该协议描述了部分小波变换相干性(pWTC),用于计算人际神经同步(INS)的时间滞后模式,以推断社会互动过程中信息流的方向和时间模式。通过两个实验证明了pWTC在消除INS信号自相关混杂方面的有效性。
社会互动对人类至关重要。虽然超扫描方法已被广泛用于研究社会互动期间的人际神经同步(INS),但功能性近红外光谱(fNIRS)是超扫描自然主义社会互动的最流行的技术之一,因为它具有相对较高的空间分辨率,声音解剖定位和对运动伪影的极高耐受性。以前基于fNIRS的超扫描研究通常使用小波变换相干性(WTC)来描述个体之间信息流的方向和时间模式来计算时间滞后INS。然而,这种方法的结果可能会被每个个体的fNIRS信号的自相关效应所混淆。为了解决这个问题,引入了一种称为偏小波变换相干性(pWTC)的方法,该方法旨在消除自相关效应并保持fNIRS信号的高时间频谱分辨率。本研究首先进行了模拟实验,验证了pWTC在消除自相关对INS影响方面的有效性。然后,基于社会交互实验中的fNIRS数据集,对pWTC的操作进行了分步指导。此外,还比较了pWTC方法与传统WTC方法以及pWTC方法与格兰杰因果关系(GC)方法之间的比较。结果表明,pWTC可用于确定自然社会互动过程中不同实验条件之间的INS差异以及个体间INS的方向和时间模式。此外,它比传统的WTC提供更好的时间和频率分辨率,比GC方法提供更好的灵活性。因此,pWTC是推断自然主义社会互动期间个体之间信息流动的方向和时间模式的有力候选者。
社会互动对人类至关重要1,2.为了理解社会互动的双脑神经认知机制,超扫描方法最近被广泛使用,表明人际神经同步(INS)的模式可以很好地表征社会互动过程3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14.在最近的研究中,一个有趣的发现是,个体在二元组中的角色差异可能导致INS的时间滞后模式,即当一个个体的大脑活动落后于另一个个体几秒钟时,就会发生INS,例如从听众到说话者5,9,从领导者到追随者4, 从老师到学生8,从母亲到孩子13,15,从女性到男性的浪漫夫妇6。最重要的是,时间滞后的INS间隔与社会交往行为的间隔之间存在良好的对应关系,例如教师提问与回答8的学生之间或母亲的养育行为与儿童15的顺从行为之间。因此,时间滞后INS可以反映从一个个体到另一个个体的定向信息流,如最近用于人际口头交流的分层模型16中所提出的那样。
此前,时滞INS主要在研究自然主义社会相互作用时,因其空间分辨率相对较高,声音解剖定位和运动伪像17的极高容忍度,主要在功能近红外光谱(fNIRS)信号上计算。此外,为了精确表征神经时间滞后与社会互动过程中行为时间滞后之间的对应关系,必须获得每个时间滞后(例如,从无时间滞后到10秒的时间滞后)的INS强度。为此,以前,小波变换相干性(WTC)程序在将一个个体的大脑信号向前或向后移动到另一个个体的大脑信号5,6,18之后被广泛应用。当对fNIRS信号使用这种传统的WTC程序时,存在一个潜在的挑战,因为观察到的时间滞后INS可能被单个19,20,21的fNIRS信号的自相关效应所混淆。例如,在二元社会互动过程中,参与者A在时间点t的信号可以与参与者B在同一时间点的信号同步。同时,由于自相关效应,参与者A在时间点t的信号可能与参与者A在稍后时间点t+1的信号同步。因此,在时间点t的参与者A信号和时间点t+1的参与者B的信号之间可能会发生虚假的时间滞后INS。
Mihanović和他的同事22 首先引入了一种称为偏小波变换相干性(pWTC)的方法,然后将其应用于海洋科学23,24。该方法的最初目的是在估计两个信号的相干性时控制外源混杂噪声。在这里,为了解决fNIRS超扫描数据中的自相关问题,对pWTC方法进行了扩展,以计算fNIRS信号上的时间滞后INS。准确地说,从参与者A到参与者B的时间滞后INS(和定向信息流)可以使用下面的等式(等式1)23计算。
这里,假设有两个信号,A和B,分别来自参与者A和B。信号B的出现总是先于时间滞后为n的信号A,其中WTC(At,Bt +n)是传统的时间滞后WTC。WTC(At,At + n)是参与者A中的自相关WTC.WTC(At,Bt)是参与者A和B之间时间点t的时间对齐WTC。
图 1:pWTC 概述。 (A) pWTC的逻辑。在二元内有两个信号 A 和 B。A 的出现总是跟在 B 之后,有一个滞后 n。灰色框是位于特定时间点 t 或 t+n 的小波窗口。基于pWTC方程(如图所示),需要计算三个WTC:At + n和Bt的时间滞后WTC;参与者 At 和 A t+n 的自相关 WTC;以及时间点 t、At 和 Bt 处的时间对齐 WTC。(二)光电多探头集的布局。CH11被放置在T3,CH25被放置在T4,遵循国际10-20系统27,28。请点击此处查看此图的大图。
该协议首先引入了一个仿真实验,以证明pWTC解决自相关挑战的能力。然后,它解释了如何基于自然主义社会互动的经验实验,逐步进行pWTC。在这里,使用通信上下文来介绍该方法。这是因为,以前,时间滞后INS通常是在自然主义的通信上下文中计算的3,4,6,8,13,15,18。此外,还对pWTC与传统WTC进行了比较,并与格兰杰因果关系(GC)测试进行了验证。
在超扫描研究中,通常必须描述个体之间信息流动的方向和时间模式。以前的大多数fNIRS超扫描研究都使用传统的WTC25 通过计算时间滞后INS来推断这些特征。然而,作为fNIRS信号20,21的固有特征之一,自相关效应可能会混淆时间滞后INS。为了解决这个问题,在本文的协议中,引入了一种称为pWTC的方法22。该方法估计部…
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了国家自然科学基金(61977008)和“青年顶尖人才万人计划”的支持。
fNIRS topography system | Shimadzu Corporation | Shimadzu LABNIRS systen | LABNIRS system contains 40 emitters and 40 detectors for fNIRS signals measurement. In this protocol we used these emitters and detectors created two customized 26-channels probe sets and attached to two caps accroding to 10-20 system. Further, LABNIRS system also contains built-in GUI softwares for data quality check, data convert and data export. |
MATLAB | The MathWorks, Inc. | MATLAB 2019a | In this protocol, several toolboxs and functions bulit in MATLAB were used: SPM12 toolbox was used to normalize the valided MRI data through its GUI. NIRS_SPM toolbox was used to project the MNI coordinates of the probes to the AAL template through its GUI. Homer3 toolbox was used to remove motion artifacts through its function hmrMotionCorrectWavelet with default parameters. Wavelet toolbox was used to compute WTC and pWTC through its function wcoherence. |
MRI scanner | Siemens Healthineers | TRIO 3-Tesla scanner | In this protocol, the MRI scanner was used to obtain MNI coordinates of each channel and optpde. Scan parameters are described in main text. |
customized caps | In this protocol, we first marked two nylon caps with 10-20 system. Then, we made two 26-channels customized optode probes sets. Finally, we attached probes sets to caps aligned with landmarks. |