Hyperscanning experimentos com espectroscopia de infravermelho próximo funcional

Resumo

O presente protocolo descreve como realizar experimentos de hyperscanning de fNIRS e analisar o cérebro-cérebro de sincronia. Além disso, discutimos os desafios e as soluções possíveis.

Resumo

Gravações simultâneas de cérebro de duas ou mais pessoas interagindo, uma abordagem denominada hyperscanning, estão ganhando importância crescente para a nossa compreensão das bases neurobiológicas do interações sociais e relações interpessoais possivelmente . Espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS) é bem adequada para experimentos de hyperscanning porque ele mede efeitos hemodinâmicos locais com uma alta taxa de amostragem e, importante, pode ser aplicado em ambientes naturais, não exigindo movimento estrito restrições. Neste artigo, apresentamos um protocolo para a realização de experiências de hyperscanning fNIRS com díades mãe-criança e para analisar sincronia de cérebro-para-cérebro. Além disso, podemos discutir questões críticas e direções futuras, sobre o projeto experimental, registo espacial dos canais fNIRS, influências fisiológicas e métodos de análise de dados. O protocolo descrito não é específico para díades mãe-criança, mas pode ser aplicado a uma variedade de diferentes constelações diádica, como adultos estranhos, parceiros românticos ou irmãos. Para concluir, fNIRS hyperscanning tem potencial para produzir novos insights sobre a dinâmica da interação social em curso, que possivelmente ultrapassam o que pode ser estudado, examinando as atividades dos cérebros individuais.

Introdução

Nos últimos anos, neurocientistas começaram a estudar as interações sociais, gravando-as atividades do cérebro de duas ou mais pessoas simultaneamente, uma abordagem denominada hyperscanning¹. Esta técnica abre novas oportunidades para elucidar os mecanismos neurobiológicos subjacentes a essas interações. Para compreender as interações sociais, pode não ser suficiente estudar o cérebro único em isolamento, mas prefiro as actividades conjuntas dos cérebros de interação de pessoas². Usando técnicas de neuroimagem diferentes, hyperscanning os estudos mostraram aquele cérebro sincronizar as atividades de interação de pessoas ou grupos, por exemplo, enquanto eles coordenam suas ações³, fazer música⁴,⁵, comunicar-se se envolver em atividades de sala de aula⁶ ou⁷de cooperar.

O artigo apresenta um protocolo para a realização de gravações simultâneas com funcional espectroscopia de infravermelho próximo (fNIRS). Semelhante à ressonância magnética funcional (fMRI), fNIRS mede a resposta hemodinâmica à ativação do cérebro. Alterações na hemoglobina oxigenada e desoxigenada (oxi-Hb e deoxy-Hb) são calculadas com base na quantidade de luz de infravermelho próximo diffusively transmitida através de do tecido⁸. fNIRS é bem adequado para a realização de experiências de hyperscanning, especialmente com crianças, porque pode ser aplicado em configurações mais naturais e menos restrita do que a ressonância magnética. Além disso, é menos propenso a artefatos de movimento do que ambos, fMRI e EEG⁹. Além disso, dados de fNIRS podem ser adquiridos na alta frequência de amostragem (por exemplo, 10 Hz), assim, altamente oversamples a resposta hemodinâmica relativamente lenta e, assim, potencialmente fornece uma imagem mais completa de temporal de hemodinâmica o cérebro¹⁰ .

Este protocolo foi desenvolvido no âmbito do estudo de Reindl et al ¹¹ e foi ligeiramente modificado (em especial no que diz respeito à colocação de canal e identificação de canal ruim) mais recentemente. O objetivo do estudo foi examinar a atividade cerebral sincronizada de díades mãe-criança. Usando o fNIRS hyperscanning, avaliamos sincronia de cérebro-para-cérebro em áreas pré-frontal do cérebro das crianças (idade entre cinco a nove anos) e seus pais, principalmente mães, durante uma cooperativa e uma tarefa de computador do competidor. Regiões pré-frontal do cérebro foram apontadas como eles tinham sido identificados como importantes regiões para sociais processos interativos em anteriores estudos de hyperscanning¹. A tarefa de cooperativa e competitiva foram originalmente desenvolvidos por Cui et al ¹² e recentemente independentes por vários anteriores estudos^13,14,15. Para o estudo da Reindl et al ¹¹, as tarefas foram modificadas para ser adequado para crianças. Os participantes foram instruídos também responder conjuntamente via pressiona o botão em resposta a um alvo (cooperação) ou para responder mais rápido do que o outro jogador (concorrência). Cada criança realizada cada tarefa uma vez com o pai e uma vez com um estranho adulto do mesmo sexo como o pai. Dentro de cada díade criança-adulto, coerência de wavelet foi calculada para os sinais de oxi-Hb de canais correspondentes como uma medida de sincronia de cérebro-para-cérebro.

Este protocolo descreve os procedimentos para coletar dados de hyperscanning fNIRS de pai e filho durante o jogo cooperativo e competitivo. O procedimento geral, no entanto, não é específico para este projeto de pesquisa, mas é apropriado para diferentes populações (por exemplo, adultos estranhos, parceiros românticos, irmãos, etc.) e pode ser adaptado para um número de diferentes tarefas experimentais. Este protocolo também descreve um possível procedimento analítico, que abrange as etapas de análise de dados necessários e opcionais, incluindo pré-processamento de dados fNIRS, deteção de canal ruim, análise de coerência de wavelets e validação pela análise par aleatório.

Protocolo

Antes da participação, todos os pais / filhos desde o consentimento informado / parecer favorável. O estudo foi aprovado pelo Comitê de ética da faculdade médica de RWTH Aachen Universidade.

1. preparação antes da chegada do participante

1. Prepare as tampas do NIRS.
   1. Escolha os tamanhos da tampa do mesmo tamanho ou ligeiramente maior do que a circunferência da cabeça do participante.
   2. Corte 15 furos com um diâmetro de cerca de 15 mm cada, organizados em uma grade de 3 x 5 horizontal, para a área da testa de cada um dos 2 tampas de EEG crus (ver Tabela de materiais). Certifique-se que os furos são espaçado 30 mm da outra em qualquer direção, que a coluna do meio de buracos está localizada no centro da testa, ou seja, acima do nariz, e que a linha inferior situa-se acima das sobrancelhas.
   3. Para fazer as tampas mais confortável e minimizar marcas de pressão, anexar material de espuma macia (por exemplo, adesiva janela da selagem, fita ou semelhante plano material de espuma de borracha) no lado interno da grade titular entre os soquetes da sonda e nas bordas. Use fita adesiva dupla face ou linha de costura, se necessário.
   4. Montar uma grade de titular de sonda de 3 x 5 vazio (ver Tabela de materiais) para cada um dos gorros de EEG modificados tais que a grade de suporte propriamente dito é colocada no interior da PAC e o titular soquetes vara nos buracos.
      Nota: O sistema de medição de NIRS (ver Tabela de materiais) tem dois separar conjuntos de sonda, use uma sonda para cada participante.
   5. Insira cuidadosamente as sondas nos encaixes nas grades suporte apropriado tal que apenas o primeiro cume de cada sonda é montado no soquete, que resulta em um som de clique.
   6. Abrir a sonda definir janela monitor no sistema de medição de NIRS e selecione sonda 2 conjuntos organizados em uma grade de 3 x 5 cada um, um para a criança participante e outra para o adulto. Certifique-se de que o regime de sonda das duas tampas corresponde ao regime na janela conjunto de sonda (ou seja, mesmo local do respectivo emissor e números de sonda do receptor).
2. Prepare o experimento.
   1. Inicie o sistema de medição de NIRS com díodos laser ligados 30 min. antes da medição, tal que o sistema atinge um estábulo, temperatura de funcionamento.
   2. Defina todas as opções necessárias no sistema de medição de NIRS. Certifique-se que o dispositivo está definido como medição relacionados ao evento e que a entrada serial RS232, necessária para o recebimento de gatilhos do paradigma experimental, está ativa.
      Nota: A experiência é uma versão adaptada por um paradigma idealizado por Cui et al ¹², programado nas extensões não-comercial de ferramentas psicofísica, versão 3.0.11¹⁶.
   3. Preparar o paradigma experimental, iniciando o software de computação técnico (consulte a Tabela de materiais) que serve como base para as extensões de ferramentas de psicofísica e definindo o diretório atual para a pasta que o paradigma é salvo em.
   4. Queixo de lugar dois baseia-se na frente da tela do computador para evitar que os movimentos da cabeça durante o experimento.

2. participante chegada no laboratório

1. Prepare os participantes.
   1. Mostrar e explicar a instalação experimental, incluindo o sistema de medição de NIRS para os participantes. Sempre certifique-se que os participantes não olhe diretamente para o feixe de laser do sistema de medição de NIRS como isso pode ser prejudicial aos olhos.
   2. Assento os participantes ao lado do outro na frente da tela do computador. Ajuste a altura dos restos de queixo tal que ambos os participantes sente-se confortavelmente.
   3. Instruir os participantes e administrar testes de prática da cooperativa e o jogo competitivo. Dar instruções adicionais durante os ensaios de prática, se necessário.
   4. Medir e marcar o ponto Fpz de acordo com o sistema 10-20, que é 10% da distância entre o nasion e o Ínion, na cabeça de cada participante.
   5. Coloque as tampas com as sondas cuidadosamente sobre as cabeças dos participantes, com o laser desligado. Coloque a frente da PAC, incluindo a grade de sonda, na testa do participante primeiro e puxe para baixo a parte de trás da PAC para o pescoço. Certifique-se que a sonda média da linha de fundo é colocada no Fpz e a coluna do meio da sonda é alinhada ao longo da curva de referência sagital.
   6. Coloque os fios de fibra no braço titular ligado ao sistema de medição de NIRS para que penduram livremente sem contato com o participante ou cadeira e que eles não puxe as tampas. Utilize um suporte adicional (ex. modificada, microfone ou similar) para o segundo participante, se necessário.
   7. Empurre cada sonda ainda mais a sua tomada até o nariz branco pequeno no centro da parte superior do invólucro da sonda é visível.
      Nota: O nariz é empurrado para cima por um mecanismo de mola de bobina assim que a ponta da sonda toca o couro cabeludo do participante.
   8. Ligue novamente o laser e a qualidade do sinal de teste clicando no botão Auto ganho na janela monitor de conjunto de sonda do sistema de medição de NIRS.
   9. Se um canal não tem um sinal suficiente (ou seja, se está marcado em amarelo), gentilmente colocar de lado o cabelo por baixo circundante a ponta da sonda. Se necessário, empurrar as sondas mais longe em suas bases, mas assegurar o conforto do participante. Verifica se a qualidade de sinal melhorou (ou seja, que o canal agora é marcado em verde), clicando no botão Auto ganho novamente.
   10. Se passo 2.1.9. não conduzir a uma melhoria do sinal, ajustar a intensidade do sinal. Se houver muito sinal (ou seja, se o canal está marcado em vermelho), alterar a intensidade de sinal de baixa intensidade de sinal por repetidamente clicando no símbolo da respectiva sonda a sonda definir janela monitor do sistema de medição de NIRS. Se não houver suficiente sinal (ou seja, se o canal está marcado em amarelo), mude a intensidade do sinal de intensidade de sinal elevado, novamente clicando várias vezes no símbolo da sonda respectivos.
2. Realizar o experimento
   1. Quando não existem perguntas após os ensaios de prática e um sinal de boa qualidade é assegurada, inicie o paradigma experimental.
   2. Coloque uma toalha sobre as mãos dos participantes para que eles não podem ver os movimentos da mão do seu respectivo parceiro de jogo.
   3. Após o experimento, salvar os dados e exportar os dados de intensidade de luz crua como um arquivo de texto clicando no botão texto arquivo para fora. Não aplica quaisquer filtros do sistema de medição do NIRS.
   4. Limpe todas as matérias (sondas, titulares de sonda, queixo descansos) com etanol. Lave as tampas em um ciclo suave com um detergente suave.

3. análise de dados

1. Pré-processamento de dados
   Nota: Existem vários pacotes de software não-comercial disponível para análise de dados fNIRS, por exemplo., HomER¹⁷, NIRS cérebro AnalyzIR¹⁸ ou SPM para fNIRS¹⁹. Este último foi utilizado para as seguintes etapas de pré-processamento. Para obter mais informações sobre como executar essas etapas, consulte o manual da caixa de ferramentas.
   1. Converta os arquivos de dados para o SPM para formato de dados fNIRS.
   2. Calcule as alterações de concentração oxi-Hb e deoxy-Hb usando a lei de Beer-Lambert modificada, pressionando o botão converter na janela principal. Entra na idade da matéria e a distância entre a fonte e o detector (por exemplo, 3cm). Aceite os valores padrão para os coeficientes de absorção molar da oxi-Hb e deoxy-Hb em comprimento de onda (λ) 1 e λ 2, bem como os valores padrão para o fator diferencial pathlength (DPF) em λ 1 e λ 2.
   3. Pré-processar as séries de alterações hemodinâmicas para reduzir artefatos de movimento, selecionando o botão MARA (para obter mais informações sobre a veja algoritmo MARA Scholkman et al . ²⁰).
   4. Pré-processar as séries cronológicas para reduzir desvios lentos, selecionando o botão DCT.
2. Deteção de canal ruim
   Nota: Deteção de canal ruim pode ser realizada antes e/ou após fNIRS de pré-processamento de dados. Neste protocolo, são combinados diferentes critérios objectivos para a detecção de canais ruins e inspeção visual. Por favor, note que a lista proposta de critérios objectivos não é exaustiva. Para a deteção de canal ruim, scripts auto escritos foram usados (para o técnico computação software, consulte Tabela de materiais).
   1. Exclua os canais em que não há alteração de sinal para várias amostras contínuas, que é indicada por uma linha reta ao plotar as séries cronológicas.
   2. Calcular o coeficiente de variação CV = SD/média * 100 para os dados de atenuação cru. Excluir os canais em que o CV está acima de uma porcentagem predefinida (por exemplo, 10%; ver por exemplo van der Kant et al ²¹).
   3. Trace o espectro de potência do sinal. Se não tem batidas visíveis no espectro do sinal em torno de 1 Hz, conforme indicado por um poder maior nessa banda de frequência, exclua o canal da análise.
   4. Inspecione visualmente todos os dados antes ou depois do processamento. Decidir se deseja incluir o canal com base em critérios objectivos, descritos em 3.2.1 – 3.2.3, bem como na detecção visual subjetiva de canais ruidosos.
3. Conectividade do cérebro-para-cérebro
   Nota: Dois diferentes estimam tipos de conectividade do cérebro podem ser distinguidos: estimativas não direcionados, que quantificar a força da conectividade, e estimativas dirigidas, que visam estabelecer evidência estatística para o nexo de causalidade a partir dos dados²² . Aqui o foco foi a coerência wavelet transform (WTC), uma estimativa amplamente aplicada não direcionados para a conectividade do cérebro-para-cérebro de fNIRS. Dispõem de várias soluções de software não-comercial para a computação do WTC, por exemplo, um por Grinsted e colegas²³ ou a ASToolbox,²⁴, que foi utilizado neste protocolo para as etapas seguintes.
   1. Na função AWCO da ASToolbox, especificar a wavelet mãe (por exemplo, generalizada Wavelet de Morse com seus parâmetros beta e gama), que é usada para transformar cada série de tempo para o domínio do tempo e da frequência da wavelet contínua transformação.
   2. Especifica o tipo de janela de suavização (por exemplo, janela Hanning) e o tamanho da janela suavização para o domínio do tempo e escala na função AWCO.
   3. Para examinar o significado dos coeficientes WTC e calcular seus p-valores, especificar o número de série de tempo substituto (n ≥ 300) e o modelo ARMA (por exemplo, AR (1)) na função AWCO.
   4. Com os parâmetros especificados em etapas 3.3.1 a 3.3.3, calcule a coerência de wavelet de dois canais correspondentes (o mesmo canal em dois participantes).
   5. Escolha uma faixa de frequência de interesse em que a sincronia de cérebro-para-cérebro relacionados à tarefa deverá ocorrer com base em estudos anteriores e inspeção visual dos dados (para uma abordagem alternativa, consulte Nozawa et al ²⁵).
   6. Calcule a média dos coeficientes de WTC e/ou a percentagem de significativos coeficientes WTC na banda de frequências relacionadas a tarefas para cada bloco de tarefa em cada canal e para cada díade. Usar esse valor como uma medida de resultado de cérebro-para-cérebro sincronia para mais uma análise estatística (para mais informações, consulte Reindl et al ¹¹).
4. Comparação de pares aleatórios
   Nota: Para validar os resultados, recomendamos comparar o WTC das díades reais para o WTC de aleatórios emparelhamentos de adulto-criança, que não jogou com o outro, mas executada a mesma tarefa experimental.
   1. Calcular o WTC, conforme descrito no ponto 3.3., para pares de participante que não jogar juntos, mas executada a mesma tarefa experimental (isto é, pares aleatórios). Escolha o número de pares aleatórios (por exemplo, 300 para cada condição) e calcular o WTC para cada par aleatório.
   2. Compare a coerência dos pares aleatórios e reais para evitar a detecção de sincronicidade espúria.

Resultados

Dados representativos de uma díade mãe-filho durante a condição de cooperativa são mostrados na Figura 1. A tarefa cooperativa consiste de três 30 s resto blocos e blocos de duas tarefas, com 20 testes cada, apresentados em ordem de alternadas. Em cada julgamento, os participantes têm de reagir tão simultaneamente quanto possível a um sinal para ganhar um ponto¹¹.

Discussão

Neste protocolo, mostramos como conduzir experimentos de hyperscanning de fNIRS e uma maneira de analisar o cérebro-para-cérebro sincronia, medindo as alterações de concentração de oxi-Hb e deoxy-Hb em regiões do cérebro frontal de duas disciplinas simultaneamente. FNIRS hyperscanning é relativamente fácil de aplicar: um único dispositivo NIRS é suficiente para medir as atividades cerebrais de ambos os assuntos dividindo os optodes entre eles. Assim, nenhuma sincronização entre dispositivos diferentes é ne...

Materiais

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).