Summary
Nåværende protokollen beskriver hvordan å utføre fNIRS hyperscanning eksperimenter og analysere brain-til-hjerne synkronisering. Videre, vi diskutere utfordringene og mulige løsninger.
Abstract
Samtidige hjernen opptak av to eller flere samspill personer, tilnærming kalt hyperscanning, er stadig økende betydning for vår forståelse av nevrobiologiske fundamentet av sosiale interaksjoner, og muligens mellommenneskelige relasjoner . Funksjonell nær infrarød spektroskopi (fNIRS) er godt egnet for gjennomføre hyperscanning eksperimenter fordi den måler lokale hemodynamic effekter med en høy samplingsfrekvens og, viktigst, det kan brukes i naturlige omgivelser, ikke krever strenge bevegelse begrensninger. I denne artikkelen presenterer vi en protokoll for å gjennomføre fNIRS hyperscanning eksperimenter med foreldre-barn dyads og analysere brain-til-hjerne-synkronisering. Videre diskutere vi viktige problemer og fremtidige retninger, om eksperimentell design, romlig registrering av fNIRS kanaler, fysiologiske påvirkninger og dataanalyse metoder. Beskrevet protokollen er ikke spesifikke for foreldre-barn dyads, men kan brukes til en rekke forskjellige dyadic konstellasjoner, som voksen fremmede, romantiske partnere eller søsken. For å konkludere, har fNIRS hyperscanning potensial til å gi ny innsikt i dynamikken i den pågående sosial interaksjonen, som muligens gå utover hva kan studeres ved å undersøke aktiviteter av personlige hjerner.
Introduction
De siste årene, nevrologer har begynt å studere sosial interaksjon ved hjernen aktivitetene til to eller flere personer samtidig, en tilnærming kalt hyperscanning1. Denne teknikken åpner nye muligheter for å belyse nevrobiologiske mekanismene bak disse interaksjoner. Å fullt ut forstå sosiale interaksjoner, kan det ikke være tilstrekkelig å studere enkelt hjerner i isolasjon, men heller de felles aktivitetene hjerner samspill personer2. Bruke forskjellige neuroimaging teknikker, hyperscanning studier har vist at hjernen aktiviteter samspill personer eller grupper synkroniseres, f.eks, mens de koordinere sine handlinger3, lage musikk4, kommunisere5, delta i klasserommet aktiviteter6 eller samarbeide7.
Artikkelen presenterer en protokoll for å gjennomføre samtidig opptak med funksjonell nær infrarød spektroskopi (fNIRS). I likhet med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI), fNIRS måler hemodynamic svaret hjernen aktivisering. Endringer i oksygenrikt og deoxygenated hemoglobin (oxy-Hb og deoxy-Hb) er beregnet basert på hvor mye diffusively nær-infrarøde lyset gjennom vev8. fNIRS er godt egnet for å drive hyperscanning eksperimenter, spesielt med barn, fordi det kan brukes i mindre begrenset og mer naturlig enn fMRI. Dessuten er det mindre utsatt for bevegelse gjenstander enn både fMRI og EEG9. I tillegg fNIRS data kan skaffes på høye samplingsfrekvenser (f.eks, 10 Hz), således svært oversamples relativt treg hemodynamic svaret og dermed potensielt gir et mer fullstendig timelige bilde av hjernen hemodynamics10 .
Denne protokollen ble utviklet innen studiet av Reindl et al. 11 og er litt endret (særlig med hensyn til kanal plassering og dårlig kanalen ID) nylig. Målet med undersøkelsen var å undersøke synkronisert hjerneaktiviteten til overordnet-underordnet dyads. Bruker fNIRS hyperscanning, vurdert vi brain-til-hjerne synkronisering i prefrontal hjernen områder for barn (i alderen fem til ni år) og deres foreldre, hovedsakelig mødre, under et samarbeid og en konkurransedyktig datamaskin aktivitet. Prefrontal hjernen regioner var rettet som de hadde blitt identifisert som viktige områder for sosiale interaktive prosesser i forrige hyperscanning studier1. Kooperativ og konkurransedyktig oppgaven ble opprinnelig utviklet av Cui et al. 12 og nylig ansatt av flere tidligere studier13,14,15. For studier av Reindl et al. 11, aktivitetene ble endret til å være egnet for barn. Deltakerne ble bedt om å enten svare fellesskap via tastetrykk som svar på et mål (samarbeid) eller å svare raskere enn den andre spilleren (konkurranse). Hvert barn utført hver oppgave når foreldre og når en voksen fremmed av samme kjønn som overordnet. Innenfor hvert barn-voksen dyad, ble wavelet sammenheng beregnet for oxy-Hb signalene tilsvarende kanaler som et mål på brain-til-hjerne synkronisering.
Denne protokollen beskriver prosedyrene for å samle fNIRS hyperscanning informasjon av overordnede og underordnede under samarbeidsvillig og konkurransedyktige spillet. Generelle fremgangsmåten, men er ikke spesifikke for denne forskningsdesign men passer for ulike befolkningsgrupper (f.eks, voksen fremmede, romantiske partnere, søsken, etc.) og kan tilpasses for en rekke forskjellige eksperimentelle aktiviteter. Denne protokollen også skisserer en mulig analytiske prosedyren som dekker nødvendig og valgfrie data analyse, medregnet fNIRS data forbehandling, dårlig kanal deteksjon, wavelet sammenheng analyse og validering av tilfeldige par analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Før deltakelse, alle foreldre / barn gitt samtykke / samtykke. Studien ble godkjent av den etiske komiteen av medisinske fakultetet av RWTH Aachen University.
1. forberedelse før deltakeren kommer
- Forberede NIRS caps.
- Velg cap størrelsene like stor som eller litt større enn deltakerens hodeomkrets.
- Skjære 15 hull med en diameter på ca 15 mm hver, ordnet i et vannrett 3 x 5-rutenett, i pannen området hver 2 rå EEG landskamper (se Tabell for materiale). Kontroller at hullene er linjeavstand 30 mm fra hverandre i alle retninger, at den midterste kolonnen hull ligger i midten av pannen, dvs. over nesen, og den nederste raden ligger ovenfor øyenbrynene.
- For å gjøre caps mer behagelig og minimere press merker, knytte mykt skum materiale (f.eks selvklebende vinduet tetting tape eller lignende flat skumgummi materiale) på innsiden av holderen rutenettet mellom sonde kontaktene og på kantene. Bruk double-faced teip eller sytråd om nødvendig.
- Montere en tom 3 x 5 sonde holder rutenett (se Tabell of Materials) til hver av de endrede EEG caps slik at abonnenten rutenettet selv er plassert på innsiden av lokket og holder stikkontakter pinne i hullene.
Merk: NIRS målesystemet (se Tabell for materiale) har to separate sonde sett, bruke en sonde satt for hver deltaker. - Forsiktig inn sonder de aktuelle holder kontaktene på rutenettet slik at bare den første ryggen av hver probe er montert i sokkelen, som resulterer i en klikkelyd.
- Åpne sonden satt overvåkingsvinduet på målsystemet NIRS og velg 2 sonde sett ordnet i en 3 x 5-rutenett hver, én for deltakende barnet og én for voksne. Sikre at sonden arrangementer av to caps tilsvarer arrangementene i vinduet sonde sett (dvs. samme plasseringen av respektive sender og mottaker sonde tall).
- Klargjøre eksperimentet.
- Start NIRS målesystemet med laserdioder slått på 30 min. taes slik at systemet når en stabil driftstemperatur.
- Angi alle nødvendige alternativer på NIRS målesystemet. Kontroller at enheten er satt til event-relaterte mål og at RS232 føljetong input, nødvendig for mottak utløsere fra experimental paradigmet, er aktiv.
Merk: Eksperimentet er en tilpasset versjon av et paradigme av Cui et al. 12, programmert i ikke-kommersielle Psychophysics verktøykassen extensions, versjon 3.0.1116. - Forberede den eksperimentelle paradigmet ved å starte den tekniske dataprogramvare (se Tabell for materiale) som fungerer som base for Psychophysics verktøykassen utvidelser og angir gjeldende mappe til mappen som paradigmet er lagret i.
- Plassere to haken hviler foran dataskjermen å hindre bevegelser av hodet under eksperimentet.
2. deltakerne ankomst i laboratoriet
- Forberede deltakerne.
- Vise og forklare eksperimentelle oppsett inkludert NIRS målesystemet til deltakerne. Sørg alltid for at deltakerne ikke ser direkte på laserstrålen av NIRS målesystemet som dette kan være skadelig for øyet.
- Sete deltakerne hverandre foran dataskjermen. Juste høyden på haken hviler slik at begge deltakerne sitte komfortabelt.
- Instruerer deltakerne og administrere praksis studier av både samarbeidende og konkurransedyktige spillet. Gi instruksjoner under praksis prøvelser om nødvendig.
- Mål og Merk Fpz punktet etter 10-20 systemet, som er 10% av avstanden mellom nasion og inion, på hver deltakers hodet.
- Plassere caps med sonder forsiktig på deltakernes hoder, med laser deaktivert. Plassere foran cap, inkludert sonde rutenettet på deltakerens pannen først og deretter trekke ned baksiden av lokket mot halsen. Kontroller at midten sonden av nederste rad er plassert på Fpz og kolonnen midten sonde er justert langs sagittal referanse kurven.
- Plass fiber strengene på holder armen knyttet til målesystemet NIRS slik at de henger løst uten kontakt med deltaker eller stolen, og at de ikke dra i caps. Bruke en ekstra holder (f.eks., endret mikrofon stå eller lignende) for andre deltakeren om nødvendig.
- Presse hver sonden videre inn i kontakten til små hvite nesen i midten av toppen av sonden casing er synlig.
Merk: Nesen skyves oppover ved en coil våren ordning snarest probespissen berører deltakerens hodebunnen. - Laser på igjen og teste signalkvaliteten ved å klikke på knappen Auto få sonde angi skjerm vinduet i NIRS målesystemet.
- Hvis en kanal ikke har et tilstrekkelig signal (dvs. hvis det er merket med gult) forsiktig sette håret under omkringliggende probespissen til side. Eventuelt presse sonder videre inn i deres kontakter men sikre komfort av deltakeren. Sjekk om signalkvaliteten har forbedret (dvs. kanalen er nå merket i grønt) ved å klikke på knappen automatisk få igjen.
- Hvis trinn 2.1.9. ikke føre til en signal forbedring, justere intensiteten signal. Hvis det er for mye signal (dvs. hvis kanalen er markert i rødt), endre signalet intensitet lav signal intensitet av gjentatte ganger satt å klikke på den respektive sonde symbol i sonden overvåkingsvinduet av NIRS målesystemet. Hvis det ikke er nok signal (dvs. hvis kanalen er merket med gult), endre signalet intensitet til høy signal intensitet, igjen ved gjentatte ganger å klikke på den respektive sonde symbol.
- Utføre eksperimentet
- Når det er nei spørsmål etter praksis prøvelser og god signalkvalitet er sikret, starte eksperimentelle paradigmet.
- Sett et håndkle over deltakernes hender slik at de ikke kan se håndbevegelser av deres respektive spillet partner.
- Etter eksperimentet, lagre dataene og eksporterer rå lysintensiteten dataene som en tekstfil ved å klikke på knappen tekst fil ut. Ikke bruk filtre i det NIRS målesystemet.
- Rengjør alle nødvendige materialer (sonder, sonde holdere, haken hviler) med etanol. Vask caps i en mild syklus med vaskemiddel.
3. dataanalyse
- Data forbehandling
Merk: Det er flere ikke-kommersiell programvarepakker tilgjengelig for fNIRS dataanalyse, f.eks., HomER17, NIRS Brain AnalyzIR18 eller SPM for fNIRS19. Sistnevnte ble brukt for forbehandling følgende. For mer informasjon om hvordan du utfører disse trinnene, kan du se verktøykassen manualen.- Konvertere datafilene til SPM for fNIRS dataformat.
- Beregne oxy-Hb og deoxy-Hb konsentrasjon endringer med endrede Beer-Lambert lov ved å trykke på knappen Konverter i hovedvinduet. Angi emnet og avstanden mellom kilde og detektorer (f.eks, 3 cm). Godta standardverdiene for molar absorpsjon koeffisientene oxy-Hb og deoxy-Hb på bølgelengde (λ) 1 og λ 2, i tillegg til standardverdiene for differensial pathlength faktoren (DPF) λ 1 og λ 2.
- Forhåndsbehandle tidsserien for hemodynamic redusere bevegelse ved å klikke MARA (for mer informasjon om MARA algoritmen se Scholkman et al. 20).
- Forhåndsbehandle tidsserien for å redusere sakte driver ved å klikke DCT.
- Dårlig kanal gjenkjenning
Merk: Dårlig kanal gjenkjenning kan utføres før og/eller etter fNIRS data forbehandling. I denne protokollen kombineres forskjellige objektive kriterier for å oppdage dårlige kanaler og visuell inspeksjon. Vær oppmerksom på at foreslåtte listen over objektive kriterier ikke er uttømmende. For dårlig kanal deteksjon, ble selv skriftlige prosedyrer brukt (for teknisk databehandling programvare se Tabellen for materiale).- Ekskludere kanaler der det er ingen signal endring for flere kontinuerlig prøver, som er angitt med en rett linje når plotting tiden serien.
- Beregne variasjonskoeffisienten CV = SD/gjennomsnittet * 100 for rå demping. Utelate kanaler der CV er over forhåndsdefinerte prosent (f.eks, 10%, se for eksempel van der Kant et al. 21).
- Tegn makt spekteret av signalet. Hvis det er ingen hjerteslag i signal spekteret rundt 1 Hz, som angitt av en økt makt i denne frekvensbånd, utelukke kanalen fra analysen.
- Visuelt inspisere alle data før og/eller etter forbehandling. Bestemme om du vil inkludere kanalen basert på objektive kriterier, beskrevet i 3.2.1-3.2.3, så vel som på subjektive visuell gjenkjenning av støyende kanaler.
- Brain-til-hjerne-tilkobling
Merk: Beregne to forskjellige typer hjernen tilkobling kan skilles: Uadresserte anslag og kvantifisere styrken av tilkoblingsmuligheter, og rettet anslag og søker å etablere statistisk bevis for årsakssammenheng fra data22 . Her var fokus på wavelet transformering sammenheng (WTC), et vidt anvendt Uadresserte anslag for fNIRS brain-til-hjerne-tilkobling. Flere ikke-kommersiell programvareløsninger for beregning av WTC er tilgjengelig, f.eks, ved Grinsted og kolleger23 eller ASToolbox24, som ble brukt i denne protokollen for følgende.- Funksjonen AWCO i ASToolbox, spesifiserer mor wavelet (f.eksgeneralisert Morse Wavelet parametere beta og gamma), som brukes til å transformere Serienavn tid til tid og hyppigheten domenet av kontinuerlig wavelet transformasjon.
- Angi utjevning vinduet (f.eks Hanning vindu) og utjevning vindusstørrelsen for tid og skala domenet i funksjonen AWCO.
- Undersøke betydningen av WTC koeffisientene og beregne sine p-verdier, angi antall surrogat tidsserier (n ≥ 300) og ARMA modellen (f.eksAR (1)) i funksjonen AWCO.
- Med parametere angitt i trinn 3.3.1 til 3.3.3, beregne wavelet sammenhengen i to tilsvarende kanaler (samme kanal i to deltakere).
- Velg en frekvensbånd rundt der oppgaverelaterte brain-til-hjerne synkronisering forventes basert på tidligere studier og visuell inspeksjon av data (for en alternativ tilnærming se Nozawa et al. 25).
- Beregn gjennomsnittet av WTC koeffisientene og/eller andelen betydelig WTC koeffisientene i oppgaverelaterte frekvensbåndet for hver oppgave blokk i hver kanal og hver dyad. Bruk denne verdien som en resultatet av brain-til-hjerne synkronisering for videre statistisk analyse (for mer informasjon, se Reindl et al. 11).
- Sammenligning med tilfeldig par
Merk: For å validere resultatene, anbefaler vi sammenligne WTC av de faktiske dyads til WTC av tilfeldige voksen-barn motstandere, som ikke spiller med hverandre, men utført samme eksperimentelle aktivitet.- Beregne WTC, som beskrevet i 3.3., for deltaker par som ikke spiller sammen men utføres samme eksperimentelle aktivitet (dvs. tilfeldig par). Velg antall tilfeldige par (f.eks300 for hvert vilkår) og beregne WTC for hvert tilfeldig par.
- Sammenligne sammenhengen av de tilfeldig og faktisk å unngå deteksjon av falske synkron.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representant data av en foreldre-barn dyad under samarbeidende tilstanden er vist i figur 1. Kooperativ aktiviteten består av tre 30 s resten blokker og to oppgave blokker, med 20 forsøk hver, presentert i alternerende rekkefølge. I hver prøve må deltakerne reagere som samtidig som mulig for å en signal å tjene en punkt11.
Figur 1: Hyperscanning data analyse og representant resultater. Lysintensiteten data samles i 22 kanaler (CHs) to deltakere. Første, dårlig kanaler oppdages og ekskludert fra videre analyser. Etterpå lysintensiteten dataene konverteres til endringer i oxy-hemoglobin (Δ Oxy-Hb) og deoxy-hemoglobin (Δ Deoxy-Hb). Signaler vises for en eksemplarisk foreldre-barn dyad i CH 8 under samarbeidende tilstanden. Dataene er forbehandles ved å redusere bevegelse og langsom driver. Etterpå beregnes wavelet sammenhengen fra preprocessed oxy-Hb signaler. For å beregne betydningen av helheten wavelet sammenheng, genereres 300 surrogat tidsserier. Hvis observert wavelet sammenheng verdien er høyere enn 95% av wavelet sammenheng verdiene hentes fra surrogat tiden serien på samme tidspunkt og skala, er det ansett som viktig. Betydelig wavelet sammenheng verdier er preget av heltrukne linjer rundt de respektive områdene i plottet. Sammenheng i oppgaverelaterte frekvensbåndet er avbildet i den svarte boksen. Vær oppmerksom på at punktene analyse og parameterne som er avbildet i figuren skal forstås som et eksempel. Den optimale parameterne avhenger av dataene, f.eks., ulike parametere av MARA algoritmen kan fungere best for ulike typer gjenstander20og det er ingen gull standard for noen av punktene analyse ennå. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Resultatene er eksemplifisert for fNIRS av kanalen 8 både deltakere en foreldre-barn dyad. Før forbehandling konverteres rå lys demping data mottatt fra fNIRS enheten, til endringer i oxy-Hb og deoxy-Hb for både deltakere. Deretter er fNIRS tidsserier preprocessed å redusere bevegelse og driver. Til slutt, betydelig WTC beregnes fra preprocessed oxy-Hb signalene fra både deltakere.
Figur 1 illustrerer en virkelig verdsatt WTC matrise som består av sammenheng koeffisientene i tid og frekvens domene (her i Periodelengde). Koeffisientene kan variere mellom 0 og 1, 1 indikerer en perfekt forhold på et bestemt tidspunkt og mellom begge radiofrekvenssignaler24. Koeffisientene er visualisert bruker kart farge fra blå (liten eller ingen sammenheng) til rød (sterk eller maksimal sammenheng). Signifikant sammenheng verdier er markert med heldekkende svarte linjer rundt de respektive områdene i plottet. Begynnelsen og slutten av hver aktivitet blokk angis med vertikale stiplede linjer.
Resultatene viser en sterk sammenheng gjennom eksperimentet i en høyfrekvent band, til en periodelengde av ~ 1 s (1 Hz). Dette trolig resultater fra hjerte rytmer av overordnede og underordnede. I tillegg resultatene viser en sterk sammenheng i en lavere frekvensbånd mellom ~ 2 s og 8 s periodelengden (0,5 - 0.125 Hz). Prøve lengder forskjellig på grunn av pseudo-randomiserte variabel stikkordet varighet (600-1500 ms) og deltakernes personlige reaksjonstid men var rundt 7 s gjennomsnittlig, forutsatt reaksjonstid ca 1 s. Derfor gjenspeiler sammenheng i lavfrekvente området sannsynligvis en synkronisering av hjernen aktiviteter både fag i løpet av aktiviteten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne protokollen viser vi hvordan du fNIRS hyperscanning eksperimenter og en mulig måte å analysere brain-til-hjerne synchrony, måle konsentrasjon endringer av oxy-Hb og deoxy-Hb frontal hjernen regioner av to fag samtidig. FNIRS hyperscanning er relativt enkelt å bruke: én NIRS enhet er tilstrekkelig til å måle hjernen aktiviteter både fag ved å dele optodes mellom dem. Dermed er ingen synkronisering mellom forskjellige enheter nødvendig1. Videre, siden fNIRS ikke krever strenge bevegelse begrensning, er det godt egnet for gjennomføre hyperscanning eksperimenter i et naturlig miljø og barn. Nedenfor vi fremheve noen alvorlige problemer når designe, analysere og tolke (fNIRS) hyperscanning eksperimenter, diskutere utfordringene samt mulige løsninger.
Eksperimentell Design. Ett viktig problem hyperscanning studier gjelder eksperimentell design. To deltakere som har fullført samme eksperimentelle aktivitet uavhengig av hverandre kan vise lignende hjernen aktiviteter, som deretter kan oppdages som brain-til-hjerne synkronisering26. For å skille mellom brain-til-hjerne synkronisering indusert av eksperimentelle aktiviteten og sosial interaksjon, er aktuelle eksperimentelle kontrollen nødvendig. På den ene siden, er samarbeidende og konkurransedyktig aktivitetene godt egnet fordi de skiller seg bare i komponenten kooperativ oppgave og ikke i stimulans materialet og deltakerens motor atferd. På den annen side, mindre standardisert og mer naturlig interaksjoner (f.ekslager et puslespill sammen) kan indusere mer variansen i sosial interaktiv atferd og kan ha en større økologisk gyldighet.
Romlige registrering av kanaler. En utfordring i fNIRS hyperscanning måle hemodynamic aktivitet i korresponderende kanaler. Feste emitter og detektor sonder på tilsvarende steder to deltakernes hoder garanterer ikke at aktiviteten i to tilsvarende kortikale områder er tappet, som personlige hjerne anatomi er egnet til å variere over deltakere. Samtidig måling voksen og barn forverrer problemet ved å introdusere utviklingsmessige forskjeller på anatomiske seg. Videre med et økende antall kanaler er plassering av kanalene mindre reproduserbar over fag på grunn av variasjoner i hode form og størrelse27. En tilleggsutstyr til ETG-4000 er en sonde posisjonering enhet som skaper sonde posisjon i forhold til fiducial poeng på hodet i tre-dimensjonale rommet. Disse dataene kan deretter co registrerte strukturelle MR bildet av deltakerens hjernen27. Henting av MR bilder og bruke plassering enheten vil aktivere eksperimentator å bedre kontrollere om aktiviteten er faktisk målt i tilsvarende hjernen regioner over to deltagere. I tillegg kan forskere delvis omgå dette problemet ved å beregne en helt til alle tilkobling modell, måle forbindelsen mellom alle to kanaler to deltakerne.
Påvirkning av systemisk fysiologi. En annen viktig sak er at hemodynamic endringer er kjent for påvirkes ikke bare av effekten av nevrovaskulære kopling, dermed neuronal aktivitet, men også av systemisk endringer, for eksempel endringer i hjertefrekvens, blodtrykk, pustefrekvens, og autonome nervesystemet aktivitet28. Derfor kan noen synkronisering i hemodynamic endringene to samarbeidende deltakere også være knyttet til en synkronisering av disse faktorene. Tidligere studier har vist at to samspill partnere faktisk synkronisere sine fysiologisk aktivitet29. Vær oppmerksom på at i aktiviteter med forskjellige eksperimentelle forhold som er direkte forhold til hverandre, dette er bare en confounder hvis fysiologiske koplingen er mer fremtredende i én men ikke andre tilstanden. Likevel kan det være nyttig å skaffe fysiologiske data i hyperscanning studier eksperimentelle kontrollere parameterne. Et annet alternativ, slik vi nylig Nozawa et al. 25, er å legge måling kanaler med en kort kilde-detektor (SD) separasjon (f.eks, 1 cm), som er følsomme for overfladisk huden blodstrøm signalet. Den tilsvarende komponenten kan deretter fjernes fra fNIRS signalet fra måling kanaler med en vanlig SD separasjon (f.eks, 3 cm), dermed redusere innflytelsen av fysiologiske forstyrrende faktorer. Slik to eller flere avstand tilnærming har vist seg å forbedre følsomheten å oppgave forbedret (her: kommunikasjon med forbedret) brain-til-hjerne synkronisering.
Dataanalyse. Hyperscanning resultatene avhenger av en estimator å kvantifisere brain-til-hjerne synkronisering. I denne studien beregnet vi WTC oxy-Hb signaler tilsvarende kanaler som et mål på brain-til-hjerne synkronisering. Wavelet-baserte metoder har fordelen at de anser oscillasjon dynamikken i tidsserier i tid-frekvens plass. WTC er et ikke-adresserte mål beregnet fra wavelet forvandlet tidsserier, representerer styrke forholdet mellom to tidsserier. I fremtidige studier, det ville være interessant i tillegg inkludere regissert tiltak, som Granger kausalitet, undersøke hvilke deltaker "leder" aktiviteten (se for eksempel Pan et al. 15). videre mens mange tidligere fNIRS-baserte hyperscanning studier undersøke brain-til-hjerne synkronisering i bare ett signal (f.eks oxy-Hb), er det tilrådelig å vurdere både oxy-Hb og deoxy-Hb (og muligens totalt-Hb) for full Fordelen med fNIRS teknikken15.
Begrensninger. Selv om fNIRS tilbyr en lovende, raskt voksende neuroimaging technique, må noen tekniske begrensninger tilknyttet enheten vurderes når du planlegger slik studie (for en siste gjennomgang se Pinti et al. 30). i forhold til EEG og fMRI, fNIRS er mer motstandsdyktig mot bevegelse, men det fortsatt krever tilstrekkelig bevegelseskontroll gjenstand og gjenkjenning. Det er flere mulige årsaker til gjenstander. Først noen deltakere pleier å flytte hodet brått, i bestemt spedbarn og barn, og dermed kan trekke på fiber tracts, påvirker optode kontakten. Utviklingen av nye fiberless enheter er mer robust bevegelse og tillate dermed undersøkelser av aktive oppgaver30. Bruk av en hake-resten kan tjene som en ekstra gjenstand bevegelseskontroll; Men, begrenser evnen å fortegnelse hjernen aktiviteter i naturlig samspill. Andre kan anskaffe en tilstrekkelig optode kontakt bli hindret av mørke, krøllete og / eller tykt hår til deltakeren. Plassering av optodes kan dermed være tidkrevende og et perfekt signal er ikke alltid garantert. Tredje, avhengig av fNIRS systemet, bruker optodes for en lengre periode kan legge press på deltakerens hodet, som kan oppleves ubehagelig. Dette begrenser ikke bare tid for eksperimentet, men kan også føre til mer bevegelse og gjenstander (f.eks mindre barn kan trekke på cap). I tillegg til bevegelse gjenstander, det er bemerkelsesverdig at fNIRS gir tiltak av kortikale overflaten bare. Til slutt, det er ingen standardisert data analyse retningslinjer ennå. Flere verktøykasser utviklet de siste årene og første forsøk ble gjort for å analysere effektiviteten av ulike forbehandling teknikker (f.eks Brigadoi et al. 31 og Cooper et al. 32). dessuten analytisk protokollen presenteres i denne artikkelen viser én måte fNIRS hyperscanning dataanalyse. Viktigst, bør de valgte parameterne analysen bli forstått som en mulig alternativ og ikke som en standard retningslinje. Flere andre analytiske protokoller for fNIRS hyperscanning har blitt utviklet i de siste årene av forskjellige forskningsgrupper (se for eksempel Cui et al. 12; Hirsch et al. 33).
Konklusjon. fNIRS hyperscanning er en lovende teknikk for å få ytterligere innsikt i nevrobiologiske grunnlaget for sosiale interaksjoner34. I fremtiden, kan bærbart og fiberless NIRS enheter være spesielt viktig når undersøke hjernen-til-hjerne synkronisering i naturlige interaksjoner og flytte fra dyad mot større grupper av fag. Til slutt, kombinere ulike neuroimaging teknikker, f.eks EEG-fNIRS, kan gi ny innsikt, utvide vår forståelse av brain-til-hjerne synkronisering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble finansiert av fortreffelighet initiativ av den tyske staten og regjeringer (ERS frø fondet, OPSF449). Hitachi NIRS systemet ble støttet av finansiering av tysk 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).
