Hyperscanning 기능성 근 적외선 분광학 실험 실시

Summary

현재 프로토콜 fNIRS hyperscanning 실험을 실시 하 고 뇌-투-두뇌 synchrony를 분석 하는 방법을 설명 합니다. 또한, 우리는 문제 및 가능한 해결 논의.

Abstract

동시 브레인 녹음의 두 개 이상의 상호 작용, hyperscanning, 불리 한 접근 사회적 상호 작용, 그리고 가능 하 게 대 인 관계의 neurobiological 토대에 대 한 우리의 이해에 대 한 증가 중요성을 얻고 있다 . 기능성 근 적외선 분광학 (fNIRS)은 로컬 hemodynamic 효과 높은 샘플링 속도를 측정 하 고, 중요 한 것은, 엄격한 동작을 요구 하지 않는 자연 스러운 설정에서 적용 될 수 있기 때문에 hyperscanning 실험을 실시 하는 데 적합 제한 사항입니다. 이 문서에서는, 우리는 부모-자식 점수와 fNIRS hyperscanning 실험 및 분석 뇌-투-두뇌 synchrony 프로토콜 제시. 또한, 우리는 중요 한 문제와 미래의 방향, 실험 설계, 공간 등록 fNIRS 채널, 생리 적 영향 및 데이터 분석 방법에 관한 논의. 설명된 프로토콜 특정 부모-자식 점수, 하지만 다양 한 성인 낯선, 낭만적인 파트너 또는 형제 자매와 같은 다른 양자 별자리에 적용할 수 있습니다. 결론, fNIRS hyperscanning 가능성이 무엇 개별 두뇌의 활동을 검토 하 여 공부 될 수 있다 저쪽에는 지속적인 사회적 상호 작용의 역학에 대 한 새로운 통찰력을 얻을 수가 있다.

Introduction

최근 몇 년 동안, 신경은 동시에 두 개 이상의 사람의 두뇌 활동을 기록 하 여 사회적 상호 작용을 공부 하기 시작 했습니다, 그리고 접근 되 나 hyperscanning¹. 이 기술은 이러한 상호 작용을 기본 neurobiological 메커니즘을 명료 하 게 새로운 기회를 엽니다. 사회적 상호 작용을 완전히 이해 하려면 격리 하지만 오히려 상호 작용 인²의 두뇌의 공동 활동에 단일 두뇌를 공부 하기에 충분 하지 않을 수 있습니다. 다른 neuroimaging 기술을 사용 하 여, hyperscanning 연구는 두뇌 상호 작용 개인 또는 그룹의 활동을 동기화, 예를 들어, 그들은 그들의 작업³조정, 음악⁴,⁵, 통신 확인 교실 활동⁶ 에 관여 또는 협조⁷.

문서 기능 근처-적외선 분광학 (fNIRS)와 동시 녹음을 실시 하기 위한 프로토콜을 제공 합니다. 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)와 마찬가지로, fNIRS 두뇌 활성화에 hemodynamic 응답을 측정합니다. 산소 하 고 deoxygenated 헤모글로빈 (Hb 옥 시와 의하여 Hb)에 변화는 조직⁸diffusively 전송된 근처-적외선 빛의 금액에 따라 계산 됩니다. fNIRS은 fMRI 보다 덜 제한 하 고 더 자연 스러운 설정에서 적용 될 수 있기 때문에 아이 들, 특히과 hyperscanning 실험을 실시 하기 위한 적합 합니다. 또한, 그것은 모두, fMRI, EEG⁹보다 운동 유물에 적은 경향이입니다. 또한 높은 샘플링 주파수 (예, 10 Hz)에서 fNIRS 데이터를 얻을 수 있다, 따라서 그것은 매우 상대적으로 느린 hemodynamic 응답 oversamples 그리고 그로 인하여 잠재적으로 두뇌 hemodynamics^{10의 더 완전 한 임시 그림을 제공 합니다.} .

이 프로토콜은 Reindl 그 외 여러분 의 연구에서 개발 되었다 ¹¹ 약간 수정 되었습니다 (특히 채널 배치 및 나쁜 채널 식별)에 최근 고. 연구의 목표는 부모-자식 점수의 동기화 된 두뇌 활동을 조사 했다. 뇌-투-두뇌 synchrony (세 5 ~ 9 세) 어린이의 전 두 엽 두뇌 지역에서 및 그들의 부모, 대부분 어머니, 협동 및 경쟁 컴퓨터 작업 하는 동안 평가 fNIRS hyperscanning를 사용 하 여, 우리. 전 두 엽 두뇌 지역으로 이전 hyperscanning 연구¹사회 대화형 프로세스에 대 한 중요 한 영역으로 발견 되었습니다 했다 표적으로 했다. 협동과 경쟁 작업 Cui 그 외 여러분 에 의해 원래 개발 되었다 ¹² 과 최근 여러 이전 연구^13,,1415. Reindl 그 외 여러분 의 연구에 대 한 ¹¹, 작업 어린이 적합 하도록 수정 했다. 참가자 중 응답 공동 통해 버튼을 누르면 대상 (협력)에 응답 하거나 다른 플레이어 (경쟁) 보다 더 빨리 응답을 지시 했다. 각 아이 부모와 함께 한 번 부모로 동일한 성의 성인 낯선 각 작업을 한 번 수행. 각 아이-성인 양자 관계 내에서 잔물결 일관성 뇌-투-두뇌 synchrony의 측정으로 해당 채널의 옥 시 Hb 신호에 대 한 계산 했다.

이 프로토콜에서는 협력 하 고 경쟁력 있는 게임 중 부모와 자식 fNIRS hyperscanning 데이터를 수집 하는 절차를 설명 합니다. 그러나 전반적인 절차,이 연구 설계에는 하지만 (예:성인 낯선, 낭만적인 파트너, 형제, 등) 다른 인구에 대 한 적절 한 이며 다양 한 다른 실험 작업에 대 한 적응 시킬 수 있다. 이 프로토콜은 또한 한 가능한 분석 절차는 필수 및 선택적 데이터 분석 단계, fNIRS 데이터 전처리, 나쁜 채널 감지, 웨이블렛 일관성 분석 및 유효성 검사를 포함 하 여 무작위 쌍 분석에 의해 커버를 설명 합니다.

Protocol

이전에 참여, 모든 부모 어린이 제공 동의 / 동의 /. 연구는 RWTH 아 헨 대학교의 의학 교수진의 윤리 위원회에 의해 승인 되었다. 1입니다. 준비 참가자 도착 하기 전에 적외선 모자를 준비 합니다. 같은 크기 또는 참가자의 머리 둘레 보다 약간 큰 같은 모자 크기를 선택 하십시오. 2 원시 EEG 모자 ( 재료의 표참조)의 각이 마 영역에 가로 3 x 5 격?…

Representative Results

협력 상태 동안 한 부모-자식 양자 관계의 대표적인 데이터는 그림 1에 표시 됩니다. 협력 작업 순서를 번갈아 제시 3 30의 나머지 블록 및 각, 20 재판 두 작업 블록의 구성 됩니다. 각 시험에서 참가자를 적립 포인트11신호를 동시에 반응 해야 합니다. <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/f…

Discussion

이 프로토콜에서 우리는 동시에 옥 시 Hb의 두 과목의 정면 두뇌 지구에 의하여 Hb 농도 변화를 측정 fNIRS hyperscanning 실험 및 뇌-투-두뇌 synchrony를 분석 하는 한 가지 방법은 수행 하는 방법을 보여줍니다. FNIRS hyperscanning는 상대적으로 쉽게 적용: 단일 적외선 장치는 그들 사이 optodes를 분할 하 여 두 과목의 뇌 활동을 측정 하기에 충분. 따라서, 다른 장치 간에 아무 동기화 필요¹입?…

Materials

NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids	Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan	ETG-4000 Optical Topography System	The current study protocol requires an optional second adult probe set for 52 channels of measurement in total as well as two 3×5 probe holder grids.
raw EEG caps	EASYCAP GmbH, Herrsching, Germany	C-SCMS-56; C-SCMS-58	Caps must be provided with holes for NIRS probes by the experimenter. Choose cap size the same size or slightly larger than participant's head circumference.
Technical computing software	The MathWorks, Inc., Natick, MA	MATLAB R2014a (or later versions)	Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), SPM for fNIRS toolbox  (fNIRS data analysis), and ASToolbox (WTC computation).