Name: measurement of the directional information flow in fnirs-hyperscanning data using the partial wavelet transform coherence method
Uploaded: 2021-09-03T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measurement of the Directional Information Flow in fNIRS-Hyperscanning Data using the Partial Wavelet Transform Coherence Method at JoVE.com

Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (61977008) og Young Top Notch Talents of Ten Thousand Talent Program.

Den humane eksperimentprotokol blev godkendt af Institutional Review Board og Ethics Committee i State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning ved Beijing Normal University. Alle deltagere gav skriftligt informeret samtykke, inden eksperimentet begyndte.
1. Simuleringseksperimentet
<ol><li>Generer to tidsserier af signaler, der korrelerer med hinanden, hvor et signal har autokorrelation ved en 4 s tidsforsinkelse. Indstil korrelationskoefficienten på r mellem de to signaler ti...

I hyperscanningsundersøgelser er det normalt vigtigt at beskrive de retningsbestemte og tidsmæssige mønstre af informationsstrømmen mellem individer. De fleste tidligere fNIRS-hyperscanningsundersøgelser har brugt traditionel WTC25 til at udlede disse egenskaber ved at beregne den tidslaggede INS. Men som et af de iboende træk ved fNIRS-signalet20,21 kan autokorrelationseffekten forvirre den tidslaggede INS. For at løse dette proble...

Social interaktion er af afgørende betydning for mennesker 1,2. For at forstå den neurokognitive mekanisme med dobbelt hjerne for social interaktion er hyperscanningsmetoden for nylig blevet anvendt i vid udstrækning, hvilket viser, at mønstrene for interpersonel neural synkronisering (INS) godt kan karakterisere den sociale interaktionsproces 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Blandt nyere undersøgelser er et interessant fund, at rolleforskellen mellem individer i en dyad kan føre til et tidsforlænget mønster af INS, dvs. INS opstår, når et individs hjerneaktivitet halter efter et andet individs hjerneaktivitet med sekunder, såsom det fra lyttere til højttalere 5,9, fra ledere til tilhængere4, fra lærere til elever8, fra mødre til børn13,15 og fra kvinder til mænd i et romantisk par6. Vigtigst er det, at der er en god korrespondance mellem intervallet for den tidslaggede INS og intervallet for social interaktionsadfærd, såsom mellem lærere, der stiller spørgsmålstegn ved, og studerende, der besvarer8 eller mellem mødres forældreadfærd og børns overholdelsesadfærd15. Således kan tidsforlænget INS afspejle en retningsbestemt informationsstrøm fra et individ til et andet, som foreslået i en nylig hierarkisk model for interpersonel verbal kommunikation16.
Tidligere blev den tidslaggede INS hovedsageligt beregnet på det funktionelle nær-infrarøde spektroskopi (fNIRS) signal på grund af dets relativt høje rumlige opløsning, lydanatomiske lokalisering og usædvanligt høje tolerance for bevægelsesartefakter17, når man studerede naturalistiske sociale interaktioner. For præcist at karakterisere korrespondancen mellem den neurale tidsforsinkelse og den adfærdsmæssige tidsforsinkelse under social interaktion er det desuden vigtigt at opnå INS-styrken for hver tidsforsinkelse (f.eks. Fra ingen tidsforsinkelse til en tidsforsinkelse på 10 s). Til dette formål blev wavelet transform coherence (WTC) -proceduren tidligere anvendt i vid udstrækning efter at have flyttet hjernesignalet fra et individ frem eller tilbage i forhold til et andetindivids 5,6,18. Når man bruger denne traditionelle WTC-procedure for fNIRS-signaler, er der en potentiel udfordring, fordi den observerede tidslaggede INS kan blive forvirret af autokorrelationseffekten af fNIRS-signalet for en individuel 19,20,21. For eksempel kan signalet fra deltager A på tidspunktet t under en dyadisk social interaktionsproces synkroniseres med deltager B's signal på samme tidspunkt. I mellemtiden kan signalet fra deltager A på tidspunktet t synkroniseres med signalet fra deltager A på et senere tidspunkt t + 1 på grund af autokorrelationseffekten. Derfor kan der forekomme en falsk tidsfornægtet INS mellem signalet fra deltager A på tidspunktet t og signalet fra deltager B på tidspunktet t + 1.
Mihanović og hans kolleger22 introducerede først en metode trykket partial wavelet transform coherence (pWTC) og anvendte den derefter i havvidenskab 23,24. Det oprindelige formål med denne metode var at kontrollere den eksogene forvirrende støj, når man estimerede sammenhængen mellem to signaler. For at løse autokorrelationsproblemet i fNIRS-hyperscanningsdataene blev pWTC-metoden udvidet til at beregne tidslagged INS på fNIRS-signalet. Netop en tidsforanket INS (og en retningsbestemt informationsstrøm) fra deltager A til deltager B kan beregnes ved hjælp af ligningen nedenfor (ligning 1)23.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62927/62927eq01.jpg">
Her antages det, at der er to signaler, A og B, fra henholdsvis deltagere A og B. Forekomsten af signal B går altid forud for signal A med en tidsforsinkelse på n, hvor WTC (At, Bt + n) er den traditionelle tidslaggede WTC. WTC (At, At + n) er den autokorrelerede WTC i deltager A. WTC (At, Bt) er den tidsjusterede WTC på tidspunktet t mellem deltager A og B. * er den komplekse konjugerede operatør (figur 1A).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62927/62927fig01.jpg"> Figur 1: Oversigt over pWTC. A) logikken i pWTC. Der er to signaler A og B inden for en dyad. Forekomsten af A følger altid B med en forsinkelse n. En grå boks er et wavelet-vindue på et bestemt tidspunkt t eller t + n. Baseret på pWTC-ligningen (repræsenteret i figuren) skal der beregnes tre WTC'er: den tidslaggede WTC for At + n og Bt; den autokorrelerede WTC i deltager A på At og At+n og den tidsjusterede WTC på tidspunktet t, At og Bt. (B) Layoutet af optode sonde sæt. CH11 blev placeret på T3, og CH25 blev placeret på T4 efter det internationale 10-20 system 27,28. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62927/62927fig01large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
Denne protokol introducerede først et simuleringseksperiment for at demonstrere, hvor godt pWTC løser autokorrelationsudfordringen. Derefter forklarede det, hvordan man udfører pWTC på en trinvis måde baseret på et empirisk eksperiment med naturalistiske sociale interaktioner. Her blev en kommunikationskontekst brugt til at introducere metoden. Dette skyldes, at den tidslaggede INS tidligere normalt blev beregnet i en naturalistisk kommunikationskontekst 3,4,6,8,13,15,18. Derudover blev der også foretaget en sammenligning mellem pWTC og den traditionelle WTC og validering med Granger-kausalitetstesten (GC).

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>fNIRS topography system</td>
			<td>Shimadzu Corporation</td>
			<td>Shimadzu LABNIRS systen</td>
			<td>LABNIRS system contains 40 emitters and 40 detectors for fNIRS signals measurement. In this protocol we used these emitters and detectors created two customized 26-channels probe sets and attached to two caps accroding to 10-20 system. Further, LABNIRS system also contains built-in GUI softwares for data quality check, data convert and data export.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>The MathWorks, Inc.</td>
			<td>MATLAB 2019a</td>
			<td>In this protocol, several toolboxs and functions bulit in MATLAB were used: 
			SPM12 toolbox was used to normalize the valided MRI data through its GUI. 
			NIRS_SPM toolbox was used to project the MNI coordinates of the probes to the AAL template through its GUI. 
			Homer3 toolbox was used to remove motion artifacts through its function hmrMotionCorrectWavelet with default parameters. 
			Wavelet toolbox was used to compute WTC and pWTC through its function wcoherence.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI scanner</td>
			<td>Siemens Healthineers</td>
			<td>TRIO 3-Tesla scanner</td>
			<td>In this protocol, the MRI scanner was used to obtain MNI coordinates of each channel and optpde. Scan parameters are described in main text.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>customized caps</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>In this protocol, we first marked two nylon caps with 10-20 system. Then, we made two 26-channels customized optode probes sets. Finally, we attached probes sets to caps aligned with landmarks.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measurement of the directional information flow in fnirs-hyperscanning data using the partial wavelet transform coherence method

Social interaktion er af afgørende betydning for mennesker. Mens hyperscanningsmetoden i vid udstrækning er blevet brugt til at studere interpersonel neural synkronisering (INS) under sociale interaktioner, er funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) en af de mest populære teknikker til hyperscanning af naturalistiske sociale interaktioner på grund af dens relativt høje rumlige opløsning, lydanatomiske lokalisering og usædvanligt høje tolerance for bevægelsesartefakter. Tidligere fNIRS-baserede hyperscanningsundersøgelser beregner normalt en tidslagged INS ved hjælp af wavelet transform coherence (WTC) til at beskrive retningen og det tidsmæssige mønster af informationsstrømmen mellem individer. Resultaterne af denne metode kan imidlertid blive forvirret af autokorrelationseffekten af fNIRS-signalet for hver enkelt person. For at løse dette problem blev der indført en metode betegnet partial wavelet transform coherence (pWTC), som havde til formål at fjerne autokorrelationseffekten og opretholde den høje tidsmæssige spektrumopløsning af fNIRS-signalet. I denne undersøgelse blev der først udført et simuleringseksperiment for at vise effektiviteten af pWTC til at fjerne virkningen af autokorrelation på INS. Derefter blev der tilbudt trinvis vejledning om driften af pWTC baseret på fNIRS-datasættet fra et socialt interaktionseksperiment. Derudover blev der draget en sammenligning mellem pWTC-metoden og den traditionelle WTC-metode og sammenligningen mellem pWTC-metoden og Granger-kausalitetsmetoden (GC). Resultaterne viste, at pWTC kunne bruges til at bestemme INS-forskellen mellem forskellige eksperimentelle tilstande og INS's retnings- og tidsmæssige mønster mellem individer under naturalistiske sociale interaktioner. Desuden giver det bedre tidsmæssig og frekvensopløsning end den traditionelle WTC og bedre fleksibilitet end GC-metoden. Således er pWTC en stærk kandidat til at udlede retningen og det tidsmæssige mønster af informationsstrømmen mellem individer under naturalistiske sociale interaktioner.

Simulering resultater Resultaterne viste, at den tidslaggede INSWTC med autokorrelation var signifikant højere end den tidslaggede INSWTC uden autokorrelation (t(1998) = 4.696, p < 0.001) og tidslagged INSpWTC (t(1998) = 5.098, p < 0.001). Derudover var der ingen signifikant forskel mellem tidsforladt INSWTC uden autokorrelation og INSpWTC (t(1998) = 1.573, p = 0.114, figur 2A</str...

Watch this Scientific Journal Video about Measurement of the Directional Information Flow in fNIRS-Hyperscanning Data using the Partial Wavelet Transform Coherence Method at JoVE.com

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

Denne protokol beskriver delvis wavelet transform coherence (pWTC) til beregning af det tidslaggede mønster af interpersonel neural synkronisering (INS) for at udlede retningen og det tidsmæssige mønster af informationsstrømmen under social interaktion. Effektiviteten af pWTC til fjernelse af forvirringen af signalautokorrelation på INS blev bevist ved to eksperimenter.

Måling af retningsbestemt informationsstrøm i fNIRS-hyperscanningsdata ved hjælp af metoden Delvis 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 ...

Hyperscanning er en lovende metode til at beskrive forholdet mellem individer, og som i denne undersøgelse finder neural synkronisering mellem individer. Og det vigtigste spørgsmål er at identificere, hvem der synkroniserer med hvem. Og den metode, vi foreslår her, er at identificere retningen af informationsstrømmen mellem enkeltpersoner.Sammenlignet med andre metoder er den væsentligste fordel ved denne metode at fjerne de forskellige forvirrende faktorer fra den neurale synkronisering. For eksempel autokorrelationen i hvert signal. Og i mellemtiden kan vi opretholde den høje rumlige anatomiske opløsning af hvert signal.Start dataforbehandlingen ved at eksportere hæmoglobinkoncentrationen ændrer datafiler fra udstyret og overføre filerne til MATLAB læsbart format. Fjern derefter de første og sidste 15 sekunder af dataene for hver session for at undgå forbigående svar, og brug MATLAB decimering af indbygget funktion til at nedsample dataene fra 55,6 hertz til 11,1 hertz. Hvis du vil korrigere bevægelsesartefakter, skal du anvende filtermetoden diskret wavelet transform med den relevante filtreringsfunktion.Brug den indbyggede PCA-funktion til at fjerne global fysiologisk støj. Fjern derefter de øverste 80% af variansen fra signalerne. Efter at have fjernet de første to sekunders data fra kvinder og de sidste to sekunder af data fra mænd, skal du beregne den kvindeledede to sekund-forsinkede INS WTC-værdi med ligningen.Tilsvarende, efter at have fjernet de første to sekunders data fra mænd og de sidste to sekunder af data fra kvinder, skal du beregne den mænd-ledede to sekund-forsinkede INS WTC-værdi. Gentag proceduren med forskellige tidsforsinkelser, N, som N er lig med fire eller seks eller otte sekunder, på tværs af de potentielle 676 CH-par, og beregn styrken af kvinder og mænd-ledede tidslaggede INS WTC med ligningen som beskrevet før. Beregn INS pWTC ved hjælp af pWTC på samme måde ved hjælp af ligningen.Generer den tidslaggede tidsserie af fNIRS-signalerne mellem mænd og kvinder, og beregn værdierne for den tidslaggede WTC ved forskellige tidsforsinkelser. Generer autokorrelerede tidsserier af mænds fNIRS-signaler ved at fjerne de første to sekunder og de sidste to sekunder af dataene fra mændene. Beregn derefter den to sekunder autokorrelerede værdi for mænd.Evaluer derefter de autokorrelerede WTC-værdier ved forskellige tidsforsinkelser. På samme måde skal du oprette en tidsjusteret tidsserie af fNIRS-signalerne ved at fjerne de første to sekunders data fra mændene og kvinderne. Beregn derefter de to sekunders tidsjusterede WTC.Evaluer derefter de tidsjusterede WTC-værdier ved forskellige tidsforsinkelser. Indtast de tidsjusterede WTC-, tidslaggede WTC- og autokorrelerede WTC-værdier på forskellige tidspunkter i ligningerne for pWTC, hvilket genererer INS pWTC. I fNIRS-databehandlingen på andet niveau skal du fjerne fysiologisk støj og frekvensbånd for hvert signal over 0,7 hertz.Fjern derefter frekvensbåndene for hvert signal under 0,01 hertz og inden for 0,15 til 0,3 hertz for at filtrere meget lave frekvensudsving fra. Transformér INS med Fisher Z-transformation og derefter gennemsnitlig INS i den tidsmæssige dimension. For den gennemsnitlige INS ved hver tidsforsinkelse skal du udføre en parret t-prøve t-test på hvert CH-par på tværs af frekvensområdet.Identificer derefter alle signifikante frekvensklynger. Omfordel dyadiske relationer ved tilfældigt at tildele deltagerne til nye, to medlemspar, som deltagerne i en diad, der aldrig havde kommunikeret med hinanden. Udfør en klyngebaseret permutationstest for at fastlægge en tærskel for resultaterne.Genberegn INS i hver tidsforsinkelse. Udfør parrede t-tests i den nye prøve, og identificer signifikante frekvensklynger. Vælg derefter klyngen med den største opsummerede T-værdi, før du gentager procedurerne 1.000 gange for at generere en nullfordeling af de maksimale falske positive T-værdier.Sammenlign den opsummerede T-værdi for hver identificeret frekvensklynge i den oprindelige prøve med nulfordelingen for at opnå signifikante statistiske resultater. En simuleringsanalyse blev udført i undersøgelsen. Den repræsentative analyse illustrerer, at den tidsforrevne INS WTC med autokorrelation var signifikant højere end den tidslaggede INS WTC uden autokorrelation og tidsforlagt INS pWTC.Derudover var der ingen signifikant forskel mellem den tidslaggede INS WTC uden autokorrelation og INS pWTC, hvilket indikerer effektiviteten af pWTC til at fjerne virkningen af autokorrelationseffekten på INS. En marginal signifikant konteksteffekt blev observeret inden for 0,4 til 0,6 hertz, hvilken af mændene haltede kvindernes med fire sekunder. I modsætning hertil blev der for INS pWTC kun observeret signifikant konteksteffekt inden for 0,4 til 0,6 hertz, når mænds sensor- og motoriske cortexaktivitet haltede kvindernes med fire sekunder.Den retningsbestemte INS fra kvinder til mænd var signifikant højere i konfliktsammenhænge end i de støttende sammenhænge. Resultaterne af INS pWTC blev valideret med Granger-kausalitetsmetoden. Resultaterne viste, at INS GC udviste et lignende mønster som INS pWTC.Den retningsbestemte INS beregnet af Granger-kausalitetsanalysen fra kvinder til mænd var signifikant højere i konfliktsammenhænge end i de støttende sammenhænge. Efter beregning af den neurale synkronisering ved hjælp af denne metode er det også muligt at udføre mange andre metoder. For eksempel kan vi sammenligne denne retningsbestemte informationsstrøm mellem forskellige sociale forbindelseskontekster og den sociale forbindelse i forskellige sociale forhold.Og det er også muligt at forstå bidraget fra forskellige kommunikationsadfærd til den neurale synkronisering. For eksempel, om det er verbal kommunikation eller ikke-verbal kommunikation spiller mere en vigtig rolle i den neurale synkronisering.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Using Informational Connectivity to Measure the Synchronous Emergence of fMRI Multi-voxel Information Across Time

Brug Informativ Connectivity at måle Synkron Fremkomsten af ​​fMRI Multi-voxel Information Across Time

It is now appreciated that condition-relevant information can be present within distributed patterns of functional magnetic resonance imaging (fMRI) brain ...

Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

Samtidig Evaluering af Cerebral Hæmodynamik og lysspredning Egenskaber for<em&gt; In vivo</em&gt; Rottehjerne ved brug af multispektral diffus refleksionsbilleddannelse

The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional ...

Quadruple Immunostaining of the Olfactory Bulb for Visualization of Olfactory Sensory Axon Molecular Identity Codes

Quadruple Immunostaining af Olfactory Bulb til Visualisering af Olfactory Sensory Axon Molecular Identity Codes

The mouse olfactory system is often used to study mechanisms of neural circuit formation&#12288;because of its simple anatomical structure. An Olfactory ...

Ocular Kinematics Measured by In Vitro Stimulation of the Cranial Nerves in the Turtle

Ocular Kinematics Measured by In Vitro Stimulation of the Cranial Nerves in the Turtle

Okulær kinematik målt ved In Vitro Stimulation af hjernenerver i skildpadden

After animals are euthanized, their tissues begin to die. Turtles offer an advantage because of a longer survival time of their tissues, especially when ...

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat

Samtidige optagelser af kortikale lokale felt potentialer, elektrokardiogram, Electromyogram og vejrtrækning rytmen fra en frit bevægende rotte

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls ...

A Volumetric Method for Quantification of Cerebral Vasospasm in a Murine Model of Subarachnoid Hemorrhage

En volumetriske metode til kvantificering af Cerebral vasospasme i en Murine Model af subaraknoid blødning

Subarachnoid hemorrhage (SAH) is a subtype of hemorrhagic stroke. Cerebral vasospasm that occurs in the aftermath of the bleeding is an important factor ...

Retinal Vascular Reactivity as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography

Retinal vaskulær reaktivitet som vurderet af optisk kohærens Tomografi Angiografi

The vascular supply to the retina has been shown to dynamically adapt through vasoconstriction and vasodilation to accommodate the metabolic demands of ...

Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI

Pålidelig erhvervelse af elektroencefalografidata under samtidig elektroencefalografi og funktionel MR-scanning

Simultaneous electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI), EEG-fMRI, combines the complementary properties of scalp EEG ...

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

Inter-Brain Synchrony i Open-Ended Collaborative Learning: En fNIRS-Hyperscanning Study

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

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

Sådan beregnes og valideres synkronisering mellem hjerner i en fNIRS Hyperscanning-undersøgelse

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