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Neurociencias

Sincronia inter-cerebral em aprendizagem colaborativa aberta: um estudo fNIRS-Hyperscanning

Published: July 21, 2021
doi:
10.3791/62777
, ,
1School of Psychology and Cognitive Science,East China Normal University, 2Shanghai Key Laboratory of Mental Health and Crisis Intervention,East China Normal University

Summary

O protocolo de realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS sobre disads de aprendizagem colaborativa em um ambiente de aprendizagem naturalista é delineado. Além disso, é apresentado um pipeline para analisar os sinais inter-cerebrais de síncronia oxigenada (Oxy-Hb).

Abstract

O hiperexquente fNIRS é amplamente utilizado para detectar os fundamentos neurobiológicos da interação social. Com essa técnica, os pesquisadores qualificam a atividade cerebral simultânea de dois ou mais indivíduos interativos com um novo índice chamado sincronia inter-cerebral (IBS) (ou seja, alinhamento de fase e/ou amplitude dos sinais neuronais ou hemodinâmicos ao longo do tempo). Aqui é apresentado um protocolo para a realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS sobre disads de aprendizagem colaborativa em um ambiente de aprendizagem naturalista. Além disso, explica-se um pipeline de análise do IBS de hemoglobina oxigenada (Oxy-Hb). Especificamente, o design experimental, o processo de registro de dados do NIRS, métodos de análise de dados e direções futuras são todos discutidos. No geral, a implementação de um pipeline de hiper-varredura fNIRS padronizado é uma parte fundamental da neurociência em segunda pessoa. Além disso, isso está em consonância com o apelo à ciência aberta para auxiliar na reprodutibilidade da pesquisa.

Introduction

Recentemente, para revelar a atividade cerebral simultânea através dos díades interativos ou membros de um grupo, os pesquisadores empregam a abordagem hiperscaning1,2. Especificamente, eletroencefalograma (EEG), ressonância magnética funcional (fMRI) e espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) são usados para registrar as atividades neurais e cerebrais de dois ou mais sujeitos simultaneamente3,4,5. Os pesquisadores extraem um índice neural que implique um acoplamento cerebral simultâneo com base nessa técnica, que se refere à sincronia interfencefálica (IBS) (ou seja, alinhamento de fase e/ou amplitude dos sinais neuronais ou hemodinâmicos ao longo do tempo). Uma grande variedade de pesquisas de hiper-pesquisa encontrou IBS durante a interação social entre múltiplos indivíduos (por exemplo, jogador-público, instrutor-aprendiz e líder-seguidor)6,7,8. Além disso, o IBS detém implicações específicas da aprendizagem efetiva e instrução9,10,11,12,13,14. Com o surgimento de pesquisas hiperscaning em cenários de aprendizagem naturalista, é necessário estabelecer um protocolo padrão de experimentos de hiperexcitação e o pipeline de análise de dados neste campo.

Assim, este artigo fornece um protocolo para a realização de hiperscanagem baseada em fNIRS de disads de aprendizagem colaborativa e um pipeline para análise do IBS. fNIRS é uma ferramenta de imagem óptica, que irradia luz infravermelha próxima para avaliar a absorção espectral da hemoglobina indiretamente, e então a atividade hemodinâmica/oxigenação é medida15,16,17. Em comparação com o fMRI, o fNIRS é menos propenso a artefatos de movimento, permitindo medições de indivíduos que estão fazendo experimentos da vida real (por exemplo, imitação, conversa e comunicação não verbal)18,7,19. Em comparação com o EEG, o FNIRS possui maior resolução espacial, permitindo que os pesquisadores detectem a localização da atividade cerebral20. Assim, essas vantagens na resolução espacial, logística e viabilidade qualificam fNIRS para realizar a medição de hiperscanagem1. Usando essa tecnologia, um corpo de pesquisa emergente detecta um termo de índice como IBS – o alinhamento neural de duas (ou mais) atividades cerebrais de pessoas em diferentes formas de configurações sociais naturalistas9,10,11,12,13,14. Nesses estudos, são aplicados vários métodos (ou seja, análise de correlação e análise de Coerência de Transformação de Onda (WTC) para calcular esse índice; Enquanto isso, um pipeline padrão sobre tal análise é essencial, mas carente. Como resultado, um protocolo para a realização de hiperexcing baseado em fNIRS e um pipeline usando análise WTC para identificar o IBS é apresentado neste trabalho

Este estudo tem como objetivo avaliar o IBS em disads de aprendizagem colaborativa utilizando a técnica de hiperscanagem fNIRS. Em primeiro lugar, uma resposta hemodinâmica é registrada simultaneamente nas regiões pré-frontal e esquerda de cada díade durante uma tarefa de aprendizagem colaborativa. Essas regiões foram identificadas como associadas ao ensino interativo e aprendizagem9,10,11,12,13,14. Em segundo lugar, o IBS é calculado em cada canal correspondente. O processo de gravação de dados fNIRS consiste em duas partes: sessão de estado de repouso e sessão colaborativa. A sessão de estado de repouso dura 5 min, durante a qual ambos os participantes (sentados cara a cara, além um do outro por uma mesa (0,8 m)) são obrigados a permanecer parados e relaxar. Esta sessão de estado de repouso é servida como a linha de base. Em seguida, na sessão colaborativa, os participantes são orientados a estudar juntos todos os materiais de aprendizagem, provocando compreensão, resumindo as regras e certificando-se de que todos os materiais de aprendizagem sejam dominados. Aqui, são apresentadas as etapas específicas de realização do experimento e da análise de dados fNIRS.

Protocol

Todos os participantes recrutados (40 díades, média de 22,1 ± 1,2 anos; 100% destro; visão normal ou corrigida ao normal) eram saudáveis. Antes do experimento, os participantes deram consentimento informado. Os participantes foram compensados financeiramente por sua participação. O estudo foi aprovado pelo Comitê Universitário de Proteção à Pesquisa Humana (HR-0053-2021), Universidade Normal da China Oriental. 1. Etapas de preparação antes da adoção de dados Tampas n…

Representative Results

A Figura 1 ilustra o protocolo experimental e a localização da sonda. O processo de registro de dados fNIRS consiste em duas partes: sessão de estado de repouso (5 min) e sessão colaborativa (15-20 min). Os diá díndos de aprendizagem colaborativo são necessários para relaxar e manter-se ainda na sessão de estado de repouso. Depois disso, os participantes são orientados a co-aprender o material de aprendizagem (Figura 1A). Suas regiões temporoparietais…

Discussion

Em primeiro lugar, no presente protocolo, são declaradas as etapas específicas de realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS em um cenário de aprendizagem colaborativa. Em segundo lugar, também é apresentado o pipeline de análise de dados que avalia o IBS de sinais hemodinâmicos em diálidos de aprendizagem colaborativa. A operação detalhada na realização de experimentos de hiperscanagem fNIRS promoveria o desenvolvimento da ciência aberta. Além disso, o pipeline de análise é fornecido aqui para a…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho é apoiado pelo Programa de Promoção da Inovação Acadêmica da ECNU para excelentes doutorandos (YBNLTS2019-025) e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (31872783 e 71942001).

Materials

EEG caps Compumedics Neuroscan,Charlotte,USA 64-channel Quik-Cap We choose two sizes of cap(i.e.medium and large).
NIRS measurement system with probe sets and probe holder grids Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan ETG-7100 Optical Topography System The current study protocol requires an optional second adult probe set for 92 channels of measurement in total.
Numeric computing platform The MathWorks, Inc., Natick, MA MATLAB R2020a Serves as base for Psychophysics Toolbox extensions (stimulus presentation), Homer2  (fNIRS preprocess analysis), and "wtc" function(WTC computation).
Psychology software psychology software tools,Sharpsburg, PA,USA E-prime 2.0 we apply E-prime to start the fNIRS measurement system and send triggers which marking the rest phase and collaborative learning phase for fNIRS recording data
Swimming caps Zoke corporation,Shanghai,China 611503314 We first placed the standard 10-20 EEG cap on the head mold, and placed the swimming cap on the EEG cap. Second, we marked (inion, Cz, T3, T4, PFC and P5) with chalk.
Three-dimensional (3-D) digitizer Polhemus, Colchester, VT, USA; Three-dimensional (3-D) digitizer Anatomical locations of optodes in relation to standard head landmarks were determined for each participant using a Patriot 3D Digitizer
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FNIRS HyperscanningInter-brain SynchronyOpen-ended Collaborative LearningNaturalistic EnvironmentNear Infrared SpectroscopyProbe PlacementSignal QualityData Export3D DigitizerMNI Coordinates

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Zhao, N., Zhu, Y., Hu, Y. Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study. J. Vis. Exp. (173), e62777, doi:10.3791/62777 (2021).
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