Name: how to calculate and validate inter-brain synchronization in a fnirs hyperscanning study
Uploaded: 2021-09-08T14:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about How to Calculate and Validate Inter-brain Synchronization in a fNIRS Hyperscanning Study at JoVE.com

Dit onderzoek werd ondersteund door: National Natural Science Foundation of China (31872783, 31800951).

Het hier gepresenteerde protocol werd goedgekeurd door de University Committee on Human Research Protection van de East China Normal University.
1. Voorbereiding op het experiment
<ol><li>Deelnemers<ol>
<li>Rekruteer een groep niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten met geldelijke compensatie door de campusreclame.</li>
		<li>Zorg ervoor dat de deelnemers rechtshandig zijn en een normaal of gecorrigeerd naar normaal zicht en gehoor hebben. Zorg ervoor dat ze geen muziek hebben gestudeer...

Dit protocol biedt een stapsgewijze procedure om IBS te berekenen en te valideren, met behulp van de fNIRS hyperscanning-benadering om tegelijkertijd de hersensignalen van twee deelnemers te verzamelen. Enkele kritieke kwesties die verband houden met fNIRS-gegevensvoorverwerking, IBS-berekening, statistieken en IBS-validatie worden hieronder besproken.
Voorbehandeling van gegevens Het is noodzakelijk om fNIRS-gegevens voor te verwerken in hyperscanningstudies om echte signa...

Wanneer mensen coördineren met anderen, worden hun hersenen en lichamen een gekoppelde eenheid door voortdurende wederzijdse aanpassing. De koppeling tussen hersenen kan worden weergegeven door inter-hersensynchronisatie (IBS) via de hyperscanning-benadering, die tegelijkertijd de hersensignalen van twee of meer individuen registreert1. Inderdaad, een groeiend aantal fNIRS / EEG hyperscanning studies heeft IBS gevonden in verschillende samenwerkingscontexten, waaronder vingertikken2,groep lopen3,drumsspelen 4,gitaar spelen 5 enzingen/ neuriën6. fNIRS wordt veel gebruikt voor het onderzoek naar PDS tijdens sociale interactie, omdat het de bewegingen van hoofd / lichaam in relatief natuurlijke omgevingen (in vergelijking met fMRI / EEG) minder beperkt7.
Het artikel presenteert een protocol voor het berekenen van IBS via wavelet transform coherence (WTC) methode in een fNIRS hyperscanning studie. WTC is een methode voor het beoordelen van de kruiscorrelatie tussen twee bewegingssignalen op het tijd-frequentievlak en kan daarom meer informatie geven dan de traditionele correlatieanalyse (bijv. Pearson-correlatie en kruiscorrelatie), die alleen in het tijdsdomein8ligt . Bovendien worden hemodynamische signalen omgezet in wavelet-componenten, die de laagfrequente ruis effectief kunnen verwijderen. Hoewel WTC tijdrovend is, is het de meest gebruikte methode voor het berekenen van PDS in actie imitatie9,coöperatief gedrag10,verbale communicatie11,besluitvorming12en interactief leren13.
Het artikel presenteert ook hoe IBS te valideren met de op permutatie gebaseerde willekeurige paring van onderzoeken, omstandigheden en deelnemers. De IBS in hyperscanningstudies wordt altijd voorgesteld om online sociale interactie tussen individuen te volgen, terwijl het ook kan worden geïnterpreteerd door andere verklaringen, zoals de stimulusovereenkomst, bewegingsgelijkvormigheid of conditieovereenkomst14. Permutatietest, ook wel randomisatietest genoemd, kan worden gebruikt om de bovengenoemde nulhypothesen te testen door de waargenomen gegevens opnieuw te bemonsteren15. Door permutatie te gebruiken, is het nuttig om te onderzoeken of de geïdentificeerde IBS specifiek is voor interactief gedrag, variërend van modulatie van IBS binnen dyads tot tussen groepen partners16.
Het protocol dat hier wordt beschreven, beschrijft hoe hersensignalen kunnen worden verkregen via fNIRS-technologie, IBS kunnen worden berekend via de WTC-methode en IBS kan worden gevalideerd door permutatietests in een hyperscanningstudie. Deze studie heeft tot doel te onderzoeken of geprivilegieerde PDS wordt opgewekt door muziekmeters tijdens sociale coördinatie. De hersensignalen werden geregistreerd in de frontale cortex, gebaseerd op de locatie van de PDS in een eerdere bevinding1. De experimentele taak werd oorspronkelijk ontwikkeld door Konvalinka en haar colleges17, waarbij deelnemers werd gevraagd om op hun vingers te tikken met de auditieve feedback van de partner of zichzelf na het luisteren naar de meter of niet-meter stimuli.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Computer</td>
			<td>Hewlett-Packard Development Company, L.P.</td>
			<td>HP S01-pF157mcn</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Earphone</td>
			<td>Royal Philips Electronics, Eindhoven, The Netherlands</td>
			<td>SHE2405BK/00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EEG cap</td>
			<td>Compumedics Neuroscan, Charlotte, USA</td>
			<td>64-channel Quik-Cap</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E-Prime software</td>
			<td>Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, USA</td>
			<td>E-Prime 3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>fNIRS system</td>
			<td>Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan</td>
			<td>ETG-7100 Optical Topography System</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB 2014b</td>
			<td>The MathWorks, Inc., Natick, MA</td>
			<td>MATLAB 2014b</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MuseScore</td>
			<td>Musescore Company, Belgium</td>
			<td>MuseScore 3.6.2.548021803</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Swimming cap</td>
			<td>Decathlon Group, Villeneuve-d&#39;Ascq, France</td>
			<td>1681552</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

how to calculate and validate inter-brain synchronization in a fnirs hyperscanning study

De dynamiek tussen gekoppelde hersenen van individuen wordt in toenemende mate weergegeven door inter-hersensynchronisatie (PDS) wanneer ze met elkaar coördineren, meestal met behulp van gelijktijdig opnemende signalen van hersenen (namelijk hyperscanning) met fNIRS. In fNIRS hyperscanning studies is IBS vaak beoordeeld via de wavelet transform coherence (WTC) methode vanwege het voordeel op het uitbreiden van tijdreeksen in tijd-frequentie ruimte waar oscillaties op een zeer intuïtieve manier kunnen worden gezien. De waargenomen PDS kan verder worden gevalideerd via de op permutatie gebaseerde willekeurige paring van de studie, partner en aandoening. Hier wordt een protocol gepresenteerd om te beschrijven hoe hersensignalen kunnen worden verkregen via fNIRS-technologie, IBS kan worden berekend via de WTC-methode en IBS kan worden gevalideerd door permutatie in een hyperscanningstudie. Verder bespreken we de kritieke problemen bij het gebruik van de bovenstaande methoden, waaronder de keuze van fNIRS-signalen, methoden voor het voorbewerken van gegevens en optionele parameters van berekeningen. Samenvattend, het gebruik van de WTC-methode en permutatie is een potentieel standaard pijplijn voor het analyseren van IBS in fNIRS hyperscanning studies, wat bijdraagt aan zowel de reproduceerbaarheid als de betrouwbaarheid van IBS.

De resultaten toonden aan dat er IBS was bij kanaal 5 in de metercoördinatieconditie, terwijl er geen IBS bestond in andere omstandigheden (d.w.z. meteronafhankelijkheid, niet-metercoördinatie, niet-meteronafhankelijkheid; Figuur 2A). Bij kanaal 5 was de IBS in de metercoördinatieconditie significant hoger dan de coherentiewaarden in de niet-metercoördinatie en meteronafhankelijkheidsconditie (figuur 2B). Kanaal 5 behoorde ongeveer tot de linker dorsolateral...

Watch this Scientific Journal Video about How to Calculate and Validate Inter-brain Synchronization in a fNIRS Hyperscanning Study at JoVE.com

How to Calculate and Validate Inter-brain Synchronization in a fNIRS Hyperscanning Study

Hoe inter-brain synchronisatie te berekenen en te valideren in een fNIRS Hyperscanning-studie

The dynamics between coupled brains of individuals have been increasingly represented by inter-brain synchronization (IBS) when they coordinate with each ...

Dit protocol biedt een potentieel standaard pijplijn voor het analyseren van Inter-Brain synchronisatie in fNIRS Hyper-scanning Study. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het het mogelijk maakt om de inter-hersensynchronisatiewet te berekenen die de coherente methode transformeert en inter-hersensynchronisatiemanieren valideert, permutatie op basis van empowerment van borstaandoeningen en deelneemt. Voer alle data-analyse uit met behulp van de MATLAB-software met de juiste toolboxen.Tijdens de voorbewerking van gegevens, met name met behulp van de principecomponentanalyse en op correlatie gebaseerde signaalverbeteringsmethode, verwijdert u de F N I R S globale fysiologische ruis met behulp van het NPCA-filter. En de hoofdbewegingsartefacten met behulp van de HMR-bewegingscorrectie onderstrepen CBSI van Homerus twee. Vervolgens, voor het berekenen van Inter-Brain synchronisatie of IBS, gebruik de wavelet transform coherente functie van cross wavelet en wavelet coherent toolbox met standaardparameters, en bereken de coherente waarden op elk moment in frequentiepunt om een tweeassige matrix van coherente waarden te verkrijgen.Gebruik voor de standaardparameters de Morlet-moedergolflet om elke tijdreeks om te zetten in het tijd- en frequentiedomein door de continue wavelettransformatie. Om vervolgens de frequentieband van belang te kiezen, selecteert u een gemiddelde van de coherente waarden van de frequentieband tussen 0,5 tot één Hertz. Volgens de frequentieband die wordt gebruikt bij de vingerbewegingstaak van de F N I R S Hyper-scanning studie.Verkrijg één kolom met coherente waarden voor elk paar. Selecteer vervolgens een gemiddelde van de coherente waarden van het tijdvenster tijdens de rustfase. En voor elke experimentele toestand, met behulp van de informatie van mark, verkrijgen vijf coherente waarden voor elke dyade voor de taaksessie, selecteer alleen de duur waarin deelnemers tikten om de auditieve stimulus te reproduceren, wat ongeveer 12 seconden is voor elke proef, wat resulteert in een totaal van 180 seconden voor elke experimentele toestand.Trek vervolgens de rustende coherente waarde af van de taakgerelateerde coherente waarde. Omdat de coherentiewaarde tijdens de rusttoestand als basis wordt gebruikt in dit experiment. Vervolgens, met behulp van de gepaarde monsters permutatie T-test met de mout underscore comp underscore perm T1 functie van druppels werken.Vergelijk de afgetrokken coherente waarden met nul bij elk kanaal voor elke experimentele toestand. Corrigeer vervolgens met behulp van de A FDR-functie van de MATLAB-toolbox de P-waarden met de false discovery rate-methode. Vergelijk vervolgens met behulp van de gepaarde monsters permutatie T-test met de moutonderstreping comp underscore perm underscore T1-functie van druppels werk, de coherentiewaarden tussen verschillende taakomstandigheden in het kanaal waar IBS bestond.Gebruik voor het valideren van de IBS de rant perm-functie een MATLAB om het label van onderzoeken in de metercoördinatieconditie voor één dyade in elk kanaal te randomiseren. Volg de gedemonstreerde pijplijn voor het berekenen van de IBS en statistieken voor het gerandomiseerde onderzoekslabel, exclusief de gevoeligheidsanalyse voor de frequentieband van belang. Voer de permutatie 1000 keer uit en plot vervolgens de verdeling van statistische Z-waarden gegenereerd binnen dyadpermutatie.Volg vervolgens de pijplijn om de IBS en statistieken te berekenen na het randomiseren van de paring van de deelnemers aan dezelfde studie, in de toestand van de metercoördinatie. Volg ten slotte de pijplijn opnieuw na het randomiseren van de conditielabels voor dezelfde leden van één dyade in dezelfde studie. De resultaten toonden de aanwezigheid van IBS bij kanaal vijf in de metercoördinatieconditie.Terwijl er bij de andere aandoeningen geen PDS werd gedetecteerd. Bij kanaal vijf waren de IBS en de metercoördinatieconditie significant hoger dan de coherente waarden in de niet-metercoördinatie en meteronafhankelijkheidsconditie. Permutatieanalyse toonde aan dat de waargenomen IBS zich waarschijnlijk presenteerde bij twee individuen van één dyade die probeerden met elkaar te synchroniseren in de gematchte tijd, maar niet in de tijdpartner of toestand van willekeurige paring.Zorg ervoor dat de PDS specifiek is voor zeldzame interactie. Dus, het berekenen van PDS in de taak, gecorreleerde frequentieband en per muterende vertrouwensvoorwaarden en interviews. Het berekenen van de IBS van alle kanalen binnen het bereik, of over verschillende kanalen en de regio's, zou de IBS-berekeningspartner verrijken.Het analyseren van het Inter-Brain netwerk voor grote groepen deelnemers aan natuurlijke interacties zal de kwalificatie van sociale interactie ten goede komen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

How to Build a Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) System to Monitor Blood Flow

How to Build a Laser Speckle Contrast Imaging LSCI System to Monitor Blood Flow

Hoe maak je een laser bouwen Speckle Contrast Imaging (LSCI) Systeem om Blood Flow Monitor

Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) is a simple yet powerful technique that is used for full-field imaging of blood flow.  The technique analyzes ...

How to Create and Use Binocular Rivalry

Hoe te maken en gebruiken Verrekijker Rivaliteit

Each of our eyes normally sees a slightly different image of the world around us. The brain can combine these two images into a single coherent ...

How to Find Effects of Stimulus Processing on Event Related Brain Potentials of Close Others when Hyperscanning Partners

Hoe vinden effecten van Stimulus verwerking op gebeurtenis verwante hersenen potentieel van nauwe anderen wanneer Hyperscanning Partners

The partners of each pair must be able to pass the McGill Friendship Questionnaire without communicating. Each partner is then seated in front of a screen ...

Conducting Hyperscanning Experiments with Functional Near-Infrared Spectroscopy

Hyperscanning experimenten met functionele nabij-infrarood spectroscopie

Concurrent brain recordings of two or more interacting persons, an approach termed hyperscanning, are gaining increasing importance for our understanding ...

How to Obtain Reliable Visual Event-related Potentials in Newborns

Het verkrijgen van betrouwbare visuele event-gerelateerde Potentials in pasgeborenen

The present study discusses the characteristics of visual event-related potentials (VEPs) and outlines methodological steps for obtaining reliable ...

Combining Behavior and EEG to Study the Effects of Mindfulness Meditation on Episodic Memory

Gedrag en EEG combineren om de effecten van Mindfulness-meditatie op episodisch geheugen te bestuderen

Although there has been recent interest in how mindfulness meditation can affect episodic memory as well as brain structure and function, no study has ...

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

Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: een fNIRS-Hyperscanning Studie

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

Measurement of the Directional Information Flow in fNIRS-Hyperscanning Data using the Partial Wavelet Transform Coherence Method

Meting van de directionele informatiestroom in fNIRS-Hyperscanning-gegevens met behulp van de Partial Wavelet Transform Coherence Method

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

Revolutionizing fNIRS Studies&#58; A Novel Approach to Neural Coupling

New Framework for Understanding Cross-Brain Coherence in Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) Hyperscanning Studies

Unlocking New Insights in fNIRS Studies -  A Novel Framework for Inter-Brain Synchrony Analysis (Video) | JoVE

Nieuw raamwerk voor het begrijpen van cross-brain coherentie in functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) hyperscanningstudies

Despite the growing body of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) hyperscanning studies, the assessment of coupling between two neural signals ...

Simultaneous Data Collection of fMRI and fNIRS Measurements Using a Whole-Head Optode Array and Short-Distance Channels

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional ...