Heimbasiertes EEG-Hyperscanning für soziale Interaktionen zwischen Säuglingen und Betreuern

Mit der gleichzeitigen Aufzeichnung von Gehirnaktivitäten von zwei oder mehr interagierenden Probanden, auch Hyperscanning genannt, ist es möglich geworden, die neuronalen Grundlagen sozialer Interaktionen in ihrer komplexen, bidirektionalen und schnelllebigen Dynamik aufzuklären¹. Diese Technik hat den Fokus von der Untersuchung von Individuen in isolierten, streng kontrollierten Umgebungen auf die Untersuchung naturalistischerer Interaktionen verlagert, wie z. B. Eltern-Kind-Interaktionen während des freien Spiels ^2,3, des Rätsellösens 4 und kooperativer Computerspiele ^5,6. Diese Studien zeigen, dass sich Gehirnaktivitäten während sozialer Interaktionen synchronisieren, d.h. zeitliche Ähnlichkeiten aufweisen, ein Phänomen, das als interpersonelle neuronale Synchronie (INS) bezeichnet wird. Die überwiegende Mehrheit der Hyperscanning-Studien beschränkte sich jedoch auf Laborumgebungen. Dies ermöglicht zwar eine bessere experimentelle Kontrolle, kann aber auf Kosten eines gewissen Verlusts an ökologischer Validität gehen. Die im Labor beobachteten Verhaltensweisen sind aufgrund der ungewohnten und künstlichen Umgebung und der Art der auferlegten Aufgaben möglicherweise nicht repräsentativ für die typischen alltäglichen interaktiven Verhaltensweisen der Teilnehmer⁷.

Jüngste Fortschritte bei mobilen Neuroimaging-Geräten, wie z. B. der Elektroenzephalographie (EEG) oder der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), lindern diese Probleme, indem die Teilnehmer nicht mehr physisch mit dem Aufnahmecomputer verbunden bleiben müssen. Auf diese Weise ermöglichen sie es uns, die Gehirnaktivitäten der Teilnehmer zu messen, während sie im Klassenzimmer oder zu Hause frei interagieren ^8,9. Der Vorteil des EEG im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren, wie z.B. fNIRS, besteht darin, dass es eine hervorragende zeitliche Auflösung aufweist und sich daher besonders für die Untersuchung schnelllebiger sozialer Dynamiken eignet¹⁰. Es gibt jedoch den Vorbehalt, dass das EEG-Signal sehr anfällig für Bewegungen und andere physiologische und nicht-physiologische Artefakte ist¹¹.

Trotzdem ist es in den ersten Studien gelungen, EEG-Hyperscanning-Setups in realistischen Umgebungen und Bedingungen zu implementieren. Zum Beispiel maßen Dikker et ^al.12 das EEG-Signal einer Gruppe von Studenten, während sie an verschiedenen Unterrichtsaktivitäten teilnahmen, einschließlich der Teilnahme an Vorlesungen, dem Ansehen von Videos und der Teilnahme an Gruppendiskussionen. In dieser Studie, zusammen mit anderen Studien ^8,9, wurden überwiegend trockene EEG-Elektroden verwendet, um die Durchführung von Messungen in Nicht-Laborumgebungen zu erleichtern. Im Vergleich zu Nasselektroden, bei denen leitfähiges Gel oder Paste aufgetragen werden muss, bieten Trockenelektroden deutliche Vorteile in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit. Es hat sich gezeigt, dass sie in erwachsenen Populationen und unter stationären Bedingungen eine vergleichbare Leistung wie nasse Elektroden aufweisen. Ihre Leistung kann jedoch in bewegungsbezogenen Szenarien aufgrund erhöhter Impedanzpegel^{abnehmen 13}.

Hier stellen wir ein Arbeitsprotokoll vor, um synchronisierte Aufzeichnungen von einem Siebenkanal-Flüssiggel-EEG-System mit geringer Dichte mit einem Einkanal-Elektrokardiographen (EKG) zu erfassen, das an denselben drahtlosen Verstärker (Abtastrate: 500 Hz) von Säuglingsbetreuern in einer häuslichen Umgebung angeschlossen ist. Während aktive Elektroden für Erwachsene verwendet wurden, wurden passive Elektroden stattdessen für Säuglinge verwendet, da letztere typischerweise in Form von Ringelektroden vorliegen, wodurch der Prozess des Gelauftrags erleichtert wird. Zusätzlich wurden EEG-EKG-Aufzeichnungen mit drei Kameras und Mikrofonen synchronisiert, um das Verhalten der Teilnehmer aus verschiedenen Blickwinkeln zu erfassen. In der Studie führten 8-12 Monate alte Säuglinge und ihre Betreuer eine Lese- und Spielaufgabe durch, während ihr EEG, EKG und Verhalten aufgezeichnet wurden. Um die Auswirkungen übermäßiger Bewegung auf die EEG-Signalqualität zu minimieren, wurden die Aufgaben in einer Tischumgebung durchgeführt (z. B. unter Verwendung des Küchentisches und eines Babyhochstuhls), wobei die Teilnehmer während der gesamten Interaktionsaufgabe sitzen bleiben mussten. Den Betreuern wurden drei altersgerechte Bücher und Tischspielzeug zur Verfügung gestellt (ausgestattet mit Saugnäpfen, um ein Herunterfallen zu verhindern). Sie wurden angewiesen, ihrem Kind etwa 5 Minuten lang vorzulesen, gefolgt von einer 10-minütigen Spielstunde mit den Spielsachen.

Dieses Protokoll beschreibt die Methoden zum Sammeln synchronisierter EEG-EKG-, Video- und Audiodaten während der Lese- und Wiedergabeaufgaben. Das Gesamtverfahren ist jedoch nicht spezifisch für dieses Forschungsdesign, sondern eignet sich für verschiedene Populationen (z.B. Eltern-Kind-Dyaden, Freund-Dyaden) und experimentelle Aufgabenstellungen. Es wird die Methode der Synchronisation verschiedener Datenströme vorgestellt. Darüber hinaus wird eine grundlegende EEG-Vorverarbeitungspipeline auf der Grundlage von Dikker et ^al.12 skizziert und über EEG-Datenspeicherungsraten und Qualitätskontrollmetriken berichtet. Da die spezifischen analytischen Entscheidungen von einer Vielzahl von Faktoren abhängen (z. B. Aufgabendesign, Forschungsfragen, EEG-Montage), wird die Hyperscanning-EEG-Analyse nicht weiter detailliert beschrieben, sondern der Leser wird auf bestehende Richtlinien und Werkzeugkästen verwiesen (z. B. ¹⁴ für Leitlinien;^15,16 für Hyperscanning-Analyse-Toolboxen). Schließlich diskutiert das Protokoll Herausforderungen und mögliche Lösungen für EEG-EKG-Hyperscanning zu Hause und in anderen realen Umgebungen.