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

Denna forskning stöddes av: National Natural Science Foundation of China (31872783, 31800951).

Protokollet som presenteras här godkändes av university committee on Human Research Protection of East China Normal University.
1. Förberedelse för försöket
<ol><li>Deltagare<ol>
<li>Rekrytera en grupp grund- och forskarstuderande med ekonomisk ersättning från campusannonseringen.</li>
		<li>Se till att deltagarna är högerhänta och har normal eller korrigerad till normal syn och hörsel. Se till att de inte har studerat musik eller har studerat den i mindre än 3 år tidigare.</li...

Detta protokoll ger en steg-för-steg-procedur för att beräkna och validera IBS, med hjälp av fNIRS hyperscanning-metoden för att samtidigt samla in två deltagares hjärnsignaler. Några kritiska frågor som är involverade i fNIRS-dataförbearbetning, IBS-beräkning, statistik och IBS-validering diskuteras nedan.
Förbearbetning av data Det är nödvändigt att förbehandla fNIRS-data i hyperscanning studier för att extrahera verkliga signaler från möjligt brus (dv...

När människor samordnar med andra blir deras hjärnor och kroppar en kopplad enhet genom kontinuerlig ömsesidig anpassning. Kopplingen mellan hjärnor kan representeras av inter-brain synkronisering (IBS) genom hyperscanningsmetoden, som samtidigt registrerar två eller flera individers hjärnsignaler1. Faktum är att en växande mängd fNIRS / EEG hyperscanning studier har funnit IBS i olika samarbetssammanhang, inklusive finger tappning2, gruppvandring3, spela trummor4,gitarrspel5, och sjunga / nynna6. fNIRS används ofta för forskning av IBS under social interaktion, eftersom det mindre begränsar huvud / kroppsrörelser i relativt naturliga miljöer (jämfört med fMRI / EEG)7.
Artikeln presenterar ett protokoll för beräkning av IBS via wavelet transform coherence (WTC) metod i en fNIRS hyperscanning studie. WTC är en metod för att bedöma korskorrelationen mellan två rörelsesignaler på tidsfrekvensplanet och kan därför ge mer information än den traditionella korrelationsanalysen (t.ex. Pearson-korrelation och korskorrelation), som endast finns i tidsdomänen8. Dessutom omvandlas hemodynamiska signaler till vågkomponenter, vilket effektivt kan ta bort lågfrekvent brus. Även om WTC är tidskrävande, har det varit den vanligaste metoden för att beräkna IBS i åtgärdsimitation9, kooperativt beteende10, verbal kommunikation11, beslutsfattande12och interaktivt lärande13.
Artikeln presenterar också hur man validerar IBS med den permutationsbaserade slumpmässiga parningen av prövningar, villkor och deltagare. IBS i hyperscanning studier föreslås alltid att spåra online social interaktion mellan individer, medan det också kan tolkas av andra förklaringar, såsom stimulans likhet, rörelse likhet, eller villkor likhet14. Permutationstest, även kallat randomiseringstest, kan utnyttjas för att testa ovanstående nollhypoteser genom att omfördela de observerade uppgifterna15. Genom att använda permutation är det användbart att undersöka om den identifierade IBS är specifik för interaktivt beteende, allt från modulering av IBS inom dyads till mellan grupper av partner16.
Protokollet som beskrivs här beskriver hur man får hjärnsignaler via fNIRS-teknik, beräknar IBS genom WTC-metoden och validerar IBS genom permutationstestning i en hyperscanningstudie. Denna studie syftar till att undersöka om privilegierad IBS framkallas av musikmätare under social samordning. Hjärnsignalerna registrerades i den främre cortexen, baserat på platsen för IBS i ett tidigare fynd1. Den experimentella uppgiften utvecklades ursprungligen av Konvalinka och hennes högskolor17, där deltagarna ombads att knacka på fingrarna med hörselfeedback från partnern eller sig själva efter att ha lyssnat på mätaren eller icke-mätarstimuli.

<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

Dynamiken mellan kopplade hjärnor hos individer har alltmer representerats av inter-brain synkronisering (IBS) när de samordnar med varandra, mestadels med samtidig inspelning signaler av hjärnor (nämligen hyperscanning) med fNIRS. I fNIRS hyperscanning studier, IBS har allmänt bedömts genom wavelet transform koherens (WTC) metoden på grund av dess fördel med att utöka tidsserier till tid-frekvens utrymme där svängningar kan ses på ett mycket intuitivt sätt. Den observerade IBS kan valideras ytterligare via permutationsbaserad slumpmässig parning av prövningen, partnern och tillståndet. Här presenteras ett protokoll för att beskriva hur man får hjärnsignaler via fNIRS-teknik, beräknar IBS genom WTC-metoden och validerar IBS genom permutation i en hyperscanningstudie. Vidare diskuterar vi de kritiska frågorna när vi använder ovanstående metoder, inklusive valet av fNIRS-signaler, metoder för förbearbetning av data och valfria parametrar för beräkningar. Sammanfattningsvis är användning av WTC-metoden och permutation en potentiellt standardpipeline för analys av IBS i fNIRS hyperscanning studier, vilket bidrar till både reproducerbarhet och tillförlitlighet av IBS.

Resultaten visade att det fanns IBS vid kanal 5 i mätarkoordineringsvillkoret, medan det inte fanns någon IBS under andra förhållanden (dvs. mätaroberoende, icke-mätarkoordinering, icke-mätaroberoende; Figur 2A). Vid kanal 5 var IBS i mätarkoordineringsförhållandet betydligt högre än koherensvärdena i icke-mätarkoordinations- och mätaroberoendeförhållandet(figur 2B). Kanal 5 tillhörde ungefär den vänstra dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC;...

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

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 ...

Detta protokoll ger en potentiellt standard pipeline för att analysera inter-brain synkronisering i fNIRS Hyper-scanning Study. Den största fördelen med denna teknik är att den tillåter beräkning av inter-brain synkroniseringslag som kommer att omvandla sammanhängande metod och validera inter-brain synkronisering sätt, permutation baserad på att stärka bröstförhållanden och deltar. Utför all dataanalys med HJÄLP AV MATLAB-programvaran med lämpliga verktygslådor.Vid förbehandling av data, särskilt med hjälp av principkomponentanalys och korrelationsbaserad signalförbättringsmetod, avlägsna F N I R S globalt fysiologiskt brus med NPCA-filtret. Och huvudrörelsernas artefakter med HMR-rörelsen understryker CBSI av Homer två. Därefter, för att beräkna Inter-Brain synkronisering eller IBS, anta wavelet transform sammanhängande funktion av cross wavelet och wavelet sammanhängande verktygslåda med standardparametrar och beräkna de sammanhängande värdena vid varje tidpunkt i frekvenspunkten för att erhålla en tvåaxlad matris med sammanhängande värden.För standardparametrarna använder du Morlet mother wavelet för att omvandla varje tids serie till tids- och frekvensdomänen genom den kontinuerliga wavelet-omvandlingen. Välj sedan ett medelvärde för frekvensbandet mellan 0,5 och en Hertz om du vill välja frekvensband. Enligt frekvensbandet som används i fingerrörelseuppgiften i F N I R S Hyper-scanning-studien.Hämta en kolumn med sammanhängande värden för varje par. Välj sedan ett genomsnitt av tidsfönstrets sammanhängande värden under vilostadiet. Och för varje experimentellt tillstånd, med hjälp av information om märket, få fem sammanhängande värden för varje dyad för uppgiftssessionen, välj bara den varaktighet under vilken deltagarna knackade för att reproducera hörselstimulansen, vilket är cirka 12 sekunder för varje försök som resulterar i totalt 180 sekunder för varje experimentellt tillstånd.Subtrahera sedan det vilande sammanhängande värdet från det aktivitetsrelaterade sammanhängande värdet. Eftersom koherensvärdet under vilotillståndet används som bas linje i det här experimentet. Därefter, med hjälp av de parade proverna permutation T-test med maltunderstreck comp understryker perm T1-funktionen för drops work.Jämför de subtraherade sammanhängande värdena med noll vid varje kanal för varje experimentellt tillstånd. Sedan korrigera P-värdena med hjälp av en FDR-funktion i MATLAB-verktygslådan med metoden för falsk identifieringshastighet. Använd sedan det parade prov permutation T-testet med maltunderstrecket understryker perm-funktionen för drops work, jämför sedan koherensvärdena mellan olika uppgiftsförhållanden vid kanalen där IBS fanns.För validering av IBS, använd rant perm-funktionen en MATLAB för att slumpa etiketten på försök i mätarkoordineringsvillkoret för en dyad vid varje kanal. Följ den demonstrerade pipelinen för beräkning av IBS och statistik för den randomiserade testetiketten, exklusive känslighetsanalysen för frekvensbandet av intresse. Utför permutationen 1000 gånger och rita sedan fördelningen av statistiska Z-värden som genereras inom dyadpermutation.Följ sedan pipelinen för att beräkna IBS och statistik efter att ha slumpat parningen av deltagarna i samma studie, i mätarkoordineringsförhållandet. Slutligen följer du pipelinen igen efter att ha slumpiserat villkors etiketterna för samma medlemmar i en dyad i samma testversion. Resultaten visade förekomsten av IBS vid kanal fem i mätarkoordineringsförhållandet.Medan ingen IBS upptäcktes under de andra förhållandena. Vid kanal fem var IBS och mätarkoordineringsvillkoret betydligt högre än de sammanhängande värdena i icke-mätarkoordinering och mätaroberoende. Permutation analys visade att den observerade IBS förmodligen presenteras i två individer av en dyad som försökte synkronisera med varandra i den matchade tiden, men inte i tid partner eller villkor för slumpmässig parning.Se till att IBS är specifikt för sällsynt interaktion. Så att beräkna IBS i uppgiften, korrelerat frekvensband och per muterande förtroendevillkor och intervjuer. Att beräkna IBS för alla kanaler inom enkel räckvidd, eller över olika kanaler och regioner, skulle berika IBS-beräkningspartnern.Att analysera Inter-Brain-nätverket för stora grupper av deltagande i naturliga interaktioner kommer att gynna är kvalificeringen av social interaktion.

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

Hur man bygger en laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) system för att övervaka blodflöde

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

Hur till Skapa och använda Kikare Rivalitet

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

Hur att hitta effekter av Stimulus bearbetning på händelse relaterade hjärnan potentialer av nära andra när 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

Genomföra Hyperscanning experiment med funktionella nära-infraröd 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

Hur man skaffar pålitliga visuella händelserelaterade potentialer hos nyfödda

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

Kombinera beteende och EEG för att studera effekterna av mindfulnessmeditation på episodiskt 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

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 ...

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 ...

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 ramverk för att förstå koherens mellan hjärnor i funktionella nära-infraröda spektroskopistudier (fNIRS)

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 ...