiologisk koppling är mer framträdande i ett men inte det andra villkoret. Dock kan det vara bra att förvärva fysiologiska data i hyperscanning studier för att aktivera experimentell kontroll av dessa parametrar. Ett annat alternativ, som nyligen av Nozawa o.a. 25, är att lägga mätkanaler med en kort källa-detektor (S-D) separation (t.ex., 1 cm), som är känsliga för ytliga hudens blodflöde signalen. Motsvarande komponent kan sedan tas bort från den fNIRS signal erhålls från mätkanaler med en vanlig S-D separation (t.ex., 3 cm), vilket minskar påverkan av fysiologiska confounders. En sådan dubbla eller flera avstånd strategi har visat sig förbättra känsligheten till uppgift-enhanced (här: kommunikation-enhanced) brain-till-hjärnan synchrony.
Dataanalys. Hyperscanning resultat är beroende av en estimator att kvantifiera brain-till-hjärnan synchrony. I den aktuella studien beräknas vi WTC av oxy-Hb signaler av motsvarande kanaler som ett mått på brain-till-hjärnan synchrony. Wavelet-baserade metoder har fördelen att de anser oscillerande dynamiken i tidsserien i tidsfrekvens utrymmet. WTC är en icke-riktad åtgärd beräknas från wavelet omvandlas tidsserier, som representerar styrkan i förhållandet mellan två tidsserier. I framtida studier, det skulle vara intressant att dessutom inkludera riktade åtgärder, såsom Granger kausalitet, för att undersöka vilka deltagare ”leder” aktiviteten (se till exempel Pan et al. 15). vidare medan många tidigare fNIRS-baserade hyperscanning studier undersöka brain-till-hjärnan synchrony i endast en signal (t.ex. oxy-Hb), är det lämpligt att överväga både oxy-Hb och deoxy-Hb (och möjligen totalt-Hb) för att ta full fördelen att fNIRS teknik15.
Begränsningar. Även fNIRS erbjuder en lovande, snabbt växande neuroradiologisk teknik, måste vissa tekniska begränsningar som är associerad med enheten beaktas när man planerar sådan studie (för en senaste granskning se Pinti o.a. 30). jämfört med EEG och fMRI, fNIRS är mer resistent mot rörelse artefakter, men det krävs fortfarande tillräcklig motion artefakt kontroll och upptäckt. I området i närheten finns det flera tänkbara orsaker till artefakter. Först några deltagare tenderar att flytta huvudet plötsligt, i synnerhet spädbarn och barn, och därmed kan dra på de fiber skrifter, som påverkar den optode kontakten. Utvecklingen av nya fiberless enheter är mer robust rörlighet och tillåta därmed utredningar av aktiva uppgifter30. Användning av en haka-resten kan fungera som en ytterligare artefakt rörelsestyrning; men begränsar det möjligheten att registrera hjärnans aktiviteter i naturliga interaktioner. Andra kan förvärva en adekvat optode kontakt hindras av mörkt, lockigt och / eller tjocka hår av deltagaren. Placera optodes kan alltså vara tidskrävande och en perfekt signal kan inte alltid garanteras. Tredje, beroende på det fNIRS systemet, bära optodes under en längre tid kan sätta press på deltagarens huvud, vilket kan upplevas som obehagliga. Detta begränsar inte bara inspelningstiden för experimentet men kan också leda till mer rörelse och artefakter (t.ex. mindre barn kan dra på locket). Förutom motion artefakter, är det anmärkningsvärt att fNIRS ger åtgärder av kortikala ytan bara. Slutligen finns det ännu inga standardiserade data analys riktlinjer. Flera verktygslådor har utvecklats de senaste åren och första försök gjordes att analysera effektiviteten av olika förbehandling tekniker (t.ex. Brigadoi o.a. 31 och Cooper m.fl. 32). Dessutom den analytiska protokoll som presenteras i denna artikel visar ett sätt att analysera fNIRS hyperscanning data. Ännu viktigare, bör valda parametrarna för analysen förstås som ett möjligt alternativ och inte som en vanlig riktlinje. Flera andra analytiska protokoll för fNIRS hyperscanning har utvecklats under de senaste åren av olika forskargrupper (se till exempel Cui o.a. 12. Hirsch et al. ( 33).
Slutsats. fNIRS hyperscanning är en lovande teknik för att få ytterligare insikter i den neurobiologiska underbyggnaden för sociala interaktioner34. I framtiden, kan bärbara och fiberless NIRS enheter vara särskilt viktigt när man undersöker brain-till-hjärnan synchrony i naturliga interaktioner och flyttar från dyad mot större grupper av försökspersoner. Slutligen, att kombinera olika neuroradiologiska tekniker, t.ex. EEG-fNIRS, kan ge nya insikter, bredda vår förståelse av hjärnan-till-hjärnan synchrony.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
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).
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).
