JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

סנכרון בין מוחות בלמידה שיתופית פתוחה: מחקר על היפר-סריקה של fNIRS

Published: July 21, 2021
doi:
10.3791/62777
, ,
1School of Psychology and Cognitive Science,East China Normal University, 2Shanghai Key Laboratory of Mental Health and Crisis Intervention,East China Normal University

Summary

הפרוטוקול לעריכת ניסויי סריקת יתר של fNIRS על דיאדות למידה שיתופית בסביבת למידה נטורליסטית מתואר. יתר על כן, צינור לנתח סינכרוני בין המוח (IBS) של אותות המוגלובין מחומצן (Oxy-Hb) מוצג.

Abstract

סריקת יתר של fNIRS נמצאת בשימוש נרחב כדי לזהות את היסודות הנוירוביולוגיים של אינטראקציה חברתית. עם טכניקה זו, החוקרים להסמיך את הפעילות המוחית בו זמנית של שני אנשים אינטראקטיביים או יותר עם אינדקס חדשני הנקרא סינכרוניה בין מוח (IBS) (כלומר, יישור שלב ו /או משרעת של אותות עצביים או המודינמיים לאורך זמן). פרוטוקול לעריכת ניסויי סריקת יתר של fNIRS על דיאדות למידה שיתופית בסביבת למידה נטורליסטית מוצג כאן. כמו כן, צינור של ניתוח IBS של אות המוגלובין מחומצן (Oxy-Hb) מוסבר. באופן ספציפי, התכנון הניסיוני, תהליך הקלטת הנתונים של NIRS, שיטות ניתוח נתונים וכיוונים עתידיים נדונים כולם. בסך הכל, יישום צינור היפר-סריקה מתוקננת של fNIRS הוא חלק מהותי במדעי המוח בגוף שני. כמו כן, זה עולה בקנה אחד עם הקריאה למדע פתוח כדי לסייע לשחזור של המחקר.

Introduction

לאחרונה, כדי לחשוף את הפעילות המוחית בו זמנית על פני dyads אינטראקטיבי או חברים בקבוצה, החוקרים להשתמש בגישה hyperscanning1,2. באופן ספציפי, אלקטרואנצפלוגרמה (EEG), הדמיית תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) וספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום תפקודית (fNIRS) משמשים לתיעוד הפעילות העצבית והמוחית משני נושאים או יותר בו זמנית3,4,5. חוקרים לחלץ אינדקס עצבי כרוך צימוד המוח בו זמנית המבוסס על טכניקה זו, המתייחס סינכרוניה בין המוח (IBS) (כלומר, שלב ו /או יישור משרעת של אותות עצביים או המומינמיים לאורך זמן). מגוון גדול של מחקרי היפר-סריקה מצאו IBS במהלך אינטראקציה חברתית בין אנשים מרובים (למשל, שחקן-קהל, מדריך-לומד, ומוביל-חסיד)6,7,8. יתר על כן, IBS מחזיק השלכות ספציפיות של למידה יעילה והוראה9,10,11,12,13,14. עם העלייה הגוברת של מחקר hyperscanning בתרחישי למידה נטורליסטיים, הקמת פרוטוקול סטנדרטי של ניסויי hyperscanning ואת הצינור של ניתוח נתונים בתחום זה הוא הכרחי.

לפיכך, מאמר זה מספק פרוטוקול לביצוע היפר-סריקה מבוססת fNIRS של דיאדות למידה שיתופית וצינור לניתוח IBS. fNIRS הוא כלי הדמיה אופטי, אשר מקרין אור כמעט אינפרא אדום כדי להעריך את הספיגה הספקטרלית של המוגלובין בעקיפין, ולאחר מכן פעילות המודינמית / חמצוןנמדדת 15,16,17. בהשוואה ל- fMRI, fNIRS נוטה פחות לממצאי תנועה, ומאפשר מדידות מנושאים שעושים ניסויים בחיים האמיתיים (למשל, חיקוי, דיבור ותקשורת לא מילולית)18,7,19. בהשוואה ל- EEG, fNIRS מחזיק ברזולוציה מרחבית גבוהה יותר, ומאפשר לחוקרים לזהות את מיקום הפעילות המוחית20. לכן, יתרונות אלה ברזולוציה מרחבית, לוגיסטיקה והיתכנות מסמיכים את fNIRS לבצע מדידת היפר-סריקה1. באמצעות טכנולוגיה זו, גוף מחקר מתפתח מזהה מונח אינדקס כמו IBS-היישור העצבי של שני (או יותר) פעילות המוח של אנשים בצורות שונות של הגדרות חברתיות נטורליסטיות9,10,11,12,13,14. במחקרים אלה, שיטות שונות (כלומר, ניתוח מתאם וניתוח קוהרנטיות של שינוי Wavelet (WTC) מוחלים כדי לחשב מדד זה; בינתיים, צינור סטנדרטי על ניתוח כזה הוא חיוני אבל חסר. כתוצאה מכך, מוצג בעבודה זו פרוטוקול לביצוע היפר-סריקת יתר מבוססת fNIRS וצינור המשתמש בניתוח WTC לזיהוי IBS

מחקר זה נועד להעריך IBS בדיאדות למידה שיתופית באמצעות טכניקת סריקת יתר fNIRS. ראשית, תגובה המודינמית נרשמת בו זמנית באזורים הטרמפורופריאנטליים הקדם-מצחיים והשמאליים של dyads במהלך משימת למידה משותפת. אזורים אלה זוהו כמזוהים עם הוראה אינטראקטיבית ולמידה9,10,11,12,13,14. שנית, IBS מחושב בכל ערוץ מתאים. תהליך הקלטת הנתונים של fNIRS מורכב משני חלקים: הפעלת מצב מנוחה והפעלה שיתופית. מפגש מצב המנוחה נמשך 5 דקות, שבמהלכן שני המשתתפים (יושבים פנים אל פנים, מלבד אחד את השני על ידי שולחן (0.8 מ ‘)) נדרשים להישאר בשקט ולהירגע. הפעלה זו של מצב מנוחה משמשת כקווי הבסיס. לאחר מכן, במפגש המשותף, נאמר למשתתפים ללמוד את כל חומרי הלמידה יחד, לעורר הבנה, לסכם את הכללים ולוודא שכל חומרי הלמידה שולטים. כאן מוצגים השלבים הספציפיים של ביצוע הניסוי וניתוח נתוני fNIRS.

Protocol

כל המשתתפים המגויסים (40 דיאדים, גיל ממוצע 22.1 ± 1.2 שנים; 100% ימניים; ראייה נורמלית או מתוקנת לנורמלית) היו בריאים. לפני הניסוי, המשתתפים נתנו הסכמה מדעת. המשתתפים קיבלו פיצוי כספי על השתתפותם. המחקר אושר על ידי הוועדה האוניברסיטאית להגנה על מחקר אנושי (HR-0053-2021), אוניברסיטת מזרח סין נורמלית. <p c…

Representative Results

איור 1 ממחיש את הפרוטוקול הניסיוני ואת מיקום הבדיקה. תהליך הקלטת הנתונים של fNIRS מורכב משני חלקים: הפעלת מצב מנוחה (5 דקות) והפעלה שיתופית (15-20 דקות). דיאדות הלמידה השיתופיות נדרשות להירגע ולשמור על שקט בישיבה של מצב המנוחה. לאחר מכן, נאמר למשתתפים ללמוד במשותף את חומר הלמידה (<st…

Discussion

ראשית, בפרוטוקול הנוכחי, נאמרים השלבים הספציפיים של עריכת ניסויי היפר-סריקה של fNIRS בתרחיש למידה שיתופית. שנית, מוצג גם צינור ניתוח הנתונים המעריך את ה- IBS של אותות המודינמיים בדיאדות למידה שיתופית. המבצע המפורט על עריכת ניסויי סריקת יתר fNIRS יקדם את הפיתוח של מדע פתוח. יתר על כן, צינור הניתוח מ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי התוכנית לקידום חדשנות אקדמית ECNU לדוקטורנטים מצוינים (YBNLTS2019-025) והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (31872783 71942001).

Materials

EEG caps Compumedics Neuroscan,Charlotte,USA 64-channel Quik-Cap We choose two sizes of cap(i.e.medium and large).
NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan ETG-7100 Optical Topography System The current study protocol requires an optional second adult probe set for 92 channels of measurement in total.
Numeric computing platform The MathWorks, Inc., Natick, MA MATLAB R2020a Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), Homer2  (fNIRS preprocess analysis), and "wtc" function(WTC computation).
Psychology software psychology software tools,Sharpsburg, PA,USA E-prime 2.0 we apply E-prime to start the fNIRS measurement system and send triggers which marking the rest phase and collaborative learning phase for fNIRS recording data
Swimming caps Zoke corporation,Shanghai,China 611503314 We first placed the standard 10-20 EEG cap on the head mold, and placed the swimming cap on the EEG cap. Second, we marked (inion, Cz, T3, T4, PFC and P5) with chalk.
Three-dimensional (3-D) digitizer Polhemus, Colchester, VT, USA; Three-dimensional (3-D) digitizer Anatomical locations of optodes in relation to standard head landmarks were determined for each participant using a Patriot 3D Digitizer
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 44, 76-93 (2014).
  2. Schilbach, L., et al. Toward a second-person neuroscience. Behavior Brain Science. 36, 393-414 (2013).
  3. Montague, P. Hyperscanning: simultaneous fMRI during linked social interactions. NeuroImage. 16, 1159-1164 (2002).
  4. 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).
  5. Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Current Biology. 27 (9), 1375-1380 (2017).
  6. Abrams, D. A., et al. Inter-subject synchronization of brain responses during natural music listening. European Journal of Neuroscience. 37 (9), 1458-1469 (2013).
  7. Pan, Y., et al. Instructor-learner brain coupling discriminates between instructional approaches and predicts learning. NeuroImage. 211, 116657 (2020).
  8. Jiang, J., et al. Leader emergence through interpersonal neural synchronization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (14), 4274-4279 (2015).
  9. Bevilacqua, D., et al. Brain-to-brain synchrony and learning outcomes vary by student-teacher dynamics: Evidence from a real-world classroom electroencephalography study. Journal of Cognitive Neuroscience. 31 (3), 401-411 (2019).
  10. Dikker, S., et al. Morning brain: real-world neural evidence that high school class times matter. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 15 (11), 1193-1202 (2020).
  11. Pan, Y., Guyon, C., Borragán, G., Hu, Y., Peigneux, P. Interpersonal brain synchronization with instructor compensates for learner’s sleep deprivation in interactive learning. Biochemical Pharmacology. , 114111 (2020).
  12. Pan, Y., Novembre, G., Song, B., Li, X., Hu, Y. Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song. NeuroImage. 183, 280-290 (2018).
  13. Zheng, L., et al. Enhancement of teaching outcome through neural prediction of the students’ knowledge state. Human Brain Mapping. 39 (7), 3046-3057 (2018).
  14. Zheng, L., et al. Affiliative bonding between teachers and students through interpersonal synchronisation in brain activity. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 15 (1), 97-109 (2020).
  15. Kleinschmidt, A., et al. Simultaneous recording of cerebral blood oxygenation changes during human brain activation by magnetic resonance imaging and near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 16 (5), 817-826 (1996).
  16. Strangman, G., Culver, J. P., Thompson, J. H., Boas, D. A. A quantitative comparison of simultaneous BOLD fMRI and NIRS recordings during functional brain activation. NeuroImage. 17 (2), 719-731 (2002).
  17. 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).
  18. Holper, L., Scholkmann, F., Wolf, M. Between-brain connectivity during imitation measured by fNIRS. NeuroImage. 63, 212-222 (2012).
  19. 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).
  20. Wilcox, T., Biondi, M. fNIRS in the developmental sciences. Wiley Interdisciplinary Reviews: Cognitive Science. 6 (3), 263-283 (2015).
  21. Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: statistical parametric mapping for nearinfrared spectroscopy. NeuroImage. 44 (2), 428-447 (2009).
  22. 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), 280-298 (2009).
  23. Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Huppert, T. The NIRS Brain AnalyzIR toolbox. Algorithms. 11 (5), 73 (2018).
  24. Xu, Y., Graber, H. L., Barbour, R. L. nirsLAB: a computing environment for fNIRS neuroimaging data analysis. Biomedical Optics. , (2014).
  25. Cope, M., Delpy, D. T. System for long-term measurement of cerebral blood and tissue oxygenation on newborn infants by near infra-red transillumination. Medical and Biological Engineering and Computing. 26 (3), 289-294 (1988).
  26. Hoshi, Y. Functional near-infrared spectroscopy: current status and future prospects. Journal of Biomedical Optics. 12 (6), 062106 (2007).
  27. Molavi, B., Dumont, G. A. Wavelet-based motion artifact removal for functional near-infrared spectroscopy. Physiological Measurement. 33 (2), 259 (2012).
  28. Cooper, R., et al. A systematic comparison of motion artifact correction techniques for functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Neuroscience. 6, 147 (2012).
  29. Zhang, X., Noah, J. A., Hirsch, J. Separation of the global and local components in functional near-infrared spectroscopy signals using principal component spatial filtering. Neurophotonics. 3 (1), 015004 (2016).
  30. 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).
  31. Maris, E., Oostenveld, R. Nonparametric statistical testing of EEG-and MEG-data. Journal of Neuroscience Methods. 164 (1), 177-190 (2007).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Theiler, J., Eubank, S., Longtin, A., Galdrikian, B., Farmer, J. D. Testing for nonlinearity in time series: the method of surrogate data. Physica D: Nonlinear Phenomena. 58 (1-4), 77-94 (1992).
  35. Genovese, C. R., Lazar, N. A., Nichols, T. Thresholding of statistical maps in functional neuroimaging using the false discovery rate. NeuroImage. 15 (4), 870-878 (2002).
  36. Nichols, T., Hayasaka, S. Controlling the familywise error rate in functional neuroimaging: a comparative review. Statistical Methods in Medical Research. 12 (5), 419-446 (2003).
  37. Tsuzuki, D., et al. Virtual spatial registration of stand-alone fNIRS data to MNI space. NeuroImage. 34 (4), 1506-1518 (2007).
  38. Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multi-channel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. NeuroImage. 27 (4), 842-851 (2005).
  39. Noah, J. A., et al. Comparison of short-channel separation and spatial domain filtering for removal of non-neural components in functional near-infrared spectroscopy signals. Neurophotonics. 8 (1), 015004 (2021).
  40. Noah, J. A., et al. Real-time eye-to-eye contact is associated with cross-brain neural coupling in angular gyrus. Frontiers in Human Neuroscience. 14 (19), (2020).
  41. Torrence, C., Compo, G. P. A practical guide to wavelet analysis. Bulletin of the American Meteorological Society. 79 (1), 61-78 (1998).
  42. Osaka, N., Minamoto, T., Yaoi, K., Azuma, M., Osaka, M. Neural synchronization during cooperated humming: a hyperscanning study using fNIRS. Procedia-Social and Behavioral Sciences. 126, 241-243 (2014).
  43. Dommer, L., Jäger, N., Scholkmann, F., Wolf, M., Holper, L. Between-brain coherence during joint n-back task performance: a two-person functional near-infrared spectroscopy study. Behavioural Brain Research. 234 (2), 212-222 (2012).
  44. Holper, L., Scholkmann, F., Wolf, M. Between-brain connectivity during imitation measured by fNIRS. Neuroimage. 63, 212-222 (2012).
  45. Nguyen, T., et al. The effects of interaction quality on neural synchrony during mother-child problem solving. Cortex. 124, 235-249 (2020).
  46. Seth, A. K., Barrett, A. B., Barnett, L. Granger causality analysis in neuroscience and neuroimaging. Journal of Neuroscience. 35 (8), 3293-3297 (2015).
  47. 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).
  48. Liu, T., Saito, H., Oi, M. Role of the right inferior frontal gyrus in turn-based cooperation and competition: a near-infrared spectroscopy study. Brain and Cognition. 99, 17-23 (2015).
  49. Lachaux, J. P., Rodriguez, E., Martinerie, J., Varela, F. J. Measuring phase synchrony in brain signals. Human Brain Mapping. 8 (4), 194-208 (1999).
  50. Burgess, A. P. On the interpretation of synchronization in EEG hyperscanning studies: a cautionary note. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 881 (2013).
  51. Burgos-Robles, A., et al. Amygdala inputs to prefrontal cortex guide behavior amid conflicting cues of reward and punishment. Nature Neuroscience. 20 (6), 824-835 (2017).
  52. Mende, S., Proske, A., Narciss, S. Individual preparation for collaborative learning: Systematic review and synthesis. Educational Psychologist. , 1-25 (2020).
  53. Hamilton, A. F. D. C. Hyperscanning: Beyond the hype. Neuron. 109 (3), 404-407 (2021).
  54. Novembre, G., Iannetti, G. D. Hyperscanning alone cannot prove causality. Multibrain stimulation can. Trends in Cognitive Sciences. 25 (2), 96-99 (2021).

Tags

FNIRS HyperscanningInter-brain SynchronyOpen-ended Collaborative LearningNaturalistic EnvironmentNear Infrared SpectroscopyProbe PlacementSignal QualityData Export3D DigitizerMNI Coordinates

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Zhao, N., Zhu, Y., Hu, Y. Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study. J. Vis. Exp. (173), e62777, doi:10.3791/62777 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image