理解功能性近红外光谱 （fNIRS） 超扫描研究中跨脑相干性的新框架

摘要

小波变换相干性 （WTC） 是评估信号之间耦合的常用方法，用于功能性近红外光谱 （fNIRS） 超扫描研究。本文提出了一个用于评估信号相互作用方向性的工具箱。

摘要

尽管功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描研究越来越多，但使用小波变换相干性（WTC）评估两个神经信号之间的耦合似乎忽略了相互作用的方向性。该领域目前缺乏一个框架，使研究人员能够确定使用WTC函数获得的高相干值是否反映了同相同步（即，神经激活同时出现在二元组的两个成员中），滞后同步（即神经激活在二元组的一个成员之前在另一个成员之前看到）， 或反相位同步（即，神经激活在二元组的一个成员中增加，在另一个成员中减少）。为了满足这一需求，本文提出了一种互补且更灵敏的方法来分析两个神经信号的相位相干性。该工具箱允许研究人员通过将使用传统WTC获得的相位角值分类为同相同步、滞后同步和反相位同步来估计耦合方向性。该工具箱还允许研究人员评估整个任务中交互的动态如何发展和变化。使用这种新颖的WTC方法和工具箱，将通过它们在fNIRS超扫描研究中的使用来促进我们对复杂社会互动的理解。

引言

近年来，为理解社会行为的神经基础而进行的研究类型发生了变化 ^1,2.传统上，社会神经科学的研究集中在社会相关任务中一个孤立大脑的神经激活。然而，神经影像技术的进步现在允许在社交互动期间检查一个或多个人大脑中的神经激活，因为它发生在“现实生活”环境中³.在“现实生活”环境中，个人能够自由移动，随着信息交换和社会伙伴相互接收反馈，大脑激活的模式可能会发生变化⁴.

超扫描是一种通过同时测量两个或多个个体的大脑活动来评估这种双向信息交换的方法⁵.一项新兴的研究利用了功能性近红外光谱 （fNIRS），这是一种非侵入性神经成像技术，与其他神经成像技术相比，它不太容易受到运动伪影的影响⁶。通过fNIRS进行的超扫描允许在现实生活中评估脑间同步（IBS），同时互动伙伴可以自由自然地移动。这与婴儿和幼儿的工作尤其相关，他们往往非常活跃。据报道，IBS 反映了互动伙伴之间的相互理解，这是有效社会互动和沟通的基础，并调解了共同的意向性 ^1,7,8。

研究方案

该研究在佛罗里达大西洋大学（FAU）进行，并得到了FAU机构审查委员会（IRB）的批准。

1. 使用Homer3软件（材料表）对fNIRS超扫描数据进行预处理

注：Homer3 是一个 MATLAB 应用程序，用于分析 fNIRS 数据以获得大脑激活的估计值和图谱²⁹。Homer3 可以从以下链接 （https://openfnirs.org/software/homer/） 下载和安装。

1. 打开 MATLAB，然后导航到保存原始 .nirs 文件的文件夹。选择并打开文件夹。
2. 在 MATLAB 的命令窗口中键入 Homer3 以启动 Homer3 GUI。荷马3.将检测 .nirs 文件并要求转换为 .snirf 格式（一种通用文件格式，用于独立于任何特定应用特定文件格式（如 MATLAB）存储和共享 NIRS 数据）以继续进行数据预处理。
3. 在 Homer3 中将 .nirs 文件导入为 .snirf 格式后，单击 Homer3 GUI 中的 “工具 ”选项，然后选择“ 编辑处理流”。
4. 在 ProcStreamEdit GUI 中....

讨论

fNIRS研究中最常用的方法之一是小波变换相干性（WTC），它是两个时间序列作为频率和时间¹⁰函数的互相关性的度量。WTC使用相关分析（补充文件1）计算两个时间序列之间的相干性和相位滞后。FNIRS 超扫描研究使用 WTC 来估计许多功能领域的 IBS，包括行动监测 12、合作和竞争行为⁵、^13、14、15、模仿¹⁶、母婴问题解.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
NIRScout	NIRx Medical Technologies, LLC	n.a.	8 sources, 8 detectors
MATLAB	The Mathworks, Inc.	Matlab 2022a	In this protocol, several toolboxes and buit in MATLAB functions were used: HOMER3 toolbox was used to convert Intensity to OD, to remove motion artifacts through its function hmrMotionCorrectWavelet with default parameters and to convert OD to Conc. Wavelet Toolbox was used to compute WTC.