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

Dette arbeidet støttes av ECNU Academic Innovation Promotion Program for Excellent Doctoral Students (YBNLTS2019-025) og National Natural Science Foundation of China (31872783 og 71942001).

Alle rekrutterte deltakere (40 dyader, gjennomsnittsalder 22,1 ± 1,2 år; 100% høyrehendt, normal eller korrigert til normal syn) var sunne. Før eksperimentet ga deltakerne informert samtykke. Deltakerne ble økonomisk kompensert for sin deltakelse. Studien ble godkjent av University Committee of Human Research Protection (HR-0053-2021), East China Normal University.
1. Forberedelsestrinn før du tar i bruk data
<ol><li>Hjemmelagde NIRS-caps<ol>
<li>Ta i bruk elastisk svømmehette for å...

For det første, i den nåværende protokollen, er de spesifikke trinnene for å utføre fNIRS hyperskanningsforsøk i et samarbeidende læringsscenario oppgitt. For det andre presenteres også dataanalyserørledningen som vurderer IBS av hemodynamiske signaler i samarbeidende læringsdyder. Den detaljerte operasjonen med å gjennomføre fNIRS hyperskanningseksperimenter ville fremme utviklingen av åpen vitenskap. Videre er analyserørledningen gitt her for å øke reproduserbarheten av hyperskanningsforskning. I det f?...

Nylig, for å avsløre den samtidige hjerneaktiviteten på tvers av de interaktive dyadene eller medlemmene av en gruppe, bruker forskere hyperskanningsmetoden1,2. Spesielt brukes elektroencefalogram (EEG), funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) og funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) til å registrere nevrale og hjerneaktiviteter fra to eller flere personer samtidig3,4,5. Forskere trekker ut en nevral indeks som innebærer samtidig hjernekobling basert på denne teknikken, som refererer til synkron synkron (IBS) mellom hjerne (dvs. fase- og/eller amplitudejustering av nevronale eller hemodynamiske signaler over tid). Et stort utvalg av hyperskanningsundersøkelser fant IBS under sosial interaksjon mellom flere personer (f.eks. spiller-publikum, instruktør-elev og leder-følger)6,7,8. Videre har IBS spesifikke implikasjoner av effektiv læring og instruksjon9,10,11,12,13,14. Med økende hyperskanningsforskning i naturalistiske læringsscenarioer er det nødvendig å etablere en standardprotokoll for hyperskanningsforsøk og rørledningen for dataanalyse på dette feltet.
Dermed gir dette dokumentet en protokoll for å utføre fNIRS-basert hyperskanning av samarbeidende læringsdyder og en rørledning for å analysere IBS. fNIRS er et optisk bildebehandlingsverktøy, som utstråler nær-infrarødt lys for å vurdere spektral absorpsjon av hemoglobin indirekte, og deretter måles hemodynamisk / oksygeneringsaktivitet15,16,17. Sammenlignet med fMRI er fNIRS mindre utsatt for bevegelsesartefakter, slik at målinger fra personer som utfører virkelige eksperimenter (f.eks. imitasjon, snakking og ikke-verbal kommunikasjon)18,7,19. Sammenlignet med EEG har fNIRS høyere romlig oppløsning, slik at forskere kan oppdage plasseringen av hjerneaktivitet20. Dermed kvalifiserer disse fordelene i romlig oppløsning, logistikk og gjennomførbarhet fNIRS til å utføre hyperskanningsmåling1. Ved hjelp av denne teknologien oppdager et fremvoksende forskningsorgan et indeksbegrep som IBS - nevral justering av to (eller flere) menneskers hjerneaktivitet i forskjellige former for naturalistiske sosiale innstillinger9,10,11,12,13,14. I disse studiene brukes ulike metoder (dvs. korrelasjonsanalyse og Wavelet Transform Coherence (WTC)-analyse) for å beregne denne indeksen; I mellomtiden er en standard rørledning på en slik analyse viktig, men mangler. Som et resultat presenteres en protokoll for å utføre fNIRS-basert hyperskanning og en rørledning ved hjelp av WTC-analyse for å identifisere IBS i dette arbeidet
Denne studien tar sikte på å evaluere IBS i samarbeidende læringsdyder ved hjelp av fNIRS hyperskanningsteknikk. For det første registreres en hemodynamisk respons samtidig i hver dyads prefrontale og venstre temporoparietale regioner under en samarbeidende læringsoppgave. Disse områdene er identifisert som knyttet til interaktiv undervisning og læring9,10,11,12,13,14. For det andre beregnes IBS på hver tilsvarende kanal. FNIRS-dataregistreringsprosessen består av to deler: hviletilstandsøkt og samarbeidsøkt. Hviletilstandsøkten varer i 5 minutter, hvor begge deltakerne (sitter ansikt til ansikt, bortsett fra hverandre ved et bord (0,8 m)) er pålagt å forbli stille og slappe av. Denne hviletilstandsøkten fungerer som grunnlinje. Deretter, i samarbeidsøkten, blir deltakerne bedt om å studere hele læringsmateriellet sammen, fremkalle forståelse, oppsummere reglene og sørge for at alt læringsmateriell blir mestret. Her presenteres de spesifikke trinnene for å utføre eksperimentet og fNIRS-dataanalysen.

<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 hyperskanning er mye brukt til å oppdage nevrobiologiske understøttelser av sosial interaksjon. Med denne teknikken kvalifiserer forskere den samtidige hjerneaktiviteten til to eller flere interaktive individer med en ny indeks kalt inter-brain synkron (IBS) (dvs. fase- og / eller amplitudejustering av nevronale eller hemodynamiske signaler over tid). En protokoll for å gjennomføre fNIRS hyperskanningseksperimenter på samarbeidende læringsdyder i et naturalistisk læringsmiljø presenteres her. Videre forklares en rørledning for å analysere IBS av oksygenert hemoglobin (Oxy-Hb) signal. Spesielt diskuteres den eksperimentelle designen, prosessen med NIRS-dataregistrering, dataanalysemetoder og fremtidige retninger. Totalt sett er implementering av en standardisert fNIRS hyperscanning pipeline en grunnleggende del av andrepersons nevrovitenskap. Dette er også i tråd med oppfordringen om åpen vitenskap for å hjelpe forskningens reproduserbarhet.

Figur 1 illustrerer den eksperimentelle protokollen og sondeplasseringen. FNIRS-dataregistreringsprosessen består av to deler: hviletilstandsøkt (5 min) og samarbeidsøkt (15-20 min). De samarbeidende læringsdydene er pålagt å slappe av og holde seg i ro i hviletilstandsøkten. Deretter får deltakerne beskjed om å samlære læringsmaterialet (Figur 1A). Deres prefrontale og venstre temporoparietale regioner er dekket av det tilsvarende sondesettet (<stron...

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

Protokollen for å gjennomføre fNIRS hyperskanningseksperimenter på samarbeidende læringsdyder i et naturalistisk læringsmiljø er skissert. Videre presenteres en rørledning for å analysere Inter-Brain Synchrony (IBS) av oksygenerte hemoglobin (Oxy-Hb) signaler.

Synkron mellom hjerner i åpen samarbeidslæring: En fNIRS-hyperskanningsstudie

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

Denne protokollen avslører synkron mellom hjerner i samarbeidsdydene i det naturalistiske miljøet ved fNIRS hyperskanningsteknikk. Den betydelige fordelen med denne teknikken er at den tillater undersøkelse av sanntidsdynamikk i to eller flere interagerende hjerner. Før du begynner eksperimentet, start det nær infrarøde spektroskopisystemet for å oppnå en stabil driftstemperatur, og bruk deretter en elastisk svømmehette for å plassere optodeholdergitteret og forberede NIRS-hettene som beskrevet i tekstmanuskriptet.For en kanal med utilstrekkelige signaler, bruk de opplyste fiberoptiske sondene til å flytte håret under sondens spiss til den ene siden. Når driftstemperaturen stabiliserer seg, må du kontrollere at utløsermottakeren er aktiv og sette målemodusen til hendelsesrelatert måling. Forbered den opplyste fiberoptiske sonden for å flytte håret til side.Instruere deltakerne om detaljene i NIRS-målemetoder og ikke se direkte inn i laserstrålene, da laserstrålen kan være skadelig for deltakerens øyne. Få deltakerne til å sitte ansikt til ansikt for å sikre at de kan se hverandre direkte og justere avstanden fra stol til bord for å få deltakerne til å sitte komfortabelt. Slå på laserknappen, sett de fire optiske fiberbuntene løst på holderens armer uten kontakt med deltakerne eller stolene og plasser hetten med sondesettene på deltakernes hoder, og sørg for at tre-ganger-fem sondesettene dekker pannen til deltakeren og de fire-ganger-fire sondesettene dekker venstre temporoparietal cortex, Skyv deretter hver fjærlastsonde forsiktig videre inn i probekontakten slik at probens spiss berører hodebunnen til deltakeren.La deretter to deltakere lære læringsmaterialet sammen med fem minutters hviletilstand, som fungerer som basislinje. Først, for å sjekke kvaliteten på signalet, klikk på den automatiske forsterkningen i sondesettovervåkingsvinduet til den funksjonelle NIRS-maskinen, og merk deretter kanalens dårlige signal i gult og tilstrekkelig signal i grønt og gjenta denne prosedyren til alle kanalene er merket grønne. Etter eksperimentet klikker du på Tekstfil ut for å eksportere rå lysintensitetsdata og lagre dataene som en tekstfil.Bruk den tredimensjonale digitaliseringsenheten til å bestemme plasseringene til sendere, mottakere og andre referanser for hver deltaker, og hent deretter MNI-koordinatene til innspillingskanalene ved hjelp av den kommersielt tilgjengelige numeriske dataplattformen. Dataene fra hver deltaker i hver kanal ble analysert. Optodensiteten i kanal 33 for en viss dyad ble visualisert.Dataene ble hentet ut ved hjelp av den wavelet-baserte bevegelsesartefakter fjerning metoden, alene og sammen med de viktigste komponentene analyse. Forskjellen mellom kurvene tyder på at PCA er effektiv i å fjerne ikke-nevrale signaler. Matrisen for bølgetransformasjonskoherens ble visualisert.Fargekartet varierte fra blått til gult, og representerte synkronverdier mellom hjerner fra null til én, der man betegner den største sammenhengen mellom to signaler og null, betyr ingen sammenheng. I tillegg ble det også oppnådd betydelige koeffisienter, den sterke sammenhengen rundt en hertz som representerer dyadens hjerterytmekoherens. Sammenligningen mellom den observerte T-verdien og fordelingen av tilfeldig T-verdi viser signifikante resultater i identifisert FOI.Det er viktig å sørge for at sondesettet dekker interesseområdet og prøver å redusere avviket.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning 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

Kartlegging Kortikale Dynamics Bruke Samtidige MEG / EEG og anatomisk begrenset Minimum-norm estimater: en auditiv oppmerksomhet Eksempel

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

Appetitive Assosiative Olfactory læring i<em&gt; Drosophila</em&gt; Larver

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

Elektro Metode for opptak Intracellulær spenningsreaksjoner av<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreseptorer og interneurons til lys stimuli<em&gt; I 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

Mikrostaten og Omega kompleksitet analyser av hvile-statlige Elektroencefalogram

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

En objektiv og reproduserbar Test av Olfactory læring og diskriminering i mus

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

Forstyrrelse av frontallappen nevrale Synchrony under Cognitive administrere av alkoholforgiftning

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 som et assosiativt læringsverktøy for kognitiv vurdering i lærings- og minnestudier ved hjelp av voksen sebrafisk

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

Hvordan beregne og validere inter-hjernesynkronisering i en fNIRS Hyperscanning Study

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

Måling av retningsinformasjonsflyten i fNIRS-Hyperscanning-data ved hjelp av metoden for delvis wavelettransformasjon

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