Name: inter-brain synchrony in open-ended collaborative learning: an fnirs-hyperscanning study
Uploaded: 2021-07-21T14:00:00
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Este trabalho é apoiado pelo Programa de Promoção da Inovação Acadêmica da ECNU para excelentes doutorandos (YBNLTS2019-025) e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (31872783 e 71942001).

Todos os participantes recrutados (40 díades, média de 22,1 ± 1,2 anos; 100% destro; visão normal ou corrigida ao normal) eram saudáveis. Antes do experimento, os participantes deram consentimento informado. Os participantes foram compensados financeiramente por sua participação. O estudo foi aprovado pelo Comitê Universitário de Proteção à Pesquisa Humana (HR-0053-2021), Universidade Normal da China Oriental.
1. Etapas de preparação antes da adoção de dados
<ol><li>Tampas n...

Em primeiro lugar, no presente protocolo, são declaradas as etapas específicas de realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS em um cenário de aprendizagem colaborativa. Em segundo lugar, também é apresentado o pipeline de análise de dados que avalia o IBS de sinais hemodinâmicos em diálidos de aprendizagem colaborativa. A operação detalhada na realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS promoveria o desenvolvimento da ciência aberta. Além disso, o pipeline de análise é fornecido aqui para a...

Recentemente, para revelar a atividade cerebral simultânea através dos díades interativos ou membros de um grupo, os pesquisadores empregam a abordagem hiperscaning1,2. Especificamente, eletroencefalograma (EEG), ressonância magnética funcional (fMRI) e espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) são usados para registrar as atividades neurais e cerebrais de dois ou mais sujeitos simultaneamente3,4,5. Os pesquisadores extraem um índice neural que implique um acoplamento cerebral simultâneo com base nessa técnica, que se refere à sincronia interfencefálica (IBS) (ou seja, alinhamento de fase e/ou amplitude dos sinais neuronais ou hemodinâmicos ao longo do tempo). Uma grande variedade de pesquisas de hiper-pesquisa encontrou IBS durante a interação social entre múltiplos indivíduos (por exemplo, jogador-público, instrutor-aprendiz e líder-seguidor)6,7,8. Além disso, o IBS detém implicações específicas da aprendizagem efetiva e instrução9,10,11,12,13,14. Com o surgimento de pesquisas hiperscaning em cenários de aprendizagem naturalista, é necessário estabelecer um protocolo padrão de experimentos de hiperexcitação e o pipeline de análise de dados neste campo.
Assim, este artigo fornece um protocolo para a realização de hiperscanagem baseada em fNIRS de disads de aprendizagem colaborativa e um pipeline para análise do IBS. fNIRS é uma ferramenta de imagem óptica, que irradia luz infravermelha próxima para avaliar a absorção espectral da hemoglobina indiretamente, e então a atividade hemodinâmica/oxigenação é medida15,16,17. Em comparação com o fMRI, o fNIRS é menos propenso a artefatos de movimento, permitindo medições de indivíduos que estão fazendo experimentos da vida real (por exemplo, imitação, conversa e comunicação não verbal)18,7,19. Em comparação com o EEG, o FNIRS possui maior resolução espacial, permitindo que os pesquisadores detectem a localização da atividade cerebral20. Assim, essas vantagens na resolução espacial, logística e viabilidade qualificam fNIRS para realizar a medição de hiperscanagem1. Usando essa tecnologia, um corpo de pesquisa emergente detecta um termo de índice como IBS - o alinhamento neural de duas (ou mais) atividades cerebrais de pessoas em diferentes formas de configurações sociais naturalistas9,10,11,12,13,14. Nesses estudos, são aplicados vários métodos (ou seja, análise de correlação e análise de Coerência de Transformação de Onda (WTC) para calcular esse índice; Enquanto isso, um pipeline padrão sobre tal análise é essencial, mas carente. Como resultado, um protocolo para a realização de hiperexcing baseado em fNIRS e um pipeline usando análise WTC para identificar o IBS é apresentado neste trabalho
Este estudo tem como objetivo avaliar o IBS em disads de aprendizagem colaborativa utilizando a técnica de hiperscanagem fNIRS. Em primeiro lugar, uma resposta hemodinâmica é registrada simultaneamente nas regiões pré-frontal e esquerda de cada díade durante uma tarefa de aprendizagem colaborativa. Essas regiões foram identificadas como associadas ao ensino interativo e aprendizagem9,10,11,12,13,14. Em segundo lugar, o IBS é calculado em cada canal correspondente. O processo de gravação de dados fNIRS consiste em duas partes: sessão de estado de repouso e sessão colaborativa. A sessão de estado de repouso dura 5 min, durante a qual ambos os participantes (sentados cara a cara, além um do outro por uma mesa (0,8 m)) são obrigados a permanecer parados e relaxar. Esta sessão de estado de repouso é servida como a linha de base. Em seguida, na sessão colaborativa, os participantes são orientados a estudar juntos todos os materiais de aprendizagem, provocando compreensão, resumindo as regras e certificando-se de que todos os materiais de aprendizagem sejam dominados. Aqui, são apresentadas as etapas específicas de realização do experimento e da análise de dados 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

O hiperexquente fNIRS é amplamente utilizado para detectar os fundamentos neurobiológicos da interação social. Com essa técnica, os pesquisadores qualificam a atividade cerebral simultânea de dois ou mais indivíduos interativos com um novo índice chamado sincronia inter-cerebral (IBS) (ou seja, alinhamento de fase e/ou amplitude dos sinais neuronais ou hemodinâmicos ao longo do tempo). Aqui é apresentado um protocolo para a realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS sobre disads de aprendizagem colaborativa em um ambiente de aprendizagem naturalista. Além disso, explica-se um pipeline de análise do IBS de hemoglobina oxigenada (Oxy-Hb). Especificamente, o design experimental, o processo de registro de dados do NIRS, métodos de análise de dados e direções futuras são todos discutidos. No geral, a implementação de um pipeline de hiper-varredura fNIRS padronizado é uma parte fundamental da neurociência em segunda pessoa. Além disso, isso está em consonância com o apelo à ciência aberta para auxiliar na reprodutibilidade da pesquisa.

A Figura 1 ilustra o protocolo experimental e a localização da sonda. O processo de registro de dados fNIRS consiste em duas partes: sessão de estado de repouso (5 min) e sessão colaborativa (15-20 min). Os diá díndos de aprendizagem colaborativo são necessários para relaxar e manter-se ainda na sessão de estado de repouso. Depois disso, os participantes são orientados a co-aprender o material de aprendizagem (Figura 1A). Suas regiões temporoparietais...

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

O protocolo de realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS sobre disads de aprendizagem colaborativa em um ambiente de aprendizagem naturalista é delineado. Além disso, é apresentado um pipeline para analisar os sinais inter-cerebrais de síncronia oxigenada (Oxy-Hb).

Sincronia inter-cerebral em aprendizagem colaborativa aberta: um estudo fNIRS-Hyperscanning

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

Este protocolo revela a sincronia inter-cerebral nos díades colaborativos no ambiente naturalista pela técnica de hiperscanagem fNIRS. A vantagem significativa dessa técnica é que permite a investigação da dinâmica em tempo real de dois ou mais cérebros interagindo. Antes de iniciar o experimento, inicie o sistema de espectroscopia infravermelha próxima para alcançar uma temperatura de operação estável, em seguida, adote uma tampa de natação elástica para colocar a grade portadora de optode e preparar as tampas NIRS como descrito no manuscrito do texto.Para um canal com sinais insuficientes, use as sondas de fibra óptica iluminadas para mover o cabelo sob a ponta da sonda para um lado. Uma vez estabilizada a temperatura de operação, certifique-se de que o receptor do gatilho esteja ativo e ajuste o modo de medição para a medição relacionada ao evento. Prepare a sonda de fibra óptica iluminada para mover o cabelo de lado.Instrua os participantes sobre os detalhes dos métodos de medição do NIRS e não olhe diretamente para os raios laser, pois o raio laser pode ser prejudicial aos olhos do participante. Faça com que os participantes se sentem cara a cara para garantir que eles possam se ver diretamente e ajustar a distância cadeira-mesa para fazer com que os participantes se sentem confortavelmente. Ligue o botão laser, coloque os quatro feixes de fibra óptica soltos nos braços do suporte sem contato com os participantes ou cadeiras e coloque a tampa com os conjuntos de sonda nas cabeças dos participantes, garantindo que os conjuntos de sondas de três por cinco cubram a testa do participante e os conjuntos de sondas quatro por quatro cobrem o córtex temporoparietal esquerdo, em seguida, empurre cuidadosamente cada sonda de carga de mola mais para dentro do soquete da sonda para que a ponta da sonda toque o couro cabeludo do participante.Em seguida, permita que dois participantes co-aprendam os materiais de aprendizagem com cinco minutos de descanso, o que serve como linha de base. Primeiro, para verificar a qualidade do sinal, clique no ganho automático na janela do monitor do conjunto de sondas da máquina NIRS funcional e, em seguida, marque o sinal ruim do canal em amarelo e o sinal suficiente em verde e repita este procedimento até que todos os canais estejam marcados verde. Após o experimento, clique no Arquivo de texto para exportar os dados de intensidade de luz bruta e salvar os dados como um arquivo de texto.Use o digitalizador tridimensional para determinar os locais de emissores, receptores e outras referências para cada participante e, em seguida, obtenha as coordenadas MNI dos canais de gravação usando a plataforma de computação numérica comercialmente disponível. Os dados de cada participante de cada canal foram analisados. A optodensidade no canal 33 para um certo díade foi visualizada.Os dados foram extraídos utilizando os artefatos de movimento baseados em ondas removendo o método, sozinhos e junto com a análise dos componentes principais. A diferença entre as curvas sugere que o PCA é eficiente na remoção de sinais não neurais. A matriz de coerência de wavelet foi visualizada.O mapa de cores variou de azul a amarelo, representando valores de sincronia inter-cérebro que variam de zero a um, onde se denota a maior coerência entre dois sinais e zero não denota coerência. Além disso, também foram obtidos coeficientes significativos, a forte coerência em torno de um hertz representando a coerência do ritmo cardíaco do táingo. A comparação entre o valor T observado e a distribuição do valor T aleatório apresenta resultados significativos na FOI identificada.É importante garantir que o conjunto de sondas cubra a região dos interesses e tente reduzir o desvio.

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