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Neuroscience

fNIRS ハイパースキャンスタディで脳間同期を計算および検証する方法

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

個人の結合された脳間のダイナミクスは、主にfNIRSと脳の同時記録信号(すなわちハイパースキャン)を使用して、互いに調整する際に脳間同期(IBS)によってますます表されています。fNIRSハイパースキャン研究では、IBSは、時系列を非常に直感的な方法で見ることができる時間周波数空間に拡張する利点があるため、ウェーブレット変換コヘレンス(WTC)法を通じて一般的に評価されています。観察されたIBSは、試験、パートナー、および条件の順列ベースのランダムペアリングを介してさらに検証することができます。ここでは、fNIRS技術を介して脳信号を取得し、WTC法を介してIBSを計算し、ハイパースキャン研究で順列することによってIBSを検証する方法を説明するプロトコルが提示される。さらに、fNIRSシグナルの選択、データ前処理の方法、計算のオプションパラメータなど、上記の方法を使用する際の重要な問題について説明します。要約すると、WTC法と順列を用いて、fNIRSハイパースキャン研究でIBSを分析するための潜在的に標準的なパイプラインであり、IBSの再現性と信頼性の両方に寄与する。

Abstract

個人の結合された脳間のダイナミクスは、主にfNIRSと脳の同時記録信号(すなわちハイパースキャン)を使用して、互いに調整する際に脳間同期(IBS)によってますます表されています。fNIRSハイパースキャン研究では、IBSは、時系列を非常に直感的な方法で見ることができる時間周波数空間に拡張する利点があるため、ウェーブレット変換コヘレンス(WTC)法を通じて一般的に評価されています。観察されたIBSは、試験、パートナー、および条件の順列ベースのランダムペアリングを介してさらに検証することができます。ここでは、fNIRS技術を介して脳信号を取得し、WTC法を介してIBSを計算し、ハイパースキャン研究で順列することによってIBSを検証する方法を説明するプロトコルが提示される。さらに、fNIRSシグナルの選択、データ前処理の方法、計算のオプションパラメータなど、上記の方法を使用する際の重要な問題について説明します。要約すると、WTC法と順列を用いて、fNIRSハイパースキャン研究でIBSを分析するための潜在的に標準的なパイプラインであり、IBSの再現性と信頼性の両方に寄与する。

Introduction

人々が他の人と調整するとき、彼らの脳と体は継続的な相互適応を通じて結合された単位になります。脳間の結合は、ハイパースキャンアプローチを介して脳間同期(IBS)によって表され、同時に2人以上の個人の脳信号1を記録する。実際、fNIRS/EEGハイパースキャニング研究の成長体は、指のタッピング2、グループウォーキング3、ドラム4を演奏する、ギター演奏5、歌/ハミング6を含む様々なコラボレーションコンテキストでIBSを発見しました。fNIRSは、比較的自然な設定(fMRI/EEGと比較して)7で頭/体の動きを制限することが少ないほど、社会的相互作用中のIBSの研究に広く使用されています。

この記事では、fNIRSハイパースキャン研究でウェーブレット変換コヘレンス(WTC)法を介してIBSを計算するためのプロトコルを提示する。WTCは、時間周波数面上の2つの移動信号間の相互相関を評価する方法であり、したがって、時間領域8に限り、従来の相関分析(例えば、ピアソン相関および相互相関)よりも多くの情報を与えることができる。また、血行力信号はウェーブレットコンポーネントに変換され、低周波ノイズを効果的に除去できます。WTCは時間がかかるが、IBSを行動模倣9、協調行動10、口頭通信11、意思決定12、およびインタラクティブラーニング13で計算する最も一般的な方法であった。

また、試験、条件、および参加者の順列ベースのランダム・パーリングでIBSを検証する方法も紹介します。ハイパースキャン研究におけるIBSは、常に個人間のオンライン社会的相互作用を追跡するために提案されるが、刺激類似性、運動類似性、または条件類似性14のような他の説明によっても解釈することができる。順列検定は、ランダム化検定とも呼ばれ、観測データ15を再サンプリングして上記のヌル仮説を検定するために活用することができる。順列を使用することにより、識別されたIBSがインタラクティブな動作に特異的であるかどうか、ダイアド内のIBSの変調からパートナー16のグループ間の変調に至るまでを調べるのに役立つ。

ここで説明するプロトコルは、fNIRS技術を介して脳信号を取得し、WTC法を介してIBSを計算し、ハイパースキャン研究で順列テストによってIBSを検証する方法を詳述しています。この研究は、特権IBSが社会的協調の間に音楽メーターによって引き出されるかどうかを調べることを目的としている。脳信号は前頭皮質に記録され、前の発見1におけるIBSの位置に基づいて記録された。実験タスクは、もともとKonvalinkaと彼女の大学17によって開発され、参加者はメーターまたは非メーター刺激を聞いた後、パートナーまたは自分自身からの聴覚フィードバックで指をタップするように求められました。

Protocol

ここで提示されたプロトコルは、東中国師範大学人間研究保護に関する大学委員会によって承認されました. 1. 実験の準備 参加者 キャンパス広告による金銭的報酬を持つ学部生と大学院生のグループを募集する。 参加者が右利きで、正常または正常な視力と聴覚を持っていることを確認します。彼らは音楽を研究していないか、3年未満の前にそれ?…

Representative Results

その結果、メーター調整条件ではチャネル5にIBSがあったのに対し、他の条件(すなわち、メートル独立性、非メートル協調、非メートル独立性)にはIBSが存在しなかった。図 2A)。チャネル5では、メーターコーディネーション条件におけるIBSが、非メートルのコーディネーションおよびメートル独立性条件におけるコヒレンス値よりも有意に高かった(図2B)?…

Discussion

このプロトコルは、2人の参加者の脳信号を同時に収集するfNIRSハイパースキャンアプローチを使用して、IBSを計算し、検証するためのステップバイステップの手順を提供します。fNIRS データの前処理、IBS 計算、統計、および IBS 検証に関連するいくつかの重要な問題について、以下で説明します。

データ前処理
ハイパースキャンスタディでfNIRSデータを前…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、中国国立自然科学財団(31872783、31800951)によって支援されました。

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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