Esperimenti di Hyperscanning con spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso

Riepilogo

Il presente protocollo descrive come condurre esperimenti hyperscanning fNIRS e analizzare la sincronia di cervello al cervello. Ulteriormente, discutiamo le sfide e le possibili soluzioni.

Abstract

Registrazioni simultanee del cervello di due o più persone interagenti, un approccio definito hyperscanning, stanno guadagnando sempre più importanza per comprendere le basi neurobiologiche delle interazioni sociali e le relazioni interpersonali possibilmente . Funzionale spettroscopia nel vicino infrarosso (fNIRS) è adatta per condurre esperimenti di hyperscanning perché esso misura gli effetti emodinamici locali con una frequenza di campionamento alta e, importante, può essere applicato in ambienti naturali, non che richiede movimento rigoroso restrizioni. In questo articolo, presentiamo un protocollo per lo svolgimento di esperimenti di hyperscanning fNIRS con diadi madre-bambino e per analisi del cervello--cervello sincronia. Inoltre, discutiamo questioni critiche ed orientamenti futuri, per quanto riguarda il disegno sperimentale, la registrazione spaziale dei canali fNIRS, influenze fisiologiche e metodi di analisi di dati. Il protocollo descritto non è specifico di diadi madre-bambino, ma può essere applicato ad una varietà di diverse costellazioni diadico, quali adulti sconosciuti, romantico partner o fratelli. Per concludere, fNIRS hyperscanning ha il potenziale per produrre nuove intuizioni riguardanti le dinamiche dell'interazione sociale in corso, che probabilmente vanno oltre ciò che può essere studiato esaminando le attività dei singoli cervelli.

Introduzione

Negli ultimi anni, i neuroscienziati hanno iniziato a studiare le interazioni sociali registrando le attività del cervello di due o più persone contemporaneamente, un approccio definito hyperscanning¹. Questa tecnica apre nuove opportunità per delucidare i meccanismi neurobiologici alla base di queste interazioni. Per comprendere appieno le interazioni sociali, potrebbe non essere sufficiente studiare i singoli cervelli in isolamento, ma piuttosto le attività congiunte di cervelli di interagenti persone². Utilizzando tecniche di neuroimaging differenti, hyperscanning gli studi hanno indicato quel cervello sincronizzare attività di interagenti persone o gruppi, per esempio, mentre esse coordinano le loro azioni³, fanno musica⁴,⁵, di comunicare impegnarsi in attività di classe⁶ o⁷di cooperare.

L'articolo presenta un protocollo per lo svolgimento di registrazioni simultanee con spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS). Simile a risonanza magnetica funzionale (fMRI), fNIRS misura la risposta emodinamica per l'attivazione del cervello. Modifiche in emoglobina ossigenata e deossigenata (oxy-Hb e deossi-Hb) vengono calcolate in base alla quantità di luce vicina all'infrarosso verificano trasmessa attraverso tessuto⁸. fNIRS è adatto per lo svolgimento di esperimenti di hyperscanning, soprattutto con i bambini, perché può essere applicato in impostazioni meno vincolate e più naturale rispetto alla fMRI. Inoltre, è meno incline a artefatti di movimento rispetto sia, fMRI ed EEG⁹. Inoltre, possono essere acquisiti dati fNIRS alle alte frequenze di campionamento (per esempio, 10 Hz), così altamente esegue il sovracampionamento la risposta emodinamica relativamente lenta e quindi potenzialmente fornisce un quadro più completo temporale dell'emodinamica cerebrale¹⁰ .

Questo protocollo è stato sviluppato all'interno dello studio di Reindl et al. ¹¹ ed è stato leggermente modificato (in particolare per quanto riguarda il posizionamento del canale e l'identificazione di canale male) più recentemente. Lo scopo dello studio era di esaminare attività cerebrale sincronizzato di diadi madre-bambino. Utilizzando fNIRS hyperscanning, abbiamo valutato sincronia di cervello al cervello in aree prefrontali del cervello dei bambini (da cinque a nove anni) e loro genitori, soprattutto madri, durante una cooperativa e un'attività concorrenziale. Regioni prefrontale del cervello sono state mirate, come fossero identificati come regioni importanti per processi sociali interattive in precedenti studi di hyperscanning¹. L'attività cooperativa e competitiva originalmente sono stati sviluppati da Cui et al. ¹² e recentemente impiegato da diversi precedenti studi^13,14,15. Per lo studio di Reindl et al. ¹¹, i compiti sono stati modificati per essere adatto ai bambini. I partecipanti sono stati incaricati per neanche rispondere congiuntamente tramite pulsante presse in risposta ad un target (cooperazione) o per reagire più rapidamente che l'altro giocatore (concorrenza). Ogni bambino eseguita ogni attività una volta con il padre e una volta con un adulto sconosciuto dello stesso sesso come il padre. All'interno di ogni diade bambino-adulto, coerenza wavelet è stato calcolato per i segnali di oxy-Hb di canali corrispondenti come misura di sincronia di cervello al cervello.

Questo protocollo descrive le procedure per raccogliere i dati di hyperscanning fNIRS di genitore e bambino durante il gioco cooperativo e competitivo. La procedura generale, tuttavia, non è specifica per questo progetto di ricerca, ma è appropriata per le diverse popolazioni (ad esempio, adulti sconosciuti, romantico partner, fratelli, ecc.) e può essere adattata per un numero di differenti compiti sperimentali. Questo protocollo delinea anche una possibile procedura analitica, che copre i punti di analisi di dati necessari e facoltativi, tra cui pre-elaborazione di dati fNIRS, canale male rilevamento, analisi wavelet coerenza e convalida di analisi coppia casuale.

Protocollo

Prima della partecipazione, tutti i genitori / figli fornito consenso informato / assenso. Lo studio è stato approvato dal comitato etico della facoltà medica dell'Università tecnica di Aquisgrana.

1. preparazione prima che arrivi il partecipante

1. Preparare tappi NIRS.
   1. Scegliere le dimensioni del tappo della stessa dimensione o leggermente più grande di circonferenza cranica del partecipante.
   2. Tagliare 15 fori con un diametro di circa 15 mm ciascuno, disposti in una griglia orizzontale di 3 x 5, nella zona di fronte di ciascuno dei 2 tappi di EEG grezzi (Vedi Tabella materiali). Assicurarsi che i fori siano 30mm distanziati gli uni dagli altri in qualsiasi direzione, la colonna centrale di buche, è situata nel centro della fronte, vale a dire, sopra il naso, e che la riga in basso si trova sopra le sopracciglia.
   3. Al fine di rendere più confortevole i tappi e minimizzare i segni di pressione, allegare materiale espanso morbido (ad es., adesivo finestra a nastro o simile piatto di tenuta in gomma piuma materiale) sul lato interno della griglia tra le boccole di sonda titolare e ai bordi. Se necessario, usare un nastro adesivo o filo da cucito.
   4. Montare una griglia vuota del titolare sonda 3 x 5 (Vedi Tabella materiali) a ciascuno dei tappi EEG modificati tali che la griglia di supporto centrale è collocata all'interno della PAC e il titolare prese bastone nei fori.
      Nota: Il sistema di misura NIRS (Vedi Tabella materiali) ha due separare sonda set, utilizzare una sonda impostata per ogni partecipante.
   5. Inserire delicatamente le sonde nelle prese sulle griglie di supporto adeguato tale che solo la cresta prima di ogni sonda è montata nella presa di corrente, che si traduce in un suono scattantesi.
   6. Aprire la sonda impostata finestra monitor sul sistema di misura NIRS e selezionare set di 2 sonda disposte in una griglia 3 x 5 ciascuno, uno per il bambino di partecipante e per l'adulto. Assicurarsi che il regime di sonda i due tappi corrisponda alle modalità nella finestra set sonda (cioè, stessa posizione di emettitore e ricevitore sonda numeri).
2. Preparare l'esperimento.
   1. Avviare il sistema di misura NIRS con diodi laser accesi 30 min prima della misurazione, tale che il sistema raggiunge una stalla temperatura di funzionamento.
   2. Impostare tutte le opzioni necessarie presso il sistema di misura NIRS. Assicurarsi che il dispositivo sia impostato su misura relative agli eventi e che l'ingresso seriale RS232, necessaria per la ricezione di trigger dal paradigma sperimentale, è attivo.
      Nota: L'esperimento è una versione adattata da un paradigma ideato da Cui et al. ¹², programmato nelle estensioni di psicofisica Toolbox non commerciale, versione 3.0.11¹⁶.
   3. Preparare il paradigma sperimentale avviando il software di calcolo tecnico (Vedi Tabella materiali) che serve come base per le estensioni di Toolbox psicofisica e impostazione della directory corrente alla cartella che il paradigma viene salvato in.
   4. Posizionare due Mentoniere davanti allo schermo del computer per evitare movimenti della testa durante l'esperimento.

2. partecipante arrivo in laboratorio

1. Preparare i partecipanti.
   1. Mostrare e spiegare la messa a punto sperimentale compreso il sistema di misura NIRS ai partecipanti. Assicurarsi sempre che i partecipanti non guardare direttamente il fascio laser del sistema di misura NIRS come questo può essere dannoso per l'occhio.
   2. Ospitare i partecipanti uno accanto a altro davanti allo schermo del computer. Regolare l'altezza dei resti mento tale che entrambi i partecipanti sedersi comodamente.
   3. Istruire i partecipanti e somministrare prove di pratica di sia la cooperativa e il gioco competitivo. Se necessario, dare istruzioni aggiuntive durante le prove di pratica.
   4. Misurare e segnare il punto Fpz secondo il sistema 10-20, che è del 10% della distanza tra nasion e inion, sulla testa di ciascun partecipante.
   5. Posto i tappi con le sonde con attenzione sulle teste dei partecipanti, con il laser si spegne. Posizionare la parte anteriore della PAC, inclusa la griglia di sonda, sulla fronte del partecipante prima e poi tirare giù la parte posteriore della PAC verso il collo. Assicurarsi che la sonda centrale della riga inferiore viene inserita su Fpz e la colonna centrale sonda è allineata lungo la curva di riferimento sagittale.
   6. Inserire le stringhe di fibra sul braccio porta collegato al sistema di misura NIRS modo che pendono liberamente senza contatto con il partecipante o la sedia e che essi non tirare i tappi. Utilizzare un fissaggio extra (ad es., modificate per microfono o simili) per il secondo partecipante se necessario.
   7. Spingere ogni sonda ulteriormente nella sua presa fino a quando il piccolo naso bianco nel centro della parte superiore dell'alloggiamento sonda è visibile.
      Nota: Il naso è spinto verso l'alto da un meccanismo a molla bobina appena tocca la punta della sonda del cuoio capelluto del partecipante.
   8. Riaccendere il laser e la qualità del segnale di prova facendo clic sul pulsante Auto Gain nella finestra di monitor set sonda del sistema di misura NIRS.
   9. Se un canale non ha un segnale sufficiente (cioè, se è contrassegnato in giallo), delicatamente metta da parte i capelli sotto la punta della sonda circostanti. Se necessario, spingere le sonde ulteriormente nei relativi zoccoli, ma garantire il comfort del partecipante. Verificare se la qualità del segnale è migliorata (cioè, che il canale è ora contrassegnato in verde) facendo nuovamente clic sul pulsante Auto Gain.
   10. Se passo 2.1.9. non portare ad un miglioramento del segnale, regolare l'intensità del segnale. Se c'è troppa segnale (cioè, se il canale è marcato in rosso), modificare l'intensità di segnale a bassa intensità di segnale da ripetutamente facendo clic sul simbolo di elettrodo nella sonda impostare finestra di monitor del sistema di misura NIRS. Se non c'è abbastanza segnale (cioè, se il canale è contrassegnato in giallo), modificare l'intensità del segnale ad alta intensità del segnale, nuovamente cliccando ripetutamente sul simbolo di elettrodo.
2. Eseguire l'esperimento
   1. Quando non esistono domande dopo le prove di pratica e un segnale di buona qualità è assicurata, avviare il paradigma sperimentale.
   2. Posizionare un asciugamano sopra le mani dei partecipanti in modo che non riescono a vedere i movimenti della mano del loro rispettivo partner di gioco.
   3. Dopo l'esperimento, salvare i dati ed esportare i dati di intensità della luce cruda come file di testo facendo clic sul pulsante testo File Out. Non applicare eventuali filtri nel sistema di misurazione NIRS.
   4. Pulire tutti i necessari materiali (sonde, titolari di sonda, mento resti) con etanolo. Lavare i tappi in un ciclo delicato con un detergente delicato.

3. analisi dei dati

1. Pre-elaborazione dati
   Nota: Ci sono diversi pacchetti di software non commerciale disponibile per l'analisi dei dati fNIRS, ad es., HomER¹⁷, NIRS cervello AnalyzIR¹⁸ o SPM per fNIRS¹⁹. Quest'ultimo è stato utilizzato per le seguenti operazioni di pre-elaborazione. Per ulteriori informazioni su come eseguire questi passaggi, consultare il manuale della casella degli strumenti.
   1. Convertire i file di dati per la SPM per formato dati fNIRS.
   2. Calcolare le variazioni di concentrazione di oxy-Hb e deossi-Hb utilizzando la legge di Lambert-Beer modificata premendo il pulsante di conversione nella finestra principale. Inserire l'età del soggetto e la distanza tra sorgente e rivelatore (ad es., 3cm). Accettare i valori predefiniti per i coefficienti di assorbimento molare di oxy-Hb e deossi-Hb a lunghezza d'onda (λ) 1 e λ 2, nonché i valori predefiniti per il fattore differenziale pathlength (DPF) a λ 1 e λ 2.
   3. Pre-elaborare le serie temporali dei cambiamenti emodinamici per ridurre gli artefatti di movimento selezionando il pulsante MARA (per ulteriori informazioni sulla sede di algoritmo MARA Scholkman et al. ²⁰).
   4. Le serie temporali per ridurre lenti derive selezionando il pulsante DCT della pre-elaborazione.
2. Individuazione del canale male
   Nota: Rilevamento di canale male può essere eseguita prima e/o dopo fNIRS di pre-elaborazione dei dati. In questo protocollo, sono combinati diversi criteri oggettivi per la rilevazione di canali cattivi e ispezione visiva. Siete pregati di notare che l'elenco proposto di criteri oggettivi non è esaustivo. Per il rilevamento di canale male, auto-scritto script sono stati utilizzati (per il technical computing software Vedi Tabella materiali).
   1. Escludere i canali in cui non c'è nessun cambiamento di segnale per diversi esempi di continui, che è indicato da una linea piatta quando si tracciano le serie temporali.
   2. Calcolare il coefficiente di variazione CV = SD/Media * 100 per i dati di attenuazione crudo. Escludere i canali in cui il CV è sopra una percentuale predefinita (ad esempio, 10%; Vedi ad esempio van der Kant et al. ²¹).
   3. Tracciare lo spettro di potenza del segnale. Se non c'è alcun heartbeat visibile nello spettro del segnale circa 1 Hz, come indicato da un aumento di potenza in questa banda di frequenza, è possibile escludere il canale dall'analisi.
   4. Ispezionare visivamente tutti i dati prima e/o dopo la pre-elaborazione. Decidere se includere il canale basato su criteri oggettivi, descritti in 3.2.1 – 3.2.3, così come il riconoscimento visivo soggettivo dei canali rumorosi.
3. Connettività del cervello--cervello
   Nota: Due diversi stimare tipi della connettività cerebrale possono essere distinti: le stime non indirizzati, che quantificare la forza della connettività, e diretto, che cercano di stabilire prove statistiche per causalità dai dati²² . Qui l'obiettivo era la coerenza di trasformazione wavelet (WTC), una stima non indirizzati ampiamente applicata per la connettività del cervello--cervello fNIRS. Sono disponibili diverse soluzioni di software non commerciale per il calcolo del WTC, per esempio, uno di Grinsted e colleghi²³ o il ASToolbox²⁴, che è stato usato in questo protocollo per la procedura seguente.
   1. Nella funzione AWCO della ASToolbox, specificare la wavelet madre (ad es., Generalized Wavelet Morse con suoi parametri beta e gamma), che viene utilizzata per trasformare ogni serie temporale nel dominio del tempo e frequenza della wavelet continua trasformazione.
   2. Specificare il tipo di finestra levigante (per esempio, finestra di Hanning) e le dimensioni della finestra levigante per il dominio del tempo e scala nella funzione AWCO.
   3. Per esaminare il significato dei coefficienti WTC e calcolare la loro p-valori, specificare il numero di serie temporali di surrogato (n ≥ 300) e il modello ARMA (ad es., AR (1)) nella funzione AWCO.
   4. Con i parametri specificati nei passaggi 3.3.1 a 3.3.3, calcolare la coerenza di wavelet di due canali corrispondenti (lo stesso canale in due partecipanti).
   5. Scegliere una banda di frequenza di interesse in cui la sincronia di cervello al cervello relative alle attività dovrebbe avvenire sulla base di studi precedenti e ispezione visiva dei dati (per vedere un approccio alternativo Nozawa et al. ²⁵).
   6. Calcolare la media dei coefficienti WTC e/o la percentuale di coefficenti WTC significativi nella banda di frequenze relative alle attività per ogni blocco di attività in ciascun canale e per ogni diade. Utilizzare questo valore come una misura di risultato di cervello al cervello sincronia per ulteriori analisi di statistica (per ulteriori informazioni, vedere Reindl et al. ¹¹).
4. Confronto a coppie casuali
   Nota: Per convalidare i risultati, si consiglia di comparare il WTC delle diadi effettivi al WTC di casuali abbinamenti di adulto-bambino, che non hanno giocato con a vicenda, ma eseguita la stessa attività sperimentale.
   1. Calcolare il WTC, come descritto al punto 3.3., per coppie partecipanti che non hanno giocato insieme, ma eseguita la stessa attività sperimentale (cioè, casuale paia). Scegli il numero di coppie casuali (ad esempio, 300 per ogni condizione) e calcolare il WTC per ogni coppia di casuale.
   2. Confrontare la coerenza delle coppie casuali ed effettive per evitare la rilevazione di sincronicità spurie.

Risultati

Dati rappresentativi di una diade padre-figlio durante la condizione di cooperativa sono mostrati nella Figura 1. L'attività della cooperativa è costituito da tre 30 s resto blocchi e blocchi di due attività, con 20 prove ciascuno, presentati in ordine di alternanza. In ogni prova, i partecipanti dovranno reagire contemporaneamente come possibile ad un segnale per guadagnare un punto¹¹.

Discussione

In questo protocollo, mostriamo come condurre esperimenti hyperscanning fNIRS e un possibile modo per analizzare il cervello al cervello sincronia, variazioni di concentrazione di oxy-Hb e deossi-Hb alle regioni frontali del cervello di due soggetti di misura contemporaneamente. Hyperscanning FNIRS è relativamente facile da applicare: un unico dispositivo NIRS è sufficiente per misurare l'attività del cervello di entrambi i soggetti suddividendo gli optodi tra di loro. Così, alcuna sincronizzazione tra dispositivi di...

Materiali

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).