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

Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (61977008) en het Young Top Notch Talents of Ten Thousand Talent Program.

Het menselijke experimentprotocol werd goedgekeurd door de Institutional Review Board en de Ethische Commissie van het State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning aan de Beijing Normal University. Alle deelnemers gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming voordat het experiment begon.
1. Het simulatie-experiment
<ol><li>Genereer twee tijdreeksen van signalen die met elkaar correleren, waarbij één signaal autocorrelatie heeft met een tijdsvertraging van 4 s. Stel de corr...

In hyperscanningstudies is het meestal essentieel om de directionele en temporele patronen van informatiestroom tussen individuen te beschrijven. De meeste eerdere fNIRS-hyperscanningstudies hebben traditionele WTC25 gebruikt om deze kenmerken af te leiden door de in de tijd vertraagde INS te berekenen. Als een van de intrinsieke kenmerken van het fNIRS-signaal 20,21 kan het autocorrelatie-effect de in de tijd vertraagde INS verstoren. Om ...

Sociale interactie is van levensbelang voor de mens 1,2. Voor het begrijpen van het neurocognitieve mechanisme van sociale interactie in de dubbele hersenen, is de hyperscanning-benadering onlangs uitgebreid gebruikt, waaruit blijkt dat de patronen van interpersoonlijke neurale synchronisatie (INS) het sociale interactieproces goed kunnen karakteriseren 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Onder recente studies is een interessante bevinding dat het rolverschil van individuen in een dyade kan leiden tot een tijdsvertragingspatroon van INS, d.w.z. INS treedt op wanneer de hersenactiviteit van een individu seconden achterblijft bij die van een ander individu, zoals die van luisteraars tot sprekers 5,9, van leiders tot volgers4, van leerkrachten tot leerling8, van moeders tot kinderenvan 13,15, en van vrouwen tot mannen in een romantisch koppel6. Het belangrijkste is dat er een goede overeenkomst is tussen het interval van de ins met een tijdsachterstand en dat van sociaal interactiegedrag, zoals tussen leraren die vragen stellen en studenten die8 beantwoorden of tussen ouderschapsgedrag van moeders en volgzaam gedrag van kinderen15. Ins met een tijdsachterstand kan dus een directionele informatiestroom van het ene individu naar het andere weerspiegelen, zoals voorgesteld in een recent hiërarchisch model voor interpersoonlijke verbale communicatie16.
Voorheen werd de in de tijd vertraagde INS voornamelijk berekend op het functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) signaal vanwege de relatief hoge ruimtelijke resolutie, geluidsanatomische lokalisatie en uitzonderlijk hoge tolerantie voor bewegingsartefacten17 bij het bestuderen van naturalistische sociale interacties. Bovendien, om de overeenkomst tussen de neurale tijdsvertraging en de gedragsmatige tijdsvertraging tijdens sociale interactie nauwkeurig te karakteriseren, is het essentieel om de INS-sterkte voor elke vertraging te verkrijgen (bijvoorbeeld van geen tijdsvertraging tot een vertraging van 10 s). Voor dit doel werd eerder de wavelet transform coherence (WTC) -procedure uitgebreid toegepast na het verschuiven van het hersensignaal van een individu naar voren of naar achteren ten opzichte van dat van een ander individu 5,6,18. Bij het gebruik van deze traditionele WTC-procedure voor fNIRS-signalen is er een potentiële uitdaging omdat de waargenomen ins met een vertraagde tijd kan worden verstoord door het autocorrelatie-effect van het fNIRS-signaal voor een individuele 19,20,21. Tijdens een dyadisch sociaal interactieproces kan bijvoorbeeld het signaal van deelnemer A op tijdstip t worden gesynchroniseerd met dat van deelnemer B op hetzelfde tijdstip. Ondertussen kan het signaal van deelnemer A op tijdstip t worden gesynchroniseerd met dat van deelnemer A op een later tijdstip t+1 vanwege het autocorrelatie-effect. Daarom kan een valse tijdsachterstand ins optreden tussen het signaal van deelnemer A op tijdstip t en dat van deelnemer B op tijdstip t+1.
Mihanović en zijn collega's22 introduceerden eerst een methode genaamd partiële wavelettransformatiecoherentie (pWTC) en pasten deze vervolgens toe in de mariene wetenschap23,24. Het oorspronkelijke doel van deze methode was om de exogene verstorende ruis te beheersen bij het schatten van de samenhang van twee signalen. Hier, om het autocorrelatieprobleem in de fNIRS-hyperscanninggegevens aan te pakken, werd de pWTC-methode uitgebreid om tijd-vertraagde INS op het fNIRS-signaal te berekenen. Precies, een in de tijd vertraagde INS (en een directionele informatiestroom) van deelnemer A naar deelnemer B kan worden berekend met behulp van de onderstaande vergelijking (vergelijking 1)23.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62927/62927eq01.jpg">
Hier wordt aangenomen dat er twee signalen zijn, A en B, van respectievelijk deelnemers A en B. Het optreden van signaal B gaat altijd vooraf aan dat van signaal A met een tijdsvertraging van n, waarbij WTC (At, Bt+n) het traditionele wtc met tijdsachterstand is. WTC (At, At+n) is het autocorrele WTC in deelnemer A. WTC (At, Bt) is het tijd-uitgelijnde WTC op tijdstip t tussen deelnemer A en B. * is de complexe geconjugeerde operator (Figuur 1A).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62927/62927fig01.jpg"> Figuur 1: Overzicht van pWTC. (A) De logica van de pWTC. Er zijn twee signalen A en B, binnen een dyade. Het voorkomen van A volgt altijd dat van B met een vertraging n. Een grijs vak is een waveletvenster op een bepaald tijdstip t of t+n. Op basis van de pWTC-vergelijking (weergegeven in de figuur) moeten drie WTC's worden berekend: het WTC met de tijdsachterstand van At+n en Bt; het autocorrele WTC in deelnemer A van At en At+n; en het op tijd uitgelijnde WTC op tijdstip t, At en Bt. B) De lay-out van optode sonde sets. CH11 werd geplaatst op T3 en CH25 werd geplaatst op T4 na het internationale 10-20 systeem27,28. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62927/62927fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Dit protocol introduceerde eerst een simulatie-experiment om aan te tonen hoe goed de pWTC de autocorrelatie-uitdaging oplost. Vervolgens werd uitgelegd hoe pWTC stap voor stap kon worden uitgevoerd op basis van een empirisch experiment van naturalistische sociale interacties. Hier werd een communicatiecontext gebruikt om de methode te introduceren. Dit komt omdat voorheen de in de tijd vertraagde INS meestal werd berekend in een naturalistische communicatiecontext 3,4,6,8,13,15,18. Daarnaast werd ook een vergelijking uitgevoerd tussen de pWTC en het traditionele WTC en validatie met de Granger causaliteitstest (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

Sociale interactie is van vitaal belang voor de mens. Hoewel de hyperscanning-benadering uitgebreid is gebruikt om interpersoonlijke neurale synchronisatie (INS) tijdens sociale interacties te bestuderen, is functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) een van de meest populaire technieken voor hyperscanning naturalistische sociale interacties vanwege de relatief hoge ruimtelijke resolutie, geluidsanatomische lokalisatie en uitzonderlijk hoge tolerantie voor bewegingsartefacten. Eerdere op fNIRS gebaseerde hyperscanningstudies berekenen meestal een in de tijd vertraagde INS met behulp van wavelettransformatiecoherentie (WTC) om de richting en het temporele patroon van informatiestroom tussen individuen te beschrijven. De resultaten van deze methode kunnen echter worden verstoord door het autocorrelatie-effect van het fNIRS-signaal van elk individu. Om dit probleem aan te pakken, werd een methode geïntroduceerd die partiële wavelettransformatiecoherentie (pWTC) werd genoemd, die tot doel had het autocorrelatie-effect te verwijderen en de hoge temporele spectrumresolutie van het fNIRS-signaal te behouden. In deze studie werd eerst een simulatie-experiment uitgevoerd om de effectiviteit van de pWTC aan te tonen bij het verwijderen van de impact van autocorrelatie op INS. Vervolgens werd stapsgewijze begeleiding geboden over de werking van de pWTC op basis van de fNIRS-dataset uit een sociaal interactie-experiment. Daarnaast werd een vergelijking gemaakt tussen de pWTC-methode en de traditionele WTC-methode en die tussen de pWTC-methode en de Granger causaliteit (GC) methode. De resultaten toonden aan dat pWTC kon worden gebruikt om het INS-verschil tussen verschillende experimentele omstandigheden en het directionele en temporele patroon van INS tussen individuen tijdens naturalistische sociale interacties te bepalen. Bovendien biedt het een betere temporele en frequentieresolutie dan het traditionele WTC en een betere flexibiliteit dan de GC-methode. PWTC is dus een sterke kandidaat voor het afleiden van de richting en het temporele patroon van informatiestroom tussen individuen tijdens naturalistische sociale interacties.

Simulatie resultaten De resultaten toonden aan dat de tijd-vertraagde INSWTC met autocorrelatie significant hoger was dan de tijd-vertraagde INSWTC zonder autocorrelatie (t(1998) = 4,696, p < 0,001) en tijd-vertraagde INSpWTC (t(1998) = 5,098, p < 0,001). Bovendien was er geen significant verschil tussen in de tijd vertraagd INSWTC zonder autocorrelatie en INSpWTC (t(1998) = 1,573, p = 0,114, <strong cl...

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

Dit protocol beschrijft partiële wavelettransformatiecoherentie (pWTC) voor het berekenen van het tijd-vertraagde patroon van interpersoonlijke neurale synchronisatie (INS) om de richting en het temporele patroon van informatiestroom tijdens sociale interactie af te leiden. De effectiviteit van pWTC bij het verwijderen van de confounds van signaalautocorrelatie op INS werd bewezen door twee experimenten.

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 ...

Hyperscanning is een veelbelovende methode om de relatie tussen individuen te beschrijven en die in deze studie neurale synchronisatie tussen individuen vindt. En de belangrijkste vraag is om te identificeren wie synchroniseert met wie. En de methode die we hier voorstellen, is om de richting van de informatiestroom tussen individuen te identificeren.In vergelijking met andere methoden is het belangrijkste voordeel van deze methode het verwijderen van de verschillende verstorende factoren uit de neurale synchronisatie. Bijvoorbeeld de autocorrelatie in elk signaal. En ondertussen kunnen we de hoge ruimtelijke anatomische resolutie van elk signaal behouden.Start de voorbewerking van gegevens door de hemoglobineconcentratie verandert gegevensbestanden van de apparatuur te exporteren en de bestanden naar matlab leesbaar formaat te verzenden. Verwijder vervolgens de eerste en laatste 15 seconden van de gegevens voor elke sessie om voorbijgaande reacties te voorkomen en gebruik de ingebouwde MATLAB-decimeerfunctie om de gegevens te downsamplen van 55,6 hertz naar 11,1 hertz. Als u bewegingsartefacten wilt corrigeren, past u de filtermethode discrete wavelettransformatie toe met de juiste filterfunctie.Gebruik de ingebouwde PCA-functie om globale fysiologische ruis te verwijderen. Verwijder vervolgens de bovenste 80% van de variantie uit de signalen. Na het verwijderen van de eerste twee seconden gegevens van vrouwen en de laatste twee seconden van gegevens van mannen, berekent u de door vrouwen geleide ins WTC-waarde met twee seconden achterstand met de vergelijking.Evenzo, na het verwijderen van de eerste twee seconden aan gegevens van mannen en de laatste twee seconden aan gegevens van vrouwen, berekent u de door mannen geleide ins WTC-waarde met twee seconden achterstand. Herhaal de procedure met verschillende tijdsvertraging, N, zoals N gelijk is aan vier of zes of acht seconden, over de potentiële 676 CH-paren en bereken de sterkte van vrouwen en mannen-geleide tijd-vertraagde INS WTC met de vergelijking zoals eerder beschreven. Bereken INS pWTC met pWTC op dezelfde manier met behulp van de vergelijking.Genereer de tijdsreeksen van de fNIRS-signalen tussen mannen en vrouwen en bereken de waarden van het WTC met vertraging op verschillende tijdsvertragingen. Genereer autocorrele tijdreeksen van fNIRS-signalen van mannen door de eerste twee seconden en de laatste twee seconden van de gegevens van de mannen te verwijderen. Bereken vervolgens de autocorrelatieve waarde van twee seconden voor mannen.Evalueer vervolgens de autocorrele WTC-waarden op verschillende tijdsvertragingen. Maak op dezelfde manier een tijdsgelijnde tijdreeks van de fNIRS-signalen door de eerste twee seconden gegevens van de mannen en de vrouwen te verwijderen. Bereken vervolgens het twee seconden tijd-uitgelijnde WTC.Evalueer vervolgens de op de tijd afgestemde WTC-waarden op verschillende tijdsvertraging. Voer de tijd uitgelijnde WTC- , tijd-vertraagde WTC- en autocorrelatieve WTC-waarden op verschillende tijdstippen in de vergelijkingen van pWTC in, waardoor INS pWTC wordt gegenereerd. Verwijder in de fNIRS-gegevensverwerking op het tweede niveau fysiologische ruis en frequentiebanden van elk signaal boven 0,7 hertz.Verwijder vervolgens de frequentiebanden van elk signaal onder 0,01 hertz en binnen 0,15 tot 0,3 hertz om zeer lage frequentieschommelingen weg te filteren. Transformeer INS met Fisher Z-transformatie en vervolgens gemiddelde INS op de temporele dimensie. Voor de gemiddelde INS bij elke vertraging voert u een gepaarde t-test met twee monsters uit op elk CH-paar over het frequentiebereik.Identificeer vervolgens alle belangrijke frequentieclusters. Wijs dyadische relaties opnieuw toe door de deelnemers willekeurig toe te wijzen aan nieuwe, twee ledenparen, zoals de deelnemers van een diad die nooit met elkaar hadden gecommuniceerd. Voer een clustergebaseerde permutatietest uit om een drempelwaarde voor de resultaten vast te stellen.Bereken de INS in elke tijdsvertraging opnieuw. Voer gepaarde t-tests uit in het nieuwe monster en identificeer significante frequentieclusters. Selecteer vervolgens het cluster met de grootste opgetelde T-waarde voordat u de procedures 1.000 keer herhaalt om een nulverdeling van de maximale fout-positieve T-waarden te genereren.Vergelijk de opgetelde T-waarde van elk geïdentificeerd frequentiecluster in de oorspronkelijke steekproef met de nulverdeling om significante statistische resultaten te verkrijgen. In het onderzoek is een simulatieanalyse uitgevoerd. De representatieve analyse illustreert dat het in de tijd vertraagde INS WTC met autocorrelatie significant hoger was dan het in de tijd vertraagde INS WTC zonder autocorrelatie en in de tijd vertraagde INS pWTC.Bovendien was er geen significant verschil tussen het in de tijd vertraagde INS WTC zonder autocorrelatie en INS pWTC, wat wijst op de efficiëntie van pWTC bij het verwijderen van de impact van het autocorrelatie-effect op INS. Een marginaal significant contexteffect werd waargenomen binnen 0,4 tot 0,6 hertz, dat van mannen vier seconden achterbleef bij dat van vrouwen. Daarentegen werd voor INS pWTC alleen een significant contexteffect binnen 0,4 tot 0,6 hertz waargenomen wanneer de sensor- en motorische cortexactiviteit van mannen vier seconden achterbleef bij die van vrouwen.De directionele INS van vrouwen naar mannen was significant hoger in de conflictcontexten dan in de ondersteunende contexten. De resultaten van INS pWTC werden gevalideerd met de Granger causaliteitsmethode. De resultaten toonden aan dat INS GC een vergelijkbaar patroon vertoonde als INS pWTC.De directionele INS berekend door de Granger causaliteitsanalyse van vrouwen naar mannen was significant hoger in de conflictcontexten dan in de ondersteunende contexten. Na het berekenen van de neurale synchronisatie met behulp van deze methode, is het ook mogelijk om veel andere methoden uit te voeren. We kunnen bijvoorbeeld deze directionele informatiestroom vergelijken tussen verschillende sociale verbindingscontexten en de sociale verbinding in verschillende sociale relaties.En ook is het mogelijk om de bijdrage van verschillende communicatiegedragingen aan de neurale synchronisatie te begrijpen. Of het bijvoorbeeld verbale communicatie of non-verbale communicatie is, spelen een belangrijkere rol in de neurale synchronisatie.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Met behulp Informatieve Connectiviteit om de Synchrone opkomst van fMRI Multi-voxel Informatie Across Time Meet

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

Gelijktijdige Evaluatie van Cerebrale hemodynamiek en Light Scattering Eigenschappen van de<em&gt; In Vivo</em&gt; Rat Brain behulp Multispectral Diffuse reflectie Imaging

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

Viervoudige Immunostaining van de Olfactorische Lamp voor Visualisatie van Olfactorische Sensorische Axon Moleculaire Identiteitscodes

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

Oogbeschadigingen en/of Kinematics gemeten door In Vitro stimulatie van de craniale zenuwen in de schildpad

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

Gelijktijdige opnamen van corticale lokale veld Potentials, elektrocardiogram Electromyogram en ademhaling ritme van een vrij bewegende Rat

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

Een volumetrische methode voor de kwantificering van cerebrale Vasospasm in een lymfkliertest Model van subarachnoïdale bloeding

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

Retinale vasculaire reactiviteit zoals beoordeeld door optische coherentie tomografie Angiografie

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

Betrouwbare verwerving van elektro-encefalografiegegevens tijdens gelijktijdige elektro-encefalografie en functionele MRI

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 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 ...

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 ...