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

Dit werk wordt ondersteund door het ECNU Academic Innovation Promotion Program for Excellent Doctoral Students (YBNLTS2019-025) en de National Natural Science Foundation of China (31872783 en 71942001).

Alle gerekruteerd deelnemers (40 dyads, gemiddelde leeftijd 22,1 ± 1,2 jaar; 100% rechtshandig; normaal of gecorrigeerd naar normaal zicht) waren gezond. Voorafgaand aan het experiment gaven de deelnemers geïnformeerde toestemming. Deelnemers werden financieel gecompenseerd voor hun deelname. De studie werd goedgekeurd door het University Committee of Human Research Protection (HR-0053-2021), East China Normal University.
1. Voorbereidingsstappen voordat gegevens worden aangenomen
<ol><li...

Ten eerste worden in het huidige protocol de specifieke stappen van het uitvoeren van fNIRS-hyperscanning-experimenten in een collaboratief leerscenario vermeld. Ten tweede wordt ook de data-analysepijplijn gepresenteerd die de IBS van hemodynamische signalen in collaboratieve leer dyads beoordeelt. De gedetailleerde operatie voor het uitvoeren van fNIRS-hyperscanning-experimenten zou de ontwikkeling van open wetenschap bevorderen. Verder wordt hier de analysepijplijn voorzien om de reproduceerbaarheid van hyperscanningo...

Onlangs, om de gelijktijdige hersenactiviteit over de interactieve dyads of leden van een groep te onthullen, gebruiken onderzoekers de hyperscanning-benadering1,2. In het bijzonder worden elektro-encefalogram (EEG), functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) en functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) gebruikt om de neurale en hersenactiviteiten van twee of meer proefpersonen tegelijkertijd vast te leggen3,4,5. Onderzoekers extraheren een neurale index met gelijktijdige hersenkoppeling op basis van deze techniek, die verwijst naar inter-hersensynchronisatie (IBS) (d.w.z. fase- en / of amplitude-uitlijning van de neuronale of hemodynamische signalen in de tijd). Een grote verscheidenheid aan hyperscanning-onderzoek vond IBS tijdens sociale interactie tussen meerdere individuen (bijv. Speler-publiek, instructeur-leerling en leider-volger)6,7,8. Bovendien heeft IBS specifieke implicaties van effectief leren en instructie9,10,11,12,13,14. Met de toename van hyperscanning-onderzoek in naturalistische leerscenario's is het noodzakelijk om een standaardprotocol van hyperscanning-experimenten en de pijplijn van data-analyse op dit gebied vast te stellen.
Dit artikel biedt dus een protocol voor het uitvoeren van fNIRS-gebaseerde hyperscanning van collaboratieve leer dyads en een pijplijn voor het analyseren van IBS. fNIRS is een optisch beeldvormingsinstrument, dat nabij-infrarood licht uitstraalt om de spectrale absorptie van hemoglobine indirect te beoordelen, en vervolgens wordt hemodynamische / oxygenatieactiviteit gemeten15,16,17. In vergelijking met fMRI is fNIRS minder gevoelig voor bewegingsartefacten, waardoor metingen mogelijk zijn van proefpersonen die echte experimenten doen (bijv. Imitatie, praten en non-verbale communicatie)18,7,19. In vergelijking met EEG heeft fNIRS een hogere ruimtelijke resolutie, waardoor onderzoekers de locatie van hersenactiviteit kunnen detecteren20. Deze voordelen in ruimtelijke resolutie, logistiek en haalbaarheid kwalificeren fNIRS dus om hyperscanningmetingen uit te voeren1. Met behulp van deze technologie detecteert een opkomend onderzoeksorgaan een indexterm als IBS - de neurale uitlijning van de hersenactiviteit van twee (of meer) mensen - in verschillende vormen van naturalistische sociale instellingen9,10,11,12,13,14. In die studies worden verschillende methoden (d.w.z. correlatieanalyse en Wavelet Transform Coherence (WTC) -analyse) toegepast om deze index te berekenen; ondertussen is een standaard pijplijn voor een dergelijke analyse essentieel, maar ontbreekt het. Als gevolg hiervan wordt in dit werk een protocol gepresenteerd voor het uitvoeren van fNIRS-gebaseerde hyperscanning en een pijplijn met behulp van WTC-analyse om IBS te identificeren
Deze studie heeft tot doel IBS te evalueren in collaboratieve leer dyads met behulp van de fNIRS hyperscanning-techniek. Ten eerste wordt een hemodynamische respons gelijktijdig geregistreerd in de prefrontale en linker temporoparietale regio's van elke dyads tijdens een gezamenlijke leertaak. Deze regio's zijn geïdentificeerd als geassocieerd met interactief lesgeven en leren9,10,11,12,13,14. Ten tweede wordt de IBS berekend op elk overeenkomstig kanaal. Het fNIRS-gegevensregistratieproces bestaat uit twee delen: rusttoestandsessie en samenwerkingssessie. De rustsessie duurt 5 minuten, waarbij beide deelnemers (face-to-face zittend, gescheiden van elkaar aan een tafel (0,8 m)) stil moeten blijven en ontspannen. Deze rusttoestandsessie wordt als basislijn gediend. Vervolgens wordt de deelnemers in de samenwerkingssessie verteld om het volledige leermateriaal samen te bestuderen, begrip op te wekken, de regels samen te vatten en ervoor te zorgen dat alle leermaterialen onder de knie zijn. Hier worden de specifieke stappen voor het uitvoeren van het experiment en fNIRS-gegevensanalyse gepresenteerd.

<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 hyperscanning wordt veel gebruikt om de neurobiologische onderbouwing van sociale interactie te detecteren. Met deze techniek kwalificeren onderzoekers de gelijktijdige hersenactiviteit van twee of meer interactieve individuen met een nieuwe index genaamd inter-hersensynchronisatie (IBS) (d.w.z. fase- en / of amplitude-uitlijning van de neuronale of hemodynamische signalen in de tijd). Een protocol voor het uitvoeren van fNIRS hyperscanning experimenten op collaboratieve leren dyads in een naturalistische leeromgeving wordt hier gepresenteerd. Verder wordt een pijplijn van het analyseren van IBS van zuurstofrijk hemoglobine (Oxy-Hb) signaal uitgelegd. Specifiek worden het experimentele ontwerp, het proces van NIRS-gegevensregistratie, gegevensanalysemethoden en toekomstige richtingen allemaal besproken. Over het algemeen is het implementeren van een gestandaardiseerde fNIRS hyperscanning-pijplijn een fundamenteel onderdeel van de neurowetenschappen van de tweede persoon. Dit is ook in lijn met de roep om open wetenschap om de reproduceerbaarheid van onderzoek te ondersteunen.

Figuur 1 illustreert het experimentele protocol en de locatie van de sonde. Het fNIRS-gegevensregistratieproces bestaat uit twee delen: rusttoestandsessie (5 min) en samenwerkingssessie (15-20 min). De samenwerkende leer dyads zijn nodig om te ontspannen en stil te blijven in de rusttoestand sessie. Daarna krijgen de deelnemers te horen dat ze het leermateriaal moeten co-leren(figuur 1A). Hun prefrontale en linker temporoparietale gebieden worden gedekt door de ...

Watch this Scientific Journal Video about Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study at JoVE.com

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

Het protocol voor het uitvoeren van fNIRS hyperscanning experimenten op collaboratieve leren dyads in een naturalistische leeromgeving wordt geschetst. Verder wordt een pijplijn gepresenteerd om de Inter-Brain Synchrony (IBS) van zuurstofhoudende hemoglobine (Oxy-Hb) signalen te analyseren.

Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: een fNIRS-Hyperscanning Studie

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

Dit protocol onthult inter-brain synchronie in de collaboratieve dyads in de naturalistische omgeving door de fNIRS hyperscanning techniek. Het belangrijke voordeel van deze techniek is dat het onderzoek mogelijk maakt naar real-time dynamiek van twee of meer op elkaar inwerkende hersenen. Voordat u met het experiment begint, start u het nabij-infraroodspectroscopiesysteem voor het bereiken van een stabiele bedrijfstemperatuur, neemt u vervolgens een elastische badmuts aan om het optode-holder-raster te plaatsen en de NIRS-doppen voor te bereiden zoals beschreven in het tekstmanuscript.Voor een kanaal met onvoldoende signalen gebruikt u de verlichte glasvezelsondes om het haar onder de punt van de sonde naar één kant te verplaatsen. Zodra de bedrijfstemperatuur stabiliseert, zorgt u ervoor dat de triggerontvanger actief is en stelt u de meetmodus in op gebeurtenisgerelateerde meting. Bereid de verlichte glasvezelsonde voor om het haar opzij te schuiven.Instrueer de deelnemers met betrekking tot de details van NIRS-meetmethoden en niet om rechtstreeks in de laserstralen te kijken, omdat de laserstraal schadelijk kan zijn voor de ogen van de deelnemer. Laat de deelnemers face-to-face zitten om ervoor te zorgen dat ze elkaar direct kunnen zien en pas de afstand van stoel tot tafel aan om de deelnemers comfortabel te laten zitten. Zet de laserknop aan, leg de vier optische vezelbundels losjes op de armen van de houder zonder contact met de deelnemers of stoelen en plaats de dop met de sondesets op de hoofden van de deelnemers, zorg ervoor dat de drie bij vijf sondesets het voorhoofd van de deelnemer bedekken en de vier bij vier sondesets de linker temporoparietale cortex bedekken, duw vervolgens elke veerbelastingsonde voorzichtig verder in de sondekom, zodat de punt van de sonde de hoofdhuid van de deelnemer raakt.Laat vervolgens twee deelnemers het leermateriaal samen leren met vijf minuten rusttoestand, die als basis dient. Om eerst de kwaliteit van het signaal te controleren, klikt u op de automatische versterking in het monitorvenster van de sondeset van de functionele NIRS-machine en markeert u vervolgens het slechte signaal van het kanaal in geel en het voldoende signaal in groen en herhaalt u deze procedure totdat alle kanalen groen zijn gemarkeerd. Klik na het experiment op Tekstbestand uit om de onbewerkte lichtintensiteitsgegevens te exporteren en de gegevens op te slaan als een tekstbestand.Gebruik de driedimensionale digitizer om de locaties van emitters, ontvangers en andere referenties voor elke deelnemer te bepalen en verkrijgt vervolgens de MNI-coördinaten van de opnamekanalen met behulp van het commercieel beschikbare numerieke computerplatform. De gegevens van elke deelnemer in elk kanaal werden geanalyseerd. De optodensiteit in kanaal 33 voor een bepaalde dyade werd gevisualiseerd.De gegevens werden geëxtraheerd met behulp van de op wavelet gebaseerde bewegingsartefacten verwijderen methode, alleen en samen met de analyse van de belangrijkste componenten. Het verschil tussen de curven suggereert dat PCA efficiënt is in het verwijderen van niet-neurale signalen. De wavelet transform coherence matrix werd gevisualiseerd.De kleurenkaart varieerde van blauw tot geel en vertegenwoordigde inter-hersensynchronisatiewaarden variërend van nul tot één, waarbij één de grootste samenhang tussen twee signalen aangeeft en nul geen coherentie aangeeft. Daarnaast werden ook significante coëfficiënten verkregen, waarbij de sterke coherentie rond één hertz de hartritmecoherentie van de dyade vertegenwoordigt. De vergelijking tussen de waargenomen T-waarde en de verdeling van de willekeurige T-waarde toont significante resultaten in geïdentificeerde FOI.Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de sondeset het gebied van belangen dekt en probeer de afwijking te verminderen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation

Met behulp van MazeSuite en functionele Near Infrared Spectroscopy te Study Leren in Spatial Navigation

MazeSuite is a complete toolset to prepare, present and analyze navigational and spatial experiments1. MazeSuite can be used to design and edit adapted ...

Mapping Cortical Dynamics Using Simultaneous MEG/EEG and Anatomically-constrained Minimum-norm Estimates: an Auditory Attention Example

Het in kaart brengen Corticale Dynamics Met Gelijktijdige MEG / EEG en Anatomisch beperkt Minimum-norm Schattingen: een auditieve aandacht Voorbeeld

Magneto- and electroencephalography (MEG/EEG) are neuroimaging techniques that provide a high temporal resolution particularly suitable to investigate the ...

Appetitive Associative Olfactory Learning in Drosophila Larvae

Appetitive Associative Olfactory Learning in Drosophila Larvae

Appetitieve Associatieve Olfactorische Learning in<em&gt; Drosophila</em&gt; Larven

In the following we describe the methodological  details of appetitive associative olfactory learning in Drosophila larvae. The setup, in combination with ...

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Elektrofysiologische Methode voor opname intracellulaire Voltage Reacties van<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptoren en Interneurons naar Light Stimuli<em&gt; In Vivo</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

Microstate and Omega Complexity Analyses of the Resting-state Electroencephalography

Vorstendom en Omega complexiteit Analyses van de rust-state-elektro-encefalografie

Microstate and omega complexity are two reference-free electroencephalography (EEG) measures that can represent the temporal and spatial complexities of ...

An Objective and Reproducible Test of Olfactory Learning and Discrimination in Mice

Een objectieve en reproduceerbare Test van olfactorische leren en discriminatie in muizen

Olfaction is the predominant sensory modality in mice and influences many important behaviors, including foraging, predator detection, mating, and ...

Disruption of Frontal Lobe Neural Synchrony During Cognitive Control by Alcohol Intoxication

Verstoring van de frontale kwab neurale Synchrony tijdens cognitieve controle door Alcohol Intoxication

Decision making relies on dynamic interactions of distributed, primarily frontal brain regions. Extensive evidence from functional magnetic resonance ...

Shuttle Box Assay as an Associative Learning Tool for Cognitive Assessment in Learning and Memory Studies using Adult Zebrafish

Shuttle Box Assay als een associatief leermiddel voor cognitieve beoordeling bij leer- en geheugenstudies met behulp van volwassen zebravissen

Cognitive deficits, including impaired learning and memory, are a primary symptom of various developmental and age-related neurodegenerative diseases and ...

How to Calculate and Validate Inter-brain Synchronization in a fNIRS Hyperscanning Study

Hoe inter-brain synchronisatie te berekenen en te valideren in een fNIRS Hyperscanning-studie

The dynamics between coupled brains of individuals have been increasingly represented by inter-brain synchronization (IBS) when they coordinate with each ...

Measurement of the Directional Information Flow in fNIRS-Hyperscanning Data using the Partial Wavelet Transform Coherence Method

Meting van de directionele informatiestroom in fNIRS-Hyperscanning-gegevens met behulp van de Partial Wavelet Transform Coherence Method

Social interaction is of vital importance for human beings. While the hyperscanning approach has been extensively used to study interpersonal neural ...