Fonksiyonel Yakın Kızılötesi Spektroskopisi (fNIRS) Hipertarama Çalışmalarında Beyinler Arası Tutarlılığı Anlamak için Yeni Çerçeve

Son yıllarda, sosyal davranışın sinirsel temellerini anlamak için yapılan çalışmaların türlerinde bir değişim olmuştur ^1,2. Geleneksel olarak, sosyal sinirbilimdeki çalışmalar, sosyal olarak ilgili bir görev sırasında izole edilmiş bir beyindeki sinirsel aktivasyona odaklanmıştır. Bununla birlikte, nörogörüntüleme teknolojisindeki ilerlemeler artık “gerçek hayat” ortamlarında meydana geldiği için sosyal etkileşim sırasında bir veya daha fazla bireyin beyinlerindeki nöral aktivasyonun incelenmesine izin vermektedir³. “Gerçek hayat” ortamlarında, bireyler serbestçe hareket edebilirler ve bilgi alışverişi ve sosyal ortaklar birbirlerinden geri bildirim aldıkça beyin aktivasyon kalıplarının değişmesi muhtemeldir⁴.

Hiper tarama, aynı anda iki veya daha fazla kişinin beyin aktivitesini ölçerek bu çift yönlü bilgi alışverişini değerlendiren bir yöntemdir⁵. Gelişmekte olan bir araştırma grubu, diğer nörogörüntüleme tekniklerine kıyasla hareket artefaktlarına daha az duyarlı olan non-invaziv bir nörogörüntüleme tekniği olan fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopisini (fNIRS) kullanmıştır⁶. fNIRS aracılığıyla hiper tarama, etkileşimli ortaklar serbestçe ve doğal olarak hareket ederken, gerçek yaşam ortamlarında beyinler arası senkronizasyonun (IBS) değerlendirilmesine olanak tanır. Bu, özellikle oldukça aktif olma eğiliminde olan bebekler ve küçük çocuklarla yapılan çalışmalar için geçerlidir. IBS’nin, etkili sosyal etkileşim ve iletişimin temeli olarak hizmet eden ve paylaşılan niyetliliğe aracılık eden etkileşimli ortaklar arasındaki karşılıklı anlayışı yansıttığı bildirilmiştir ^1,7,8.

İki beynin IBS’sini değerlendirmek için çeşitli yöntemler kullanılır. Bu tür yöntemler, çapraz korelasyon ve Pearson korelasyon katsayısı ^9,10 gibi zaman serisi korelasyonlarını içerir (Scholkmann ve ^ark.10 tarafından yapılan bir incelemeye bakınız). Diğer yöntemler, frekans alanındaki kuplajın gücünün değerlendirilmesini içerir. Bu tür yöntemler arasında faz kilitleme değeri (PLV) ve faz tutarlılığı bulunur (Czeszumski ve ^ark.11 tarafından yapılan bir incelemeye bakınız). fNIRS çalışmalarındaki en yaygın yöntemlerden biri, frekans ve zaman^10’un bir fonksiyonu olarak iki zaman serisinin çapraz korelasyonunun bir ölçüsü olan dalgacık dönüşümü tutarlılığını (WTC) kullanır.

WTC, zaman-frekans alanındaki iki zaman serisi arasındaki tutarlılığı ve faz gecikmesini hesaplamak için korelasyonel analizler kullanır. FNIRS hiper tarama çalışmaları, eylem izleme 12, işbirlikçi ve rekabetçi davranış 5,13,14,15, taklit 16, anne-bebek problem çözme 17 ve öğretme-öğrenme davranışı^18,19,20,21 dahil olmak üzere birçok işlevsellik alanında IBS’yi tahmin etmek için WTC’yi kullanmıştır.. Tipik olarak, hipertarama çalışmalarında, deneysel bir görev sırasında WTC tarafından ölçülen çapraz beyin tutarlılığı, bir kontrol görevi sırasında çapraz beyin tutarlılığı ile karşılaştırılır. Bu bulgular genellikle, her bir zaman noktasında ve frekansta iki beyin arasındaki tutarlılığı gösteren bir WTC “sıcak grafiği” ile sunulur (bkz. Şekil 1).

Czesumaski ve ^ark.11 tarafından önerildiği gibi, WTC, fNIRS hiper taramasını analiz etmek için standart analitik yaklaşım haline gelmiştir. WTC analizi, veri görselleştirme ve yorumlama için esnek, “araçtan bağımsız” bir yöntemdir²². Bir görevin tamamlanması sırasında beyin aktivitesinin yoğunluğunun yanı sıra senkron veya asenkron davranış dönemlerinin kolayca tanımlanmasına olanak tanıyan bir anlatı analizi biçimi sağlayan tutarlılık katsayısı ısı haritası, WTC’nin ana avantajıdır ve onu uygulamalı araştırma için güçlü bir araç haline getirir²². WTC’nin korelasyon tekniklerine göre bir avantajı vardır. Korelasyonlar, bireyler arasında (özellikle yaş açısından) ve farklı beyin bölgeleri arasında farklılık gösterdiği düşünülen hemodinamik yanıt fonksiyonunun (HRF) şekline duyarlıdır. Buna karşılık, WTC (HRF)^23’teki bölgeler arası değişikliklerden etkilenmez. Araştırmacılar, fMRI zaman serilerini incelemek için dalgacık yaklaşımını kullandılar. Zhang ve ^ark.24 , Pearson korelasyonu, kısmi korelasyon, karşılıklı bilgi ve dalgacık tutarlılık dönüşümü (WTC) dahil olmak üzere yaygın olarak kullanılan fonksiyonel bağlantı ölçümlerini karşılaştırdı. Dinlenme durumu fMRI verilerinden ve video izlemenin doğal uyaran fMRI verilerinden türetilen büyük ölçekli fonksiyonel bağlantı modellerini kullanarak sınıflandırma deneyleri gerçekleştirdiler. Bulguları, WTC’nin sınıflandırmada (özgüllük, duyarlılık ve doğruluk) en iyi performansı gösterdiğini gösterdi, bu da WTC’nin en azından sınıflandırma uygulamalarında fonksiyonel beyin ağlarını incelemek için tercih edilen bir fonksiyonel bağlantı metriği olduğunu ima etti²⁴.

Şekil 1: Dalgacık dönüşümü tutarlılığı (WTC). WTC, iki zaman serisi arasındaki tutarlılığı ve faz açısını hem zamanın (x ekseni) hem de frekansın (y ekseni) bir fonksiyonu olarak gösterir. Tutarlılık artışı, grafikteki kırmızı renkle gösterilir ve grafikteki küçük oklar, iki zaman serisinin faz açısını gösterir. Sağı gösteren ok, faz içi senkronizasyonu temsil eder; Aşağı ve yukarı bakan oklar gecikmeli senkronizasyonu temsil eder; ve sola dönük ok, anti-faz senkronizasyonunu³⁰ temsil eder. Bu rakam Pan ve ^ark.19’dan uyarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Son zamanlarda, Hamilton²⁵ , fNIRS hiper tarama çalışmalarında beyinler arası tutarlılık verilerinin yorumlanmasında çeşitli sınırlamalar dile getirdi. Hamilton’un temel endişelerinden biri, tutarlılık ölçümlerinin (örneğin, WTC) etkileri yalnızca simetrik olarak bildirmesiydi (yani, iki beyin birbiriyle ilişkilidir ve aynı değişim modelini gösterir). Bununla birlikte, birçok sosyal etkileşim asimetriktir (örneğin, bir konuşmacı ve bir dinleyici arasındaki bilgi akışı), iki katılımcının farklı roller oynayabileceği ve WTC’nin bu bilgileri yakalayabileceği açık değildir. Burada, bu endişe, yönlülüğü tespit etmek için çapraz dalgacık fazını kullanarak çapraz dalgacık gücünün basit bir şekilde yorumlanmasına izin veren yeni bir çerçeve ile ele alınmaktadır. Bu çerçeve aynı zamanda etkileşimlerin dinamiklerinin bir görev boyunca nasıl geliştiğinin ve değiştiğinin incelenmesine de izin verecektir.

WTC ve korelasyon yöntemleri işlevsel bağlantıyı değerlendirirken, diğer yöntemler etkili bağlantıyı değerlendirir ve bir nöral elemanın diğeri üzerindeki nedensel etkilerini çıkarmaya çalışır. Transfer entropisi, ortaklaşa bağımlı süreçler arasındaki transferi tanımlayan bilgi teorisi alanından bir ölçüdür²⁶. Diğer bir ilgili yöntem, transfer entropisi^26’ya eşdeğer olarak tanımlanan Granger nedensellik analizidir (GCA).

fNIRS hipertarama çalışmalarının mevcut literatüründe, Granger nedensellik analizi (GCA), işbirliği⁵, öğretme¹⁹ ve taklit¹⁶ gibi çeşitli farklı görevler sırasında elde edilen fNIRS zaman serisi verileri arasındaki eşleşme yönlülüğünü tahmin etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. GCA, beyin verilerindeki zaman serileri arasındaki eşleşmenin yönlülüğünü değerlendirmek için vektör otoregresif modeller kullanır. Granger nedenselliği tahmin ve önceliğe dayanır: “X’in geçmişi, Y’nin geçmişinde zaten var olan bilgilerden çok Y’nin geleceğini tahmin etmeye yardımcı olan bilgileri içeriyorsa, bir X değişkeninin Y değişkenine ‘G-nedeni’ olduğu söylenir”²⁷. Buna göre, G-nedensellik iki yönde analiz edilir: 1) A konusundan B konusuna ve 2) B yönünden A öznesine.

GCA analizi, bir WTC fonksiyonu kullanılarak elde edilen yüksek bir tutarlılık değerinin IBS’yi mi yoksa gecikmeli senkronizasyonu mu (bir sinyalin diğerine öncülük etmesini) yansıtıp yansıtmadığını belirlemeyi amaçlayan tamamlayıcı bir analiz görevi görürken, anti-faz senkronizasyonunun gerçekleşip gerçekleşmediğinin belirlenmesine izin vermez. Sadece bir katılımcının tarandığı geleneksel nörogörüntüleme çalışmalarında (yani, “tek beyin” yaklaşımı), bir anti-faz paterni, bir beyin bölgesindeki aktivitenin artarken diğer beyin bölgesindeki aktivitenin azaldığı anlamına gelir²⁸. Hipertarama literatüründe, anti-faz senkronizasyonunun varlığı, bir denekte nöral aktivasyonun arttığını ve aynı zamanda diğer denek için nöral aktivasyonun azaldığını düşündürebilir. Bu nedenle, yönlülüğü tespit edebilen kapsamlı bir model sağlamaya ihtiyaç vardır. Daha spesifik olarak, bu model, faz içi senkronizasyon ve gecikmeli senkronizasyona ek olarak, anti-faz senkronizasyonunu (bir bireydeki aktivite yönünün partnerininkinin tersi olduğu) tespit edebilecektir.

WTC’nin yalnızca simetrik etkiler gösterdiği endişesini gidermek amacıyla, her iki beynin de aynı değişim modelini^{gösterdiği 25}, senkronizasyon fazını (yani, faz içi, gecikmeli veya anti-faz) inceleyerek etkileşim türünü tanımlamak için yeni bir yaklaşım sunulmaktadır (bkz. Şekil 2). Bu amaçla, farklı etkileşim türlerini sınıflandırmak için WTC yöntemini kullanan bir araç kutusu geliştirilmiştir. Etkileşim türleri, çapraz dalgacık dönüşümü analizinden elde edilen göreli faz verileri kullanılarak sınıflandırılır.

Şekil 2: Basit sinüs dalgalarının farklı faz ilişkilerinin gösterimi. (A) İki sinyal, Sinyal 1 (mavi çizgis) ve Sinyal 2 (turuncu çizgis), aynı zaman noktasında ilgili maksimum, minimum ve sıfır değerlerine ulaştığında, faz içi senkronizasyon³² gösterdikleri söylenir. (B) Aynı zaman noktasında bir sinyal maksimum değerine ulaştığında ve diğer sinyal sıfır değerine ulaştığında, gecikmeli senkronizasyon gösterdikleri söylenir (biri 90° önde)^32,33,34. (C) İki zaman serisi zıt yönlerde kaydığında, yani aynı zaman noktasında bir sinyal maksimuma ve diğeri minimum değere ulaştığında, buna anti-faz senkronizasyonu²⁸ denir. (D-P) İki zaman serisi arasındaki diğer tüm faz ilişkilerinde, bir sinyal diğerine öncülük eder. Tüm pozitif fazlarda, Sinyal 2, Sinyal 1’in başında (örneğin, E, F, M ve N panelleri), tüm negatif fazlarda ise Sinyal 1, Sinyal 2’nin başında gelir (örneğin, paneller D, G, H, O ve P). Özellikle, fazın mutlak değeri daha yüksek olduğunda, hangi zaman serisinin diğerine öncülük ettiği daha belirgin hale gelir (örneğin, liderlik panel J’de panel I’den daha belirgindir ve panel K’de liderlik panel L’den daha belirgindir). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.