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

Questo lavoro è supportato dal programma di promozione dell'innovazione accademica ECNU per studenti di dottorato eccellenti (YBNLTS2019-025) e dalla National Natural Science Foundation of China (31872783 e 71942001).

Tutti i partecipanti reclutati (40 diadi, età media 22,1 ± 1,2 anni; 100% destrimani; visione normale o corretta a normale) erano sani. Prima dell'esperimento, i partecipanti hanno dato il consenso informato. I partecipanti sono stati compensati finanziariamente per la loro partecipazione. Lo studio è stato approvato dal Comitato universitario per la protezione della ricerca umana (HR-0053-2021), East China Normal University.
1. Fasi di preparazione prima dell'adozione dei dati
<ol><li>T...

In primo luogo, nel presente protocollo, vengono indicate le fasi specifiche della conduzione di esperimenti di iperscanning fNIRS in uno scenario di apprendimento collaborativo. In secondo luogo, viene presentata anche la pipeline di analisi dei dati che valuta l'IBS dei segnali emodinamici nelle diadi di apprendimento collaborativo. L'operazione dettagliata sulla conduzione di esperimenti di iperscanning fNIRS promuoverebbe lo sviluppo della scienza aperta. Inoltre, la pipeline di analisi è fornita qui per aumentare l...

Recentemente, per rivelare l'attività cerebrale simultanea attraverso le diadi interattive o i membri di un gruppo, i ricercatori impiegano l'approccio di iperscanning1,2. Nello specifico, l'elettroencefalogramma (EEG), la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) vengono utilizzati per registrare le attività neurali e cerebrali da due o più soggetti contemporaneamente3,4,5. I ricercatori estraggono un indice neurale che comporta l'accoppiamento cerebrale simultaneo basato su questa tecnica, che si riferisce alla sincronia inter-cerebrale (IBS) (cioè l'allineamento di fase e / o ampiezza dei segnali neuronali o emodinamici nel tempo). Una grande varietà di ricerche di iperscanning ha trovato IBS durante l'interazione sociale tra più individui (ad esempio, giocatore-pubblico, istruttore-studente e leader-follower)6,7,8. Inoltre, IBS ha implicazioni specifiche di apprendimento e istruzione efficaci9,10,11,12,13,14. Con l'aumento della ricerca sull'iperscanning in scenari di apprendimento naturalistico, è necessario stabilire un protocollo standard di esperimenti di iperscanning e la pipeline di analisi dei dati in questo campo.
Pertanto, questo documento fornisce un protocollo per condurre l'iperscanning basata su fNIRS delle diadi di apprendimento collaborativo e una pipeline per l'analisi dell'IBS. fNIRS è uno strumento di imaging ottico, che irradia luce nel vicino infrarosso per valutare indirettamente l'assorbimento spettrale dell'emoglobina, e quindi l'attività emodinamica/ossigenazione viene misurata15,16,17. Rispetto alla fMRI, fNIRS è meno incline agli artefatti di movimento, consentendo misurazioni da soggetti che stanno facendo esperimenti di vita reale (ad esempio, imitazione, conversazione e comunicazione non verbale)18,7,19. Rispetto all'EEG, fNIRS detiene una risoluzione spaziale più elevata, consentendo ai ricercatori di rilevare la posizione dell'attività cerebrale20. Pertanto, questi vantaggi in termini di risoluzione spaziale, logistica e fattibilità qualificano fNIRS per condurre la misurazione dell'iperscanning1. Utilizzando questa tecnologia, un organismo di ricerca emergente rileva un termine indice come IBS - l'allineamento neurale di due (o più) attività cerebrali di persone - in diverse forme di contesti sociali naturalistici9,10,11,12,13,14. In questi studi, vengono applicati vari metodi (ad esempio, l'analisi di correlazione e l'analisi wavelet transform coherence (WTC)) per calcolare questo indice; nel frattempo, una pipeline standard su tale analisi è essenziale ma carente. Di conseguenza, in questo lavoro viene presentato un protocollo per condurre l'iperscanning basato su fNIRS e una pipeline che utilizza l'analisi WTC per identificare l'IBS.
Questo studio mira a valutare l'IBS nelle diadi di apprendimento collaborativo utilizzando la tecnica di iperscanning fNIRS. In primo luogo, una risposta emodinamica viene registrata simultaneamente nelle regioni prefrontale e temporoparietale sinistra di ciascuna diade durante un compito di apprendimento collaborativo. Queste regioni sono state identificate come associate all'insegnamento e all'apprendimento interattivo9,10,11,12,13,14. In secondo luogo, l'IBS viene calcolato su ciascun canale corrispondente. Il processo di registrazione dei dati fNIRS è costituito da due parti: sessione di stato di riposo e sessione collaborativa. La sessione di riposo dura 5 minuti, durante i quali entrambi i partecipanti (seduti faccia a faccia, separati l'uno dall'altro da un tavolo (0,8 m)) sono tenuti a rimanere fermi e rilassarsi. Questa sessione dello stato di riposo viene servita come linea di base. Quindi, nella sessione collaborativa, ai partecipanti viene detto di studiare insieme l'intero materiale di apprendimento, suscitando comprensione, riassumendo le regole e assicurandosi che tutti i materiali di apprendimento siano padroneggiati. Qui vengono presentate le fasi specifiche della conduzione dell'esperimento e l'analisi dei dati 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

L'iperscanning fNIRS è ampiamente utilizzato per rilevare le basi neurobiologiche dell'interazione sociale. Con questa tecnica, i ricercatori qualificano l'attività cerebrale simultanea di due o più individui interattivi con un nuovo indice chiamato sincronia inter-cerebrale (IBS) (cioè allineamento di fase e / o ampiezza dei segnali neuronali o emodinamici nel tempo). Qui viene presentato un protocollo per condurre esperimenti di iperscanning fNIRS su diadi di apprendimento collaborativo in un ambiente di apprendimento naturalistico. Inoltre, viene spiegata una pipeline di analisi IBS del segnale di emoglobina ossigenata (Oxy-Hb). In particolare, vengono discussi il design sperimentale, il processo di registrazione dei dati NIRS, i metodi di analisi dei dati e le direzioni future. Nel complesso, l'implementazione di una pipeline di iperscanning fNIRS standardizzata è una parte fondamentale delle neuroscienze in seconda persona. Inoltre, questo è in linea con la richiesta di scienza aperta per aiutare la riproducibilità della ricerca.

La Figura 1 illustra il protocollo sperimentale e la posizione della sonda. Il processo di registrazione dei dati fNIRS è costituito da due parti: sessione di stato di riposo (5 min) e sessione collaborativa (15-20 min). Le diadi di apprendimento collaborativo sono necessarie per rilassarsi e per rimanere fermi nella sessione dello stato di riposo. Successivamente, ai partecipanti viene detto di co-apprendere il materiale didattico (Figura 1A). Le loro regioni ...

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

Viene delineato il protocollo per condurre esperimenti di iperscanning fNIRS su diadi di apprendimento collaborativo in un ambiente di apprendimento naturalistico. Inoltre, viene presentata una pipeline per analizzare la sincronia inter-cerebrale (IBS) dei segnali di emoglobina ossigenata (Oxy-Hb).

Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: uno studio fNIRS-Hyperscanning

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

Questo protocollo rivela la sincronia inter-cerebrale nelle diadi collaborative nell'ambiente naturalistico mediante la tecnica di iperscanning fNIRS. Il vantaggio significativo di questa tecnica è che consente di investigarsi sulle dinamiche in tempo reale di due o più cervelli interagenti. Prima di iniziare l'esperimento, avviare il sistema di spettroscopia nel vicino infrarosso per raggiungere una temperatura operativa stabile, quindi adottare una cuffia elastica per posizionare la griglia portaodi e preparare i tappi NIRS come descritto nel manoscritto di testo.Per un canale con segnali insufficienti, utilizzare le sonde in fibra ottica illuminate per spostare i capelli sotto la punta della sonda su un lato. Una volta stabilizzata la temperatura di esercizio, assicurarsi che il ricevitore del grilletto sia attivo e impostare la modalità di misurazione sulla misurazione correlata agli eventi. Preparare la sonda in fibra ottica illuminata per spostare i capelli da parte.Istruire i partecipanti per quanto riguarda i dettagli dei metodi di misurazione NIRS e di non guardare direttamente nei raggi laser poiché il raggio laser potrebbe essere dannoso per gli occhi del partecipante. Fai sedere i partecipanti faccia a faccia per assicurarti che possano vedersi direttamente e regolare la distanza tra sedia e tavolo per far sedere comodamente i partecipanti. Accendere il pulsante laser, posizionare i quattro fasci di fibre ottiche liberamente sulle braccia del titolare senza contatto con i partecipanti o le sedie e posizionare il cappuccio con i set di sonde sulla testa dei partecipanti, assicurandosi che i set di sonde tre per cinque coprano la fronte del partecipante e i set di sonde quattro per quattro coprano la corteccia temporoparietale sinistra, quindi spingere con attenzione ogni sonda a molla ulteriormente nella presa della sonda in modo che la punta della sonda tocchi il cuoio capelluto del partecipante.Quindi consentire a due partecipanti di co-apprendere i materiali di apprendimento con uno stato di riposo di cinque minuti, che funge da linea di base. Innanzitutto, per verificare la qualità del segnale, fare clic sul guadagno automatico nella finestra del monitor del set di sonde della macchina NIRS funzionale, quindi contrassegnare il segnale scarso del canale in giallo e il segnale sufficiente in verde e ripetere questa procedura fino a quando tutti i canali sono contrassegnati in verde. Dopo l'esperimento, fai clic su Text File Out per esportare i dati grezzi sull'intensità della luce e salvare i dati come file di testo.Utilizzare il digitalizzatore tridimensionale per determinare le posizioni di emettitori, ricevitori e altri riferimenti per ciascun partecipante, quindi ottenere le coordinate MNI dei canali di registrazione utilizzando la piattaforma di calcolo numerico disponibile in commercio. Sono stati analizzati i dati di ciascun partecipante in ciascun canale. È stata visualizzata l'optodensità nel canale 33 per una certa diade.I dati sono stati estratti utilizzando il metodo di rimozione degli artefatti di movimento basato su wavelet, da solo e insieme all'analisi dei componenti principali. La differenza tra le curve suggerisce che la PCA è efficiente nella rimozione dei segnali non neurali. È stata visualizzata la matrice di coerenza della trasformata wavelet.La mappa dei colori variava dal blu al giallo, rappresentando valori di sincronia inter-cervello che vanno da zero a uno, dove uno denota la più grande coerenza tra due segnali e zero denota nessuna coerenza. Inoltre, sono stati ottenuti anche coefficienti significativi, la forte coerenza intorno a un hertz che rappresenta la coerenza del ritmo cardiaco della diade. Il confronto tra il valore T osservato e la distribuzione del valore T casuale mostra risultati significativi nella FOI identificata.È importante assicurarsi che il set di sonde copra la regione di interesse e cercare di ridurre la deviazione.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Utilizzando MazeSuite e funzionale Near Infrared Spectroscopy per studiare l&#39;apprendimento in navigazione spaziale

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

Ricerca

Neuroscienze

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

Mappatura Dynamics corticali tramite MEG / EEG simultanee e anatomica vincolata minima norma-Stime: un esempio Attenzione Auditory

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

Appetitivo apprendimento associativo olfattiva in<em&gt; Drosophila</em&gt; Le larve

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

Metodo elettrofisiologiche per la registrazione intracellulare di tensione Risposte di<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotorecettori e Interneuroni a luce stimoli<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

Microstato e analisi di complessità Omega dell'elettroencefalografia dello stato di riposo

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

Una prova oggettiva e riproducibile di apprendimento olfattivo e discriminazione nei topi

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

Rottura di Synchrony neurale del lobo frontale durante controllo cognitivo di intossicazione dell'alcool

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 come strumento di apprendimento associativo per la valutazione cognitiva negli studi sull'apprendimento e sulla memoria utilizzando Zebrafish adulto

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

Come calcolare e convalidare la sincronizzazione inter-cervello in uno studio di iperscansione 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

Misurazione del flusso di informazioni direzionali in fNIRS-Hyperscanning Data utilizzando il metodo partial Wavelet Transform Coherence

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