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 arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (61977008) og Young Top Notch Talents of Ten Thousand Talent Program.

Den menneskelige eksperimentprotokollen ble godkjent av Institutional Review Board and Ethics Committee of the State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning ved Beijing Normal University. Alle deltakerne ga skriftlig informert samtykke før eksperimentet begynte.
1. Simuleringseksperimentet
<ol><li>Generer to tidsserier med signaler som korrelerer med hverandre, med ett signal som har autokorrelasjon ved en tidsforsinkelse på 4. Sett korrelasjonskoeffisienten for r mellom de t...

I hyperskanningsstudier er det vanligvis viktig å beskrive retnings- og temporale mønstre for informasjonsflyt mellom individer. De fleste tidligere fNIRS hyperskanningsstudier har brukt tradisjonell WTC25 for å utlede disse egenskapene ved å beregne tidsforsinkelsen i INS. Men som en av de iboende egenskapene til fNIRS-signalet20,21, kan autokorrelasjonseffekten forvirre den tidsforsinkelsede INS. For å løse dette problemet, i proto...

Sosial interaksjon er av avgjørende betydning for mennesker 1,2. For å forstå den to-hjerne nevrokognitive mekanismen for sosial interaksjon, har hyperskanningsmetoden nylig blitt mye brukt, og viser at mønstrene for mellommenneskelig nevral synkronisering (INS) godt kan karakterisere den sosiale interaksjonsprosessen 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Blant nyere studier er et interessant funn at rolleforskjellen til individer i en dyad kan føre til et tidsforsinkelsesmønster av INS, det vil si at INS oppstår når hjerneaktiviteten til en person henger etter en annen persons etter sekunder, for eksempel fra lyttere til høyttalere 5,9, fra ledere til følgere4, fra lærere til elever8, fra mødre til barn13,15, og fra kvinner til menn i et romantisk par6. Viktigst av alt er det en god korrespondanse mellom intervallet for tidsforsinkelsen i INS og den for sosial interaksjonsatferd, for eksempel mellom lærere som stiller spørsmål og studenter som svarerpå 8 eller mellom foreldreatferd hos mødre og samsvarsatferd hos barn15 år. InS med tidsforsinkelse kan derfor gjenspeile en retningsmessig informasjonsflyt fra ett individ til et annet, som foreslått i en nylig hierarkisk modell for mellommenneskelig verbal kommunikasjon16.
Tidligere ble det tidsslepende INS hovedsakelig beregnet på det funksjonelle nær-infrarøde spektroskopisignalet (fNIRS) på grunn av sin relativt høye romlige oppløsning, lydanatomiske lokalisering og eksepsjonelt høy toleranse for bevegelsesartefakter17 når de studerte naturalistiske sosiale interaksjoner. Videre, for å nøyaktig karakterisere korrespondansen mellom nevral tidsforsinkelse og atferdstidsforsinkelsen under sosial interaksjon, er det viktig å oppnå INS-styrken for hver tidsforsinkelse (f.eks. fra ingen tidsforsinkelse til et tidsforsinkelse på 10 s). Til dette formål ble tidligere WTC-prosedyren (wavelet transform coherence) mye brukt etter å ha flyttet hjernesignalet til ett individ fremover eller bakover i forhold til en annen person 5,6,18. Ved bruk av denne tradisjonelle WTC-prosedyren for fNIRS-signaler er det en potensiell utfordring fordi den observerte tidsforsinkelsen i INS kan forvirres av autokorrelasjonseffekten av fNIRS-signalet for en personpå 19,20,21. For eksempel, under en dyadisk sosial interaksjonsprosess, kan signalet fra deltaker A på tidspunktet t synkroniseres med deltaker B samtidig. I mellomtiden kan signalet fra deltaker A på tidspunktet t synkroniseres med deltaker A på et senere tidspunkt t+1 på grunn av autokorrelasjonseffekten. Derfor kan det oppstå en ansporende tidsforsinkelse i INS mellom signalet fra deltaker A på tidspunktet t og deltaker B på tidspunktet t+1.
Mihanović og hans kolleger22 introduserte først en metode kalt delvis wavelet transform coherence (pWTC), og brukte den deretter i marin vitenskap23,24. Det opprinnelige formålet med denne metoden var å kontrollere den eksogene forvirrende støyen når man estimerer sammenhengen mellom to signaler. Her, for å løse problemet med autokorrelasjon i fNIRS hyperskanningsdata, ble pWTC-metoden utvidet til å beregne tidsforsinkelse INS på fNIRS-signalet. Nøyaktig kan en tidsforsinkelset INS (og en retningsinformasjonsflyt) fra deltaker A til deltaker B beregnes ved hjelp av ligningen nedenfor (ligning 1)23.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62927/62927eq01.jpg">
Her antas det at det er to signaler, A og B, fra henholdsvis A og B. Forekomsten av signal B går alltid foran signal A med en tidsforsinkelse på n, der WTC (At, Bt+n) er den tradisjonelle tidsforsinkelsen WTC. WTC (At, At+n) er den autokorrelerte WTC i deltaker A. WTC (At, Bt) er den tidsjusterte WTC på tidspunktet t mellom deltaker A og B. * er den komplekse konjugatoperatoren (figur 1A).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62927/62927fig01.jpg"> Figur 1: Oversikt over pWTC. (A) Logikken i pWTC. Det er to signaler A og B, innenfor en dyad. Forekomsten av A følger alltid B med en lag n. En grå boks er et waveletvindu på et bestemt tidspunkt t eller t+n. Basert på pWTC-ligningen (representert i figuren), må tre WTCer beregnes: tidsforsinkelse wtc av At + n og Bt; den autokorrelerte WTCen i deltaker A av At og At+n; og den tidsjusterte WTC på tidspunkt t, At og Bt. (B) Utformingen av optode sondesett. CH11 ble plassert på T3, og CH25 ble plassert på T4 etter det internasjonale 10-20-systemet27,28. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62927/62927fig01large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</a>
Denne protokollen introduserte først et simuleringseksperiment for å demonstrere hvor godt pWTC løser autokorrelasjonsutfordringen. Deretter forklarte den hvordan man utfører pWTC trinnvis basert på et empirisk eksperiment av naturalistiske sosiale interaksjoner. Her ble en kommunikasjonskontekst brukt til å introdusere metoden. Dette skyldes at den tidsforsinkelsen INS vanligvis ble beregnet i en naturalistisk kommunikasjonskontekst 3,4,6,8,13,15,18. I tillegg ble det også gjennomført en sammenligning mellom pWTC og den tradisjonelle WTC- og valideringen 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

Sosial interaksjon er av avgjørende betydning for mennesker. Mens hyperskanningsmetoden har blitt mye brukt til å studere mellommenneskelig nevral synkronisering (INS) under sosiale interaksjoner, er funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) en av de mest populære teknikkene for hyperskanning av naturalistiske sosiale interaksjoner på grunn av sin relativt høye romlige oppløsning, lydanatomisk lokalisering og eksepsjonelt høy toleranse for bevegelsesartefakter. Tidligere fNIRS-baserte hyperskanningsstudier beregner vanligvis en tidsforsinkelses-INS ved hjelp av wavelet transform coherence (WTC) for å beskrive retningen og det tidsmessige mønsteret for informasjonsflyt mellom individer. Resultatene av denne metoden kan imidlertid forvirres av autokorrelasjonseffekten av fNIRS-signalet til hver enkelt person. For å løse dette problemet ble det introdusert en metode kalt delvis wavelet transform coherence (pWTC), som hadde som mål å fjerne autokorrelasjonseffekten og opprettholde den høye temporale spektrumoppløsningen til fNIRS-signalet. I denne studien ble det først utført et simuleringseksperiment for å vise effektiviteten av pWTC ved å fjerne virkningen av autokorrelasjon på INS. Deretter ble trinnvis veiledning tilbudt om driften av pWTC basert på fNIRS-datasettet fra et sosialt interaksjonseksperiment. I tillegg ble det tegnet en sammenligning mellom pWTC-metoden og den tradisjonelle WTC-metoden og den mellom pWTC-metoden og Granger causality (GC)-metoden. Resultatene viste at pWTC kunne brukes til å bestemme INS-forskjellen mellom ulike eksperimentelle forhold og INS' retningsmessige og tidsmessige mønster mellom individer under naturalistiske sosiale interaksjoner. Videre gir det bedre temporal og frekvensoppløsning enn den tradisjonelle WTC og bedre fleksibilitet enn GC-metoden. Dermed er pWTC en sterk kandidat for å utlede retningen og det tidsmessige mønsteret for informasjonsflyt mellom individer under naturalistiske sosiale interaksjoner.

Resultater av simulering Resultatene viste at tidsforsinkelsen i INSWTC med autokorrelasjon var betydelig høyere enn den tidsforsinkelsede INSWTC uten autokorrelasjon (t(1998) = 4,696, p < 0,001) og tidsforsinkelse INSpWTC (t(1998) = 5,098, p < 0,001). I tillegg var det ingen signifikant forskjell mellom tidsforsinkelse i INSWTC uten autokorrelasjon og INSpWTC (t(1998) = 1,573, p = 0,114, <strong class...

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 protokollen beskriver delvis wavelet transform coherence (pWTC) for beregning av det tidsforsinkelsesmønsteret for mellommenneskelig nevral synkronisering (INS) for å utlede retningen og det tidsmessige mønsteret for informasjonsflyt under sosial interaksjon. Effektiviteten av pWTC i å fjerne konfundering av signal autokorrelasjon på INS ble bevist av to eksperimenter.

Måling av retningsinformasjonsflyten i fNIRS-Hyperscanning-data ved hjelp av metoden for delvis wavelettransformasjon

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

Hyperskanning er en lovende metode for å beskrive forholdet mellom individer og som i denne studien finner nevral synkronisering mellom individer. Og det viktigste spørsmålet er å identifisere hvem som synkroniserer med hvem. Og metoden vi foreslår her er å identifisere retningen på informasjonsflyten mellom enkeltpersoner.Sammenlignet med andre metoder, er den viktigste fordelen med denne metoden å fjerne de forskjellige forvirrende faktorene fra nevral synkronisering. For eksempel autokorrelasjonen i hvert signal. Og i mellomtiden kan vi opprettholde den høye romlige anatomiske oppløsningen til hvert signal.Start databehandlingen ved å eksportere hemoglobinkonsentrasjonen endrer datafiler fra utstyret og overfører filene til MATLAB lesbart format. Fjern deretter det første og siste 15 sekundet av dataene for hver økt for å unngå forbigående svar og bruke MATLAB desimert innebygd funksjon for å redusere oppløsningen av dataene fra 55,6 hertz til 11,1 hertz. Hvis du vil korrigere bevegelsesartefakter, bruker du den atskilte filtermetoden for wavelet-transformering med riktig filtreringsfunksjon.Bruk den innebygde PCA-funksjonen til å fjerne global fysiologisk støy. Fjern deretter de øverste 80% av variansen fra signalene. Etter å ha fjernet de to første sekundene med data fra kvinner og de to siste sekundene med data fra menn, kan du beregne den kvinneledede to andrelags INS WTC-verdien med ligningen.På samme måte, etter å ha fjernet de to første sekundene med data fra menn og de to siste sekundene med data fra kvinner, kan du beregne den menn-ledede to sekunders ins WTC-verdien. Gjenta prosedyren med forskjellige tidsforsinkelser, N, som N er lik fire eller seks eller åtte sekunder, på tvers av de potensielle 676 CH-parene og beregn styrken til kvinner og menn-ledet tidsforsinkelse INS WTC med ligningen som beskrevet tidligere. Beregn INS pWTC ved hjelp av pWTC på samme måte ved hjelp av ligningen.Generer tidsforsinkelsestidsseriene til fNIRS-signalene mellom menn og kvinner og beregn verdiene til den tidsforsinkelsede WTC på forskjellige tidsforsinkelser. Generer autokorrelerte tidsserier av menns fNIRS-signaler ved å fjerne de to første sekundene og de to siste sekundene av dataene fra mennene. Deretter beregner du den to sekunders autokorrelerte verdien for menn.Deretter evaluerer du de autokorrelerte WTC-verdiene på forskjellige tidsforsinkelser. På samme måte kan du lage en tidsjustert tidsserie av fNIRS-signalene ved å fjerne de to første sekundene med data fra mennene og kvinnene. Deretter beregner du den tidsjusterte WTC-en med to sekunder.Deretter evaluerer du de tidsjusterte WTC-verdiene på forskjellige tidsforsinkelser. Angi tidsjustert WTC, tidsforsinkelse wtc og autokorrelerte WTC-verdier på forskjellige tidspunkt forsinkelser i ligningene av pWTC, generere INS pWTC. I fNIRS-databehandling på andre nivå fjerner du fysiologisk støy og frekvensbånd for hvert signal over 0,7 hertz.Fjern deretter frekvensbåndene til hvert signal under 0,01 hertz og innen 0,15 til 0,3 hertz for å filtrere ut svært lavfrekvente svingninger. Transformer INS med Fisher Z-transformasjon og deretter gjennomsnittlig INS ved den tidsmessige dimensjonen. For gjennomsnittet ins ved hver tidsforsinkelse, utfør en parvis to prøve t-test på hvert CH-par over frekvensområdet.Identifiser deretter alle signifikante frekvensklynger. Tilordne dyadiske relasjoner på nytt ved å tilfeldig tilordne deltakerne til nye, to medlemspar, som deltakerne i en diad som aldri hadde kommunisert med hverandre. Utfør en klyngebasert permutasjonstest for å etablere en terskel for resultatene.Beregn INSen på nytt i hver tidsforsinkelse. Utfør sammenkoblede t-tester i det nye utvalget og identifiser signifikante frekvensklynger. Deretter velger du klyngen med den største summerte T-verdien før du gjentar prosedyrene 1000 ganger for å generere en nullfordeling av de maksimalt falske positive T-verdiene.Sammenlign den summerte T-verdien for hver identifiserte frekvensklynge i det opprinnelige utvalget med nullfordelingen for å få betydelige statistiske resultater. Det ble gjennomført en simuleringsanalyse i studien. Den representative analysen illustrerer at tidsforsinkelsen i INS WTC med autokorrelasjon var betydelig høyere enn den tidsforsinkelsede INS WTC uten autokorrelasjon og tidsforsinkelse INS pWTC.I tillegg var det ingen signifikant forskjell mellom tidsforsinkelsen i INS WTC uten autokorrelasjon og INS pWTC, noe som indikerer effektiviteten til pWTC for å fjerne virkningen av autokorrelasjonseffekten på INS. En marginal signifikant konteksteffekt ble observert innen 0,4 til 0,6 hertz, som av menn forsinket kvinners med fire sekunder. I motsetning, for INS pWTC, bare betydelig kontekst effekt innen 0,4 til 0,6 hertz når sensoren og motor cortex aktivitet av menn lagged at av kvinner med fire sekunder ble observert.Den retningsmessige INS fra kvinner til menn var betydelig høyere i konfliktkontekstene enn i støttende sammenhenger. Resultatene av INS pWTC ble validert med Granger kausalitetsmetoden. Resultatene viste at INS GC viste et lignende mønster som INS pWTC.Den retningsmessige INS beregnet av Granger-årsaksanalysen fra kvinner til menn var betydelig høyere i konfliktkontekstene enn i de støttende sammenhengene. Etter å ha beregnet nevral synkronisering ved hjelp av denne metoden, er det også mulig å utføre mange andre metoder. For eksempel kan vi sammenligne denne retningsmessige informasjonsflyten mellom ulike sosiale sammenhengskontekster og den sosiale forbindelsen i forskjellige sosiale relasjoner.Og det er også mulig å forstå bidraget fra forskjellige kommunikasjonsatferd til nevral synkronisering. For eksempel, om det er verbal kommunikasjon eller ikke-verbal kommunikasjon spiller mer en viktig rolle i nevral synkronisering.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Bruke Informativ Tilkobling til Mål Synkron Emergence of fMRI Multi-voxel informasjon på tvers av tid

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 av Cerebral hemodynamikken og lysspredning egenskaper av<em&gt; In vivo</em&gt; Rat Brain Bruke multispektrale Diffus refleksjon 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

Quadruple Immunostaining av Olfactory Bulb for Visualisering av 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

Okulære kinematikk målt ved In Vitro stimulering av Hjernenerve i Turtle

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

Samtidig opptak av kortikale lokale feltet potensialene, elektrokardiogram, eletromyografi og puste rytmen fra en fritt flyttende 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

Volumetrisk metode for kvantifisering av Cerebral vasospasme i en Murine modell av Hjernehinneblødning

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 vurdert av optisk coherence 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

Pålitelig anskaffelse av elektroencefalografidata under samtidig elektroencefalografi og funksjonell MR

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

Synkron mellom hjerner i åpen samarbeidslæring: En fNIRS-hyperskanningsstudie

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

Hvordan beregne og validere inter-hjernesynkronisering i en fNIRS Hyperscanning Study

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