Inter-Brain Synchrony im offenen kollaborativen Lernen: Eine fNIRS-Hyperscanning-Studie

Um die gleichzeitige Gehirnaktivität zwischen den interaktiven Dyaden oder Mitgliedern einer Gruppe aufzudecken, wenden forscher kürzlich den Hyperscanning-Ansatz^{1,2 an.} Insbesondere elektroenzephalogramm (EEG), funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) werden verwendet, um die neuronalen und Gehirnaktivitäten von zwei oder mehr Probanden gleichzeitig aufzuzeichnen^3,4,5. Die Forscher extrahieren einen neuronalen Index, der eine gleichzeitige Gehirnkopplung beinhaltet, basierend auf dieser Technik, die sich auf die Inter-Hirn-Synchronie (IBS) bezieht (dh Phasen- und / oder Amplitudenausrichtung der neuronalen oder hämodynamischen Signale über die Zeit). Eine Vielzahl von Hyperscanning-Untersuchungen ergab IBS während der sozialen Interaktion zwischen mehreren Personen (z. B. Spieler-Publikum, Ausbilder-Lerner und Leader-Follower)^6,7,8. Darüber hinaus enthält IBS spezifische Implikationen des effektiven Lernens und Unterrichts^{9,10,11,12,13,14}. Mit dem Anstieg der Hyperscanning-Forschung in naturalistischen Lernszenarien ist die Etablierung eines Standardprotokolls für Hyperscanning-Experimente und die Pipeline der Datenanalyse in diesem Bereich notwendig.

Somit bietet dieses Papier ein Protokoll für die Durchführung von fNIRS-basiertem Hyperscanning von kollaborativen Lerndyaden und eine Pipeline zur Analyse von IBS. fNIRS ist ein optisches Bildgebungswerkzeug, das nahinfrarotes Licht abstrahlt, um die spektrale Absorption von Hämoglobin indirekt zu beurteilen, und dann wird die hämodynamische / Oxygenierungsaktivität gemessen^15,16,17. Im Vergleich zu fMRT ist fNIRS weniger anfällig für Bewegungsartefakte, was Messungen von Probanden ermöglicht, die reale Experimente durchführen (z. B. Nachahmung, Sprechen und nonverbale Kommunikation)^18,7,19. Im Vergleich zum EEG hat fNIRS eine höhere räumliche Auflösung, so dass Forscher den Ort der Gehirnaktivität nachweisen^{können 20}. Somit qualifizieren diese Vorteile in bezug auf räumliche Auflösung, Logistik und Machbarkeit fNIRS für die Durchführung von Hyperscanning-Messungen¹. Mit dieser Technologie erkennt eine aufstrebende Forschungseinrichtung einen Indexbegriff als IBS – die neuronale Ausrichtung der Gehirnaktivität von zwei (oder mehr) Menschen – in verschiedenen Formen naturalistischer sozialer Einstellungen^{9,10,11,12,13,14}. In diesen Studien werden verschiedene Methoden (z. B. Korrelationsanalyse und Wavelet-Transformationskohärenz-Analyse (WTC) angewendet, um diesen Index zu berechnen; In der Zwischenzeit ist eine Standardpipeline für eine solche Analyse unerlässlich, aber es fehlt. Als Ergebnis wird in dieser Arbeit ein Protokoll zur Durchführung von fNIRS-basiertem Hyperscanning und eine Pipeline mit WTC-Analyse zur Identifizierung von IBS vorgestellt.

Diese Studie zielt darauf ab, IBS in kollaborativen Lerndyaden mit der fNIRS-Hyperscanning-Technik zu bewerten. Zunächst wird eine hämodynamische Reaktion gleichzeitig in den präfrontalen und linken temporoparietalen Regionen jeder Dyade während einer kollaborativen Lernaufgabe aufgezeichnet. Diese Regionen wurden als mit interaktivem Lehren und Lernen assoziiert^{identifiziert 9,10,11,12,13,14}. Zweitens wird das IBS auf jedem entsprechenden Kanal berechnet. Der fNIRS-Datenaufzeichnungsprozess besteht aus zwei Teilen: Ruhezustandssitzung und kollaborative Sitzung. Die Ruhezustandssitzung dauert 5 Minuten, in der beide Teilnehmer (von Angesicht zu Angesicht, getrennt von einem Tisch (0,8 m)) still bleiben und sich entspannen müssen. Diese Ruhezustandssitzung wird als Baseline bereitgestellt. Dann, in der kollaborativen Sitzung, werden die Teilnehmer aufgefordert, die gesamten Lernmaterialien gemeinsam zu studieren, Verständnis hervorzurufen, die Regeln zusammenzufassen und sicherzustellen, dass alle Lernmaterialien gemeistert werden. Hier werden die spezifischen Schritte der Durchführung des Experiments und der fNIRS-Datenanalyse vorgestellt.