Medição do fluxo de informações direcionais em dados fNIRS-Hyperscanning usando o Método de Coerência de Transformação de Onda Parcial

A interação social é de vital importância para o ser humano ^1,2. Para compreender o mecanismo neurocognitivo dual-cérebro da interação social, a abordagem hiperscaning tem sido amplamente utilizada recentemente, mostrando que os padrões de sincronização neural interpessoal (INS) podem caracterizar bem o processo de interação social 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ^13,14. Entre estudos recentes, um achado interessante é que a diferença de papel dos indivíduos em um diálido pode levar a um padrão de insímica, ou seja, o INS ocorre quando a atividade cerebral de um indivíduo fica atrás da de outro indivíduo por segundos, como a dos ouvintes aos palestrantes ^5,9, de líderes a seguidores⁴, de professores a alunos⁸, de mães a crianças^{de 13,15} anos, e de mulheres a homens em um par romântico⁶. Mais importante, há uma boa correspondência entre o intervalo do INS com atraso de tempo e o dos comportamentos de interação social, como entre professores questionando e alunos respondendo⁸ ou entre comportamentos parentais de mães e comportamentos de compliance de crianças^{de 15} anos. Assim, o INS atrasado pode refletir um fluxo de informações direcionais de um indivíduo para outro, como proposto em um modelo hierárquico recente para a comunicação verbal interpessoal¹⁶.

Anteriormente, o INS defasado de tempo era calculado principalmente no sinal funcional de espectroscopia quase infravermelha (fNIRS) devido à sua resolução espacial relativamente alta, localização anatômica sólida e tolerância excepcionalmente alta dos artefatos^{de movimento 17} ao estudar interações sociais naturalistas. Além disso, para caracterizar precisamente a correspondência entre o atraso de tempo neural e o atraso de tempo comportamental durante a interação social, é essencial obter a força do INS para cada defasagem de tempo (por exemplo, de nenhuma defasagem de tempo a um intervalo de tempo de 10 s). Para isso, anteriormente, o procedimento de coerência de transformação de ondas (WTC) foi extensivamente aplicado após a mudança do sinal cerebral de um indivíduo para frente ou para trás em relação ao de outro indivíduo ^5,6,18. Ao usar este procedimento WTC tradicional para sinais fNIRS, há um desafio potencial porque o INS observado pode ser confundido pelo efeito de autocorrelação do sinal fNIRS para um indivíduo^de 19,20,21. Por exemplo, durante um processo de interação social dídico, o sinal do participante A no momento pode ser sincronizado com o do participante B ao mesmo tempo. Enquanto isso, o sinal do participante A no momento t pode ser sincronizado com o do participante A em um ponto de tempo posterior t+1 por causa do efeito de autocorrelação. Portanto, pode ocorrer um INS espúrio de tempo defasado entre o sinal do participante A no ponto t de tempo e o do participante B no ponto t+1.

Mihanović e seus colegas²² primeiro introduziram um método chamado de coerência parcial de wavelet transform (pWTC), e depois a aplicaram na ciência marinha^23,24. O objetivo original deste método era controlar o ruído de confusão exógeno ao estimar a coerência de dois sinais. Aqui, para abordar o problema de correção automática nos dados de hiperexpesagem fNIRS, o método pWTC foi estendido para calcular o INS com atraso no sinal fNIRS. Precisamente, um INS atrasado (e um fluxo de informações direcionais) do participante A para o participante B pode ser calculado usando a equação abaixo (Equação 1)²³.

Aqui, supõe-se que existem dois sinais, A e B, dos participantes A e B, respectivamente. A ocorrência do sinal B sempre precede a do sinal A com um intervalo de tempo de n, onde wtc (A_t, B_t+n) é o WTC tradicional defasado pelo tempo. WTC (A_t, A_t+n) é o WTC autocorrelado no participante A. WTC (A_t, B_t) é o WTC alinhado ao tempo no ponto t de tempo entre o participante A e B. * é o operador conjugado complexo (Figura 1A).

Figura 1: Visão geral do pWTC. (A) A lógica do pWTC. Há dois sinais A e B, dentro de um díade. A ocorrência de A sempre segue a de B com um lag n. Uma caixa cinza é uma janela de onda em um determinado ponto de tempo t ou t+n. Com base na equação pWTC (representada na figura), três WTCs precisam ser calculados: o WTC defasado de tempo de A_t+n e B_t; o WTC autocorrelado no participante A de A_t e A_t+n; e o WTC alinhado ao tempo no ponto de tempo t, A_t e B_t. (B) O layout dos conjuntos de sonda optode. CH11 foi colocado em T3, e CH25 foi colocado no T4 seguindo o sistema internacional 10-20^27,28. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Este protocolo introduziu pela primeira vez um experimento de simulação para demonstrar o quão bem o pWTC resolve o desafio de autocorrelação. Em seguida, explicou como conduzir o pWTC de forma passo a passo baseada em um experimento empírico de interações sociais naturalistas. Aqui, foi utilizado um contexto de comunicação para introduzir o método. Isso porque, anteriormente, o INS com atraso de tempo era geralmente calculado em um contexto de comunicação naturalista 3,4,6,8,13,15,18. Além disso, também foi realizada uma comparação entre o pWTC e o WTC tradicional e validação com o teste de causalidade granger (GC).