Realización de experimentos de Hyperscanning con funcional espectroscopia del infrarrojo cercano

Resumen

El presente Protocolo describe cómo realizar fNIRS hyperscanning experimentos y analizar la sincronía de cerebro a cerebro. Además, discutimos los retos y posibles soluciones.

Resumen

Grabaciones de cerebro concurrente de dos o más personas interactúan, un enfoque llamado hyperscanning, están ganando cada vez mayor importancia para la comprensión de las bases neurobiológicas de las interacciones sociales y relaciones interpersonales posiblemente . Funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (fNIRS) es idóneo para la realización de experimentos de hyperscanning porque mide los efectos hemodinámicos locales con una alta velocidad de muestreo y, lo que es importante, puede aplicarse en escenarios naturales, que no requieren movimiento estricto restricciones. En este artículo, presentamos un protocolo para realizar fNIRS hyperscanning experimentos con díadas de padres e hijos y para análisis sincronía de cerebro a cerebro. Además, discutimos los asuntos críticos y direcciones futuras, en relación con el diseño experimental, registro espacial de los canales de fNIRS, influencias fisiológicas y métodos de análisis de datos. El protocolo descrito no es específico de díadas de padres e hijos, pero se puede aplicar a una variedad de diferentes constelaciones de dos días, como adultos extraños, pareja romántica o hermanos. Para concluir, fNIRS hyperscanning tiene el potencial para producir nuevos conocimientos sobre la dinámica de la interacción social permanente, que posiblemente vayan más allá de lo que puede ser estudiada examinando las actividades de los cerebros individuales.

Introducción

En los últimos años, los neurocientíficos han empezado a estudiar las interacciones sociales mediante el registro de las actividades del cerebro de dos o más personas al mismo tiempo, un enfoque llamado hyperscanning¹. Esta técnica abre nuevas oportunidades para dilucidar los mecanismos neurobiológicos subyacentes a estas interacciones. Para comprender las interacciones sociales, puede no ser suficiente para el estudio de cerebros individuales en aislamiento sino más bien las actividades conjuntas de los cerebros de las personas interactuantes². Mediante técnicas de neuroimagen diferentes, hyperscanning estudios han demostrado eso cerebro sincronización actividades de interacción de las personas o grupos, por ejemplo, mientras que coordinan sus acciones³, hacer música⁴,⁵, se comunican participar en actividades de aula⁶ o⁷de cooperar.

El artículo presenta un protocolo para la realización de grabaciones simultáneas con funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (fNIRS). Similar a la proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI), fNIRS mide la respuesta hemodinámica a la activación del cerebro. Cambios en la hemoglobina oxigenada y desoxigenada (Oxi-Hb y deoxi-Hb) se calculan basándose en la cantidad de luz infrarroja diffusively transmitida a través de tejido⁸. fNIRS es idóneo para la realización de experimentos de hyperscanning, especialmente con los niños, porque pueden aplicarse en contextos con menos restricciones y más naturales que el fMRI. Por otra parte, es menos propenso a artefactos de movimiento que fMRI y EEG⁹. Además, datos fNIRS pueden ser adquiridos en altas frecuencias de muestreo (p. ej., 10 Hz), así muy sobremuestrea la respuesta hemodinámica relativamente lenta y tal modo potencialmente proporciona una imagen temporal más completa de la hemodinámica del cerebro¹⁰ .

Este protocolo fue desarrollado dentro del estudio de Reindl et al. ¹¹ y ha sido ligeramente modificado (en particular con respecto a la colocación de la canal y la identificación de canal mala) más recientemente. El objetivo del estudio fue examinar la actividad cerebral sincronizada de díadas de padres e hijos. Utilizando fNIRS hyperscanning, se evaluaron la sincronía de cerebro a cerebro en áreas del cerebro prefrontal de los niños (de cinco a nueve años) y sus padres, sobre todo madres, en una cooperativa y una tarea de equipo competitivo. Regiones prefrontales del cerebro fueron objeto ya había sido identificados como regiones importantes para procesos sociales interactivos en anteriores estudios de hyperscanning¹. La tarea de cooperación y competitiva fueron desarrollados originalmente por Cui et al. ¹² y recientemente empleado anterior varios estudios^13,14,15. Para el estudio de Reindl et al. ¹¹, las tareas fueron modificadas para ser conveniente para los niños. Los participantes fueron instruidos o responder conjuntamente a través de pulsar un botón en respuesta a un objetivo (cooperación) o para responder más rápido que el otro jugador (competencia). Cada niño realiza cada tarea una vez con el padre y una vez con un adulto desconocido del mismo sexo como el padre. Dentro de cada díada niño-adulto, coherencia de wavelet se calculó para las señales de oxi-Hb de canales correspondientes como una medida de la sincronía de cerebro a cerebro.

Este protocolo describe el procedimiento para recopilar fNIRS hyperscanning datos de los padres y el niño durante el juego cooperativo y competitivo. El procedimiento general, sin embargo, no es específico de este diseño de la investigación pero es apropiado para poblaciones diferentes (por ejemplo, adultos extranjeros, socios románticos, hermanos, etc.) y puede ser adaptado para un número de diferentes tareas experimentales. Este protocolo también esboza un procedimiento analítico posible, que cubre los pasos de análisis de datos necesarios y opcionales, incluyendo fNIRS preprocesado de datos, detección de canales malos, wavelet coherencia análisis y validación por análisis par al azar.

Protocolo

Antes de la participación, todos los padres / niños proporcionan consentimiento / asentimiento. El estudio fue aprobado por el Comité de ética de la facultad médica de Universidad RWTH de Aquisgrán.

1. preparación antes de que el participante llegue

1. Preparar tapas de NIRS.
   1. Elegir los tamaños de la tapa del mismo tamaño o ligeramente más grande que la circunferencia de la cabeza del participante.
   2. Corte 15 orificios con un diámetro de aproximadamente 15 mm cada una, dispuestas en una cuadrícula de 3 x 5 horizontal, en el área de la frente de cada uno de 2 tapas de EEG sin procesar (véase Tabla de materiales). Asegúrese de que los agujeros están espaciados a 30 mm unos de otros en cualquier dirección, que la columna media de agujeros se encuentra en el centro de la frente, es decir, arriba de la nariz, y que la fila inferior se encuentra por encima de las cejas.
   3. Para hacer más cómodas las tapas y minimizar marcas de presión, coloque material de espuma suave (por ejemplo, adhesivo ventana plana similar o cinta de cierre material de espuma de goma) en el lado interno de la red de soporte entre las tomas de la sonda y en los bordes. Use cinta adhesiva de doble cara o hilo de coser si es necesario.
   4. Montar una red de soporte vacío sonda 3 x 5 (véase Tabla de materiales) a cada una de las tapas de EEG modificadas tal que la red de soporte sí mismo se coloca en el interior de la tapa y el soporte zócalos de palo en los agujeros.
      Nota: El sistema de medición de NIRS (véase Tabla de materiales) tiene dos separados sistemas de la sonda, utilice una sonda para cada participante.
   5. Suavemente inserte las puntas de prueba en los zócalos soporte apropiado en las rejillas que sólo la primera cresta de cada sonda está montada en el zócalo, que se traduce en un sonido de clic.
   6. Abierta la sonda ventana monitor en el sistema de medición de NIRS y seleccione sonda 2 conjuntos dispuestos en una cuadrícula de 3 x 5 cada uno, uno para los niños participantes y para el adulto. Asegúrese de que los arreglos de la punta de prueba de las dos tapas corresponde a los arreglos en la ventana de set de sonda (es decir, misma ubicación de los respectivo emisor y receptor sonda números).
2. Preparar el experimento.
   1. Inicie el sistema de medición de NIRS con diodos láser encendidos 30 minutos antes de medir, que el sistema alcanza una estable temperatura de funcionamiento.
   2. Configurar todas las opciones necesarias en el sistema de medición de NIRS. Asegúrese que el dispositivo está configurado a medida relacionados con el evento y que la entrada serial RS232, necesaria para la recepción activa del paradigma experimental, está activa.
      Nota: El experimento es una versión adaptada por un paradigma ideado por Cui et al. ¹², programado en las extensiones de caja de herramientas psicofísica no comercial, versión 3.0.11¹⁶.
   3. Preparar el paradigma experimental por iniciar el software informático técnico (véase Tabla de materiales) que sirve como base para las extensiones de la caja de herramientas de psicofísica y establecer el directorio actual a la carpeta guardada en el paradigma.
   4. Barbilla de lugar dos descansa frente a la pantalla del ordenador para evitar movimientos de la cabeza durante el experimento.

2. llegada participante en el laboratorio

1. Preparar a los participantes.
   1. Mostrar y explicar el montaje experimental incluyendo el sistema de medición de NIRS para los participantes. Asegúrese de que los participantes no mire directamente el haz láser del sistema de medición de NIRS como esto puede ser perjudicial para el ojo.
   2. Asiento de los participantes al lado del otro frente a la pantalla del ordenador. Ajuste la altura de los restos de la barbilla que ambos participantes se sientan cómodamente.
   3. Instruir a los participantes y administrar pruebas de la práctica de la cooperativa y el juego competitivo. Dar instrucciones adicionales durante los ensayos de práctica si es necesario.
   4. Mida y marque el punto de Fpz según el sistema 10-20, que es el 10% de la distancia entre el nasion y el inion, en cabeza de cada participante.
   5. Coloque las tapas de las puntas de prueba cuidadosamente en cabeza de los participantes, con el láser apagado. Coloque la parte delantera de la tapa, incluyendo la red de la sonda, en frente del participante primero y luego tire hacia abajo la parte posterior de la tapa hacia el cuello. Asegúrese de que la sonda media de la fila inferior se coloca en Fpz y la columna del medio de la sonda se alinea a lo largo de la curva de referencia sagital.
   6. Coloque los hilos de la fibra en el brazo de soporte conectado al sistema de medición de NIRS para que cuelgan libremente sin contacto con el participante o la silla y no tiran de las tapas. Utilice un soporte adicional (por ej., modificado soporte de micrófono o similar) para el segundo participante si fuera necesario.
   7. Empuje cada sonda más lejos en su toma hasta la nariz blanca pequeña en el centro de la parte superior de la carcasa de la sonda es visible.
      Nota: La nariz es empujada hacia arriba por un mecanismo de resorte de bobina tan pronto como la punta de la sonda toca el cuero cabelludo de los participantes.
   8. Vuelva a encender el láser y la calidad de la señal de prueba haciendo clic en el botón Auto del aumento en la ventana de monitor set de sonda del sistema de medición de NIRS.
   9. Si un canal no tiene señal suficiente (es decir, si está marcado en amarillo), suavemente dejar el pelo por debajo de la punta de prueba circundante. Si es necesario, empuje las sondas más lejos en sus zócalos pero garantizar la comodidad del participante. Compruebe si ha mejorado la calidad de la señal (es decir, que el canal está ahora marcado en verde) haciendo clic en el botón Auto del aumento otra vez.
   10. Si paso 2.1.9. no conducir a una mejora de la señal, ajustar la intensidad de la señal. Si hay demasiada señal (es decir, si el canal está marcado en rojo), cambiar la intensidad de la señal de baja intensidad de señal por varias veces haciendo clic en el símbolo de la punta de prueba respectivos en la sonda de ajuste ventana del monitor del sistema de medición de NIRS. Si no hay suficiente señal (es decir, si el canal está marcado en amarillo), cambiar la intensidad a la intensidad de la señal de alto, otra vez varias veces haciendo clic en el símbolo de la sonda correspondiente.
2. Ejecutar el experimento
   1. Cuando no existen preguntas después de los ensayos de práctica y se garantiza una calidad de señal buena, empezar el paradigma experimental.
   2. Coloque una toalla sobre las manos de los participantes para que no se ven los movimientos de la mano de su pareja de juego respectivo.
   3. Después del experimento, guardar los datos y exportar los datos de intensidad de la luz cruda como un archivo de texto haciendo clic en el botón archivo de texto hacia fuera. No se aplican los filtros en el sistema de medición de NIRS.
   4. Limpie los materiales necesarios (sondas, los titulares de la sonda, la barbilla descansa) con etanol. Lave las tapas en un ciclo suave con detergente suave.

3. Análisis de los datos

1. Preprocesamiento de datos
   Nota: Se dispone de diversos paquetes de software no comercial para fNIRS análisis de datos, por ejemplo., HomER¹⁷, NIRS cerebro AnalyzIR¹⁸ o SPM por fNIRS¹⁹. El último fue utilizado para los siguientes pasos de preprocesamiento. Para obtener más información sobre cómo realizar estos pasos, consulte el manual de la caja de herramientas.
   1. Convertir los archivos de datos para el SPM para formato de datos fNIRS.
   2. Calcular los cambios de concentración de oxi-Hb y desoxi-Hb usando la ley de Beer-Lambert modificada pulsando el botón de convertir en la ventana principal. Introduzca la edad del sujeto y la distancia entre la fuente y el detector (por ejemplo, 3 cm). Acepte los valores predeterminados de los coeficientes de absorción molar de oxi-Hb y desoxi-Hb en longitud de onda (λ) 1 y λ 2 así como los valores por defecto para el factor de longitud diferencial (PD) en λ 1 y λ 2.
   3. Preprocesar la serie de tiempo de cambios hemodinámicos para reducir artefactos de movimiento seleccionando el botón MARA (para más información sobre la sede de algoritmo MARA Scholkman et al. ²⁰).
   4. Preprocesar la serie de tiempo para reducir la deriva lenta seleccionando el botón de la DCT.
2. Detección de canal mala
   Nota: Puede realizar detección de canal mala antes y/o después de fNIRS preprocesado de datos. En este protocolo, se combinan diferentes criterios para la detección de canales malos y la inspección visual. Tenga en cuenta que la lista de criterios no es exhaustiva. Para la detección de canales malos, uno mismo-escrita scripts fueron utilizados (por la técnica informática software véase Tabla de materiales).
   1. Excluir canales en que no hay ningún cambio de la señal para varias muestras de continuo, que es indicado por una línea plana cuando trazar la serie de tiempo.
   2. Calcular el coeficiente de variación CV = SD/Media * 100 para los datos crudos de la atenuación. Excluir canales en los que el CV está por encima de un porcentaje predefinido (por ejemplo, 10%; ver por ejemplo van der Kant et al. ²¹).
   3. Trazar el espectro de energía de la señal. Si no hay ningún latido visible en el espectro de la señal alrededor de 1 Hz, como se indica por una potencia creciente en esta banda de frecuencia, excluir el canal a partir del análisis.
   4. Inspeccione visualmente todos los datos antes o después de preprocesamiento. Decidir si incluir el canal basado en los criterios objetivos, descritos en 3.2.1, 3.2.3, así como en la detección visual subjetiva de canales ruidosos.
3. Conectividad de cerebro a cerebro
   Nota: Dos diferentes estiman tipos de Conectividad del cerebro pueden distinguirse: estimaciones no dirigida, que cuantificar la fuerza de la conectividad, y estimaciones dirigidas, encaminadas a establecer la evidencia estadística de causalidad de datos²² . Aquí el enfoque fue sobre la coherencia de transformación wavelet (WTC), una estimación ampliamente aplicada no dirigida para la conectividad de cerebro a cerebro fNIRS. Existen varias soluciones de software no comercial para el cómputo del WTC, por ejemplo, por Grinsted y colegas²³ o el ASToolbox²⁴, que fue utilizado en el presente Protocolo para los siguientes pasos.
   1. En la función de la ASToolbox de AWCO, especifique la wavelet madre (p. ej., Wavelet generalizado de Morse con sus parámetros beta y gamma), que se utiliza para transformar cada serie temporal en el dominio tiempo y frecuencia de la wavelet continua transformación.
   2. Especificar el tipo de ventana de suavizado (por ejemplo, ventana de Hanning) y tamaño de la ventana de suavizado para el dominio de tiempo y escala en la función AWCO.
   3. Para examinar la significación de los coeficientes WTC y calcular su p-valores, especificar el número de serie de tiempo de suplente (n ≥ 300) y el modelo ARMA (p. ej., AR (1)) en la función AWCO.
   4. Con los parámetros especificados en los pasos 3.3.1 a 3.3.3, calcular la coherencia de la wavelet de dos canales correspondientes (el mismo canal en dos participantes).
   5. Elegir una banda de frecuencia de interés en que la sincronía de cerebro a cerebro relacionados con la tarea se espera que se producen en base a estudios previos y la inspección visual de los datos (para una sede alternativa Nozawa et al. ²⁵).
   6. Calcular la media de los coeficientes WTC y/o el porcentaje de coeficientes significativos de WTC en la banda de frecuencia relacionados con la tarea para cada bloque de la tarea en cada canal y de cada díada. Utilice este valor como una medida de resultado de sincronía de cerebro a cerebro para su posterior análisis estadístico (para más información, consulte Reindl et al. ¹¹).
4. Comparación de pares al azar
   Nota: Para validar los resultados, se recomienda comparar el WTC de las díadas reales para el WTC de emparejamientos aleatorios de adulto-niño, que no jugaron entre sí, sino realizan la misma tarea experimental de.
   1. Calcular el WTC, como se describe en 3.3., para los pares participantes que no jugaron juntos, pero realizan la misma tarea experimental (es decir, pares al azar). Elija el número de pares al azar (p. ej., 300 para cada enfermedad) y calcular el WTC para cada par al azar.
   2. Comparar la coherencia de los pares al azar y reales para evitar la detección de falso sincronicidad.

Resultados

Datos representativos de una díada padre-hijo durante la condición cooperativa se muestran en la figura 1. La tarea cooperativa consiste en tres 30 s resto bloques y bloques de dos tareas, con 20 ensayos cada uno, presentados en orden de alternancia. En cada ensayo, los participantes tienen que reaccionar tan simultáneamente como sea posible a la señal para ganar un punto¹¹.

Discusión

En este protocolo, se muestra cómo llevar a cabo experimentos de hyperscanning fNIRS y una manera posible de analizar sincronía de cerebro a cerebro, medir cambios de concentración de oxi-Hb y desoxi-Hb en regiones del cerebro frontal de dos temas al mismo tiempo. Hyperscanning FNIRS es relativamente fácil de aplicar: un único dispositivo NIRS es suficiente para medir las actividades cerebrales de ambos temas dividiendo las optodes entre ellos. Por lo tanto, no hay sincronización entre diferentes dispositivos es ne...

Materiales

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).