إجراء تجارب هايبرسكانينج مع الفنية القريبة من الأشعة تحت الحمراء الطيفي

Summary

هذا البروتوكول توضح كيفية إجراء تجارب هايبرسكانينج فنيرس وتحليل تتسق الدماغ إلى الدماغ. علاوة على ذلك، نحن نناقش التحديات والحلول الممكنة.

Abstract

تسجيلات المخ المتزامنة من اثنين أو أكثر من الأشخاص متداخلة، نهج يسمى هايبرسكانينج، تكتسب أهمية متزايدة بالنسبة لنا فهم الأسس العصبية الحيوية للتفاعلات الاجتماعية، والعلاقات بين الأشخاص ربما . الفنية القريبة من الأشعة تحت الحمراء الطيفي (فنيرس) أيضا مناسبة لإجراء تجارب هايبرسكانينج نظراً لأنه يقيس الآثار الفسيولوجية المحلية مع معدل أخذ عينات عالية، والأهم من ذلك، فإنه يمكن تطبيقها في البيئات الطبيعية، لا تتطلب الحركة صارمة القيود. في هذه المقالة، نقدم على بروتوكول لإجراء تجارب هايبرسكانينج فنيرس مع ثنائية الأصل-التابع وتحليل الدماغ للدماغ التزامن. وعلاوة على ذلك، نحن نناقش القضايا الحرجة والتوجهات المستقبلية، المتعلقة بالتصميم التجريبي، وتسجيل القنوات فنيرس والتأثيرات الفسيولوجية وأساليب تحليل البيانات المكانية. وصف البروتوكول ليست محددة إلى ثنائية الأصل-التابع، ولكن يمكن تطبيقها على مجموعة متنوعة من كواكب ثنائي مختلفة، مثل الغرباء الكبار، وشركاء رومانسية أو الأخوة والأخوات. في الختام، لقد هايبرسكانينج فنيرس يمكن أن تسفر عن رؤى جديدة في ديناميات التفاعل الاجتماعي الجارية، التي ربما تتجاوز ما يمكن أن تدرسها دراسة أنشطة العقول الفردية.

Introduction

في السنوات الأخيرة، بدأ علماء الأعصاب لدراسة التفاعلات الاجتماعية عن طريق تسجيل أنشطة الدماغ شخصان أو أكثر في وقت واحد، ووصف نهج هايبرسكانينج¹. هذا الأسلوب يتيح فرصاً جديدة توضيح الآليات العصبية الحيوية الكامنة وراء هذه التفاعلات. تماما فهم التفاعلات الاجتماعية، قد لا تكفي لدراسة أدمغة وحيدة في عزلة ولكن بدلاً من ذلك الأنشطة المشتركة للعقول من التفاعل الأشخاص². باستخدام تقنيات مختلفة نيورويماجينج، وقد أظهرت الدراسات هايبرسكانينج أن الدماغ مزامنة الأنشطة المتفاعلة من الأشخاص أو المجموعات، مثلاً، أثناء قيامها بتنسيق هذه الإجراءات³، جعل الموسيقى⁴،⁵، التواصل الانخراط في أنشطة الفصول الدراسية⁶ أو⁷التعاون.

ويعرض المقال بروتوكول لإجراء التسجيلات المتزامنة مع الفنية القريبة من الأشعة تحت الحمراء الطيفي (فنيرس). مشابهة للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي)، فنيرس تدابير الاستجابة الفسيولوجية لتنشيط الدماغ. التغييرات في خضاب الدم المؤكسج و deoxygenated (أوكسي غبطة وغبطة ديوكسي) تحسب على أساس كمية الضوء بالقرب من الأشعة تحت الحمراء ديفوسيفيلي المنقولة عن طريق الأنسجة⁸. فنيرس أيضا مناسبة لإجراء تجارب هايبرسكانينج، خصوصا مع الأطفال، لأنه يمكن تطبيقها في بيئات أقل قيودا وأكثر طبيعية من الرنين المغناطيسي الوظيفي. وعلاوة على ذلك، أقل عرضه لحركة القطع الأثرية من الرنين المغناطيسي الوظيفي والتخطيط الدماغي⁹على حد سواء،. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن الحصول على البيانات فنيرس في ارتفاع أخذ العينات ترددات (مثلاً، 10 هرتز)، وبالتالي فإنه أوفيرسامبليس عالية الاستجابة الفسيولوجية بطيئة نسبيا ومما يحتمل أن يوفر صورة الزمانية أكثر اكتمالا من الهليوكبتر الدماغ¹⁰ .

تم تطوير هذا البروتوكول ضمن دراسة ريندل et al. ¹¹ وقد تم تعديلاً طفيفا (وبخاصة فيما يتعلق بوضع القناة وتحديد القناة سيئة) في الآونة الأخيرة. وكان الهدف من هذه الدراسة لدراسة نشاط الدماغ متزامنة من ثنائية الأصل-التابع. استخدام هايبرسكانينج فنيرس، قمنا بتقييم تتسق الدماغ إلى الدماغ في مناطق الدماغ بريفرونتال الأطفال (الذين تتراوح أعمارهم بين خمس إلى تسع سنوات) والآباء والأمهات، ومعظمهم من أمهات، خلال تعاوني ومهمة كمبيوتر قادرة على منافسة. وقد استهدفت مناطق الدماغ prefrontal كما أنها قد حددت كمناطق هامة للعمليات التفاعلية الاجتماعية في الدراسات هايبرسكانينج السابقة¹. مهمة تعاونية وتنافسية، وضعت أصلاً كوي et al. ¹² وتستخدمهم مؤخرا عدة السابقة الدراسات^13،،من¹⁴¹⁵. لدراسة ريندل et al. ¹¹، المهام التي تم تعديلها لتكون مناسبة للأطفال. صدرت تعليمات المشاركين للرد أما الاشتراك عن طريق ضغط زر استجابة لهدف (التعاون) أو للاستجابة بشكل أسرع من اللاعب الآخر (المنافسة). كل طفل تنفيذ كل مهمة مرة واحدة مع الوالد ومرة مع غريب البالغين من نفس الجنس كالأصل. داخل كل دياد الأطفال والكبار، تم حساب الاتساق المويجات للإشارات أوكسي غبطة القنوات المقابلة كتدبير من تدابير تتسق الدماغ إلى الدماغ.

ويصف هذا البروتوكول إجراءات جمع البيانات هايبرسكانينج فنيرس الأم والطفل أثناء لعبة تعاونية وتنافسية. الإجراء عموما، ومع ذلك، ليست محددة لهذا التصميم للبحث لكن المناسب لفئات سكانية مختلفة (مثلاً، الغرباء الكبار، والشركاء رومانسية، الأخوة والأخوات، إلخ) ويمكن تكييفها لعدد من المهام التجريبية المختلفة. ويوجز هذا البروتوكول أيضا أحد الإجراءات التحليلية المحتملة، التي تغطي خطوات تحليل البيانات الضرورية والاختيارية، بما في ذلك تجهيزها فنيرس البيانات، والكشف عن قناة سيئة وتحليل المويجات التماسك والتحقق من صحة التحليل عشوائي زوج.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

قبل المشاركة، جميع الآباء والأمهات الأطفال قدمت المستنيرة/الموافقة. تمت الموافقة على الدراسة لجنة الأخلاقيات التابعة "كلية الطب بالجامعة التقنية الراينية جامعة آخن".

1-إعداد قبل وصول المشاركين

1. إعداد التقارير قبعات.
   1. اختر أحجام كاب نفس الحجم أو أكبر قليلاً من محيط الرأس للمشترك.
   2. قطع ثقوب 15 مع قطر كل منها حوالي 15 ملم مرتبة في شبكة 3 x 5 أفقي، إلى منطقة الجبين في كل من قبعات EEG الخام 2 (انظر الجدول للمواد). تأكد من أن الثقوب المتباعدة 30 ملم من بعضها البعض في أي اتجاه، وأن العمود الأوسط من ثقوب يقع في وسط جبهته، أي فوق الآنف، والصف السفلي الموجود فوق الحاجبين.
   3. بغية جعل القبعات أكثر راحة، والتقليل من علامات الضغط، إرفاق المواد الرغوية اللينة (مثل نافذة لاصقة ختم الشريط أو شقة مماثلة مادة المطاط الرغوي) في الجانب الداخلي للشبكة حامل بين مأخذ التحقيق وعند الحواف. استخدام شريط لاصق الوجهين أو خيط الخياطة إذا لزم الأمر.
   4. تحميل شبكة حامل مسبار 3 x 5 فارغة (انظر الجدول للمواد) إلى كل من قبعات التخطيط الدماغي تعديل هذا أن صاحب الشبكة نفسها يوضع داخل الغطاء والحامل مأخذ عصا في الثقوب.
      ملاحظة: نظام القياس التقارير (انظر الجدول للمواد) على اثنين فصل مجموعات التحقيق، واستخدام مسبار واحد لكل مشارك.
   5. برفق إدراج التحقيقات في مأخذ حامل المناسبة على الشبكات أن ريدج الأولى فقط من كل مسبار محمل في المقبس، الذي ينتج صوت النقر واحد.
   6. فتح نافذة مراقبة تعيين التحقيق في نظام القياس التقارير وحدد المسبار 2 مجموعات مرتبة في شبكة 3 x 5 كل منها، للطفل المشاركة وآخر للكبار. التأكد من أن ترتيبات التحقيق من قبعات اثنين يتوافق مع الترتيبات في إطار مجموعة التحقيق (أي نفس الموقع باعث كل منهما وأرقام مسبار المتلقي).
2. تعد هذه التجربة.
   1. بدء تشغيل نظام قياس التقارير مع الثنائيات الليزر تحولت عن 30 دقيقة قبل قياس، أن تصل إلى النظام مستقر درجة حرارة التشغيل.
   2. تعيين كافة الخيارات اللازمة في نظام القياس التقارير. تأكد من أن يتم تعيين الجهاز للقياس المتعلقة بالحدث وأن الإدخال التسلسلي RS232، اللازمة لتلقي المشغلات من النموذج التجريبي، النشط.
      ملاحظة: هذه التجربة صيغة معدلة من نموذج وضعته كوي et al. ¹²، المبرمجة في ملحقات "أدوات علم النفس البدني" غير تجارية، الإصدار 3.0.11¹⁶.
   3. إعداد نموذج تجريبي قبل بدء تشغيل برامج الحوسبة التقنية (انظر الجدول للمواد) التي تخدم كقاعدة لملحقات "أدوات علم النفس البدني" وتعيين الدليل الحالي إلى المجلد الذي يتم حفظ النموذج في.
   4. تقع على الذقن مكان اثنين أمام شاشة الكمبيوتر لمنع حركات الرأس أثناء التجربة.

2-عدد المشتركين الوصول في المختبر

1. إعداد المشاركين.
   1. عرض وشرح الإعداد التجريبية بما في ذلك نظام القياس التقارير إلى المشاركين. دائماً التأكد من أن المشاركين لا تبدو مباشرة في شعاع الليزر لنظام القياس التقارير كهذه قد تكون ضارة للعين.
   2. مقعد المشاركين بجوار بعضها البعض أمام شاشة الكمبيوتر. ضبط ارتفاع على عاتق تشين أن كل المشتركين الجلوس بشكل مريح.
   3. إرشاد المشاركين وإدارة المحاكمات الممارسة التعاونية ولعبة تنافسية. إعطاء تعليمات إضافية أثناء المحاكمات الممارسة إذا لزم الأمر.
   4. قياس، وعلامة النقطة فبز وفقا لنظام 10-20، وهو 10% المسافة بين ناسيون وإينيون، على رأس كل مشارك.
   5. وضع القبعات مع تحقيقات بعناية على الرؤساء المشاركين، مع إيقاف تشغيل الليزر. ضع الجزء الأمامي من عملية النداءات الموحدة، بما في ذلك الشبكة المسبار، على جبهته المشارك أولاً وثم سحب إلى أسفل الجزء الخلفي الغطاء نحو العنق. تأكد من أن يتم وضع مسبار الأوسط من الصف السفلي على فبز وتتم محاذاة العمود الأوسط التحقيق على طول منحنى إشارة السهمي.
   6. وضع السلاسل الألياف على ذراع حامل مرفق نظام القياس التقارير وبذلك أنهم شنق فضفاضة دون اتصال مع مشارك أو الرئاسة، وأنها لا تسحب على القبعات. استخدام حائز إضافية (على سبيل المثال.، وتعديل موقف الميكروفون أو ما شابه ذلك) للمشارك الثاني إذا لزم الأمر.
   7. دفع كل التحقيق كذلك في لها مقبس حتى الآنف بيضاء صغيرة في وسط الجزء العلوي من غلاف مسبار مرئياً.
      ملاحظة: الآنف هو الضغط صعودا بلفائف ربيع إليه بمجرد تلميح مسبار يلامس فروة الرأس المشارك.
   8. تشغيل الليزر مرة أخرى واختبار جودة الإشارة عن طريق النقر فوق الزر "الحصول على السيارات" في إطار مجموعة مراقبة المسبار لنظام القياس التقارير.
   9. لم يكن لقناة إشارة كافية (أي، إذا تم وضع علامة باللون الأصفر) برفق جانبا الشعر تحت نصيحة مسبار المحيطة بها. إذا لزم الأمر، دفع تحقيقات إضافية إلى تلك المآخذ لكن ضمان راحة المشاركين. التحقق من ما إذا تحسنت نوعية إشارة (أي القناة يتسم الآن باللون الأخضر) بالنقر فوق الزر "الحصول التلقائي" مرة أخرى.
   10. إذا كانت الخطوة 2.1.9. لا يؤدي إلى تحسن إشارة، وضبط كثافة إشارة. إذا كان هناك أكثر من اللازم الإشارة (أي، إذا تم وضع علامة القناة باللون الأحمر)، تغيير كثافة إشارة انخفاض كثافة إشارة بها مرارا وتكرارا النقر على رمز كل منهما للتحقيق في التحقيق تعيين إطار مراقبة لنظام القياس التقارير. إذا لم يكن هناك ما يكفي الإشارة (أي، إذا تم وضع علامة القناة باللون الأصفر)، تغيير كثافة إشارة إلى إشارة عالية الكثافة، مرة أخرى بواسطة النقر فوق مرارا وتكرارا على رمز كل منهما للتحقيق.
2. تشغيل التجربة
   1. عند وجود لا أسئلة بعد محاكمات الممارسة وتكفل جودة إشارة جيدة، تبدأ بنموذج تجريبي.
   2. ضع منشفة على أيدي المشتركين بحيث أنهم لا يستطيعون رؤية حركات اليد لشريكها في كل لعبة.
   3. بعد التجربة، حفظ البيانات وتصدير البيانات الخام كثافة الضوء كملف نص بالنقر فوق الزر "نص الملف بها". لا يتم تطبيق أية عوامل تصفية في نظام القياس التقارير.
   4. قم بتنظيف كل ما يلزم من مواد (تحقيقات، المكلفين بالتحقيق، تقع على الذقن) مع الإيثانول. أغسل القبعات في دورة لطيف مع المنظفات معتدل.

3-بيانات التحليل

1. البيانات التي تم تجهيزها
   ملاحظة: تتوفر العديد من حزم البرامج غير التجارية لتحليل البيانات فنيرس، على سبيل المثال-، هوميروس¹⁷أو¹⁸ من "التقارير الدماغ أناليزير" SPM فنيرس¹⁹. واستخدمت هذه الأخيرة لتجهيزها الخطوات التالية. لمزيد من المعلومات حول كيفية تنفيذ هذه الخطوات، يرجى الاطلاع على دليل الأدوات.
   1. تحويل ملفات البيانات للأمانة لتنسيق البيانات فنيرس.
   2. حساب التغيرات تركيز أوكسي غبطة وغبطة ديوكسي استخدام قانون بير لامبرت المعدلة عن طريق الضغط على زر تحويل في الإطار الرئيسي. أدخل عمر هذا الموضوع والمسافة بين المصدر والكاشف (مثلاً، 3 سم). قبول القيم الافتراضية لمعاملات امتصاص المولى أوكسي غبطة وغبطة ديوكسي في الطول الموجي (λ) 1 و λ 2، فضلا عن القيم الافتراضية لعامل pathlength التفاضلية (إدارة الشرطة الاتحادية) في λ 1 و λ 2.
   3. Preprocess السلسلة الزمنية للتغييرات الفسيولوجية للحد من القطع الأثرية الحركة عن طريق تحديد الزر مارا (لمزيد من المعلومات راجع خوارزمية مارا شولكمان et al. ²⁰).
   4. Preprocess السلسلة الزمنية لتقليل الانجرافات بطيئة عن طريق تحديد الزر DCT.
2. الكشف عن قناة سيئة
   ملاحظة: يمكن إجراء الكشف عن قناة سيئة قبل و/أو بعد تجهيزها فنيرس البيانات. في هذا البروتوكول، ويتم الجمع بين مختلف معايير موضوعية للكشف عن قنوات سيئة والفحص البصري. يرجى ملاحظة أن القائمة المقترحة لمعايير موضوعية ليست شاملة. للكشف عن قناة سيئة، استخدمت البرامج النصية المكتوبة ذاتيا (لتقنية الحوسبة البرمجيات انظر الجدول للمواد).
   1. استبعاد القنوات التي لا يوجد إشارة تغيير لعدة عينات المستمر، موضح بواسطة خط مسطح عندما رسم السلسلة الزمنية.
   2. حساب معامل الاختلاف CV = SD/يعني * 100 للبيانات الخام التوهين. استبعاد القنوات التي السيرة الذاتية أعلى نسبة مئوية محددة مسبقاً (مثلاً، 10%؛ انظر على سبيل المثال فإن دير كانط et al. ²¹).
   3. ارسم الطيف قوة الإشارة. إذا كان هناك لا نبضة مرئية في الطيف إشارة حوالي 1 هرتز، كما هو مبين بقوة زيادة في هذا التردد، استبعاد القناة من التحليل.
   4. تفقد جميع البيانات بصريا قبل و/أو بعد تجهيزها. تقرر ما إذا كانت تشمل القناة استناداً إلى معايير موضوعية، الموصوفة في 3.2.1 – 3.2.3، فضلا عن كشف البصرية الذاتية من قنوات صاخبة.
3. اتصال الدماغ إلى الدماغ
   ملاحظة: تقدير مختلفين ويمكن التمييز بين أنواع من الاتصال بالدماغ: تقديرات غير الموجهة، وقياس قوة الاتصال، وتقديرات الموجهة، التي تسعى إلى إقامة أدلة إحصائية للعلاقة السببية من البيانات²² . وكان التركيز هنا على تماسك تحويل المويجات (مركز التجارة العالمي)، بتقدير غير الموجه المطبقة على نطاق واسع للاتصال فنيرس الدماغ إلى الدماغ. تتوفر عدة حلول برمجيات غير تجارية لحساب مركز التجارة العالمي، مثلاً، واحدة من جرينستيد والزملاء²³ أو²⁴أستولبوكس التي استخدمت في هذا البروتوكول للخطوات التالية.
   1. في الدالة عليها أستوولبوكس، حدد المويجات الأم (مثلاً، "المعمم المويجات مورس" مع معلمات بيتا وغاما)، الذي يستخدم لتحويل كل السلاسل الزمنية في مجال الزمن والتردد من قبل المويجات المستمر التحول.
   2. تحديد نوع الإطار تجانس (مثلاً، إطار هانينغ) وتجانس حجم الإطار للمجال الوقت والحجم في الدالة عليها.
   3. دراسة أهمية معاملات برجي مركز التجارة العالمي وأن حساب بهم فالقيم، حدد عدد السلاسل الزمنية البديلة (n ≥ 300) ونموذج أرما (مثلاً، AR (1)) في الدالة عليها.
   4. مع المعلمات المحددة في الخطوات 3.3.1 إلى 3.3.3، حساب تماسك المويجات قناتين المقابلة (نفس القناة في اثنين من المشاركين).
   5. اختر نطاق تردد للفائدة التي تتسق الدماغ إلى الدماغ المتصلة بالمهام المتوقع أن يحدث استناداً إلى الدراسات السابقة والفحص البصري للبيانات (لأنظر نهج بديل نوزاوا et al. ²⁵).
   6. حساب متوسط معاملات برجي مركز التجارة العالمي و/أو نسبة كبيرة من معاملات برجي مركز التجارة العالمي في نطاق التردد المتصلة بالمهام لكل كتلة مهمة في كل قناة وكل دياد. استخدم هذه القيمة كتدبير نتائج تتسق الدماغ إلى الدماغ لإجراء مزيد من التحليل الإحصائي (لمزيد من المعلومات، راجع ريندل et al. ¹¹).
4. مقارنة بين أزواج عشوائية
   ملاحظة: للتحقق من صحة النتائج، نوصي مقارنة برجي مركز التجارة العالمي ثنائية الفعلي لمركز التجارة العالمي من عشوائية الازدواجات الأطفال الكبار، الذين لم يلعبوا مع بعضهم البعض ولكن أداء نفس المهمة التجريبية.
   1. حساب برجي مركز التجارة العالمي، كما هو موضح في 3.3.، لأزواج المشاركين الذين لم يلعبوا معا ولكن أداء نفس المهمة التجريبية (أي أزواج عشوائية). اختر عدد أزواج عشوائية (مثلاً، 300 لكل حالة) وحساب برجي مركز التجارة العالمي لكل زوج عشوائي.
   2. قارن تماسك أزواج عشوائية والفعلية لتجنب الكشف عن التزامن زائفة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

وترد بيانات تمثيلية من أحد الوالدين والطفل دياد أثناء شرط التعاونية في الشكل 1. المهمة التعاونية تتكون من s 30 ثلاثة بقية كتل وكتل مهمة اثنين، مع كل منها 20 المحاكمات المعروضة في ترتيب التناوب. في كل محاكمة، يكون المشاركون على الاستجابة في الوقت ذاته قدر الإ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

في هذا البروتوكول، نعرض كيفية إجراء تجارب هايبرسكانينج فنيرس وإحدى الطرق الممكنة لتحليل تتسق الدماغ إلى الدماغ، قياس التغييرات تركيز أوكسي غبطة وديوكسي-غبطة في مناطق الدماغ أمامي في موضوعين في وقت واحد. هايبرسكانينج فنيرس من السهل نسبيا لتطبيق: جهاز التقارير واحد يكفي لقياس أنشطة الدما?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 3x5 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).