סריקת EEG ביתית לאינטראקציות חברתיות בין תינוק למטפל
Summary
פרוטוקול זה מתאר כיצד אלקטרואנצפלוגרפיה, אלקטרוקרדיוגרפיה ורישומים התנהגותיים מסונכרנים נלכדו מדיאדות מטפלות בתינוקות בסביבה ביתית.
Abstract
מחקרי היפר-סריקה קודמים המתעדים את פעילות המוח של מטפלים וילדים נערכו במקביל בעיקר בתחומי המעבדה, ובכך הגבילו את יכולת ההכללה של התוצאות לסביבות בחיים האמיתיים. כאן מוצע פרוטוקול מקיף ללכידת אלקטרואנצפלוגרפיה מסונכרנת (EEG), אלקטרוקרדיוגרפיה (ECG) ורישומים התנהגותיים מדיאדות תינוק-מטפל במהלך משימות אינטראקטיביות שונות בבית. פרוטוקול זה מדגים כיצד לסנכרן את זרמי הנתונים השונים ולדווח על שיעורי שמירת נתוני EEG ובדיקות איכות. בנוסף, נדונים נושאים קריטיים ופתרונות אפשריים ביחס למערך הניסוי, המשימות ואיסוף הנתונים בהגדרות הבית. הפרוטוקול אינו מוגבל לדיאדות מטפלות-תינוקות, אלא ניתן ליישם אותו על קונסטלציות דיאדיות שונות. בסך הכל, אנו מדגימים את הגמישות של מערכי היפר-סריקה של EEG, המאפשרים לערוך ניסויים מחוץ למעבדה כדי ללכוד את פעילויות המוח של המשתתפים בסביבות סביבתיות תקפות יותר מבחינה אקולוגית. עם זאת, תנועה וסוגים אחרים של חפצים עדיין מגבילים את המשימות הניסיוניות שניתן לבצע בסביבה הביתית.
Introduction
באמצעות הקלטה סימולטנית של פעילויות מוחיות משני נבדקים או יותר המקיימים אינטראקציה, הידועה גם בשם היפר-סריקה, ניתן להבהיר את הבסיס העצבי של אינטראקציות חברתיות בדינמיקה המורכבת, הדו-כיוונית והמהירה שלהן1. טכניקה זו הסיטה את המוקד מלימוד אנשים בסביבה מבודדת ומבוקרת היטב לבחינת אינטראקציות נטורליסטיות יותר, כגון אינטראקציות הורה-ילד במהלך משחק חופשי 2,3, פתרון חידות4 ומשחקי מחשב שיתופיים 5,6. מחקרים אלה מראים כי פעילויות מוחיות מסתנכרנות במהלך אינטראקציות חברתיות, כלומר מראות דמיון בין זמנים, תופעה המכונה סנכרון עצבי בין-אישי (INS). עם זאת, הרוב הגדול של מחקרי היפר-סריקה הוגבלו לסביבות מעבדה. בעוד שזה מאפשר שליטה ניסיונית טובה יותר, זה עלול לבוא על חשבון אובדן חלק מהתוקף האקולוגי. התנהגויות שנצפו במעבדה עשויות שלא לייצג את ההתנהגויות האינטראקטיביות היומיומיות הטיפוסיות של המשתתפים בשל הסביבה הלא מוכרת והמלאכותית ואופי המשימות המוטלות7.
ההתקדמות האחרונה במכשירי דימות מוחי ניידים, כגון אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG) או ספקטרוסקופיה תפקודית של אינפרא אדום קרוב (fNIRS), מקלה על בעיות אלה על ידי הסרת הדרישה מהמשתתפים להישאר מחוברים פיזית למחשב ההקלטה. לכן, הם מאפשרים לנו למדוד את פעילויות המוח של המשתתפים בזמן שהם מתקשרים בחופשיות בכיתה או בבתיהם 8,9. היתרון של EEG בהשוואה לשיטות דימות מוחי אחרות, כגון fNIRS, הוא שיש לו רזולוציה טמפורלית מצוינת, מה שהופך אותו מתאים במיוחד לחקר דינמיקה חברתית מהירה10. עם זאת, הוא מגיע עם האזהרה כי אות EEG הוא פגיע מאוד לתנועה וממצאים פיזיולוגיים ולא פיזיולוגיים אחרים11.
למרות זאת, המחקרים הראשונים יישמו בהצלחה מערכי היפר-סריקה של EEG בסביבות ובתנאים מציאותיים. לדוגמה, Dikker et al.12 מדדו את אות ה-EEG של קבוצת תלמידים בזמן שהם עסקו בפעילויות שונות בכיתה, כולל השתתפות בהרצאות, צפייה בסרטונים והשתתפות בדיונים קבוצתיים. מחקר זה, יחד עם מחקרים אחרים 8,9, השתמש בעיקר אלקטרודות EEG יבשות כדי להקל על תהליך ביצוע מדידות בסביבות שאינן מעבדה. בהשוואה לאלקטרודות רטובות, הדורשות יישום של ג’ל מוליך או הדבקה, אלקטרודות יבשות מציעות יתרונות בולטים מבחינת שימושיות. הם הוכחו כבעלי ביצועים דומים לאלקטרודות רטובות באוכלוסיות בוגרות ובתנאים נייחים; עם זאת, הביצועים שלהם עשויים לרדת בתרחישים הקשורים לתנועה עקב רמות עכבה מוגברות13.
כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבודה ללכידת הקלטות מסונכרנות ממערכת EEG ג’ל נוזלי בצפיפות נמוכה בת שבעה ערוצים עם אלקטרוקרדיוגרפיה עופרת יחידה (ECG) המחוברת לאותו מגבר אלחוטי (קצב דגימה: 500 הרץ) של דיאדות מטפלות-תינוקות בסביבה ביתית. בעוד אלקטרודות אקטיביות שימשו למבוגרים, אלקטרודות פסיביות שימשו במקום לתינוקות מכיוון שהאחרונה מגיעה בדרך כלל בצורה של אלקטרודות טבעתיות, ובכך הקלה על תהליך מריחת הג’ל. בנוסף, הקלטות EEG-ECG סונכרנו לשלוש מצלמות ומיקרופונים כדי ללכוד את התנהגויות המשתתפים מזוויות שונות. במחקר, תינוקות בני 8-12 חודשים והמטפלים שלהם עסקו במטלת קריאה ומשחק בזמן שתועדו EEG, אק”ג והתנהגויות שלהם. כדי למזער את ההשפעה של תנועה מוגזמת על איכות אות ה-EEG, המשימות נערכו בסביבה של שולחן עליון (למשל, שימוש בשולחן המטבח ובכיסא גבוה לתינוק), ודרשו מהמשתתפים להישאר יושבים לאורך כל משימת האינטראקציה. למטפלים סופקו שלושה ספרים המתאימים לגיל וצעצועי שולחן (מצוידים בכוסות יניקה כדי למנוע מהם ליפול). הם הונחו להקריא לילדם במשך כ -5 דקות, ולאחר מכן מפגש משחק של 10 דקות עם הצעצועים.
פרוטוקול זה מפרט את השיטות לאיסוף נתוני EEG-ECG, וידאו ושמע מסונכרנים במהלך משימות הקריאה וההפעלה. עם זאת, ההליך הכולל אינו ספציפי לתכנון מחקר זה, אך מתאים לאוכלוסיות שונות (למשל, דיאדות הורה-ילד, דיאדות חבר) ולמשימות ניסוי. תוצג שיטת הסנכרון של זרמי נתונים שונים. יתר על כן, יתואר צינור עיבוד מקדים בסיסי של EEG המבוסס על Dikker et al.12, וידווחו שיעורי שמירת נתוני EEG ומדדי בקרת איכות. מכיוון שהבחירות האנליטיות הספציפיות תלויות במגוון גורמים (כגון תכנון משימות, שאלות מחקר, מונטאז’ EEG), ניתוח היפר-סריקה EEG לא יפורט בהמשך, אלא במקום זאת, הקורא יופנה להנחיות ולארגז כלים קיימים (למשל, 14 להנחיות;15,16 עבור ארגזי כלים לניתוח היפר-סריקה). לבסוף, הפרוטוקול דן באתגרים ובפתרונות אפשריים להיפר-סריקה של EEG-ECG בבית ובסביבה אחרת בעולם האמיתי.
Protocol
Representative Results
Discussion
בפרוטוקול זה, אנו מבצעים מדידות בבתי המשתתפים שבהם תינוקות ומטפלים עשויים להרגיש נוח יותר והתנהגותם עשויה לייצג יותר את האינטראקציות שלהם בחיים האמיתיים לעומת סביבת מעבדה, ובכך להגדיל את התוקף האקולוגי7. יתר על כן, הקלטות בסביבה הביתית עשויות להקל על העומס על המשתתפים, למשל ב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה מומנה על ידי מענק פוסט-דוקטורט נשיאותי מהאוניברסיטה הטכנולוגית נניאנג שהוענק למציאות מדומה.
Materials
| 10 cc Luer Lock Tip syringe without Needle | Terumo Corporation | ||
| actiCAP slim 8-channel electrode set (LiveAMP8) | Brain Products GmbH | ||
| Arduino Software (IDE) | Arduino | Arduino IDE 1.8.19 | The software used to write the code for the Arduino microcontroller. Alternate programming software may be used to accompany the chosen microcontroller unit. |
| Arduino Uno board | Arduino | Used for building the circuit of the trigger box. Alternate microcontroller boards may be used. | |
| BNC connectors | BNC connectors to connect the various parts of the trigger box setup. | ||
| BNC Push button | Brain Products GmbH | BP-345-9000 | BNC trigger push button to send triggers. |
| BNC to 2.5 mm jack trigger cable (80 cm) | Brain Products GmbH | BP-245-1200 | BNC cables connecting the 2 LiveAmps to the trigger box. |
| BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383 | Brain Products GmbH | EEG analysis software. | |
| BrainVision Recorder License with dongle | Brain Products GmbH | S-BP-170-3000 | |
| BrainVision Recorder Version 1.23.0003 | Brain Products GmbH | EEG recording software. | |
| Custom 8Ch LiveAmp Cap passive (infant EEG caps) | Brain Products GmbH | LC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 | For infant head sizes 44, 46, 48 . Alternate EEG caps may be used. |
| Dell Latitude 3520 Laptops | Dell | Two laptops, one for adult EEG recording and one for infant EEG recording. Alternate computers may be used. | |
| Dental Irrigation Syringes | |||
| LiveAmp 8-CH wireless amplifier | BrainProducts GmbH | BP-200-3020 | Two LiveAmps, one for adult EEG and one for infant EEG. Alternate amplifier may be used. |
| Manfrotto MT190X3 Tripod with 128RC Micro Fluid Video Head | Manfrotto | MT190X3 | Alternate tripods may be used. |
| Matlab Software | The MathWorks, Inc. | R2023a | Alternate analysis and presentation software may be used. |
| Power bank (10000 mAh) | Philips | DLP6715NB/69 | Alternate power banks may be used. |
| Raw EEG caps | EASYCAP GmbH | For Adult head sizes 52, 54, 56, 58. Alternate EEG caps may be used. | |
| Rode Wireless Go II Single Set | Røde Microphones | Alternate microphones may be used. | |
| Sony FDR-AX700 Camcorder | Sony | FDR-AX700 | Alternate camcorders or webcams may be used. |
| SuperVisc High-Viscosity Gel | EASYCAP GmbH | NS-7907 |
References
- Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
- Endevelt-Shapira, Y., Djalovski, A., Dumas, G., Feldman, R. Maternal chemosignals enhance infant-adult brain-to-brain synchrony. Sci Adv. 7 (50), (2021).
- Santamaria, L., et al. Emotional valence modulates the topology of the parent-infant inter-brain network. NeuroImage. 207, 116341 (2020).
- Nguyen, T., et al. The effects of interaction quality on neural synchrony during mother-child problem solving. Cortex. 124, 235-249 (2020).
- Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
- Reindl, V., et al. Conducting hyperscanning experiments with functional near-infrared spectroscopy. J Vis Exp. (143), e58807 (2019).
- Gardner, F. Methodological issues in the direct observation of parent-child interaction: Do observational findings reflect the natural behavior of participants. Clin Child Fam Psychol Rev. 3, 185-198 (2000).
- Xu, J., Zhong, B. Review on portable EEG technology in educational research. Comput Hum Behav. 81, 340-349 (2018).
- Troller-Renfree, S. V., et al. Feasibility of assessing brain activity using mobile, in-home collection of electroencephalography: methods and analysis. Dev Psychobiol. 63 (6), e22128 (2021).
- Bögels, S., Levinson, S. C. The brain behind the response: Insights into turn-taking in conversation from neuroimaging. Res Lang Soc. 50 (1), 71-89 (2017).
- Georgieva, S., et al. Toward the understanding of topographical and spectral signatures of infant movement artifacts in naturalistic EEG. Front Neurosci. 14, 452947 (2020).
- Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Curr Biol. 27 (9), 1375-1380 (2017).
- Oliveira, A. S., Bryan, R. S., Hairston, W. D., Peter, K., Daniel, P. F. Proposing metrics for benchmarking novel EEG technologies towards real-world measurements. Front Hum Neurosci. 10, 188 (2016).
- Turk, E., Endevelt-Shapira, Y., Feldman, R., vanden Heuvel, M. I., Levy, J. Brains in sync: Practical guideline for parent-infant EEG during natural interaction. Front Psychol. 13, 833112 (2022).
- Kayhan, E., et al. A dual EEG pipeline for developmental hyperscanning studies. Dev Cogn Neurosci. 54, 101104 (2022).
- Ayrolles, A., et al. HyPyP: a Hyperscanning Python pipeline for inter-brain connectivity analysis. Soc Cogn Affect Neurosci. 16 (1-2), 72-83 (2021).
- Delorme, S., Makeig, S. EEGLAB: an open-source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics. J Neurosci Meth. 134, 9-21 (2004).
- Nathan, K., Contreras-Vidal, J. L. Negligible motion artifacts in scalp electroencephalography (EEG) during treadmill walking. Front Hum Neurosci. 9, 708 (2016).
- Stone, D. B., Tamburro, G., Fiedler, P., Haueisen, J., Comani, S. Automatic removal of physiological artifacts in EEG: The optimized fingerprint method for sports science applications. Front Hum Neurosci. 12, 96 (2018).
- Noreika, V., Georgieva, S., Wass, S., Leong, V. 14 challenges and their solutions for conducting social neuroscience and longitudinal EEG research with infants. Infant Behav Dev. 58, 101393 (2020).
- Ng, B., Reh, R. K., Mostafavi, S. A practical guide to applying machine learning to infant EEG data. Dev Cogn Neurosci. 54, 101096 (2022).
- vander Velde, B., Junge, C. Limiting data loss in infant EEG: putting hunches to the test. Dev Cogn Neurosci. 45, 100809 (2020).
- Bell, M. A., Cuevas, K. Using EEG to study cognitive development: Issues and practices. J Cogn Dev. 13 (3), 281-294 (2012).
- Lopez, K. L., et al. HAPPILEE: HAPPE in low electrode electroencephalography, a standardized pre-processing software for lower density recordings. NeuroImage. 260, 119390 (2022).
