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

Denne forskningen ble støttet av: National Natural Science Foundation of China (31872783, 31800951).

Protokollen som presenteres her ble godkjent av Universitetskomiteen for menneskelig forskningsbeskyttelse ved East China Normal University.
1. Forberedelse til eksperimentet
<ol><li>Deltakere<ol>
<li>Rekrutter en gruppe studenter og uteksaminere studenter med økonomisk kompensasjon av campusannonseringen.</li>
		<li>Sørg for at deltakerne er høyrehendte og har normal eller korrigert til normal syn og hørsel. Forsikre deg om at de ikke har studert musikk eller har studert den i mindre en...

Denne protokollen gir en trinnvis prosedyre for å beregne og validere IBS, ved hjelp av fNIRS hyperskanning tilnærming for samtidig å samle to deltakeres hjernesignaler. Noen kritiske problemer som er involvert i fNIRS-dataforbehandling, IBS-beregning, statistikk og IBS-validering, diskuteres nedenfor.
Forhåndsbehandling av data Det er nødvendig å forhåndsbehandle fNIRS-data i hyperskanningsstudier for å trekke ut reelle signaler fra mulig støy (dvs. bevegelsesarte...

Når folk koordinerer med andre, blir hjernen og kroppene deres en koblet enhet gjennom kontinuerlig gjensidig tilpasning. Koblingen mellom hjerner kan representeres av inter-brain synkronisering (IBS) gjennom hyperscanning tilnærming, som samtidig registrerer to eller flere individers hjernesignaler1. Faktisk har en voksende kropp av fNIRS / EEG hyperskanning studier funnet IBS i ulike samarbeidskontekster, inkludert finger tapping2, gruppe walking3, spille trommer4, gitar spille5, og synge / nynne6. fNIRS er mye brukt til forskning på IBS under sosial interaksjon, da det mindre begrenser hode / kroppsbevegelser i relativt naturlige omgivelser (sammenlignet med fMRI / EEG)7.
Artikkelen presenterer en protokoll for beregning av IBS via WTC-metode (wavelet transform coherence) i en fNIRS hyperskanningsstudie. WTC er en metode for å vurdere krysskorrelasjonen mellom to bevegelsessignaler på tidsfrekvensplanet, og kan derfor gi mer informasjon enn den tradisjonelle korrelasjonsanalysen (f.eks. Pearson-korrelasjon og krysskorrelasjon), som bare er i tidsdomenet8. I tillegg omdannes hemodynamiske signaler til waveletkomponenter, som effektivt kan fjerne lavfrekvent støy. Selv om WTC er tidkrevende, har det vært den mest brukte metoden for å beregne IBS i handlingsimitasjon9, samarbeidsvirkemåte10, verbal kommunikasjon11, beslutningstaking12og interaktiv læring13.
Artikkelen presenterer også hvordan du validerer IBS med permutasjonsbasert tilfeldig paring av studier, betingelser og deltakere. IBS i hyperskanningsstudier foreslås alltid å spore sosial interaksjon på nettet mellom enkeltpersoner, mens den også kan tolkes av andre forklaringer, for eksempel stimulanslikhet, bevegelseslikhet eller tilstandslikhet14. Permutasjonstest, også kalt randomiseringstest, kan utnyttes til å teste de ovennevnte nullhypotesene ved å oppdatere de observerte dataene15. Ved hjelp av permutasjon er det nyttig å undersøke om den identifiserte IBS er spesifikk for interaktiv atferd, alt fra modulering av IBS i dyader til mellom grupper av partnere16.
Protokollen som er beskrevet her beskriver hvordan du får tak i hjernesignaler via fNIRS-teknologi, beregner IBS gjennom WTC-metoden og validerer IBS ved permutasjonstesting i en hyperskanningsstudie. Denne studien tar sikte på å undersøke om privilegert IBS fremkalles av musikkmålere under sosial koordinering. Hjernesignalene ble registrert i frontal cortex, basert på plasseringen av IBS i et tidligere funn1. Den eksperimentelle oppgaven ble opprinnelig utviklet av Konvalinka og hennes høyskoler17, der deltakerne ble bedt om å trykke fingrene med den hørbare tilbakemeldingen fra partneren eller seg selv etter å ha lyttet til måleren eller ikke-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

Dynamikken mellom koblede hjerner av individer har i økende grad blitt representert ved inter-hjernesynkronisering (IBS) når de koordinerer med hverandre, for det meste ved hjelp av samtidige registreringssignaler fra hjerner (nemlig hyperskanning) med fNIRS. I fNIRS hyperskanningsstudier har IBS ofte blitt vurdert gjennom WTC-metoden (wavelet transform coherence) på grunn av fordelen med å utvide tidsserier til tidsfrekvensrom der svingninger kan sees på en svært intuitiv måte. Den observerte IBS kan valideres ytterligere via permutasjonsbasert tilfeldig sammenkobling av studien, partneren og tilstanden. Her presenteres en protokoll for å beskrive hvordan man får tak i hjernesignaler via fNIRS-teknologi, beregner IBS gjennom WTC-metoden og validerer IBS ved permutasjon i en hyperskanningsstudie. Videre diskuterer vi de kritiske problemene ved bruk av metodene ovenfor, inkludert valg av fNIRS-signaler, metoder for forhåndsbehandling av data og valgfrie parametere for beregninger. Oppsummert er bruk av WTC-metoden og permutasjonen en potensielt standard rørledning for å analysere IBS i fNIRS hyperskanningsstudier, noe som bidrar til både reproduserbarhet og pålitelighet av IBS.

Resultatene viste at det var IBS på kanal 5 i målekoordineringstilstanden, mens ingen IBS eksisterte under andre forhold (dvs. meter uavhengighet, ikke-meter koordinering, ikke-meter uavhengighet; Figur 2A). På kanal 5 var IBS i målekoordineringstilstanden betydelig høyere enn sammenhengsverdiene i ikke-meter koordinerings- og meteruavhengighetstilstanden (figur 2B). Kanal 5 tilhørte omtrent venstre dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC; Brodmann område 9...

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

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 ...

Denne protokollen gir en potensielt standard rørledning for å analysere Inter-Brain-synkronisering i fNIRS Hyper-skanning Study. Den største fordelen med denne teknikken er at den tillater beregning av Inter-Brain synkroniseringslov som vil transformere sammenhengende metode og validere Inter-Brain synkroniseringsmåter, permutasjon basert på styrking av brystforhold og deltar. Utfør all dataanalyse ved hjelp av MATLAB-programvaren med passende verktøykasser.Under forhåndsbehandling av data, spesielt ved hjelp av prinsippet komponentanalyse og korrelasjonsbasert signalforbedringsmetode, fjern F N I R S global fysiologisk støy ved hjelp av NPCA-filteret. Og hodebevegelsesartefaktene ved hjelp av HMR-bevegelsen understreker CBSI av Homer to. Deretter, for beregning av Inter-Brain-synkronisering eller IBS, ta i bruk wavelet transform sammenhengende funksjon av kryss wavelet og wavelet sammenhengende verktøykasse med standardparametere, og beregne sammenhengende verdier på hvert tidspunkt i frekvenspunkt for å få en to akse matrise av sammenhengende verdier.For standardparametrene bruker du Morlet mother wavelet til å transformere hver gang serier til tids- og frekvensdomenet ved kontinuerlig wavelet-transformasjon. Deretter velger du et gjennomsnitt av de sammenhengende verdiene for frekvensbåndet mellom 0,5 og 1 Hertz for å velge frekvensbåndet av interesse. I henhold til frekvensbåndet som brukes i fingerbevegelsesoppgaven til F N I R S Hyper-skanningsstudien.Hent én kolonne med sammenhengende verdier for hvert par. Deretter velger du et gjennomsnitt av de sammenhengende verdiene i tidsvinduet i hvilefasen. Og for hver eksperimentelle tilstand, ved hjelp av informasjonen om, få fem sammenhengende verdier for hver dyad for oppgaveøkten, velger du bare varigheten der deltakerne tappet for å reprodusere den hørbare stimulansen, som er omtrent 12 sekunder for hver prøve, noe som resulterer i totalt 180 sekunder for hver eksperimentelle tilstand.Deretter trekker du den hvilende sammenhengende verdien fra den aktivitetsrelaterte sammenhengende verdien. Siden sammenhengsverdien under hviletilstanden brukes som en basislinje i dette eksperimentet. Deretter understreker bruk av parvise prøver permutasjon T-test med malt understreker comp perm T1-funksjon av dråper arbeid.Sammenlign de sammenhengende verdiene som trekkes fra, med null på hver kanal for hver eksperimentelle tilstand. Deretter korrigerer du P-verdiene ved hjelp av en FDR-funksjon i MATLAB-verktøykassen ved hjelp av metoden for falsk oppdagelseshastighet. Deretter, ved hjelp av de parede prøvene permutasjon T test med malt understreke comp understreke perm understreke T1 funksjon av dråper arbeid, sammenligne sammenhengsverdiene mellom ulike oppgaveforhold på kanalen der IBS eksisterte.For validering av IBS, bruk rant perm-funksjonen en MATLAB for å randomisere etiketten for studier i målekoordineringsbetingelsen for en dyad på hver kanal. Følg den demonstrerte rørledningen for beregning av IBS og statistikk for den randomiserte prøveetiketten, unntatt sensitivitetsanalysen for frekvensbåndet av interesse. Utfør permutasjonen 1000 ganger, og plott deretter fordelingen av statistiske Z-verdier generert innen dyadpermutasjon.Følg deretter rørledningen for å beregne IBS og statistikk etter randomisering av sammenkoblingen av deltakerne i samme studie, i målekoordineringstilstanden. Til slutt følger du rørledningen igjen etter å ha randomisert betingelsesetikettene for de samme medlemmene av en dyad i samme studie. Resultatene viste tilstedeværelsen av IBS på kanal fem i målekoordineringstilstanden.Mens ingen IBS ble oppdaget under de andre forholdene. Ved kanal fem var IBS og målekoordineringstilstanden betydelig høyere enn de sammenhengende verdiene i ikke-meterkoordinerings- og meteruavhengighetstilstanden. Permutasjonsanalyse viste at den observerte IBS sannsynligvis presentert i to personer av en dyad som prøvde å synkronisere med hverandre i matchet tid, men ikke i tidspartneren eller tilstanden til tilfeldig paring.Forsikre deg om at IBS er spesifikk for sjelden interaksjon. Så å beregne IBS i oppgaven, korrelert frekvensbånd og per muterende tillitsbetingelser og intervjuer. Beregning av IBS for alle kanaler innen enkel rekkevidde, eller på tvers av forskjellige kanaler og regioner, vil berike IBS-beregningspartneren.Å analysere Inter-Brain-nettverket for store grupper av deltager i naturlige interaksjoner vil være til nytte er kvalifiseringen av sosial interaksjon.

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

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

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

Hvordan finne effekter av stimulans behandling hendelsen relaterte hjernen potensialer for nær andre når Hyperscanning partnere

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

Gjennomføre Hyperscanning eksperimenter med funksjonell nær infrarød spektroskopi

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

Slik skaffer pålitelig Visual Event-relaterte potensialer hos nyfødte

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

Kombinere atferd og EEG for å studere effekten av mindfulness meditasjon på episodisk minne

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

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 ...

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 ...

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

Nytt rammeverk for å forstå koherens på tvers av hjerner i funksjonelle nær-infrarøde spektroskopi (fNIRS) hyperskanningsstudier

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 ...