开放式协作学习中的脑间同步：fNIRS超扫描研究

摘要

概述了在自然学习环境中对协作学习二元组进行fNIRS超扫描实验的方案。此外，还提出了一种分析含氧血红蛋白（Oxy-Hb）信号的脑间同步（IBS）的管道。

摘要

fNIRS超扫描被广泛用于检测社会互动的神经生物学基础。通过这种技术，研究人员用一种称为脑间同步（IBS）的新指数（即，神经元或血液动力学信号随时间变化的相位和/或振幅对齐）来限定两个或多个交互式个体的并行大脑活动。本文介绍了在自然学习环境中对协作学习二元组进行fNIRS超扫描实验的协议。此外，还解释了分析含氧血红蛋白（Oxy-Hb）信号的IBS的管道。具体而言，讨论了实验设计、近红外光谱数据记录过程、数据分析方法以及未来的发展方向。总体而言，实施标准化的fNIRS超扫描管道是第二人称神经科学的基本组成部分。此外，这符合开放科学的呼吁，以帮助研究的可重复性。

引言

最近，为了揭示交互式二元组或组成员的并行大脑活动，研究人员采用了超扫描方法^1，2。具体而言，脑电图（EEG），功能磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）用于同时记录两个或多个受试者的神经和大脑活动^3，4，5。研究人员基于这种技术提取了需要同时进行脑耦合的神经指数，该技术指的是脑间同步（IBS）（即神经元或血液动力学信号随时间变化的相位和/或振幅对齐）。各种各样的超扫描研究发现，在多个人（例如，玩家 - 观众，教师 - 学习者和领导者 - 追随者）之间的社交互动期间，IBS 6，7，8。此外，IBS具有有效学习和教学的具体含义^{9，10，11，12，13，14。}

研究方案

所有招募的参与者（40对偶，平均年龄22.1±1.2岁;100%右撇子;正常或矫正到正常视力）都是健康的。在实验之前，参与者给予了知情同意。参与者因其参与而获得经济补偿。该研究获得华东师范大学人类研究保护委员会（HR-0053-2021）的批准。

1. 采用数据前的准备步骤

1. 自制近红外瓶盖
   1. 采用弹性泳帽放置光电支架网格。
      注意：考虑到参与者的头部尺寸不同，使用两种尺寸的帽子。为头围为55.4±1.1厘米的参与者准备了小帽，为头围为57.9±1.2厘米的参与者准备了大帽。
   2. 根据弹性游泳帽上的标准国际10-10系统，将脑电电极（inion，Cz，T3，T4，Fpz和P5）的位置锚定为参考光子（见 材料表）。
      1. 首先，将标准的10-10脑电图帽（见材料表）放在头部模具上，并将弹性游泳帽放在脑电图帽上。其次，在每个盖子上用粉笔标记参考光极（inion，Cz，T3，T4，Fpz和P5）。最后，切下两个直径约15毫米的孔以放置两个参考光极（即Fpz和P5，图1）。
         注意：具体而言，3 x 5光电极管探头组和4 x 4光电极管探头组分别放置在前额叶区域（参考光端放置在Fpz， 图1B）和左侧颞顶区域（参考光端放置在P5， ....

结果

图1所示为实验方案和探针位置。fNIRS数据记录过程由两部分组成：静息状态会话（5分钟）和协作会话（15-20分钟）。协作学习二元组需要放松并保持静止状态。之后，参与者被告知共同学习学习材料（图1A）。它们的前额叶和左颞顶区域被相应的探针组覆盖（图1B）。

图 2说明了 fNIRS 数?.......

讨论

首先，在本协议中，阐述了在协作学习场景中进行fNIRS超扫描实验的具体步骤。其次，还介绍了评估协同学习二元组中血流动力学信号IBS的数据分析管道。进行fNIRS超扫描实验的详细操作将促进开放科学的发展。此外，这里提供了分析管道，以提高超扫描研究的再现性。在下文中，重点介绍了实验设计、进行实验、（fNIRS）超扫描实验中的数据分析等关键问题。此外，还讨论了当前限制的可能解决?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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