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

עבודה זו נתמכת על ידי התוכנית לקידום חדשנות אקדמית ECNU לדוקטורנטים מצוינים (YBNLTS2019-025) והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (31872783 71942001).

כל המשתתפים המגויסים (40 דיאדים, גיל ממוצע 22.1 ± 1.2 שנים; 100% ימניים; ראייה נורמלית או מתוקנת לנורמלית) היו בריאים. לפני הניסוי, המשתתפים נתנו הסכמה מדעת. המשתתפים קיבלו פיצוי כספי על השתתפותם. המחקר אושר על ידי הוועדה האוניברסיטאית להגנה על מחקר אנושי (HR-0053-2021), אוניברסיטת מזרח סין נורמלית.
<p c...

ראשית, בפרוטוקול הנוכחי, נאמרים השלבים הספציפיים של עריכת ניסויי היפר-סריקה של fNIRS בתרחיש למידה שיתופית. שנית, מוצג גם צינור ניתוח הנתונים המעריך את ה- IBS של אותות המודינמיים בדיאדות למידה שיתופית. המבצע המפורט על עריכת ניסויי סריקת יתר fNIRS יקדם את הפיתוח של מדע פתוח. יתר על כן, צינור הניתוח מ...

לאחרונה, כדי לחשוף את הפעילות המוחית בו זמנית על פני dyads אינטראקטיבי או חברים בקבוצה, החוקרים להשתמש בגישה hyperscanning1,2. באופן ספציפי, אלקטרואנצפלוגרמה (EEG), הדמיית תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) וספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום תפקודית (fNIRS) משמשים לתיעוד הפעילות העצבית והמוחית משני נושאים או יותר בו זמנית3,4,5. חוקרים לחלץ אינדקס עצבי כרוך צימוד המוח בו זמנית המבוסס על טכניקה זו, המתייחס סינכרוניה בין המוח (IBS) (כלומר, שלב ו /או יישור משרעת של אותות עצביים או המומינמיים לאורך זמן). מגוון גדול של מחקרי היפר-סריקה מצאו IBS במהלך אינטראקציה חברתית בין אנשים מרובים (למשל, שחקן-קהל, מדריך-לומד, ומוביל-חסיד)6,7,8. יתר על כן, IBS מחזיק השלכות ספציפיות של למידה יעילה והוראה9,10,11,12,13,14. עם העלייה הגוברת של מחקר hyperscanning בתרחישי למידה נטורליסטיים, הקמת פרוטוקול סטנדרטי של ניסויי hyperscanning ואת הצינור של ניתוח נתונים בתחום זה הוא הכרחי.
לפיכך, מאמר זה מספק פרוטוקול לביצוע היפר-סריקה מבוססת fNIRS של דיאדות למידה שיתופית וצינור לניתוח IBS. fNIRS הוא כלי הדמיה אופטי, אשר מקרין אור כמעט אינפרא אדום כדי להעריך את הספיגה הספקטרלית של המוגלובין בעקיפין, ולאחר מכן פעילות המודינמית / חמצוןנמדדת 15,16,17. בהשוואה ל- fMRI, fNIRS נוטה פחות לממצאי תנועה, ומאפשר מדידות מנושאים שעושים ניסויים בחיים האמיתיים (למשל, חיקוי, דיבור ותקשורת לא מילולית)18,7,19. בהשוואה ל- EEG, fNIRS מחזיק ברזולוציה מרחבית גבוהה יותר, ומאפשר לחוקרים לזהות את מיקום הפעילות המוחית20. לכן, יתרונות אלה ברזולוציה מרחבית, לוגיסטיקה והיתכנות מסמיכים את fNIRS לבצע מדידת היפר-סריקה1. באמצעות טכנולוגיה זו, גוף מחקר מתפתח מזהה מונח אינדקס כמו IBS-היישור העצבי של שני (או יותר) פעילות המוח של אנשים בצורות שונות של הגדרות חברתיות נטורליסטיות9,10,11,12,13,14. במחקרים אלה, שיטות שונות (כלומר, ניתוח מתאם וניתוח קוהרנטיות של שינוי Wavelet (WTC) מוחלים כדי לחשב מדד זה; בינתיים, צינור סטנדרטי על ניתוח כזה הוא חיוני אבל חסר. כתוצאה מכך, מוצג בעבודה זו פרוטוקול לביצוע היפר-סריקת יתר מבוססת fNIRS וצינור המשתמש בניתוח WTC לזיהוי IBS
מחקר זה נועד להעריך IBS בדיאדות למידה שיתופית באמצעות טכניקת סריקת יתר fNIRS. ראשית, תגובה המודינמית נרשמת בו זמנית באזורים הטרמפורופריאנטליים הקדם-מצחיים והשמאליים של dyads במהלך משימת למידה משותפת. אזורים אלה זוהו כמזוהים עם הוראה אינטראקטיבית ולמידה9,10,11,12,13,14. שנית, IBS מחושב בכל ערוץ מתאים. תהליך הקלטת הנתונים של fNIRS מורכב משני חלקים: הפעלת מצב מנוחה והפעלה שיתופית. מפגש מצב המנוחה נמשך 5 דקות, שבמהלכן שני המשתתפים (יושבים פנים אל פנים, מלבד אחד את השני על ידי שולחן (0.8 מ ')) נדרשים להישאר בשקט ולהירגע. הפעלה זו של מצב מנוחה משמשת כקווי הבסיס. לאחר מכן, במפגש המשותף, נאמר למשתתפים ללמוד את כל חומרי הלמידה יחד, לעורר הבנה, לסכם את הכללים ולוודא שכל חומרי הלמידה שולטים. כאן מוצגים השלבים הספציפיים של ביצוע הניסוי וניתוח נתוני fNIRS.

<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

סריקת יתר של fNIRS נמצאת בשימוש נרחב כדי לזהות את היסודות הנוירוביולוגיים של אינטראקציה חברתית. עם טכניקה זו, החוקרים להסמיך את הפעילות המוחית בו זמנית של שני אנשים אינטראקטיביים או יותר עם אינדקס חדשני הנקרא סינכרוניה בין מוח (IBS) (כלומר, יישור שלב ו /או משרעת של אותות עצביים או המודינמיים לאורך זמן). פרוטוקול לעריכת ניסויי סריקת יתר של fNIRS על דיאדות למידה שיתופית בסביבת למידה נטורליסטית מוצג כאן. כמו כן, צינור של ניתוח IBS של אות המוגלובין מחומצן (Oxy-Hb) מוסבר. באופן ספציפי, התכנון הניסיוני, תהליך הקלטת הנתונים של NIRS, שיטות ניתוח נתונים וכיוונים עתידיים נדונים כולם. בסך הכל, יישום צינור היפר-סריקה מתוקננת של fNIRS הוא חלק מהותי במדעי המוח בגוף שני. כמו כן, זה עולה בקנה אחד עם הקריאה למדע פתוח כדי לסייע לשחזור של המחקר.

איור 1 ממחיש את הפרוטוקול הניסיוני ואת מיקום הבדיקה. תהליך הקלטת הנתונים של fNIRS מורכב משני חלקים: הפעלת מצב מנוחה (5 דקות) והפעלה שיתופית (15-20 דקות). דיאדות הלמידה השיתופיות נדרשות להירגע ולשמור על שקט בישיבה של מצב המנוחה. לאחר מכן, נאמר למשתתפים ללמוד במשותף את חומר הלמידה (<st...

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

הפרוטוקול לעריכת ניסויי סריקת יתר של fNIRS על דיאדות למידה שיתופית בסביבת למידה נטורליסטית מתואר. יתר על כן, צינור לנתח סינכרוני בין המוח (IBS) של אותות המוגלובין מחומצן (Oxy-Hb) מוצג.

סנכרון בין מוחות בלמידה שיתופית פתוחה: מחקר על היפר-סריקה של fNIRS

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

פרוטוקול זה חושף סנכרון בין-מוחי בדיאדות השיתופיות בסביבה הנטורליסטית על-ידי טכניקת סריקת היתר של fNIRS. היתרון המשמעותי של טכניקה זו הוא שהיא מאפשרת חקירה של דינמיקה בזמן אמת של שני מוחות אינטראקציה או יותר. לפני תחילת הניסוי, התחל את מערכת הספקטרוסקופיה הקרובה לאינפרא-אדום להשגת טמפרטורת הפעלה יציבה, ולאחר מכן אמץ כובע שחייה אלסטי כדי למקם את רשת מחזיק האופטודה ולהכין את כובעי NIRS כמתואר בכתב היד של הטקסט.עבור ערוץ עם אותות לא מספיקים, השתמש בבדיקות סיבים אופטיים מוארים כדי להזיז את השיער מתחת לקצה הגשושית לצד אחד. לאחר שטמפרטורת ההפעלה מתייצבת, ודא שמקלט הגורם המפעיל פעיל והגדר את מצב המדידה למדידה הקשורה לאירוע. הכן את הבדיקה סיב אופטי מואר להזיז את השיער הצידה.להנחות את המשתתפים לגבי הפרטים של שיטות המדידה NIRS ולא להסתכל ישירות לתוך קרני הלייזר כמו קרן הלייזר עלולה להזיק לעיניו של המשתתף. גרום למשתתפים לשבת פנים אל פנים כדי לוודא שהם יכולים לראות אחד את השני ישירות ולהתאים את מרחק הכיסא לשולחן כדי לגרום למשתתפים לשבת בנוחות. הפעילו את כפתור הלייזר, הניחו את ארבע חבילות הסיבים האופטיים באופן רופף על זרועות המחזיק ללא מגע עם המשתתפים או הכיסאות והנחו את המכסה עם ערכות הבדיקה על ראשיהם של המשתתפים, והבטיחו כי ערכות הבדיקה של שלוש על חמש יכסו את מצחו של המשתתף וערכות הבדיקה של ארבע על ארבע מכסות את קליפת המוח הטמפורופרית השמאלית, לאחר מכן, בזהירות לדחוף כל בדיקה מעמיס קפיץ עוד יותר לתוך שקע הבדיקה, כך קצה הגשושית נוגע הקרקפת של המשתתף.לאחר מכן אפשר לשני משתתפים ללמוד במשותף את חומרי הלמידה עם מצב מנוחה של חמש דקות, המשמש כבסיס. ראשית, כדי לבדוק את איכות האות, לחץ על הרווח האוטומטי בחלון צג ערכת הבדיקה של מכונת NIRS פונקציונלית, ולאחר מכן לסמן את האות המסכן של הערוץ בצהוב ואת האות מספיק בירוק ולחזור על הליך זה עד שכל הערוצים מסומנים ירוקים. לאחר הניסוי, לחץ על קובץ הטקסט החוצה כדי לייצא את נתוני עוצמת האור הגולמי ולשמור את הנתונים כקובץ טקסט.השתמש בדיגיטציה התלת-ממדית כדי לקבוע את מיקומם של פולטים, מקלטים והפניות אחרות עבור כל משתתף, ולאחר מכן השג את קואורדינטות ה- MNI של ערוצי ההקלטה באמצעות פלטפורמת המחשוב המספרית הזמינה מסחרית. הנתונים מכל משתתף בכל ערוץ נותחו. ההסכמה בערוץ 33 לדיאד מסוים הייתה דמיונית.הנתונים חולצו בשיטת הסרת ממצאי תנועה מבוססי גל, לבדם ויחד עם ניתוח הרכיבים העיקרי. ההבדל בין העקומות מצביע על כך PCA יעיל בהסרת אותות שאינם עצביים. מטריצת העקביות של שינוי הגלים הייתה חזותית.מפת הצבעים השתנתה מכחול לצהוב, המייצגת ערכים בין-מוחיים הנעים בין אפס לאחד, כאשר אחד מהם מציין את העקביות הגדולה ביותר בין שני אותות ואפס אינו מציין קוהרנטיות. בנוסף, הושגו גם מקדמים משמעותיים, העקביות החזקה סביב הרץ אחד המייצגת את קוהרנטיות קצב הלב של הדיאדה. ההשוואה בין ערך T שנצפה לבין ההתפלגות של ערך T אקראי מציגה תוצאות משמעותיות ב- FOI מזוהה.חשוב לוודא שסט הבדיקות מכסה את אזור האינטרסים ולנסות להפחית את הסטייה.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

שימוש MazeSuite והתפקודי ליד ספקטרוסקופית אינפרא אדום כדי ללמוד למידה מרחבית ניווט

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

Dynamics מיפוי קליפתיים באמצעות MEG סימולטאני / אומדני EEG ומוגבלים מבחינה אנטומית, מינימום-נורמה: דוגמא קשב שמיעתי

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

למידה אסוציאטיבית הרחה באפטטיבית<em&gt; דרוזופילה</em&gt; זחלים

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

שיטת אלקטרו עבור תגובות מתח תאיים הקלטה של<em&gt; תסיסנית</em&gt; קולטני אור ו interneurons יאירו גירויים<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

Microstate וניתוחים המורכבות אומגה של אלקטרואנצפלוגרם נח-המדינות

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

מבחן אובייקטיבי, לשחזור של למידה חוש הריח ואפליה בעכברים

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

שיבוש Synchrony עצביים באונה הקדמית במהלך שליטה קוגניטיבית על ידי שכרות

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

מעבורת Box Assay ככלי למידה אסוציאטיבי להערכה קוגניטיבית בלימודי למידה וזיכרון באמצעות דגי זברה למבוגרים

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

כיצד לחשב ולאמת סינכרון בין-מוחי במחקר היפר-סריקה של fNIRS

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

מדידת זרימת המידע הכיווני בנתוני fNIRS-Hyperscanning באמצעות שיטת הקוהרנטיות של התמרת גלים חלקית

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