ניסויים Hyperscanning עם ספקטרוסקופיית אינפרא אדום הפונקציונליים

Summary

בפרוטוקול הנוכחי מתאר כיצד לערוך ניסויים hyperscanning fNIRS וניתוח synchrony למוח. יתר על כן, נדון אתגרים ופתרונות אפשריים.

Abstract

המוח בו-זמניות הקלטות של שני אנשים או יותר אינטראקציה, גישה כינה hyperscanning, צובר קרנם על הבנתנו הפסיכולוגי הנוירוביולוגי של אינטראקציות חברתיות, וביחסים בין-אישיים ואולי . ספקטרוסקופיית אינפרא אדום הפונקציונליים (fNIRS) הוא גם מתאים ניסויים hyperscanning כי זה מודד המקומי בגרימת תופעות עם קצב הדגימה גבוהה, חשוב, זה יכול להיות מיושם בסביבה טבעית, לא דורש תנועה קפדנית הגבלות. במאמר זה, נציג פרוטוקול עבור ניסויים fNIRS hyperscanning עם דיאדת הורה-ילד, ניתוח synchrony למוח. יתר על כן, נדון בעיות קריטיות וכיוונים עתידיים, לגבי עיצוב ניסיוני, רישום המרחבי של ערוצי fNIRS, השפעות פיזיולוגיות, שיטות ניתוח הנתונים. הפרוטוקול המתואר אינה ספציפית כדי דיאדת הורה-ילד, אבל יכול להיות מיושם למגוון של הכוכבים dyadic שונים, כגון זרים למבוגרים, שותפים רומנטיים או אחים. לסיכום, fNIRS hyperscanning יש את הפוטנציאל להניב תובנות חדשות הדינמיקה של אינטראקציה חברתית מתמשכת, אשר אולי ללכת מעבר מה יכול להילמד על ידי בחינת הפעילות של המוח בודדים.

Introduction

בשנים האחרונות, מדעני מוח החלו ללמוד אינטראקציות חברתיות ע י הקלטת את פעילות המוח של שני אנשים או יותר בו זמנית, גישה כינה hyperscanning¹. טכניקה זו פותח הזדמנויות חדשות התירי המנגנונים הנוירוביולוגי אינטראקציות אלה. כדי להבין באופן מלא אינטראקציות חברתיות, לא ייתכן מספיקים ללמוד שכל יחיד בידוד, אבל מעדיף פעילויות משותפות של המוח של אנשים שמעצבת². שימוש בטכניקות דימות מוחי שונה, hyperscanning מחקרים הראו המוח הזה פעילות של אנשים או קבוצות שמעצבת לסנכרן, למשל, בזמן שהם לתאם את הפעולות שלהם³, לעשות מוזיקה⁴,⁵, תקשורת לעסוק בכיתה פעילויות⁶ או⁷לשתף פעולה.

המאמר מציג פרוטוקול לביצוע הקלטות בו זמנית עם אינפרא אדום הפונקציונליים ספקטרוסקופיה (fNIRS). בדומה דימות תהודה מגנטי תפקודי (fMRI), fNIRS מודד את התגובה והמודינמיקה הפעלה מוחית. שינויים רווית חמצן, המוגלובין (אוקסי-Hb ו deoxy-Hb) אינם מחושבים בהתבסס על כמות אור אינפרא אדום diffusively המשודרת דרך רקמות⁸. fNIRS הוא גם מתאים ניסויים של hyperscanning, במיוחד עם ילדים, כי זה יכול להיות מיושם בהגדרות פחות מאולצות וטבעית יותר מאשר ה-fMRI. יתר על כן, זה נוטה פחות תנועה חפצים יותר משניהם, fMRI ו- EEG⁹. בנוסף, ניתן לרכוש fNIRS נתונים בתדרים דגימה גבוהה (למשל, 10 הרץ), ובכך הוא מאוד oversamples את התגובה איטית יחסית בגרימת ומספק ובכך פוטנציאל טמפורלית תמונה שלמה יותר של ספיקת הדם המוח¹⁰ .

פרוטוקול זה פותחה במסגרת המחקר של ריינדל. et al. ¹¹ , מעט שונה (בפרט ביחס ערוץ מיקום וזיהוי ערוץ רע) לאחרונה. מטרת המחקר הייתה לבחון את פעילות המוח מסונכרן של דיאדת הורה-ילד. שימוש fNIRS hyperscanning, אנחנו העריכו-למוח synchrony באזורי המוח הקדם חזיתית של ילדים (בגילאי חמש עד תשע שנים), ההורים שלהם, בעיקר אמהות, במהלך שיתופית, פעילות המחשב תחרותי. המוח הקדם חזיתית אזורים ממוקדים כפי שהם היו זוהה אזורים חשובים עבור תהליכים חברתיים אינטראקטיביים hyperscanning הקודם מחקרים¹ הפעילות קואופרטיב and תחרותי פותחו במקור על ידי קואי. et al. ¹² ומועסק לאחרונה מספר הקודם מחקרים^13,14,15. לצורך המחקר של ריינדל. et al. ¹¹, המשימות ששונו מתאים לילדים. המשתתפים הונחו להשיב גם במשותף באמצעות לחצן מכבשים בתגובה מטרה (שיתוף פעולה) או להגיב מהר יותר השחקן השני (התחרות). כל ילד לבצע כל פעילות פעם עם האב ופעם אחת עם זר למבוגרים בני אותו המין כהורה. בתוך כל ילד םיפתתשמ ובניהם, דיסקרטית קוהרנטיות מחושב עבור האותות אוקסי-Hb של ערוצים המתאימים כאמצעי של synchrony למוח.

פרוטוקול זה מתאר את ההליכים כדי לאסוף נתונים hyperscanning fNIRS של הורה וילד במהלך המשחק קואופרטיב and תחרותי. התהליך הכללי, לעומת זאת, אינה ספציפית כדי עיצוב מחקר זה אבל מתאים לאוכלוסיות שונות (למשל, זרים למבוגרים, שותפים רומנטיים, אחים, וכו '), ניתן להתאים למספר משימות ניסויים שונים. פרוטוקול זה גם מתווה אפשרי אנליטי נוהל אחד, אשר מכסה צעדים ניתוח נתונים הכרחיות, כולל fNIRS נתונים preprocessing, זיהוי ערוץ רע, דיסקרטית קוהרנטיות ניתוח ואימות באמצעות ניתוח זוג אקראית.

Protocol

לפני השתתפות, כל ההורים / ילדים בתנאי מדעת / סילוק. המחקר אושרה על ידי ועדת האתיקה של הפקולטה לרפואה של RWTH אאכן האוניברסיטה.

1. הכנה לפני המשתתף מגיעה

1. להכין כובעים NIRS.
   1. לבחור גודל קאפ באותו גודל או מעט גדול יותר מאשר היקף הראש של המשתתף.
   2. חותכים 15 חורים בקוטר של 15 מ מ כל אחת, מסודרים ברשת 3 x 5 אופקי, לאזור המצח של כל אחד 2 כמוסות EEG raw (ראה טבלה של חומרים). ודא כי החורים הם במרווחים 30 מ מ אחד מהשני בכל כיוון, כי העמודה האמצעית של חורים ממוקם במרכז המצח, קרי, מעל האף, וזה לשורה התחתונה ממוקם מעל הגבות.
   3. על מנת להפוך את הפקקים לנוחה יותר, למזער את סימני לחץ, לצרף חומר קצף רך (למשל, דבק חלון אטימה קלטת או שטוח דומה חומר מוקצף גומי) על הצד הפנימי של הרשת מחזיק בין אדני בדיקה ולא בקצוות. השתמש דו-פרצופי דבק סלוטייפ או חוט תפירה במידת הצורך.
   4. הר 3x5 אינץ המכשיר מחזיק טבלה ריקה (ראה טבלה של חומרים) לכל אחת משתי אותיות EEG ששונה כזה הרשת בעל עצמה ממוקמת על החלק הפנימי של הכיפה, בעל שקעים מקל החורים.
      הערה: מערכת מדידה NIRS (ראה טבלה של חומרים) יש שניים נפרדים ערכות בדיקה, השתמש רגש אחד עבור כל משתתף.
   5. הכנס בעדינות את הגששים לתוך אדני מחזיק המתאים על הרשתות, כך רק הרכס הראשון של כל בדיקה נטען בשקע, שתוצאתו צליל נקישה אחת.
   6. פתח המכשיר להגדיר הצג חלון במערכת מדידה NIRS, ערכות בדיקה 2 בחר לארגן ברשת 3 x 5 כל אחד, אחד עבור הילד המשתתפים ואחד עבור אדם בוגר. להבטיח כי ההסדרים בדיקה משתי אותיות שני מקביל הסידורים בחלון קביעת בדיקה (קרי, באותו מיקום של פולט בהתאמה, מקלט לווין מספרים).
2. להכין את הניסוי.
   1. להתחיל בשיטת המדידה NIRS עם דיודות לייזר הדליק 30 דקות לפני מדידה, כך המערכת מגיעה טמפרטורת הפעלה יציבה.
   2. לקבוע את כל האפשרויות הדרושות בשיטת המדידה NIRS. ודא כי ההתקן מוגדר למדידה הקשור לאירוע RS232 טורי הקלט, הכרחי עבור קבלת מפעילים של הפרדיגמה ניסיוני, פעילה.
      הערה: הניסוי הוא גרסה מותאמת על ידי פרדיגמה על ידי קואי. et al. ¹², מתוכנת בהרחבות פסיכופיזיקה בארגז הכלים מסחרי, גירסה 3.0.11¹⁶.
   3. להכין את פרדיגמה נסיונית על-ידי הפעלת התוכנה מחשוב טכני (ראה טבלה של חומרים) אשר משמש כבסיס עבור ההרחבות של ארגז הכלים פסיכופיזיקה והגדרת את הספריה הנוכחית לתיקיה הפרדיגמה נשמר.
   4. למקום השני הסנטר מונח מול מסך המחשב כדי למנוע תנועות ראש במהלך הניסוי.

2. המשתתפים ההגעה במעבדה

1. להכין את המשתתפים.
   1. הצג והסבר את הגדרת הניסוי כולל מערכת מדידה NIRS למשתתפים. תמיד לוודא כי המשתתפים לא נראים ישירות לתוך קרן הלייזר של מערכת המדידה NIRS כמו זה עשוי להיות מזיקים לעין.
   2. מושב המשתתפים אחד ליד השני מול מסך המחשב. להתאים את הגובה של הסנטר נשענת כך שני המשתתפים לשבת בנוחות.
   3. להנחות את המשתתפים ולפקח על ניסויים בפועל של הקואופרטיב והן למשחק תחרותי. לתת הוראות נוספות במהלך תרגול במידת הצורך.
   4. למדוד ולסמן את הנקודה Fpz על פי שיטת 10-20, אשר הוא 10% המרחק בין nasion inion, על הראש של כל משתתף.
   5. מניחים את הפקקים הגששים בזהירות על ראשיהם המשתתפים, עם לייזר כבוי. המקום הקדמי של הכיפה, כולל הרשת בדיקה, על המצח של המשתתף הראשונה ולאחר מכן משוך במורד גבו של הכיפה לכיוון הצוואר. ודא כי המכשיר באמצע השורה התחתונה מושם על Fpz, העמודה האמצעית בדיקת מיושר לאורך העקומה הפניה הווריד.
   6. במקום המחרוזות סיבים על הזרוע מחזיק מצורף אל מערכת מדידה NIRS כך הם תולים ברפיון ללא מגע עם המשתתף או כיסא, וכי הם לא למשוך את הפקקים. השתמש של מחזיק נוספים (למשל., ששונה מיקרופון לעמוד או דומה) עבור המשתתף השני במידת הצורך.
   7. לדחוף את כל בדיקה נוספת לתוך השקע שלו עד האף לבן קטן במרכז החלק העליון של המעטפת המכשיר יהיה גלוי.
      הערה: האף הוא דחף כלפי מעלה ע י מנגנון קפיץ הגליל ברגע קצה המקדח נוגע הקרקפת של המשתתף.
   8. להפעיל את הלייזר שוב ולבדוק את איכות האות על-ידי לחיצה על כפתור לקבל אוטומטית בחלון צג ערכה בדיקה של מערכת המדידה NIRS.
   9. אם ערוץ לא קיים אות מספיק (כלומר, אם הוא מסומן בצהוב), בעדינות לשים בצד את השיער מתחת קצה המקדח שמסביב. במידת הצורך, דחפו את הגששים נוסף ממקומם אבל להבטיח את הנוחות של המשתתף. בדוק אם איכות האות השתפרה (קרי, שהערוץ כעת מסומן בירוק) על-ידי לחיצה על כפתור Auto לזכות שוב.
   10. אם שלב 2.1.9. לא להוביל שיפור האות, להתאים את עוצמת האות. אם יש אות מדי (כלומר, אם הערוץ מסומן באדום), לשנות את עוצמת אות נמוך שוב ושוב את עוצמת האות על ידי לחיצה על הסמל של החללית בהתאמה את הגשוש להגדיר חלון צג של מערכת המדידה NIRS. אם אין מספיק אות (קרי, אם הערוץ מסומן בצהוב), לשנות את עוצמת האות עוצמת שידור גבוהה, שוב על-ידי שוב ושוב לחיצה על הסמל של החללית בהתאמה.
2. הפעל את הניסוי
   1. כאשר קיימות אין שאלות לאחר המבחנים לתרגול מובטחת איכות אות טוב, להתחיל את פרדיגמה נסיונית.
   2. המקום מגבת על הידיים המשתתפים, כך הם לא יכולים לראות את תנועות ידיים של בן הזוג משחק בהתאמה.
   3. לאחר הניסוי, לשמור את הנתונים, לייצא את הנתונים הגולמיים עוצמת האור כקובץ טקסט על-ידי לחיצה על כפתור קובץ טקסט החוצה. אין להחיל מסננים כלשהם במערכת מדידה NIRS.
   4. לנקות בחומרים נחוצים (הגששים, מחזיקי רכב הגישוש, הסנטר נשענת) עם אתנול. לשטוף את הפקקים במחזור עדין עם חומר ניקוי מתון.

3. ניתוח נתונים

1. נתונים Preprocessing
   הערה: יש מספר חבילות תוכנה מסחרי זמינים עבור ניתוח נתונים של fNIRS, למשל., הומר¹⁷, AnalyzIR המוח NIRS¹⁸ או SPM עבור fNIRS¹⁹. האחרון שימש preprocessing בשלבים הבאים. לקבלת מידע נוסף כיצד לבצע את הפעולות הבאות, נא עיין במדריך בארגז הכלים.
   1. להמיר את קבצי הנתונים SPM עבור תבנית נתונים fNIRS.
   2. לחשב אוקסי-Hb deoxy-Hb ריכוז שינויים באמצעות החוק למברט ששונה על-ידי לחיצה על לחצן המר בחלון הראשי. הזן הגיל את הנושא ואת המרחק בין מקור גלאי (למשל, 3 ס מ). לקבל את ערכי ברירת המחדל עבור מקדמי קליטה טוחנת של אוקסי-Hb, deoxy-Hb-גל (λ) 1 ו λ 2, כמו גם ערכי ברירת המחדל עבור הגורם pathlength דיפרנציאלית (DPF) λ 1 ו λ 2.
   3. של תהליך מוקדם סדרת הזמן בגרימת שינויים כדי להפחית לכלוכים תנועה על-ידי בחירת לחצן מארה (לקבלת מידע נוסף על הכס אלגוריתם מארה. Scholkman et al. ²⁰).
   4. של תהליך מוקדם סדרת הזמן להפחית לאט נשתל על ידי בחירת לחצן DCT.
2. זיהוי ערוץ רע
   הערה: זיהוי ערוץ רע יכול להתבצע לפני ועם לאחר preprocessing נתונים fNIRS. ב פרוטוקול זה, משולבים קריטריונים אובייקטיביים שונים לגילוי ערוצי רע, בדיקה ויזואלית. אנא שימו לב כי רשימת קריטריונים אובייקטיביים המוצעת אינה ממצה. לצורך זיהוי ערוץ רע, סקריפטים עצמית בכתב שימשו (טכני מחשוב תוכנה לראות טבלה של חומרים).
   1. הכללת ערוצים שבה אין שינוי אות עבור מספר דגימות מתמשך, אשר מסומן על ידי קו שטוח בעת התוויית סדרת הזמן.
   2. לחשב את המקדם של וריאציה CV = ממוצע/SD * 100 עבור הנתונים הגולמיים הנחתה. השמטת ערוצים בהם קורות חיים הוא מעל אחוז מוגדר מראש (למשל, 10%; ראה למשל קאנט ואן דר. et al. ²¹).
   3. להתוות את ספקטרום ההספק של האות. אם אין דופק גלוי בספקטרום אות בסביבות 1 הרץ, כמצוין על-ידי כוח מוגבר בלהקת תדר, אל תכלול את הערוץ הניתוח.
   4. מבחינה ויזואלית לבדוק את כל הנתונים לפני ו/או לאחר preprocessing. להחליט אם לכלול את הערוץ בהתבסס על קריטריונים אובייקטיביים, שמתואר 3.2.1 – 3.2.3, כמו גם בכל הקשור סובייקטיבית זיהוי חזותי של ערוצי רועש.
3. קישוריות למוח
   הערה: שניים שונים להעריך סוגים של חיבוריות במוח ניתן להבחין: הערכות שאינו מכוון, אשר לכמת את הכוח של הקישוריות, ושל האומדנים מכוונת, אשר מבקשים לבסס ראיות סטטיסטיות הסיבתיות מהנתונים²² . כאן הפוקוס היה על קוהרנטיות המרה אדוה (WTC), הערכה נרחב שהוחל שאינו מכוון עבור קישוריות למוח fNIRS. מספר פתרונות תוכנה מסחרי עבור חישוב של WTC זמינים, למשל, על ידי Grinsted ועמיתיו²³ או ASToolbox²⁴, אשר היה בשימוש פרוטוקול זה עבור השלבים הבאים.
   1. הפונקציה AWCO של ASToolbox, ציין את אמא דיסקרטית (למשל, מוכללת מורס דיסקרטית עם פרמטרים בטא, גמא), המשמש אדוה רציפה כדי להפוך כל סדרה הזמן לתוך התחום זמן ותדירות טרנספורמציה.
   2. ציין את סוג חלון החלקת (למשל, חלון הנינג) ואת גודל החלון החלקת עבור התחום זמן וקנה מידה בפונקציה AWCO.
   3. כדי לבחון את משמעותה של מקדמי WTC וכדי לחשב שלהם p-ערכים, ציין את המספר של הפונדקאית זמן סדרת (n ≥ 300) ואת המודל ארמה (למשל, AR (1)) בפונקציה AWCO.
   4. עם הפרמטרים שצוינו 3.3.1 כדי 3.3.3 שלבים, לחשב את קוהרנטיות דיסקרטית של שני ערוצים המתאימים (על אותו ערוץ שני משתתפים).
   5. לבחור להקה תדירות עניין בו synchrony-למוח הקשור לפעילות הצפויה להתרחש בהתבסס על מחקרים קודמים, בדיקה ויזואלית של הנתונים (עבור ראה גישה חלופית. Nozawa et al. ²⁵).
   6. חישוב הממוצע של מקדמי WTC ועם אחוז משמעותי המקדמים WTC בלהקה בתדירות הקשור לפעילות עבור כל בלוק הפעילות בכל אחד מהערוצים, ובניהם כל. השתמש בערך זה כאמצעי תוצאה של synchrony למוח לצורך ניתוח סטטיסטי נוסף (לקבלת מידע נוסף, ראה ריינדל. et al. ¹¹).
4. השוואה עם זוגות אקראי
   הערה: כדי לאמת את התוצאות, מומלץ להשוות WTC של דיאדת בפועל הפיננסי של זיווגים מבוגר-ילד אקראי, לא לשחק אחד עם השני, אך ביצע את אותה הפעילות ניסיוני.
   1. לחשב WTC, כמתואר ב- 3.3., לזוגות של המשתתף לא לשחק ביחד, אבל לבצע את המשימה ניסיוני אותו (קרי, זוגות אקראית). בחר את מספר אקראי זוגות (למשל, 300 עבור כל תנאי) ולחשב WTC עבור כל זוג אקראית.
   2. להשוות את קוהרנטיות של זוגות אקראי, בפועל כדי למנוע הגילוי של מתכונת כדין.

תוצאות

נציג נתונים של הצמד הורה-ילד אחד בתקופת התנאי שיתופית מוצגים באיור1. פעילות שיתופית מורכב s 30 שלושה מנוחה רחובות פעילות שני בלוקים, עם 20 ניסויים כל אחת, המוצגים מתחלפים סדר. בבכל ניסוי, המשתתפים יש להגיב בו זמנית ככל האפשר לאות כדי להרוויח נקודות^11<...

Discussion

ב פרוטוקול זה, אנו מציגים כיצד לערוך ניסויים hyperscanning fNIRS, דרך אפשרית. אחת כדי לנתח-למוח synchrony, מדידת ריכוז שינויים של אוקסי-Hb deoxy-Hb-אזורים במוח הקדמי של שני נושאים בו זמנית. FNIRS hyperscanning יחסית קל ליישם: מכשיר NIRS אחת מספיקה למדוד את פעילות המוח של שני נושאים על-ידי פיצול של optodes ביניהם. לפיכך, אין סי...

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).