Hjemmebaseret EEG-hyperscanning til sociale interaktioner mellem spædbørn og omsorgspersoner
Summary
Denne protokol beskriver, hvordan synkroniseret elektroencefalografi, elektrokardiografi og adfærdsoptagelser blev fanget fra dyader for spædbørn i hjemmet.
Abstract
Tidligere hyperscanningsundersøgelser, der registrerer hjerneaktiviteterne hos omsorgspersoner og børn samtidigt, er primært blevet udført inden for laboratoriets grænser, hvilket begrænser generaliserbarheden af resultater til virkelige omgivelser. Her foreslås en omfattende protokol til optagelse af synkroniseret elektroencefalografi (EEG), elektrokardiografi (EKG) og adfærdsoptagelser fra dyader for spædbørnsplejere under forskellige interaktive opgaver derhjemme. Denne protokol viser, hvordan man synkroniserer de forskellige datastrømme og rapporterer EEG-dataopbevaringshastigheder og kvalitetskontrol. Derudover diskuteres kritiske spørgsmål og mulige løsninger med hensyn til den eksperimentelle opsætning, opgaver og dataindsamling i hjemmemiljøer. Protokollen er ikke begrænset til dyader og omsorgspersoner for spædbørn, men kan anvendes på forskellige dyadiske konstellationer. Samlet set demonstrerer vi fleksibiliteten ved EEG-hyperscanningsopsætninger, som gør det muligt at udføre eksperimenter uden for laboratoriet for at fange deltagernes hjerneaktiviteter i mere økologisk gyldige miljømiljøer. Alligevel begrænser bevægelse og andre typer artefakter stadig de eksperimentelle opgaver, der kan udføres i hjemmet.
Introduction
Med samtidig registrering af hjerneaktiviteter fra to eller flere interagerende forsøgspersoner, også kendt som hyperscanning, er det blevet muligt at belyse det neurale grundlag for sociale interaktioner i deres komplekse, tovejs og hurtige dynamik1. Denne teknik har flyttet fokus fra at studere individer i isolerede, stramt kontrollerede omgivelser til at undersøge mere naturalistiske interaktioner, såsom forældre-barn-interaktioner under fri leg 2,3, gådeløsning4 og kooperative computerspil 5,6. Disse undersøgelser viser, at hjerneaktiviteter synkroniseres under sociale interaktioner, dvs. viser tidsmæssige ligheder, et fænomen kaldet interpersonel neural synkronisering (INS). Langt størstedelen af hyperscanningsundersøgelser har dog været begrænset til laboratoriemiljøer. Selvom dette giver mulighed for bedre eksperimentel kontrol, kan det komme på bekostning af at miste en vis økologisk validitet. Adfærd observeret i laboratoriet er muligvis ikke repræsentativ for deltagernes typiske hverdagsinteraktive adfærd på grund af de ukendte og kunstige omgivelser og arten af de pålagte opgaver7.
Nylige fremskridt inden for mobile neuroimaging-enheder, såsom elektroencefalografi (EEG) eller funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS), afhjælper disse problemer ved at fjerne kravet om, at deltagerne skal forblive fysisk forbundet til optagecomputeren. Således giver de os mulighed for at måle deltagernes hjerneaktiviteter, mens de interagerer frit i klasseværelset eller i deres hjem 8,9. Fordelen ved EEG sammenlignet med andre neuroimaging-teknikker, såsom fNIRS, er, at det har en fremragende tidsmæssig opløsning, hvilket gør det særligt velegnet til at undersøge hurtig social dynamik10. Alligevel kommer det med det forbehold, at EEG-signalet er meget sårbart over for bevægelse og andre fysiologiske og ikke-fysiologiske artefakter11.
På trods af dette har de første undersøgelser med succes implementeret EEG-hyperscanningsopsætninger i realistiske miljøer og forhold. For eksempel målte Dikker et al.12 EEG-signalet fra en gruppe elever, mens de deltog i forskellige klasseværelsesaktiviteter, herunder at deltage i forelæsninger, se videoer og deltage i gruppediskussioner. Denne undersøgelse har sammen med andre undersøgelser 8,9 overvejende brugt tørre EEG-elektroder til at lette processen med at udføre målinger i ikke-laboratoriemiljøer. Sammenlignet med våde elektroder, som kræver påføring af ledende gel eller pasta, giver tørre elektroder bemærkelsesværdige fordele med hensyn til brugervenlighed. De har vist sig at udvise sammenlignelig ydeevne med våde elektroder i voksne populationer og stationære forhold; deres ydeevne kan dog falde i bevægelsesrelaterede scenarier på grund af øgede impedansniveauer13.
Her præsenterer vi en arbejdsprotokol til at fange synkroniserede optagelser fra et syv-kanals flydende gel EEG-system med lav densitet med en enkelt ledningselektrokardiografi (EKG) forbundet til den samme trådløse forstærker (samplingshastighed: 500 Hz) af spædbørnsplejerdyader i hjemmet. Mens aktive elektroder blev brugt til voksne, blev passive elektroder i stedet brugt til spædbørn, da sidstnævnte typisk kommer i form af ringelektroder, hvilket letter processen med gelpåføring. Derudover blev EEG-EKG-optagelser synkroniseret til tre kameraer og mikrofoner for at fange deltagernes adfærd fra forskellige vinkler. I undersøgelsen engagerede 8-12 måneder gamle spædbørn og deres omsorgspersoner sig i en læse- og legeopgave, mens deres EEG, EKG og adfærd blev registreret. For at minimere virkningen af overdreven bevægelse på EEG-signalkvaliteten blev opgaverne udført på et bord (f.eks. ved hjælp af køkkenbordet og en højstol), hvilket krævede, at deltagerne blev siddende under hele interaktionsopgaven. Plejepersonalet blev forsynet med tre alderssvarende bøger og bordlegetøj (udstyret med sugekopper for at forhindre dem i at falde). De blev instrueret i at læse for deres barn i ca. 5 minutter, efterfulgt af en 10 minutters legesession med legetøjet.
Denne protokol beskriver metoderne til indsamling af synkroniserede EEG-EKG-, video- og lyddata under læse- og afspilningsopgaverne. Den overordnede procedure er dog ikke specifik for dette forskningsdesign, men er passende for forskellige populationer (f.eks. forældre-barn-dyader, vennedyader) og eksperimentelle opgaver. Metoden til synkronisering af forskellige datastrømme vil blive præsenteret. Yderligere vil en grundlæggende EEG-forbehandlingspipeline baseret på Dikker et al.12 blive skitseret, og EEG-dataopbevaringsrater og kvalitetskontrolmålinger vil blive rapporteret. Da de specifikke analytiske valg afhænger af en række faktorer (såsom opgavedesign, forskningsspørgsmål, EEG-montage), vil hyperscanning-EEG-analyse ikke blive detaljeret yderligere, men i stedet vil læseren blive henvist til eksisterende retningslinjer og værktøjskasser (f.eks. 14 for retningslinjer;15,16 til værktøjskasser til hyperscanningsanalyse). Endelig diskuterer protokollen udfordringer og potentielle løsninger til EEG-EKG-hyperscanning i hjemmet og andre virkelige omgivelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne protokol udfører vi målinger i deltagernes hjem, hvor spædbørn og omsorgspersoner kan føle sig mere komfortable, og deres adfærd kan være mere repræsentativ for deres virkelige interaktioner i modsætning til et laboratoriemiljø, hvilket øger den økologiske validitet7. Endvidere kan optagelser i hjemmemiljøet lette byrden for deltagerne, f.eks. med hensyn til rejsetider, og kan dermed gøre visse deltagergrupper mere tilgængelige. Men sammen med disse fordele udgør naturalist…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbejdet blev finansieret af et Presidential Postdoctoral Fellowship Grant fra Nanyang Technological University, der blev tildelt VR.
Materials
| 10 cc Luer Lock Tip syringe without Needle | Terumo Corporation | ||
| actiCAP slim 8-channel electrode set (LiveAMP8) | Brain Products GmbH | ||
| Arduino Software (IDE) | Arduino | Arduino IDE 1.8.19 | The software used to write the code for the Arduino microcontroller. Alternate programming software may be used to accompany the chosen microcontroller unit. |
| Arduino Uno board | Arduino | Used for building the circuit of the trigger box. Alternate microcontroller boards may be used. | |
| BNC connectors | BNC connectors to connect the various parts of the trigger box setup. | ||
| BNC Push button | Brain Products GmbH | BP-345-9000 | BNC trigger push button to send triggers. |
| BNC to 2.5 mm jack trigger cable (80 cm) | Brain Products GmbH | BP-245-1200 | BNC cables connecting the 2 LiveAmps to the trigger box. |
| BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383 | Brain Products GmbH | EEG analysis software. | |
| BrainVision Recorder License with dongle | Brain Products GmbH | S-BP-170-3000 | |
| BrainVision Recorder Version 1.23.0003 | Brain Products GmbH | EEG recording software. | |
| Custom 8Ch LiveAmp Cap passive (infant EEG caps) | Brain Products GmbH | LC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 | For infant head sizes 44, 46, 48 . Alternate EEG caps may be used. |
| Dell Latitude 3520 Laptops | Dell | Two laptops, one for adult EEG recording and one for infant EEG recording. Alternate computers may be used. | |
| Dental Irrigation Syringes | |||
| LiveAmp 8-CH wireless amplifier | BrainProducts GmbH | BP-200-3020 | Two LiveAmps, one for adult EEG and one for infant EEG. Alternate amplifier may be used. |
| Manfrotto MT190X3 Tripod with 128RC Micro Fluid Video Head | Manfrotto | MT190X3 | Alternate tripods may be used. |
| Matlab Software | The MathWorks, Inc. | R2023a | Alternate analysis and presentation software may be used. |
| Power bank (10000 mAh) | Philips | DLP6715NB/69 | Alternate power banks may be used. |
| Raw EEG caps | EASYCAP GmbH | For Adult head sizes 52, 54, 56, 58. Alternate EEG caps may be used. | |
| Rode Wireless Go II Single Set | Røde Microphones | Alternate microphones may be used. | |
| Sony FDR-AX700 Camcorder | Sony | FDR-AX700 | Alternate camcorders or webcams may be used. |
| SuperVisc High-Viscosity Gel | EASYCAP GmbH | NS-7907 |
References
- Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
- Endevelt-Shapira, Y., Djalovski, A., Dumas, G., Feldman, R. Maternal chemosignals enhance infant-adult brain-to-brain synchrony. Sci Adv. 7 (50), (2021).
- Santamaria, L., et al. Emotional valence modulates the topology of the parent-infant inter-brain network. NeuroImage. 207, 116341 (2020).
- Nguyen, T., et al. The effects of interaction quality on neural synchrony during mother-child problem solving. Cortex. 124, 235-249 (2020).
- 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).
- Reindl, V., et al. Conducting hyperscanning experiments with functional near-infrared spectroscopy. J Vis Exp. (143), e58807 (2019).
- Gardner, F. Methodological issues in the direct observation of parent-child interaction: Do observational findings reflect the natural behavior of participants. Clin Child Fam Psychol Rev. 3, 185-198 (2000).
- Xu, J., Zhong, B. Review on portable EEG technology in educational research. Comput Hum Behav. 81, 340-349 (2018).
- Troller-Renfree, S. V., et al. Feasibility of assessing brain activity using mobile, in-home collection of electroencephalography: methods and analysis. Dev Psychobiol. 63 (6), e22128 (2021).
- Bögels, S., Levinson, S. C. The brain behind the response: Insights into turn-taking in conversation from neuroimaging. Res Lang Soc. 50 (1), 71-89 (2017).
- Georgieva, S., et al. Toward the understanding of topographical and spectral signatures of infant movement artifacts in naturalistic EEG. Front Neurosci. 14, 452947 (2020).
- Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Curr Biol. 27 (9), 1375-1380 (2017).
- Oliveira, A. S., Bryan, R. S., Hairston, W. D., Peter, K., Daniel, P. F. Proposing metrics for benchmarking novel EEG technologies towards real-world measurements. Front Hum Neurosci. 10, 188 (2016).
- Turk, E., Endevelt-Shapira, Y., Feldman, R., vanden Heuvel, M. I., Levy, J. Brains in sync: Practical guideline for parent-infant EEG during natural interaction. Front Psychol. 13, 833112 (2022).
- Kayhan, E., et al. A dual EEG pipeline for developmental hyperscanning studies. Dev Cogn Neurosci. 54, 101104 (2022).
- Ayrolles, A., et al. HyPyP: a Hyperscanning Python pipeline for inter-brain connectivity analysis. Soc Cogn Affect Neurosci. 16 (1-2), 72-83 (2021).
- Delorme, S., Makeig, S. EEGLAB: an open-source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics. J Neurosci Meth. 134, 9-21 (2004).
- Nathan, K., Contreras-Vidal, J. L. Negligible motion artifacts in scalp electroencephalography (EEG) during treadmill walking. Front Hum Neurosci. 9, 708 (2016).
- Stone, D. B., Tamburro, G., Fiedler, P., Haueisen, J., Comani, S. Automatic removal of physiological artifacts in EEG: The optimized fingerprint method for sports science applications. Front Hum Neurosci. 12, 96 (2018).
- Noreika, V., Georgieva, S., Wass, S., Leong, V. 14 challenges and their solutions for conducting social neuroscience and longitudinal EEG research with infants. Infant Behav Dev. 58, 101393 (2020).
- Ng, B., Reh, R. K., Mostafavi, S. A practical guide to applying machine learning to infant EEG data. Dev Cogn Neurosci. 54, 101096 (2022).
- vander Velde, B., Junge, C. Limiting data loss in infant EEG: putting hunches to the test. Dev Cogn Neurosci. 45, 100809 (2020).
- Bell, M. A., Cuevas, K. Using EEG to study cognitive development: Issues and practices. J Cogn Dev. 13 (3), 281-294 (2012).
- Lopez, K. L., et al. HAPPILEE: HAPPE in low electrode electroencephalography, a standardized pre-processing software for lower density recordings. NeuroImage. 260, 119390 (2022).
