Name: measurement of the directional information flow in fnirs-hyperscanning data using the partial wavelet transform coherence method
Uploaded: 2021-09-03T14:30:00
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이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (61977008)과 Ten Thousand Talent Program의 Young Top Notch Talents의 지원을 받았습니다.

인간 실험 프로토콜은 베이징 사범 대학의인지 신경 과학 및 학습의 국가 핵심 연구소의 기관 검토위원회 및 윤리위원회에 의해 승인되었습니다. 모든 참가자는 실험이 시작되기 전에 서면 정보에 입각 한 동의를했습니다.
1. 시뮬레이션 실험
<ol><li>서로 상관 관계가 있는 두 개의 시계열 신호를 생성하며, 하나의 신호는 4s 시간 지연에서 자기 상관 관계를 갖습니다. 두 신호...

하이퍼 스캐닝 연구에서는 일반적으로 개인 간의 정보 흐름의 방향성 및 시간적 패턴을 설명하는 것이 필수적입니다. 대부분의 이전의 fNIRS 하이퍼스닝 연구는 전통적인 WTC25를 사용하여 시간 지연 INS를 계산하여 이러한 특성을 추론했습니다. 그러나, fNIRS 신호(20,21)의 본질적인 특징들 중 하나로서, 자기상관성 효과는 시간-지연된 INS?...

사회적 상호 작용은 인간에게 매우 중요합니다 1,2. 사회적 상호 작용의 이중 뇌 신경인지 메커니즘을 이해하기 위해 하이퍼 스캐닝 접근법이 최근에 광범위하게 사용되어 대인 관계 신경 동기화 (INS)의 패턴이 사회적 상호 작용 과정을 잘 특징 지을 수 있음을 보여줍니다 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. 최근의 연구 중에서, 흥미로운 발견은 다야드에서 개인의 역할 차이가 INS의 시간 지연 패턴으로 이어질 수 있다는 것입니다, 즉, INS는 한 개인의 뇌 활동이 청취자에서 연사5,9, 지도자에서 추종자에 이르기까지 몇 초 동안 다른 개인의 뇌 활동보다 뒤처질 때 발생합니다4, 교사에서 학생8, 어머니에서 어린이13,15, 여성에서 남성까지 낭만적 인 커플6. 가장 중요한 것은 시간 지연 INS의 간격과 8에답하는 교사와 학생 간의 또는 어머니의 양육 행동과15 아동의 준수 행동 사이의 사회적 상호 작용 행동 사이에 좋은 대응이 있다는 것입니다. 따라서, 시간-지연된 INS는 대인 관계 언어 통신(16)을 위한 최근의 계층적 모델에서 제안된 바와 같이, 한 개인으로부터 다른 개인으로의 방향 정보 흐름을 반영할 수 있다.
이전에, 시간-지연된 INS는 자연주의적 사회적 상호작용을 연구할 때 상대적으로 높은 공간 분해능, 사운드 해부학적 국소화 및 운동 아티팩트(17)의 예외적으로 높은 내성 때문에 기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 신호에서 주로 계산되었다. 더욱이, 사회적 상호작용 동안 신경 시간 지연과 행동 시간 지연 사이의 대응을 정확하게 특성화하기 위해, 각각의 시간 지연에 대한 INS 강도를 얻는 것이 필수적이다 (예를 들어, 시차 없는 것으로부터 10 초의 시간 지연까지). 이러한 목적을 위해, 이전에는 웨이블릿 변환 일관성(WTC) 절차가 한 개인의 뇌 신호를 다른 개인의 뇌 신호(5,6,18)에 비해 앞이나 뒤로 이동시킨 후에 광범위하게 적용되었다. fNIRS 신호에 대해 이러한 전통적인 WTC 절차를 사용하는 경우, 관찰된 시간-지연된 INS가 개별19,20,21에 대한 fNIRS 신호의 자기상관 효과에 의해 혼동될 수 있기 때문에 잠재적인 도전이 존재한다. 예를 들어, 다이아딕 사회적 상호작용 프로세스 동안, 시점 t에서의 참여자 A의 신호는 동시에 참여자 B의 신호와 동기화될 수 있다. 한편, 시점 t에서의 참여자 A의 신호는 자기상관성 효과 때문에 나중 시점 t+1에서 참여자 A의 신호와 동기화될 수 있다. 따라서, 스퓨리어스 시차가 있는 INS는 시점 t에서의 참여자 A의 신호와 시점 t+1에서의 참여자 B의 신호 사이에서 발생할 수 있다.
Mihanović와 그의 동료22는 부분 웨이블릿 변환 일관성 (pWTC)이라는 방법을 처음 도입 한 다음 해양 과학23,24에 적용했습니다. 이 방법의 원래 목적은 두 신호의 일관성을 추정 할 때 외인성 교란 잡음을 제어하는 것이 었습니다. 여기서, fNIRS 하이퍼스닝 데이터에서의 자기상관 문제를 해결하기 위해, pWTC 방법은 fNIRS 신호 상의 시간-지연된 INS를 계산하도록 확장되었다. 정확하게는, 참여자 A로부터 참여자 B까지의 시간 지연된 INS(및 방향 정보 흐름)는 아래의 방정식(수학식 1)23을 사용하여 계산될 수 있다.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62927/62927eq01.jpg">
여기서, 참가자 A와 B로부터 각각 두 개의 신호, A와 B가 있다고 가정한다. 신호 B의 발생은 항상 신호 A의 발생보다 시간 지연이 n인 경우, WTC(A t, B t+n)는 전통적인 시간 지연 WTC입니다. WTC(At, At+n)는 참여자 A에서 오토상관관계가 있는 WTC이다. WTC(At, Bit)는 참여자 A와 B 사이의 시점 t에서의 시간 정렬된 WTC이다. *는 복합 컨쥬게이트 연산자이다(도 1A).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62927/62927fig01.jpg"> 그림 1: pWTC의 개요. (A) pWTC의 논리. 다야드 내에는 두 개의 신호 A와 B가 있습니다. A의 발생은 항상 지연 n이있는 B의 발생을 따릅니다. 회색 상자는 특정 시점 t 또는 t+n의 웨이블릿 창입니다. pWTC 방정식 (그림에 표시됨)을 기반으로 세 가지 WTC를 계산해야합니다 : A t + n 및 B t의 시간 지연 WTC; A t 및 A t + n의 참가자 A에서 자동 상관 된 WTC; 및 시간 정렬된 WTC를 시점 t, At 및 Bt에서 포함한다. (B) 옵토드 프로브 세트의 레이아웃입니다. CH11은 T3에 배치되었고, CH25는 국제 10-20 시스템27,28에 따라 T4에 배치되었다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62927/62927fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
이 프로토콜은 pWTC가 자기상관 문제를 얼마나 잘 해결하는지 보여주기 위해 시뮬레이션 실험을 처음 도입했습니다. 그런 다음 자연주의 사회적 상호 작용에 대한 경험적 실험을 기반으로 pWTC를 단계별로 수행하는 방법을 설명했습니다. 여기서, 통신 컨텍스트는 방법을 소개하기 위해 사용되었다. 이는 이전에 시간 지연 INS가 일반적으로 자연주의 통신 컨텍스트 3,4,6,8,13,15,18에서 계산되었기 때문입니다. 또한, pWTC와 전통적인 WTC의 비교와 그랜저 인과성 (GC) 테스트와의 검증도 수행되었습니다.

<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

사회적 상호 작용은 인간에게 매우 중요합니다. 하이퍼 스캐닝 접근법은 사회적 상호 작용 중에 대인 관계 신경 동기화 (INS)를 연구하는 데 광범위하게 사용되었지만 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)은 상대적으로 높은 공간 해상도, 사운드 해부학 적 현지화 및 모션 아티팩트의 예외적으로 높은 내성으로 인해 자연 주의적 사회적 상호 작용을 하이퍼 스캐닝하는 데 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 이전의 fNIRS 기반 하이퍼스닝 연구는 일반적으로 개인 간의 정보 흐름의 방향과 시간 패턴을 설명하기 위해 웨이블릿 변환 일관성 (WTC)을 사용하여 시간 지연 INS를 계산합니다. 그러나, 이 방법의 결과는 각 개인의 fNIRS 신호의 자기상관관계에 의해 혼동될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 부분 웨이블릿 변환 일관성 (pWTC)이라는 방법이 도입되었는데, 이는 자기 상관 효과를 제거하고 fNIRS 신호의 높은 시간적 스펙트럼 분해능을 유지하는 것을 목표로했습니다. 본 연구에서, INS에 대한 자기상관관계의 영향을 제거하는데 있어서 pWTC의 효과를 보여주기 위해 먼저 시뮬레이션 실험을 수행하였다. 이어서, 사회적 상호작용 실험으로부터의 fNIRS 데이터세트에 기초한 pWTC의 작동에 대한 단계별 지침을 제공하였다. 추가적으로, pWTC 방법과 전통적인 WTC 방법 사이의 비교와 pWTC 방법과 그랜저 인과성 (GC) 방법 사이의 비교가 도출되었다. 결과는 pWTC가 자연주의 사회적 상호 작용 동안 개인간에 다른 실험 조건과 INS의 방향성 및 시간적 패턴 사이의 INS 차이를 결정하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 또한 기존 WTC보다 더 나은 시간 및 주파수 분해능을 제공하고 GC 방법보다 더 나은 유연성을 제공합니다. 따라서, pWTC는 자연주의적 사회적 상호작용 동안 개인들 사이의 정보 흐름의 방향과 시간적 패턴을 추론하기 위한 강력한 후보이다.

시뮬레이션 결과 결과는 자기상관관계를 갖는 시간-지연된 INS WTC가 자기상관관계가 없는 시간-지연된 INSWTC보다 유의하게 더 높았다는 것을 보여주었다(t(1998) = 4.696, p< 0.001) 및 시간-지연된 INSpWTC(t(1998) = 5.098, p<001). 추가적으로, 자기상관관계가 없는 INS WTC와 INSpWTC 사이에는 시차적인 차이가 없었다(t(1998) = 1.573,p=0.1...

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

이 프로토콜은 사회적 상호 작용 동안 정보 흐름의 방향과 시간 패턴을 추론하기 위해 대인 관계 신경 동기화 (INS)의 시간 지연 패턴을 계산하기위한 부분 웨이블릿 변환 일관성 (pWTC)을 설명합니다. INS에 대한 신호 자기상관관계의 혼란을 제거하는 데 있어서 pWTC의 효과는 두 번의 실험에 의해 입증되었다.

부분 웨이블릿 변환 일관성 방법을 사용한 fNIRS-하이퍼스닝 데이터에서 방향 정보 흐름 측정

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

하이퍼 스캐닝은 개인 간의 관계를 설명하는 유망한 방법이며이 연구에서 개인 간의 신경 동기화를 찾습니다. 그리고 가장 중요한 질문은 누가 누구와 동기화하고 있는지 확인하는 것입니다. 그리고 우리가 여기서 제안하는 방법은 개인 간의 정보 흐름의 방향을 식별하는 것입니다.다른 방법과 비교할 때,이 방법의 가장 중요한 이점은 신경 동기화에서 다양한 혼란 요인을 제거하는 것입니다. 예를 들어, 모든 신호의 자기 상관 관계. 그리고 그 사이에, 우리는 모든 신호의 높은 공간 해부학 적 해상도를 유지할 수 있습니다.장비에서 헤모글로빈 농도 변화 데이터 파일을 내보내고 파일을 MATLAB 판독 가능한 형식으로 전송하여 데이터 전처리를 시작하십시오. 그런 다음 각 세션에 대한 데이터의 첫 번째 및 마지막 15초를 제거하여 과도 응답을 방지하고 MATLAB 데시메이트 내장 함수를 사용하여 데이터를 55.6헤르츠에서 11.1헤르츠로 다운샘플링합니다. 모션 아티팩트를 수정하려면 적절한 필터링 기능을 사용하여 이산 웨이블릿 변환 필터 방법을 적용합니다.PCA 내장 기능을 사용하여 글로벌 생리적 잡음을 제거하십시오. 그런 다음 신호에서 분산의 상위 80%를 제거합니다. 여성으로부터 데이터의 초기 두 초와 남성으로부터 데이터의 마지막 두 초를 제거한 후, 방정식을 사용하여 여성 주도의 두 번째 지연된 INS WTC 값을 계산하십시오.마찬가지로, 남성으로부터 데이터의 초기 두 초와 여성으로부터 데이터의 마지막 두 초를 제거한 후, 남성 주도의 두 번째 지연된 INS WTC 값을 계산하십시오. 잠재적 인 676 CH 쌍에 걸쳐 N과 같은 N이 네 개 또는 여섯 개 또는 여덟 초와 같고 다른 시간 지연으로 절차를 반복하고 앞에서 설명한 방정식으로 여성 및 남성 주도 시간 지연 INS WTC의 강도를 계산하십시오. 방정식을 사용하여 동일한 방법으로 pWTC를 사용하여 INS pWTC를 계산하십시오.남성과 여성 사이의 fNIRS 신호의 시간 지연 시계열을 생성하고 서로 다른 시간 지연에서 시간 지연 WTC의 값을 계산합니다. 남성의 fNIRS 신호의 자동 상관 시계열을 생성하여 데이터의 처음 두 초와 마지막 두 초를 제거합니다. 그런 다음 남성에 대한 두 초 자동 상관 값을 계산하십시오.그런 다음, 상이한 시간 지연에서 자동 상관된 WTC 값을 평가한다. 같은 방식으로, 남성과 여성으로부터 데이터의 처음 두 초를 제거하여 fNIRS 신호의 시간 정렬된 시계열을 생성한다. 그런 다음 두 초의 시간 정렬 WTC를 계산합니다.그런 다음, 상이한 시간 지연에서 시간 정렬된 WTC 값을 평가한다. 서로 다른 시간 지연에서 시간 정렬된 WTC, 시차가 있는 WTC 및 자동 상관 WTC 값을 pWTC 방정식에 입력하여 INS pWTC를 생성합니다. 두 번째 레벨 fNIRS 데이터 처리에서 0.7헤르츠 이상의 각 신호의 생리적 잡음 및 주파수 대역을 제거합니다.그런 다음 0.01 헤르츠 이하 및 0.15 ~ 0.3 헤르츠 이내의 각 신호의 주파수 대역을 제거하여 매우 낮은 주파수 변동을 필터링하십시오. 피셔 Z 변환으로 INS를 변환한 다음 시간 차원에서 평균 INS를 변환합니다. 각 시간 지연에서 평균화된 INS에 대해 주파수 범위에 걸쳐 각 CH 쌍에 대해 쌍을 이룬 두 개의 샘플 t-검정을 수행합니다.그런 다음 모든 중요한 주파수 클러스터를 식별하십시오. 서로 의사 소통하지 않은 diad의 참가자와 같은 새로운 두 멤버 쌍에 참가자를 무작위로 할당하여 dyadic 관계를 재할당하십시오. 클러스터 기반 순열 테스트를 수행하여 결과에 대한 임계값을 설정합니다.각 시간 지연에서 INS를 다시 계산합니다. 새 샘플에서 쌍을 이룬 t-테스트를 수행하고 중요한 주파수 클러스터를 식별합니다. 그런 다음 절차 1을 000번 반복하기 전에 합산 T 값이 가장 큰 클러스터를 선택하여 최대 가양성 T 값의 null 분포를 생성합니다.원래 샘플에서 식별된 각 주파수 클러스터의 합산 T 값을 null 분포와 비교하여 유의한 통계 결과를 얻습니다. 시뮬레이션 분석이 연구에서 수행되었습니다. 대표적인 분석은 자기상관관계를 갖는 시간-지연된 INS WTC가 자기상관관계 및 시간-지연된 INS pWTC가 없는 시간-지연된 INS WTC보다 유의하게 더 높았다는 것을 보여준다.추가적으로, 자기상관관계가 없는 INS WTC와 INS pWTC 사이에는 유의한 차이가 없었으며, 이는 INS에 대한 자기상관관계의 영향을 제거함에 있어서 pWTC의 효율을 나타낸다. 0.4 ~ 0.6 헤르쯔 내에서 미미한 유의미한 문맥 효과가 관찰되었으며, 남성 중 4 초가 여성의 영향을 늦췄습니다. 대조적으로, INS pWTC의 경우, 남성의 센서 및 운동 피질 활성이 여성의 4초만큼 지연되었을 때 0.4 내지 0.6 헤르츠 내의 유의한 문맥 효과만이 관찰되었다.여성에서 남성으로의 방향성 INS는 갈등 상황에서 지지하는 맥락에서보다 훨씬 높았다. INS pWTC의 결과는 그랜저 인과성 방법으로 검증되었다. 결과는 INS GC가 INS pWTC와 유사한 패턴을 나타냄을 보여주었다.그랜저가 여성에서 남성으로 인과관계를 분석하여 계산한 방향성 INS는 갈등 상황에서 지지적 맥락에서보다 훨씬 높았다. 이 방법을 사용하여 신경 동기화를 계산 한 후에는 다른 많은 방법을 수행 할 수도 있습니다. 예를 들어, 우리는 서로 다른 사회적 연결 맥락과 다른 사회적 관계에서의 사회적 연결 사이의 방향 정보 흐름을 비교할 수 있습니다.또한, 신경 동기화에 대한 상이한 통신 동작들의 기여를 이해하는 것이 가능하다. 예를 들어, 구두 의사 소통이든 비언어적 의사 소통이든간에 신경 동기화에서 더 중요한 역할을합니다.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

시간에 걸쳐 fMRI를 다 복셀 정보의 동시 출현을 측정하는 정보를 제공하는 연결을 사용하여

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

연구

신경과학

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

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대뇌 혈류와의 광 산란 특성을 동시에 평가<em&gt; 생체</em&gt; 다중 스펙트럼 확산 반사 이미징을 이용한 쥐 뇌

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

후각 감각 축색 돌연변이 분자 식별 코드의 시각화를위한 뒷 전구의 4 배 면역 면역 측정법

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

눈 기구학 생체 외에서 거북이에 두개골 신경의 자극에 의해 측정

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

대뇌 피 질의 로컬 필드 전위, 심전도, 치십시오, 그리고 자유롭게 움직이는 쥐에서 리듬 호흡의 동시 녹음

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

거미 막 밑 출혈의 Murine 모델에 대뇌 Vasospasm의 정량화에 대 한 체적 메서드

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

광학 일관성 단층 조영술 혈관 조영술에 의해 평가된 망막 혈관 반응성

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

동시 뇌전도 및 기능 MRI 중 뇌전도 데이터의 신뢰할 수 있는 획득

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

개방형 협업 학습의 뇌 간 싱크로니: fNIRS 하이퍼스캐닝 연구

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 하이퍼스캐닝 연구에서 뇌 간 동기화를 계산하고 검증하는 방법

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