Protokollet för att genomföra fNIRS hyperscanning experiment på kollaborativa inlärningsdyader i en naturalistisk inlärningsmiljö beskrivs. Vidare presenteras en pipeline för att analysera Inter-Brain Synchrony (IBS) av syresatt hemoglobin (Oxy-Hb) signaler.
fNIRS hyperscanning används ofta för att upptäcka neurobiologiska underbyggnader av social interaktion. Med denna teknik kvalificerar forskare den samtidiga hjärnaktiviteten hos två eller flera interaktiva individer med ett nytt index som kallas inter-brain synchrony (IBS) (dvs. fas- och/eller amplitudjustering av neuronala eller hemodynamiska signaler över tiden). Ett protokoll för att genomföra fNIRS hyperscanning experiment på kollaborativa lärande dyads i en naturalistisk inlärningsmiljö presenteras här. Vidare förklaras en pipeline för att analysera IBS av syresatt hemoglobin (Oxy-Hb) signal. Specifikt diskuteras den experimentella designen, processen för NIRS-dataregistrering, dataanalysmetoder och framtida riktningar. Sammantaget är implementering av en standardiserad fNIRS hyperscanning pipeline en grundläggande del av andrapersons neurovetenskap. Detta ligger också i linje med kravet på öppen vetenskap för att underlätta forskningens reproducerbarhet.
Nyligen, för att avslöja den samtidiga hjärnaktiviteten över de interaktiva dyaderna eller medlemmarna i en grupp, använder forskare hyperscanningsmetoden1,2. Specifikt används elektroencefalogram (EEG), funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) och funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) för att registrera neurala och hjärnaktiviteter från två eller flera ämnen samtidigt3,4,5. Forskare extraherar ett neuralt index som innebär samtidig hjärnkoppling baserat på denna teknik, som hänvisar till inter-brain synkrony (IBS) (dvs. fas och/eller amplitud justering av neuronala eller hemodynamiska signaler över tiden). Ett stort utbud av hyperscanning forskning hittade IBS under social interaktion mellan flera individer (t.ex. spelar-publik, instruktör-elev och leader-följare)6,7,8. Dessutom har IBS särskilda konsekvenser av effektivt lärande och undervisning9,10,11,12,13,14. Med den växande hyperscanning av forskning i naturalistiska inlärningsscenarier är det nödvändigt att upprätta ett standardprotokoll för hyperscanning experiment och pipeline av dataanalys inom detta område.
Således ger detta dokument ett protokoll för att genomföra fNIRS-baserad hyperscanning av kollaborativa inlärningsdyader och en pipeline för att analysera IBS. fNIRS är ett optiskt avbildningsverktyg som utstrålar nära infrarött ljus för att bedöma spektral absorptionen av hemoglobin indirekt, och sedan mäts hemodynamisk/syresättningsaktivitet15,16,17. Jämfört med fMRI är fNIRS mindre benägna att rörelseartefakter, vilket möjliggör mätningar från ämnen som gör verkliga experiment (t.ex. imitation, samtal och icke-verbal kommunikation)18,7,19. I jämförelse med EEG har fNIRS högre rumslig upplösning, vilket gör det möjligt för forskare att upptäcka platsen för hjärnaktivitet20. Dessa fördelar i rumslig upplösning, logistik och genomförbarhet kvalificerar fNIRS för att utföra hyperscanning mätning1. Med hjälp av denna teknik upptäcker ett framväxande forskningsorgan en indexterm som IBS-den neurala justeringen av två (eller flera) människors hjärnaktivitet – i olika former av naturalistiska sociala inställningar9,10,11,12,13,14. I dessa studier tillämpas olika metoder (dvs. korrelationsanalys och WTC-analys (Wavelet Transform Coherence) för att beräkna detta index. Under tiden är det nödvändigt med en standardpipeline för en sådan analys, men saknas. Som ett resultat presenteras ett protokoll för att genomföra fNIRS-baserad hyperscanning och en pipeline med WTC-analys för att identifiera IBS i detta arbete
Denna studie syftar till att utvärdera IBS i kollaborativa inlärningsdyader med hjälp av fNIRS hyperscanningsteknik. För det första registreras ett hemodynamiskt svar samtidigt i varje dyads prefrontala och vänstra temporoparietala regioner under en samarbetsuppgift. Dessa regioner har identifierats som associerade med interaktiv undervisning och lärande9,10,11,12,13,14. För det andra beräknas IBS på varje motsvarande kanal. FNIRS-datainspelningsprocessen består av två delar: vilotillståndssession och samarbetssession. Vilotillståndssessionen varar i 5 minuter, under vilken båda deltagarna (sittande ansikte mot ansikte, förutom varandra vid ett bord (0,8 m)) måste vara stilla och koppla av. Den här vilotillståndssessionen används som baslinje. Sedan, i samarbetssessionen, uppmanas deltagarna att studera hela läromaterialet tillsammans, framkalla förståelse, sammanfatta reglerna och se till att allt läromedel behärskas. Här presenteras de specifika stegen för att genomföra experimentet och fNIRS-dataanalysen.
För det första anges i det nuvarande protokollet de specifika stegen för att utföra fNIRS hyperscanning experiment i ett samarbetsscenario. För det andra presenteras också den dataanalyspipeline som bedömer IBS av hemodynamiska signaler i kollaborativa inlärningsdyader. Den detaljerade operationen för att genomföra fNIRS hyperscanning experiment skulle främja utvecklingen av öppen vetenskap. Dessutom tillhandahålls analyspipelinen här för att öka reproducerbarheten av hyperscanning forskning. I följande …
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av ECNU Academic Innovation Promotion Program for Excellent Doctoral Students (YBNLTS2019-025) och National Natural Science Foundation of China (31872783 and 71942001).
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 |