Name: how to calculate and validate inter-brain synchronization in a fnirs hyperscanning study
Uploaded: 2021-09-08T14:15:00
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Diese Forschung wurde unterstützt von: National Natural Science Foundation of China (31872783, 31800951).

Das hier vorgestellte Protokoll wurde vom University Committee on Human Research Protection der East China Normal University genehmigt.
1. Vorbereitung auf das Experiment
<ol><li>Teilnehmer<ol>
<li>Rekrutieren Sie eine Gruppe von Studenten und Doktoranden mit finanzieller Entschädigung durch die Campus-Werbung.</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer Rechtshänder sind und normales oder auf normales Sehen und Hören korrigiert haben. Stellen Sie sicher, dass sie musik nicht oder ...

Dieses Protokoll bietet ein Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Berechnung und Validierung von IBS mit dem fNIRS-Hyperscanning-Ansatz, um gleichzeitig die Gehirnsignale von zwei Teilnehmern zu sammeln. Einige kritische Probleme im Zusammenhang mit der fNIRS-Datenvorverarbeitung, der IBS-Berechnung, der Statistik und der IBS-Validierung werden im Folgenden erläutert.
Datenvorverarbeitung Es ist notwendig, fNIRS-Daten in Hyperscanning-Studien vorzuverarbeiten, um reale Signal...

Wenn Menschen sich mit anderen koordinieren, werden ihre Gehirne und Körper durch kontinuierliche gegenseitige Anpassung zu einer gekoppelten Einheit. Die Kopplung zwischen Gehirnen kann durch Inter-Brain-Synchronisation (IBS) durch den Hyperscanning-Ansatz dargestellt werden, der gleichzeitig die Gehirnsignale von zwei oder mehr Individuen aufzeichnet1. In der Tat hat eine wachsende Zahl von fNIRS / EEG-Hyperscanning-Studien IBS in verschiedenen Kollaborationskontexten gefunden, einschließlich Fingerklopfen2,Gruppengehen3,Schlagzeug spielen4,Gitarre spielen5und Singen / Summen6. fNIRS wird häufig für die Erforschung von IBS während der sozialen Interaktion verwendet, da es die Kopf- / Körperbewegungen in relativ natürlichen Umgebungen (im Vergleich zu fMRT / EEG) weniger einschränkt7.
Der Artikel stellt ein Protokoll zur Berechnung von IBS mittels Wavelet-Transformationskohärenz (WTC) -Methode in einer fNIRS-Hyperscanning-Studie vor. WTC ist eine Methode zur Beurteilung der Kreuzkorrelation zwischen zwei Bewegungssignalen auf der Zeit-Frequenz-Ebene und kann daher mehr Informationen liefern als die traditionelle Korrelationsanalyse (z. B. Pearson-Korrelation und Kreuzkorrelation), die nur im Zeitbereich8 liegt. Darüber hinaus werden hämodynamische Signale in Wavelet-Komponenten umgewandelt, die das niederfrequente Rauschen effektiv entfernen können. Obwohl WTC zeitaufwendig ist, war es die am häufigsten verwendete Methode zur Berechnung von IBS in Aktion Nachahmung9, kooperatives Verhalten10, verbale Kommunikation11, Entscheidungsfindung12und interaktives Lernen13.
Der Artikel stellt auch vor, wie IBS mit der permutationsbasierten zufälligen Analyse von Studien, Bedingungen und Teilnehmern validiert werden kann. Das IBS in Hyperscanning-Studien wird immer vorgeschlagen, um die soziale Online-Interaktion zwischen Individuen zu verfolgen, während es auch durch andere Erklärungen interpretiert werden kann, wie die Reizähnlichkeit, Bewegungsähnlichkeit oder Zustandsähnlichkeit14. Der Permutationstest, auch Randomisierungstest genannt, kann genutzt werden, um die oben genannten Nullhypothesen durch Neuabtastung der beobachteten Daten zu testen15. Durch die Verwendung der Permutation ist es nützlich zu untersuchen, ob das identifizierte IBS spezifisch für interaktives Verhalten ist, das von der Modulation von IBS innerhalb von Dyaden bis hin zu Partnergruppenreicht 16.
Das hier beschriebene Protokoll beschreibt, wie Gehirnsignale über die fNIRS-Technologie erhalten, IBS durch die WTC-Methode berechnet und IBS durch Permutationstests in einer Hyperscanning-Studie validiert werden. Diese Studie zielt darauf ab, zu untersuchen, ob privilegierte IBS durch Musikmeter während der sozialen Koordination hervorgerufen wird. Die Gehirnsignale wurden im frontalen Kortex aufgezeichnet, basierend auf der Lage des IBS in einem früheren Befund1. Die experimentelle Aufgabe wurde ursprünglich von Konvalinka und ihren Colleges17entwickelt, bei der die Teilnehmer gebeten wurden, ihre Finger mit dem auditiven Feedback des Partners oder sich selbst zu klopfen, nachdem sie die Meter- oder Nicht-Meter-Reize gehört hatten.

<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

Die Dynamik zwischen gekoppelten Gehirnen von Individuen wurde zunehmend durch Inter-Brain-Synchronisation (IBS) dargestellt, wenn sie miteinander koordiniert werden, meist unter Verwendung von simultanen Aufzeichnungssignalen von Gehirnen (nämlich Hyperscanning) mit fNIRS. In fNIRS-Hyperscanning-Studien wurde IBS aufgrund seines Vorteils bei der Erweiterung von Zeitreihen in einen Zeit-Frequenz-Raum, in dem Oszillationen auf sehr intuitive Weise beobachtet werden können, üblicherweise durch die Wavelet-Transformationskohärenz-Methode (WTC) bewertet. Das beobachtete IBS kann über die permutationsbasierte zufällige Paarung von Studie, Partner und Bedingung weiter validiert werden. Hier wird ein Protokoll vorgestellt, um zu beschreiben, wie Gehirnsignale über die fNIRS-Technologie erhalten, IBS durch die WTC-Methode berechnet und IBS durch Permutation in einer Hyperscanning-Studie validiert werden können. Darüber hinaus diskutieren wir die kritischen Probleme bei der Verwendung der oben genannten Methoden, einschließlich der Auswahl von fNIRS-Signalen, Methoden der Datenvorverarbeitung und optionalen Parametern von Berechnungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung der WTC-Methode und der Permutation eine potenzielle Standardpipeline für die Analyse von IBS in fNIRS-Hyperscanning-Studien ist, die sowohl zur Reproduzierbarkeit als auch zur Zuverlässigkeit von IBS beiträgt.

Die Ergebnisse zeigten, dass es IBS auf Kanal 5 in der Zählerkoordinationsbedingung gab, während unter anderen Bedingungen (d. h. Zählerunabhängigkeit, Nicht-Zählerkoordination, Nicht-Zählerunabhängigkeit; Abbildung 2A). Bei Kanal 5 war das IBS in der Zählerkoordinationsbedingung signifikant höher als die Kohärenzwerte in der Nicht-Meterkoordinations- und Zählerunabhängigkeitsbedingung (Abbildung 2B). Kanal 5 gehörte ungefähr zum linken dorsolatera...

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

So berechnen und validieren Sie die Synchronisation zwischen Gehirnen in einer fNIRS-Hyperscanning-Studie

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

Dieses Protokoll bietet eine potenziell standardmäßige Pipeline zur Analyse der Inter-Brain-Synchronisation in der fNIRS Hyper-Scanning-Studie. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Berechnung des Inter-Brain-Synchronisationsgesetzes ermöglicht, das eine kohärente Methode transformiert und Inter-Brain-Synchronisationswege validiert, permutation basierend auf der Stärkung von Thoraxzuständen und Teilnehmern. Führen Sie alle Datenanalysen mit der MATLAB-Software mit geeigneten Toolboxes durch.Entfernen Sie während der Datenvorverarbeitung, insbesondere unter Verwendung der Prinzipkomponentenanalyse und der korrelationsbasierten Signalverbesserungsmethode, das globale physiologische Rauschen von F N I R S mithilfe des NPCA-Filters. Und die Kopfbewegungsartefakte, die die HMR-Bewegung korrigieren, unterstreichen die CBSI von Homer zwei. Als nächstes, für die Berechnung der Inter-Brain-Synchronisation oder IBS, übernehmen Sie die Wavelet-Transformations-kohärente Funktion von Cross-Wavelet und Wavelet-kohärente Toolbox mit Standardparametern und berechnen Sie die kohärenten Werte zu jeder Zeit im Frequenzpunkt, um eine Zwei-Achsen-Matrix kohärenter Werte zu erhalten.Verwenden Sie für die Standardparameter das Morlet-Mutter-Wavelet, um jede Zeitreihe durch die kontinuierliche Wavelet-Transformation in den Zeit- und Frequenzbereich zu transformieren. Um das interessierende Frequenzband auszuwählen, wählen Sie als Nächstes einen Mittelwert der kohärenten Werte des Frequenzbandes zwischen 0,5 und einem Hertz aus. Entsprechend dem Frequenzband, das bei der Fingerbewegungsaufgabe der F N I R S Hyper-Scanning-Studie verwendet wird.Rufen Sie eine Spalte mit kohärenten Werten für jedes Paar ab. Wählen Sie dann einen Durchschnitt der kohärenten Werte des Zeitfensters während der Ruhephase aus. Und für jede experimentelle Bedingung, mit der Information von mark, erhalten Sie fünf kohärente Werte für jede Dyade für die Aufgabensitzung, wählen Sie nur die Dauer, während der die Teilnehmer getippt haben, um den auditiven Reiz zu reproduzieren, was etwa 12 Sekunden für jeden Versuch ist, was insgesamt 180 Sekunden für jede experimentelle Bedingung ergibt.Subtrahieren Sie dann den ruhenden kohärenten Wert vom aufgabenbezogenen kohärenten Wert. Da der Kohärenzwert während des Ruhezustandes in diesem Experiment als Basislinie verwendet wird. Als nächstes funktioniert die Verwendung des gepaarten Probenpermutations-T-Tests mit der Malzunterstrich-Comp-Unterstrich-Perm-T1-Funktion von Tropfen.Vergleichen Sie die subtrahierten kohärenten Werte mit Null an jedem Kanal für jede experimentelle Bedingung. Korrigieren Sie dann mithilfe der Funktion a FDR der MATLAB-Toolbox die P-Werte mit der False Discovery Rate-Methode. Als nächstes vergleichen Sie unter Verwendung des gepaarten Probenpermutations-T-Tests mit der Malzunterstrich-Comp-Unterstrich-Dauerwelle der Tropfenarbeit die Kohärenzwerte zwischen verschiedenen Aufgabenbedingungen auf dem Kanal, in dem IBS existierte.Um das IBS zu validieren, verwenden Sie die Rant-Perm-Funktion eines MATLAB, um das Label der Studien in der Meterkoordinationsbedingung für eine Dyade an jedem Kanal zu randomisieren. Befolgen Sie die demonstrierte Pipeline zur Berechnung des IBS und die Statistiken für das randomisierte Studienetikett, mit Ausnahme der Sensitivitätsanalyse für das interessierende Frequenzband. Führen Sie die Permutation 1000 Mal durch und zeichnen Sie dann die Verteilung der statistischen Z-Werte, die innerhalb der Dyadenpermutation generiert werden.Folgen Sie als Nächstes der Pipeline, um das IBS und die Statistiken zu berechnen, nachdem Sie die Paarung der Teilnehmer derselben Studie im Zustand der Zählerkoordination randomisiert haben. Folgen Sie schließlich der Pipeline erneut, nachdem Sie die Bedingungsbeschriftungen für die gleichen Mitglieder einer Dyade in derselben Studie randomisiert haben. Die Ergebnisse zeigten das Vorhandensein von IBS an Kanal fünf im Zustand der Zählerkoordination.Während unter den anderen Bedingungen kein IBS nachgewiesen wurde. Bei Kanal fünf war die IBS- und Zählerkoordinationsbedingung signifikant höher als die kohärenten Werte in der Nicht-Meter-Koordination und Zählerunabhängigkeit. Die Permutationsanalyse zeigte, dass das beobachtete IBS wahrscheinlich bei zwei Individuen einer Dyade auftrat, die versuchten, sich in der übereinstimmenden Zeit miteinander zu synchronisieren, aber nicht im Zeitpartner oder Zustand der zufälligen Paarung.Stellen Sie sicher, dass das IBS spezifisch für seltene Interaktionen ist. Also, Berechnung von IBS in der Aufgabe, korreliertes Frequenzband und pro mutierende Vertrauensbedingungen und Interviews. Die Berechnung des IBS aller Kanäle innerhalb der einfachen Reichweite oder über verschiedene Kanäle und Regionen hinweg würde den IBS-Berechnungspartner bereichern.Die Analyse des Inter-Brain-Netzwerks für große Gruppen von Teilnehmern an natürlichen Interaktionen wird der Qualifizierung der sozialen Interaktion zugute kommen.

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