部分ウェーブレット変換コヒーレンス法を用いたfNIRS-ハイパースキャンデータにおける指向性情報流の測定

社会的相互作用は人間にとって極めて重要である^1,2。社会的相互作用の二重脳神経認知メカニズムを理解するために、ハイパースキャンアプローチが最近広く使用されており、対人神経同期(INS)のパターンが社会的相互作用プロセスをうまく特徴付けることができることを示している³、⁴、⁵、⁶、⁷、⁸、⁹、^10、11、12,^13,14。最近の研究の中で、興味深い発見は、ダイアドにおける個人の役割の違いがINSの時間遅れパターンにつながる可能性があるということです、すなわち、INSは、ある個人の脳活動が他の個人の脳活動に数秒遅れたときに起こります。 教師から生徒へ⁸人、母親から子供へ^13,15人、ロマンチックなカップルの女性から男性へ⁶.最も重要なのは、時間遅れINSの間隔と、質問する教師と⁸に答える生徒の間、または母親の子育て行動と子供のコンプライアンス行動¹⁵との間のそのような社会的相互作用行動の間隔との間に良好な対応がある。したがって、時間差INSは、対人言語コミュニケーションのための最近の階層モデル¹⁶において提案されているように、ある個人から別の個人への指向性情報フローを反映し得る。

これまで、時間遅れINSは、自然主義的社会的相互作用を研究する際の比較的高い空間分解能、音の解剖学的局在化、およびモーションアーチファクト¹⁷の非常に高い許容度のために、主に機能的近赤外分光法(fNIRS)信号に基づいて計算された。また、社会的相互作用中の神経タイムラグと行動タイムラグとの対応関係を精密に特徴付けるためには、タイムラグ毎(例えば、無タイムラグから10秒のタイムラグまで)のINS強度を求めることが不可欠である。この目的のために、以前は、ウェーブレット変換コヒーレンス(WTC)手順は、ある個体の脳信号を別の個体の脳信号に対して前方または後方にシフトした後に広範囲に適用されていた^5,6,18。fNIRS信号に対してこの従来のWTC手順を使用する場合、観察された時間遅れINSが個々の¹⁹、²⁰、²¹に対するfNIRS信号の自己相関効果によって交絡する可能性があるため^、潜在的な課題があります。例えば、ダイアディック社会的相互作用プロセスの間、時点tにおける参加者Aの信号は、同じ時点における参加者Bの信号と同期され得る。一方、時間点tにおける参加者Aの信号は、自己相関効果のために、後の時点t+1における参加者Aの信号と同期され得る。したがって、時刻tにおける参加者Aの信号と、時点t+1における参加者Bの信号との間に、偽の時間差INSが発生する可能性があります。

Mihanovićと彼の同僚²²は、最初に部分ウェーブレット変換コヒーレンス(pWTC)と呼ばれる方法を導入し、次にそれを海洋科学^23,24に適用した。この方法の本来の目的は、2つの信号のコヒーレンスを推定するときに外因性の交絡ノイズを制御することでした。ここでは、fNIRSハイパースキャンデータの自己相関の問題に対処するために、pWTC法を拡張して、fNIRS信号上の時間差INSを計算しました。正確には、参加者Aから参加者Bまでの時間差INS(および方向情報フロー)は、以下の式(式1)²³を使用して計算できます。

ここでは、参加者 A と参加者 B からそれぞれ A と B の 2 つの信号があると仮定します。信号Bの発生は、常にnのタイムラグを持つ信号Aの発生に先行し、WTC(_At、B_t+n)は従来の時間差WTCである。WTC (_At, A_t+n) は、構成要素 A における自己相関 WTC であり、WTC (_At, B t) は、構成要素 A と B の間の時点 _t における時間整合 WTC です。* は複素共役演算子です (図 1A)。

図 1: pWTC の概要 (A) pWTC の論理。ダイアド内には2つの信号AとBがあります。A の出現は、常にラグ n を持つ B の出現に続きます。灰色のボックスは、特定の時点tまたはt+nにおけるウェーブレットウィンドウです。pWTC方程式(図に表されている)に基づいて、3つのWTCを計算する必要があります:A_{t + n}とB_tの時間遅れWTC。A _tおよびA _{t + n}の参加者Aにおける自己相関WTC;時刻t、Rtおよび_Btにおける時間整列WTCである。(イ)オプトイドプローブセットのレイアウト。CH11はT3に置かれ、CH25は国際10-20システム^27,28に従ってT4に置かれた。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

このプロトコルは、pWTCが自己相関の課題をどの程度うまく解決するかを示すために、最初にシミュレーション実験を導入しました。次に、自然主義的社会的相互作用の実証実験に基づき、pWTCを段階的に実施する方法を説明しました。ここでは、通信コンテキストを使用してメソッドを導入しました。これは、以前は、時間差INSは、通常、自然主義的なコミュニケーションコンテキスト³、^4、6、⁸、^13、15、18で計算されていたためです。さらに、pWTCと従来のWTCの比較、グレンジャー因果関係(GC)検定による検証も実施されました。