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

Detta arbete stöds av ECNU Academic Innovation Promotion Program for Excellent Doctoral Students (YBNLTS2019-025) och National Natural Science Foundation of China (31872783 and 71942001).

Alla rekryterade deltagare (40 dyads, medelålder 22,1 ± 1,2 år; 100% högerhänta; normala eller korrigerade till normala vision) var friska. Före experimentet gav deltagarna informerat samtycke. Deltagarna fick ekonomisk ersättning för sitt deltagande. Studien godkändes av University Committee of Human Research Protection (HR-0053-2021), East China Normal University.
1. Förbereda steg innan data antas
<ol><li>Hemlagade NIRS-kepsar<ol>
<li>Använd elastisk badmössa för att placera...

För det första anges i det nuvarande protokollet de specifika stegen för att utföra fNIRS hyperscanning experiment i ett samarbetsscenario. För det andra presenteras också den dataanalyspipeline som bedömer IBS av hemodynamiska signaler i kollaborativa inlärningsdyader. Den detaljerade operationen för att genomföra fNIRS hyperscanning experiment skulle främja utvecklingen av öppen vetenskap. Dessutom tillhandahålls analyspipelinen här för att öka reproducerbarheten av hyperscanning forskning. I följande ...

Nyligen, för att avslöja den samtidiga hjärnaktiviteten över de interaktiva dyaderna eller medlemmarna i en grupp, använder forskare hyperscanningsmetoden1,2. Specifikt används elektroencefalogram (EEG), funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) och funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) för att registrera neurala och hjärnaktiviteter från två eller flera ämnen samtidigt3,4,5. Forskare extraherar ett neuralt index som innebär samtidig hjärnkoppling baserat på denna teknik, som hänvisar till inter-brain synkrony (IBS) (dvs. fas och/eller amplitud justering av neuronala eller hemodynamiska signaler över tiden). Ett stort utbud av hyperscanning forskning hittade IBS under social interaktion mellan flera individer (t.ex. spelar-publik, instruktör-elev och leader-följare)6,7,8. Dessutom har IBS särskilda konsekvenser av effektivt lärande och undervisning9,10,11,12,13,14. Med den växande hyperscanning av forskning i naturalistiska inlärningsscenarier är det nödvändigt att upprätta ett standardprotokoll för hyperscanning experiment och pipeline av dataanalys inom detta område.
Således ger detta dokument ett protokoll för att genomföra fNIRS-baserad hyperscanning av kollaborativa inlärningsdyader och en pipeline för att analysera IBS. fNIRS är ett optiskt avbildningsverktyg som utstrålar nära infrarött ljus för att bedöma spektral absorptionen av hemoglobin indirekt, och sedan mäts hemodynamisk/syresättningsaktivitet15,16,17. Jämfört med fMRI är fNIRS mindre benägna att rörelseartefakter, vilket möjliggör mätningar från ämnen som gör verkliga experiment (t.ex. imitation, samtal och icke-verbal kommunikation)18,7,19. I jämförelse med EEG har fNIRS högre rumslig upplösning, vilket gör det möjligt för forskare att upptäcka platsen för hjärnaktivitet20. Dessa fördelar i rumslig upplösning, logistik och genomförbarhet kvalificerar fNIRS för att utföra hyperscanning mätning1. Med hjälp av denna teknik upptäcker ett framväxande forskningsorgan en indexterm som IBS-den neurala justeringen av två (eller flera) människors hjärnaktivitet - i olika former av naturalistiska sociala inställningar9,10,11,12,13,14. I dessa studier tillämpas olika metoder (dvs. korrelationsanalys och WTC-analys (Wavelet Transform Coherence) för att beräkna detta index. Under tiden är det nödvändigt med en standardpipeline för en sådan analys, men saknas. Som ett resultat presenteras ett protokoll för att genomföra fNIRS-baserad hyperscanning och en pipeline med WTC-analys för att identifiera IBS i detta arbete
Denna studie syftar till att utvärdera IBS i kollaborativa inlärningsdyader med hjälp av fNIRS hyperscanningsteknik. För det första registreras ett hemodynamiskt svar samtidigt i varje dyads prefrontala och vänstra temporoparietala regioner under en samarbetsuppgift. Dessa regioner har identifierats som associerade med interaktiv undervisning och lärande9,10,11,12,13,14. För det andra beräknas IBS på varje motsvarande kanal. FNIRS-datainspelningsprocessen består av två delar: vilotillståndssession och samarbetssession. Vilotillståndssessionen varar i 5 minuter, under vilken båda deltagarna (sittande ansikte mot ansikte, förutom varandra vid ett bord (0,8 m)) måste vara stilla och koppla av. Den här vilotillståndssessionen används som baslinje. Sedan, i samarbetssessionen, uppmanas deltagarna att studera hela läromaterialet tillsammans, framkalla förståelse, sammanfatta reglerna och se till att allt läromedel behärskas. Här presenteras de specifika stegen för att genomföra experimentet och 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 hyperscanning används ofta för att upptäcka neurobiologiska underbyggnader av social interaktion. Med denna teknik kvalificerar forskare den samtidiga hjärnaktiviteten hos två eller flera interaktiva individer med ett nytt index som kallas inter-brain synchrony (IBS) (dvs. fas- och/eller amplitudjustering av neuronala eller hemodynamiska signaler över tiden). Ett protokoll för att genomföra fNIRS hyperscanning experiment på kollaborativa lärande dyads i en naturalistisk inlärningsmiljö presenteras här. Vidare förklaras en pipeline för att analysera IBS av syresatt hemoglobin (Oxy-Hb) signal. Specifikt diskuteras den experimentella designen, processen för NIRS-dataregistrering, dataanalysmetoder och framtida riktningar. Sammantaget är implementering av en standardiserad fNIRS hyperscanning pipeline en grundläggande del av andrapersons neurovetenskap. Detta ligger också i linje med kravet på öppen vetenskap för att underlätta forskningens reproducerbarhet.

Figur 1 illustrerar experimentprotokollet och sondplatsen. FNIRS-datainspelningsprocessen består av två delar: vilotillståndssession (5 min) och samarbetssession (15-20 min). De kollaborativa inlärningsdyaderna måste slappna av och hålla sig stilla i vilotillståndssessionen. Därefter uppmanas deltagarna att vara med och lära sig inlärningsmaterialet (figur 1A). Deras prefrontala och vänstra temporoparietala regioner omfattas av motsvarande sonduppsät...

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

Protokollet för att genomföra fNIRS hyperscanning experiment på kollaborativa inlärningsdyader i en naturalistisk inlärningsmiljö beskrivs. Vidare presenteras en pipeline för att analysera Inter-Brain Synchrony (IBS) av syresatt hemoglobin (Oxy-Hb) signaler.

Inter-Brain Synchrony i open-ended collaborative learning: En fNIRS-Hyperscanning-studie

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

Detta protokoll avslöjar inter-brain synkronitet i kollaborativa dyads i den naturalistiska miljön av fNIRS hyperscanning teknik. Den betydande fördelen med denna teknik är att den möjliggör undersökning av realtidsdynamiken hos två eller flera interagerande hjärnor. Innan du börjar experimentet, starta det nära infraröda spektroskopisystemet för att uppnå en stabil driftstemperatur, anta sedan en elastisk badlock för att placera optodhållarnätet och förbereda NIRS-kepsarna enligt beskrivningen i textmanuskriptet.För en kanal med otillräckliga signaler, använd de upplysta fiberoptiska sonderna för att flytta håret under sondens spets åt ena sidan. När driftstemperaturen har stabiliserats, se till att avtryckarmottagaren är aktiv och ställ in mätläget på händelserelaterad mätning. Förbered den upplysta fiberoptiska sonden för att flytta håret åt sidan.Instruera deltagarna om detaljerna i NIRS mätmetoder och att inte titta direkt in i laserstrålarna eftersom laserstrålen kan vara skadlig för deltagarens ögon. Låt deltagarna sitta ansikte mot ansikte för att se till att de kan se varandra direkt och justera avståndet från stol till bord så att deltagarna sitter bekvämt. Slå på laserknappen, sätt löst de fyra optiska fiberbuntarna på hållarens armar utan kontakt med deltagarna eller stolarna och placera locket med sondens uppsättningar på deltagarnas huvuden, så att de tre gånger fem sonduppsättningarna täcker deltagarens panna och de fyra gånger fyra sonduppsättningarna täcker den vänstra temporoparietala cortexen, Tryck sedan försiktigt varje fjäderbelastningssond längre in i sondens uttaget så att sondens spets vidrör deltagarens hårbotten.Låt sedan två deltagare lära sig inlärningsmaterialet med fem minuters vilotillstånd, som fungerar som baslinje. För att först kontrollera signalens kvalitet klickar du på den automatiska förstärkningen i den funktionella NIRS-maskinens övervakningsfönster för sonduppsättningen och markerar sedan kanalens dåliga signal i gult och tillräcklig signal i grönt och upprepar denna procedur tills alla kanaler är markerade gröna. Efter experimentet klickar du på Textfil ut för att exportera råa ljusintensitetsdata och spara data som en textfil.Använd den tredimensionella digitizern för att bestämma platserna för emittrar, mottagare och andra referenser för varje deltagare och skaffa sedan MNI-koordinaterna för inspelningskanalerna med hjälp av den kommersiellt tillgängliga numeriska datorplattformen. Data från varje deltagare i varje kanal analyserades. Optodensiteten i kanal 33 för en viss dyad visualiserades.Data extraherades med hjälp av wavelet-baserade rörelse artefakter ta bort metoden, ensam och tillsammans med de viktigaste komponenterna analys. Skillnaden mellan kurvorna tyder på att PCA är effektivt för att ta bort icke-neurala signaler. Wavelet transform koherens matrisen visualiserades.Färgkartan varierade från blått till gult, vilket representerar synkronvärden mellan hjärnor som sträcker sig från noll till ett, där man betecknar den största samstämmigheten mellan två signaler och noll betecknar ingen koherens. Dessutom erhölls betydande koefficienter, den starka koherensen runt en hertz som representerar dyadens hjärtrytm koherens. Jämförelsen mellan det observerade T-värdet och fördelningen av slumpmässigt T-värde visar signifikanta resultat i identifierade FOI.Det är viktigt att se till att sonduppsättningen täcker intresseområdet och försöker minska avvikelsen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Använda MazeSuite och funktionell Near Infrared spektroskopi för att studera Lärande i Spatial navigering

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

Kartläggning Kortikala Dynamics med samtidig MEG / EEG och anatomiskt-begränsade Minsta-norm uppskattningar: en auditiv uppmärksamhet Exempel

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 Associativ Olfactory Lärande 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 Metod för inspelning Intracellulärt Spännings svar av<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptorer och Intern på ljusstimuli<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

Mikrotillstånd och Omega komplexitet analyser av den vilande-state elektroencefalografi

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 och reproducerbara Test av lukt lärande och diskriminering i möss

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

Störningar i frontalloben neurala synkronin under kognitiv kontroll av alkoholförgiftning

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 ett associativt inlärningsverktyg för kognitiv bedömning i inlärnings- och minnesstudier med vuxen zebrafisk

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

Hur man beräknar och validerar synkronisering mellan hjärnor i en 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

Mätning av riktningsinformationsflödet i fNIRS-hyperskanningsdata med hjälp av partialvåglettransformkoherensmetoden

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