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

この研究は、中国国家自然科学財団(61977008)とヤング・トップ・ノッチ・タレント・オブ・ワン・ワン・スタレント・プログラムによって支援されました。

人体実験プロトコルは、北京師範大学の認知神経科学と学習の国家主要研究所の治験審査委員会と倫理委員会によって承認されました。すべての参加者は、実験が始まる前に書面によるインフォームドコンセントを与えました。
1. シミュレーション実験
<ol><li>互いに相関するシグナルの2つの時系列を生成し、1つのシグナルが4秒のタイムラグで自己相関を有する。2つ?...

ハイパースキャン研究では、通常、個人間の情報の流れの方向的および時間的パターンを記述することが不可欠です。これまでのほとんどのfNIRSハイパースキャン研究では、従来のWTC25を使用して、時間差INSを計算することによってこれらの特性を推測してきました。しかし、fNIRS信号20,21の本質的な特徴の1つとして、自己相関効?...

社会的相互作用は人間にとって極めて重要である1,2。社会的相互作用の二重脳神経認知メカニズムを理解するために、ハイパースキャンアプローチが最近広く使用されており、対人神経同期(INS)のパターンが社会的相互作用プロセスをうまく特徴付けることができることを示している3、4、5、6、7、8、9、10、11、12,13,14。最近の研究の中で、興味深い発見は、ダイアドにおける個人の役割の違いがINSの時間遅れパターンにつながる可能性があるということです、すなわち、INSは、ある個人の脳活動が他の個人の脳活動に数秒遅れたときに起こります。 教師から生徒へ8人、母親から子供へ13,15人、ロマンチックなカップルの女性から男性へ6.最も重要なのは、時間遅れINSの間隔と、質問する教師と8に答える生徒の間、または母親の子育て行動と子供のコンプライアンス行動15との間のそのような社会的相互作用行動の間隔との間に良好な対応がある。したがって、時間差INSは、対人言語コミュニケーションのための最近の階層モデル16において提案されているように、ある個人から別の個人への指向性情報フローを反映し得る。
これまで、時間遅れINSは、自然主義的社会的相互作用を研究する際の比較的高い空間分解能、音の解剖学的局在化、およびモーションアーチファクト17の非常に高い許容度のために、主に機能的近赤外分光法(fNIRS)信号に基づいて計算された。また、社会的相互作用中の神経タイムラグと行動タイムラグとの対応関係を精密に特徴付けるためには、タイムラグ毎(例えば、無タイムラグから10秒のタイムラグまで)のINS強度を求めることが不可欠である。この目的のために、以前は、ウェーブレット変換コヒーレンス(WTC)手順は、ある個体の脳信号を別の個体の脳信号に対して前方または後方にシフトした後に広範囲に適用されていた5,6,18。fNIRS信号に対してこの従来のWTC手順を使用する場合、観察された時間遅れINSが個々の19、20、21に対するfNIRS信号の自己相関効果によって交絡する可能性があるため、潜在的な課題があります。例えば、ダイアディック社会的相互作用プロセスの間、時点tにおける参加者Aの信号は、同じ時点における参加者Bの信号と同期され得る。一方、時間点tにおける参加者Aの信号は、自己相関効果のために、後の時点t+1における参加者Aの信号と同期され得る。したがって、時刻tにおける参加者Aの信号と、時点t+1における参加者Bの信号との間に、偽の時間差INSが発生する可能性があります。
Mihanovićと彼の同僚22は、最初に部分ウェーブレット変換コヒーレンス(pWTC)と呼ばれる方法を導入し、次にそれを海洋科学23,24に適用した。この方法の本来の目的は、2つの信号のコヒーレンスを推定するときに外因性の交絡ノイズを制御することでした。ここでは、fNIRSハイパースキャンデータの自己相関の問題に対処するために、pWTC法を拡張して、fNIRS信号上の時間差INSを計算しました。正確には、参加者Aから参加者Bまでの時間差INS(および方向情報フロー)は、以下の式(式1)23を使用して計算できます。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62927/62927eq01.jpg">
ここでは、参加者 A と参加者 B からそれぞれ A と B の 2 つの信号があると仮定します。信号Bの発生は、常にnのタイムラグを持つ信号Aの発生に先行し、WTC(At、Bt+n)は従来の時間差WTCである。WTC (At, At+n) は、構成要素 A における自己相関 WTC であり、WTC (At, B t) は、構成要素 A と B の間の時点 t における時間整合 WTC です。* は複素共役演算子です (図 1A)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62927/62927fig01.jpg"> 図 1: pWTC の概要 (A) pWTC の論理。ダイアド内には2つの信号AとBがあります。A の出現は、常にラグ n を持つ B の出現に続きます。灰色のボックスは、特定の時点tまたはt+nにおけるウェーブレットウィンドウです。pWTC方程式(図に表されている)に基づいて、3つのWTCを計算する必要があります:At + nとBtの時間遅れWTC。A tおよびA t + nの参加者Aにおける自己相関WTC;時刻t、RtおよびBtにおける時間整列WTCである。(イ)オプトイドプローブセットのレイアウト。CH11はT3に置かれ、CH25は国際10-20システム27,28に従ってT4に置かれた。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62927/62927fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
このプロトコルは、pWTCが自己相関の課題をどの程度うまく解決するかを示すために、最初にシミュレーション実験を導入しました。次に、自然主義的社会的相互作用の実証実験に基づき、pWTCを段階的に実施する方法を説明しました。ここでは、通信コンテキストを使用してメソッドを導入しました。これは、以前は、時間差INSは、通常、自然主義的なコミュニケーションコンテキスト3、4、6、8、13、15、18で計算されていたためです。さらに、pWTCと従来のWTCの比較、グレンジャー因果関係(GC)検定による検証も実施されました。

<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

社会的相互作用は人間にとって極めて重要です。ハイパースキャンアプローチは、社会的相互作用中の対人神経同期(INS)を研究するために広く使用されてきましたが、機能的近赤外分光法(fNIRS)は、比較的高い空間分解能、音の解剖学的局在化、およびモーションアーチファクトの非常に高い耐性のために、自然主義的社会的相互作用をハイパースキャンするための最も一般的な技術の1つです。以前のfNIRSベースのハイパースキャニング研究では、通常、ウェーブレット変換コヒーレンス(WTC)を使用して時間時間差INSを計算し、個人間の情報の流れの方向と時間パターンを記述します。しかしながら、この方法の結果は、各個体のfNIRS信号の自己相関効果によって交絡する可能性がある。この問題に対処するために、自己相関効果を除去し、fNIRS信号の高い時間スペクトル分解能を維持することを目的とした部分ウェーブレット変換コヒーレンス(pWTC)と呼ばれる方法が導入されました。本研究では、INSに対する自己相関の影響を除去する上でのpWTCの有効性を示すために、最初にシミュレーション実験が行われた。次に、社会的相互作用実験からのfNIRSデータセットに基づくpWTCの動作について、段階的なガイダンスが提供された。さらに、pWTC法と従来のWTC法との比較、およびpWTC法とグレンジャー因果関係(GC)法との比較が描かれた。結果は、pWTCが、自然主義的社会的相互作用中の個人間の異なる実験条件間のINS差およびINSの方向的および時間的パターンを決定するために使用することができることを示した。さらに、従来のWTCよりも優れた時間分解能と周波数分解能を提供し、GC法よりも優れた柔軟性を提供します。したがって、pWTCは、自然主義的な社会的相互作用中の個人間の情報の流れの方向および時間的パターンを推測するための強力な候補である。

シミュレーション結果 その結果、自己相関のある時間差INS WTCは、自己相関のない時間差INSWTC(t(1998) = 4.696, p < 0.001)および時間差INSpWTC(t(1998) = 5.098, p < 0.001)よりも有意に高いことが示された。さらに、自己相関のない時間差INS WTCとINSpWTCとの間に有意差はなかった(t(1998) = 1.573, p = 0.114, Figure 2A...

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

このプロトコルは、社会的相互作用中の情報の流れの方向および時間的パターンを推測するために、対人神経同期(INS)の時間時間差パターンを計算するための部分ウェーブレット変換コヒーレンス(pWTC)を記述する。INS上のシグナル自己相関の交絡を除去する上でのpWTCの有効性は、2つの実験によって証明された。

部分ウェーブレット変換コヒーレンス法を用いたfNIRS-ハイパースキャンデータにおける指向性情報流の測定

Social interaction is of vital importance for human beings. While the hyperscanning approach has been extensively used to study interpersonal neural ...

ハイパースキャンは、個人間の関係を記述するための有望な方法であり、この研究では個人間の神経同期が見いだされる。そして最も重要な質問は、誰が誰と同期しているかを特定することです。そして、ここで提案する方法は、個人間の情報の流れの方向を特定することです。他の方法と比較して、この方法の最も重要な利点は、神経同期から様々な交絡因子を除去することである。たとえば、すべての信号の自己相関などです。その間、すべての信号の高い空間解剖学的分解能を維持することができます。機器からヘモグロビン濃度変更データファイルをエクスポートし、MATLAB読み取り可能な形式に送信することで、データの前処理を開始します。次に、各セッションの最初と最後の 15 秒のデータを削除して一時的な応答を回避し、MATLAB decimate 組み込み関数を使用してデータを 55.6 ヘルツから 11.1 ヘルツにダウンサンプリングします。モーションアーチファクトを補正するには、適切なフィルタリング機能を備えた離散ウェーブレット変換フィルタ法を適用します。PCA組み込み関数を使用して、グローバルな生理学的ノイズを除去します。次に、シグナルから分散の上位80%を削除します。女性から最初の 2 秒間のデータと男性からの最後の 2 秒間のデータを削除した後、女性主導の 2 秒間の時間差の INS WTC 値を式で計算します。同様に、男性からの最初の 2 秒間のデータと女性からの最後の 2 秒間のデータを削除した後、男性主導の 2 秒間の時間差の INS WTC 値を計算します。Nが4秒、6、8秒に等しいように、異なるタイムラグで手順を繰り返し、潜在的な676CHペアにわたって、前述の式で女性と男性主導の時間差INS WTCの強度を計算します。式を使用して、同じ方法で pWTC を使用して INS pWTC を計算します。男性と女性の間のfNIRS信号の時間差時系列を生成し、異なるタイムラグにおける時間差WTCの値を計算します。男性のfNIRS信号の自己相関時系列を生成するには、男性からデータの最初の2秒と最後の2秒を削除します。次に、男性の 2 秒間の自己相関値を計算します。次に、異なるタイムラグで自己相関したWTC値を評価する。同様に、男性と女性から最初の 2 秒間のデータを削除して、fNIRS 信号の時間調整された時系列を作成します。次に、2秒間の時間位置合わせWTCを計算する。次に、異なるタイムラグでタイムアライメントされたWTC値を評価します。異なるタイムラグでのタイムアライメント WTC、時間差 WTC、および自己相関 WTC 値を pWTC の方程式に入力し、INS pWTC を生成します。第2レベルのfNIRSデータ処理では、0.7ヘルツを超える各信号の生理学的ノイズと周波数帯域を除去します。次に、各信号の周波数帯域を0.01ヘルツ未満および0.15~0.3ヘルツ以内に除去して、非常に低い周波数変動をフィルタリングします。フィッシャー Z 変換で INS を変換し、時間次元で平均 INS を変換します。各タイムラグでの平均INSについて、周波数範囲にわたる各CHペアでペアの2つのサンプルt検定を実施します。次に、すべての重要な周波数クラスターを特定します。互いにコミュニケーションをとったことのないダイアドの参加者のように、参加者を新しい2つのメンバーペアにランダムに割り当てることによって、ダイアディック関係を再割り当てします。クラスターベースの順列テストを実行して、結果のしきい値を設定します。タイムラグごとにINSを再計算します。新しいサンプルで対応のあるt検定を実行し、有意な周波数クラスターを特定します。次に、合計 T 値が最大のクラスターを選択してから、手順を 1, 000 回繰り返して、最大偽陽性 T 値のヌル分布を生成します。元のサンプルで識別された各頻度クラスターの合計T値をヌル分布と比較し、有意な統計結果を得ます。この研究ではシミュレーション解析が行われました。代表的な分析は、自己相関を有する時間時間差INS WTCが、自己相関のない時間時間差INS WTCおよび時間時間差INS pWTCよりも有意に高かったことを示している。さらに、自己相関のない時間差INS WTCとINS pWTCとの間に有意差はなく、INSに対する自己相関効果の影響を除去する際のpWTCの効率性が示された。0.4~0.6ヘルツ以内にわずかな有意な文脈効果が観察され、男性の方が女性のそれより4秒遅れた。対照的に、INS pWTCについては、男性のセンサーおよび運動皮質活動が女性の活動に4秒遅れた場合、0.4〜0.6ヘルツ以内の有意な文脈効果のみが観察された。女性から男性への指向性INSは、支援的な文脈よりも紛争の文脈で有意に高かった。INS pWTCの結果は、グレンジャー因果関係法で検証されました。その結果、INS GCはINS pWTCと同様のパターンを示すことが示された。Grangerの因果関係分析によって計算された女性から男性への指向性INSは、支持的な文脈よりも紛争の文脈で有意に高かった。このメソッドを使用してニューラル同期を計算した後、他の多くのメソッドを実行することもできます。例えば、我々は、異なる社会的つながりの文脈と異なる社会的関係における社会的つながりとの間のこの方向性情報フローを比較することができる。そしてまた、神経同期に対する異なる通信行動の寄与を理解することができる。例えば、それが言語コミュニケーションであろうと非言語コミュニケーションであろうと、神経同期においてより重要な役割を果たします。

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

時間を越えてのfMRI多ボクセル情報の同期出現を測定するために情報を使用した接続

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

脳血行動態との光散乱特性の同時評価<em&gt;インビボ</emマルチスペクトル拡散反射率イメージングの使用&gt;ラット脳

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

嗅覚神経軸索分子識別コードの視覚化のための嗅球の四重免疫染色

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

カメの中で脳神経のIn Vitro刺激を用いて眼球運動

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

皮質局所電界電位、心電図、筋電図、呼吸リズム自由行動ラットからの同時録音

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

くも膜下出血のマウスモデルにおける脳血管攣縮の定量化法の体積

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

光コヘレンス断層撮影解剖学によるレチナル血管反応性

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

同時脳波と機能MRIにおける脳波データの確実な取得

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

オープンエンド共同学習における脳間同期:fNIRS-ハイパースキャン研究

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

fNIRS ハイパースキャンスタディで脳間同期を計算および検証する方法

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