Name: inter-brain synchrony in open-ended collaborative learning: an fnirs-hyperscanning study
Uploaded: 2021-07-21T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study at JoVE.com

这项工作得到了华东师范大学优秀博士生学术创新促进计划（YBNLTS2019-025）和国家自然科学基金（31872783和71942001）的支持。

所有招募的参与者（40对偶，平均年龄22.1±1.2岁;100%右撇子;正常或矫正到正常视力）都是健康的。在实验之前，参与者给予了知情同意。参与者因其参与而获得经济补偿。该研究获得华东师范大学人类研究保护委员会（HR-0053-2021）的批准。
1. 采用数据前的准备步骤
<ol><li>自制近红外瓶盖<ol>
<li>采用弹性泳帽放置光电支架网格。 注意：考虑到参与者的头部尺寸不同，使用两...

首先，在本协议中，阐述了在协作学习场景中进行fNIRS超扫描实验的具体步骤。其次，还介绍了评估协同学习二元组中血流动力学信号IBS的数据分析管道。进行fNIRS超扫描实验的详细操作将促进开放科学的发展。此外，这里提供了分析管道，以提高超扫描研究的再现性。在下文中，重点介绍了实验设计、进行实验、（fNIRS）超扫描实验中的数据分析等关键问题。此外，还讨论了当前限制的可能解决?...

最近，为了揭示交互式二元组或组成员的并行大脑活动，研究人员采用了超扫描方法1，2。具体而言，脑电图（EEG），功能磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）用于同时记录两个或多个受试者的神经和大脑活动3，4，5。研究人员基于这种技术提取了需要同时进行脑耦合的神经指数，该技术指的是脑间同步（IBS）（即神经元或血液动力学信号随时间变化的相位和/或振幅对齐）。各种各样的超扫描研究发现，在多个人（例如，玩家 - 观众，教师 - 学习者和领导者 - 追随者）之间的社交互动期间，IBS 6，7，8。此外，IBS具有有效学习和教学的具体含义9，10，11，12，13，14。随着自然学习场景中超扫描研究的激增，建立超扫描实验的标准协议和该领域数据分析的管道是必要的。
因此，本文提供了一种用于对协作学习二元组进行基于fNIRS的超扫描的方案，以及用于分析IBS的管道。fNIRS是一种光学成像工具，它辐射近红外光来间接评估血红蛋白的光谱吸收，然后测量血流动力学/氧合活性15，16，17。与fMRI相比，fNIRS不易出现运动伪影，允许来自正在进行现实生活实验（例如，模仿，说话和非语言交流）的受试者的测量18，7，19。与脑电图相比，fNIRS具有更高的空间分辨率，使研究人员能够检测大脑活动的位置20。因此，fNIRS在空间分辨率、逻辑和可行性方面的这些优势使fNIRS能够进行超扫描测量1。使用这项技术，一个新兴的研究机构检测到一个索引项作为IBS - 两个（或更多）人的大脑活动的神经对齐 - 在不同形式的自然主义社会环境中9，10，11，12，13，14。在这些研究中，应用了各种方法（即相关性分析和小波变换相干性（WTC）分析）来计算该指数;同时，这种分析的标准管道是必要的，但缺乏。因此，在这项工作中提出了一种用于进行基于fNIRS的超扫描的协议以及使用WTC分析来识别IBS的管道。
本研究旨在使用fNIRS超扫描技术评估协作学习二元组中的IBS。首先，在协作学习任务期间，在每个二元组的前额叶和左颞顶区域同时记录血流动力学反应。这些地区已被确定为与互动教学和学习相关的9，10，11，12，13，14。其次，在每个相应的通道上计算IBS。fNIRS数据记录过程由两部分组成：静止状态会话和协作会话。静息状态持续5分钟，在此期间，两个参与者（面对面坐着，彼此分开，在一张桌子（0.8米）旁）需要保持静止和放松。此静息状态会话用作基线。然后，在协作会话中，参与者被告知一起学习整个学习材料，引发理解，总结规则，并确保掌握所有学习材料。这里介绍了进行实验和fNIRS数据分析的具体步骤。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>EEG caps</td>
			<td>Compumedics Neuroscan,Charlotte,USA</td>
			<td>64-channel Quik-Cap</td>
			<td>We choose two sizes of cap(i.e.medium and large).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids</td>
			<td>Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan</td>
			<td>ETG-7100 Optical Topography System</td>
			<td>The current study protocol requires an optional second adult probe set for 92 channels of measurement in total.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Numeric computing platform</td>
			<td>The MathWorks, Inc., Natick, MA</td>
			<td>MATLAB R2020a</td>
			<td>Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), Homer2&#160; (fNIRS preprocess analysis), and &#34;wtc&#34; function(WTC computation).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Psychology software</td>
			<td>psychology software tools,Sharpsburg, PA,USA</td>
			<td>E-prime 2.0</td>
			<td>we apply E-prime to start the fNIRS measurement system and send triggers which marking the rest phase and collaborative learning phase for fNIRS recording data</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Swimming caps</td>
			<td>Zoke corporation,Shanghai,China</td>
			<td>611503314</td>
			<td>We first placed the standard 10-20 EEG cap on the head mold, and placed the swimming cap on the EEG cap. Second, we marked (inion, Cz, T3, T4, PFC and P5) with chalk.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Three-dimensional (3-D) digitizer</td>
			<td>Polhemus, Colchester, VT, USA;</td>
			<td>Three-dimensional (3-D) digitizer</td>
			<td>Anatomical locations of optodes in relation to standard head landmarks were determined for each participant using a Patriot 3D Digitizer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

inter-brain synchrony in open-ended collaborative learning: an fnirs-hyperscanning study

fNIRS超扫描被广泛用于检测社会互动的神经生物学基础。通过这种技术，研究人员用一种称为脑间同步（IBS）的新指数（即，神经元或血液动力学信号随时间变化的相位和/或振幅对齐）来限定两个或多个交互式个体的并行大脑活动。本文介绍了在自然学习环境中对协作学习二元组进行fNIRS超扫描实验的协议。此外，还解释了分析含氧血红蛋白（Oxy-Hb）信号的IBS的管道。具体而言，讨论了实验设计、近红外光谱数据记录过程、数据分析方法以及未来的发展方向。总体而言，实施标准化的fNIRS超扫描管道是第二人称神经科学的基本组成部分。此外，这符合开放科学的呼吁，以帮助研究的可重复性。

图1所示为实验方案和探针位置。fNIRS数据记录过程由两部分组成：静息状态会话（5分钟）和协作会话（15-20分钟）。协作学习二元组需要放松并保持静止状态。之后，参与者被告知共同学习学习材料（图1A）。它们的前额叶和左颞顶区域被相应的探针组覆盖（图1B）。
图 2说明了 fNIRS 数?...

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Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study

概述了在自然学习环境中对协作学习二元组进行fNIRS超扫描实验的方案。此外，还提出了一种分析含氧血红蛋白（Oxy-Hb）信号的脑间同步（IBS）的管道。

开放式协作学习中的脑间同步：fNIRS超扫描研究

fNIRS hyperscanning is widely used to detect the neurobiological underpinnings of social interaction. With this technique, researchers qualify the ...

该协议通过fNIRS超扫描技术揭示了自然环境中协作二元组的脑间同步性。这种技术的显着优点是它允许研究两个或多个相互作用的大脑的实时动态。在开始实验之前，启动近红外光谱系统以实现稳定的工作温度，然后采用弹性游泳帽放置光电支架网格并准备NIRS帽，如正文手稿中所述。对于信号不足的通道，使用带照明的光纤探头将探头尖端下方的头发移动到一侧。一旦工作温度稳定下来，确保触发接收器处于活动状态，并将测量模式设置为与事件相关的测量。准备好发光的光纤探头，将头发移到一边。指导参与者了解NIRS测量方法的细节，不要直接观察激光束，因为激光束可能对参与者的眼睛有害。让参与者面对面坐着，以确保他们可以直接看到对方，并调整椅子到桌子的距离，使参与者坐得舒适。打开激光按钮，将四根光纤束松散地放在支架的手臂上，不要与参与者或椅子接触，并将带有探头组的盖子放在参与者的头上，确保三乘五探头组覆盖参与者的前额，四乘四探头组覆盖左侧颞顶皮层， 然后小心地将每个弹簧加载探头进一步推入探头插座，使探头的尖端接触到参与者的头皮。然后允许两名参与者共同学习学习材料，并有五分钟的休息状态，这是基线。首先，要检查信号的质量，请单击功能正常的NIRS机的探头组监视器窗口中的自动增益，然后将通道的不良信号标记为黄色，将足够的信号标记为绿色，并重复此过程，直到所有通道都标记为绿色。实验结束后，单击文本文件输出以导出原始光强度数据并将数据另存为文本文件。使用三维数字化仪确定每个参与者的发射器、接收器和其他参考的位置，然后使用市售的数字计算平台获取记录通道的MNI坐标。分析了每个频道中每个参与者的数据。通道33中某个二元组的光电被可视化。使用基于小波的运动伪影去除方法单独提取数据，并与主成分分析一起提取。曲线之间的差异表明，PCA在去除非神经信号方面是有效的。可视化了小波变换相干矩阵。颜色映射表从蓝色到黄色不等，表示从零到一的大脑间同步值，其中一表示两个信号之间最大的相干性，零表示没有相干性。此外，还获得了显着的系数，即围绕一赫兹的强相干性，代表了二元组的心律一致性。观测到的 T 值与随机 T 值分布之间的比较表明，在确定的 FOI 中具有显著结果。请务必确保探头集覆盖感兴趣的区域，并尝试减少偏差。

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