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Neuroscience

Comment calculer et valider la synchronisation inter-cerveau dans une étude d’hyperscanning fNIRS

Published: September 08, 2021
doi:
10.3791/62801
, , , , , ,
1Institute of Brain and Education Innovation, School of Psychology and Cognitive Science,East China Normal University, 2Department of Musicology,Harbin Conservatory of Music, 3Department of Clinical Neuroscience,Karolinska Institutet, 4School of Psychology,Shenzhen University

Summary

La dynamique entre les cerveaux couplés des individus a été de plus en plus représentée par la synchronisation inter-cerveau (IBS) lorsqu’ils se coordonnent les uns avec les autres, principalement en utilisant des signaux d’enregistrement simultané des cerveaux (à savoir l’hyperscanning) avec fNIRS. Dans les études d’hyperscan fNIRS, le SCI a été couramment évalué par la méthode de la cohérence de transformation des ondelettes (WTC) en raison de son avantage sur l’expansion des séries chronologiques dans l’espace temps-fréquence où les oscillations peuvent être vues de manière très intuitive. Le SCI observé peut être validé davantage via l’appariement aléatoire basé sur la permutation de l’essai, du partenaire et de la condition. Ici, un protocole est présenté pour décrire comment obtenir des signaux cérébraux via la technologie fNIRS, calculer le SCI via la méthode WTC et valider le SCI par permutation dans une étude d’hyperscan. En outre, nous discutons des problèmes critiques lors de l’utilisation des méthodes ci-dessus, y compris le choix des signaux fNIRS, les méthodes de prétraitement des données et les paramètres facultatifs des calculs. En résumé, l’utilisation de la méthode WTC et de la permutation est un pipeline potentiellement standard pour l’analyse du SCI dans les études d’hyperscan fNIRS, contribuant à la fois à la reproductibilité et à la fiabilité du SCI.

Abstract

La dynamique entre les cerveaux couplés des individus a été de plus en plus représentée par la synchronisation inter-cerveau (IBS) lorsqu’ils se coordonnent les uns avec les autres, principalement en utilisant des signaux d’enregistrement simultané des cerveaux (à savoir l’hyperscanning) avec fNIRS. Dans les études d’hyperscan fNIRS, le SCI a été couramment évalué par la méthode de la cohérence de transformation des ondelettes (WTC) en raison de son avantage sur l’expansion des séries chronologiques dans l’espace temps-fréquence où les oscillations peuvent être vues de manière très intuitive. Le SCI observé peut être validé davantage via l’appariement aléatoire basé sur la permutation de l’essai, du partenaire et de la condition. Ici, un protocole est présenté pour décrire comment obtenir des signaux cérébraux via la technologie fNIRS, calculer le SCI via la méthode WTC et valider le SCI par permutation dans une étude d’hyperscan. En outre, nous discutons des problèmes critiques lors de l’utilisation des méthodes ci-dessus, y compris le choix des signaux fNIRS, les méthodes de prétraitement des données et les paramètres facultatifs des calculs. En résumé, l’utilisation de la méthode WTC et de la permutation est un pipeline potentiellement standard pour l’analyse du SCI dans les études d’hyperscan fNIRS, contribuant à la fois à la reproductibilité et à la fiabilité du SCI.

Introduction

Lorsque les gens se coordonnent avec les autres, leur cerveau et leur corps deviennent une unité couplée grâce à une adaptation mutuelle continue. Le couplage entre les cerveaux peut être représenté par la synchronisation inter-cerveau (IBS) grâce à l’approche hyperscanning, qui enregistre simultanément les signaux cérébraux de deux individus ou plus1. En effet, un nombre croissant d’études d’hyperscan fNIRS / EEG ont trouvé IBS dans divers contextes de collaboration, y compris le tapotement des doigts2,la marche en groupe3,jouer de la batterie4,jouer de la guitare5et chanter / fredonner6. fNIRS est largement utilisé pour la recherche sur le SCI pendant l’interaction sociale, car il restreint moins les mouvements de la tête / du corps dans des contextes relativement naturels (par rapport à l’IRMf / EEG)7.

L’article présente un protocole pour calculer le SCI via la méthode wtC (Wavelet Transform Coherence) dans une étude d’hyperscan fNIRS. WTC est une méthode d’évaluation de la corrélation croisée entre deux signaux de mouvement sur le plan temps-fréquence et, par conséquent, peut donner plus d’informations que l’analyse de corrélation traditionnelle (par exemple, corrélation de Pearson et corrélation croisée), qui n’est que dans le domaine temporel8. De plus, les signaux hémodynamiques sont transformés en composants d’ondelettes, qui peuvent éliminer efficacement le bruit des basses fréquences. Bien que le WTC prenne beaucoup de temps, il a été la méthode la plus couramment utilisée pour calculer l’IBS en action imitation9, comportement coopératif10, communication verbale11, prise de décision12, et apprentissage interactif13.

L’article présente également comment valider le SCI avec l’analyse aléatoire basée sur la permutation des essais, des conditions et des participants. Le SCI dans les études d’hyperscan est toujours proposé pour suivre l’interaction sociale en ligne entre les individus, alors qu’il peut également être interprété par d’autres explications, telles que la similitude du stimulus, la similitude de mouvement ou la similitude de condition14. Le test de permutation, également appelé test de randomisation, peut être exploité pour tester les hypothèses nulles mentionnées ci-dessus en rééchantillonnant les données observées15. En utilisant la permutation, il est utile d’étudier si le SCI identifié est spécifique au comportement interactif, allant de la modulation du SCI au sein des dyades à entre groupes de partenaires16.

Le protocole décrit ici détaille comment obtenir des signaux cérébraux via la technologie fNIRS, calculer le SCI via la méthode WTC et valider le SCI par test de permutation dans une étude d’hyperscan. Cette étude vise à examiner si le SCI privilégié est provoqué par les compteurs de musique lors de la coordination sociale. Les signaux cérébraux ont été enregistrés dans le cortex frontal, en fonction de l’emplacement du SCI dans une découverte précédente1. La tâche expérimentale a été développée à l’origine par Konvalinka et ses collèges17, dans laquelle les participants ont été invités à taper leurs doigts avec le retour auditif du partenaire ou d’eux-mêmes après avoir écouté le compteur ou les stimuli non mesurés.

Protocol

Le protocole présenté ici a été approuvé par le Comité universitaire sur la protection de la recherche humaine de l’Université normale de Chine orientale. 1. Préparation de l’expérience Participants Recrutez un groupe d’étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs avec une compensation monétaire par la publicité du campus. Assurez-vous que les participants sont droitiers et ont une vision et une audition normales ou corrigées à la normal…

Representative Results

Les résultats ont montré qu’il y avait un SCI au canal 5 dans l’état de coordination du compteur, alors qu’aucun SCI n’existait dans d’autres conditions (c.-à-d. indépendance du compteur, non-coordination du compteur, non-indépendance du compteur; Figure 2A). Au canal 5, l’IBS dans l’état de coordination du compteur était significativement plus élevé que les valeurs de cohérence dans l’état de coordination et d’indépendance du compteur(figu…

Discussion

Ce protocole fournit une procédure étape par étape pour calculer et valider le SCI, en utilisant l’approche d’hyperscan fNIRS pour collecter simultanément les signaux cérébraux de deux participants. Certains problèmes critiques liés au prétraitement des données fNIRS, au calcul IBS, aux statistiques et à la validation IBS sont abordés ci-dessous.

Prétraitement des données
Il est nécessaire de prétraiter les données fNIRS dans les études d’hyperscan p…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette recherche a été soutenue par : National Natural Science Foundation of China (31872783, 31800951).

Materials

Computer Hewlett-Packard Development Company, L.P. HP S01-pF157mcn
Earphone Royal Philips Electronics, Eindhoven, The Netherlands SHE2405BK/00
EEG cap Compumedics Neuroscan, Charlotte, USA 64-channel Quik-Cap
E-Prime software Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, USA E-Prime 3
fNIRS system Hitachi Medical Corporation, Tokyo, Japan ETG-7100 Optical Topography System
MATLAB 2014b The MathWorks, Inc., Natick, MA MATLAB 2014b
MuseScore Musescore Company, Belgium MuseScore 3.6.2.548021803
Swimming cap Decathlon Group, Villeneuve-d'Ascq, France 1681552
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Hu, Y., Wang, Z., Song, B., Pan, Y., Cheng, X., Zhu, Y., Hu, Y. How to Calculate and Validate Inter-brain Synchronization in a fNIRS Hyperscanning Study. J. Vis. Exp. (175), e62801, doi:10.3791/62801 (2021).
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