تماسك تحويل المويجات (WTC) هو منهجية شائعة لتقييم الاقتران بين الإشارات المستخدمة في دراسات المسح الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS). يتم تقديم مجموعة أدوات لتقييم اتجاه تفاعل الإشارة في هذا العمل.
على الرغم من تزايد دراسات المسح الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) ، يبدو أن تقييم الاقتران بين إشارتين عصبيتين باستخدام تماسك تحويل المويجات (WTC) يتجاهل اتجاه التفاعل. يفتقر المجال حاليا إلى إطار يسمح للباحثين بتحديد ما إذا كانت قيمة التماسك العالية التي تم الحصول عليها باستخدام وظيفة مركز التجارة العالمي تعكس التزامن في الطور (على سبيل المثال ، يظهر التنشيط العصبي في كلا عضوي الثنائي في نفس الوقت) ، والتزامن المتأخر (أي ، يظهر التنشيط العصبي في أحد أعضاء الثنائي قبل العضو الآخر) ، أو التزامن المضاد للطور (أي زيادة التنشيط العصبي في أحد أعضاء الثنائي وانخفاضه في الآخر). لتلبية هذه الحاجة ، يقترح في هذا العمل نهج تكميلي وأكثر حساسية لتحليل تماسك الطور لإشارتين عصبيتين. يسمح صندوق الأدوات للباحثين بتقدير اتجاه الاقتران من خلال تصنيف قيم زاوية الطور التي تم الحصول عليها باستخدام مركز التجارة العالمي التقليدي إلى تزامن في الطور ، وتزامن متأخر ، وتزامن مضاد للطور. يسمح صندوق الأدوات أيضا للباحثين بتقييم كيفية تطور ديناميكيات التفاعلات وتغيرها طوال المهمة. سيؤدي استخدام نهج مركز التجارة العالمي الجديد هذا وصندوق الأدوات إلى تعزيز فهمنا للتفاعلات الاجتماعية المعقدة من خلال استخداماتها في دراسات المسح المفرط fNIRS.
في السنوات الأخيرة ، كان هناك تحول في أنواع الدراسات التي أجريت لفهم الأسس العصبية للسلوك الاجتماعي 1,2. تقليديا ، ركزت الدراسات في علم الأعصاب الاجتماعي على التنشيط العصبي في دماغ واحد معزول أثناء مهمة ذات صلة اجتماعية. ومع ذلك ، فإن التقدم في تكنولوجيا التصوير العصبي يسمح الآن بفحص التنشيط العصبي في أدمغة فرد واحد أو أكثر أثناء التفاعل الاجتماعي كما يحدث في إعدادات “الحياة الواقعية”3. في إعدادات “الحياة الواقعية” ، يكون الأفراد قادرين على التحرك بحرية ، ومن المرجح أن تتغير أنماط تنشيط الدماغ مع تبادل المعلومات وتلقي الشركاء الاجتماعيين ردود الفعل من بعضهم البعض4.
Hyperscanning هي طريقة تقيم تبادل المعلومات ثنائي الاتجاه هذا عن طريق قياس نشاط الدماغ من شخصين أو أكثر في وقتواحد 5. استخدمت مجموعة ناشئة من الأبحاث التحليل الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) ، وهي تقنية تصوير عصبي غير جراحية ، بالمقارنة مع تقنيات التصوير العصبي الأخرى ، أقل عرضة لآثار الحركة6. يسمح المسح الفائق عبر fNIRS بتقييم التزامن بين الدماغ (IBS) في إعدادات الحياة الواقعية بينما يتحرك الشركاء التفاعليون بحرية وبشكل طبيعي. هذا مهم بشكل خاص للعمل مع الرضع والأطفال الصغار ، الذين يميلون إلى أن يكونوا نشطين للغاية. تم الإبلاغ عن أن IBS يعكس التفاهم المتبادل بين الشركاء التفاعليين ، والذي يعمل كأساس للتفاعل الاجتماعي الفعال والتواصل ويتوسط النية المشتركة1،7،8.
يتم استخدام عدة طرق لتقييم القولون العصبي لدماغين. وتشمل هذه الأساليب ارتباطات السلاسل الزمنية، مثل الارتباط المتبادل ومعامل ارتباط بيرسون 9,10 (انظر مراجعة Scholkmann et al.10). تتضمن الطرق الأخرى تقييم قوة الاقتران في مجال التردد. وتشمل هذه الأساليب قيمة قفل الطور (PLV) واتساق الطور (انظر مراجعة أجراها Czeszumski et al.11). تستخدم إحدى الطرق الأكثر شيوعا في دراسات fNIRS تماسك تحويل المويجات (WTC) – وهو مقياس للارتباط المتبادل بين سلسلتين زمنيتين كدالة للتردد والوقت10.
يستخدم مركز التجارة العالمي التحليلات الترابطية لحساب الاتساق وتأخر الطور بين سلسلتين زمنيتين في مجال التردد الزمني. استخدمت دراسات المسح الفائق FNIRS مركز التجارة العالمي لتقدير IBS في العديد من مجالات الأداء ، بما في ذلك مراقبة العمل12 ، والسلوك التعاوني والتنافسي5،13،14،15 ، والتقليد16 ، وحل المشكلات بين الأم والرضيع17 ، وسلوك التعليم والتعلم18،19،20،21. عادة ، في دراسات المسح المفرط ، تتم مقارنة التماسك عبر الدماغ ، كما تم قياسه بواسطة مركز التجارة العالمي ، أثناء مهمة تجريبية بالتماسك عبر الدماغ أثناء مهمة التحكم. عادة ما يتم تقديم هذه النتائج مع “مخطط ساخن” لمركز التجارة العالمي ، والذي يوضح التماسك عبر الدماغين في كل نقطة زمنية وتردد (انظر الشكل 1).
كما اقترح Czesumaski et al.11 ، أصبح مركز التجارة العالمي النهج التحليلي القياسي لتحليل المسح المفرط fNIRS. تحليل مركز التجارة العالمي هو طريقة مرنة “محايدة للأدوات” لتصور البيانات وتفسيرها22. تعد الخريطة الحرارية لمعامل التماسك ، والتي توفر شكلا سرديا للتحليل يسمح بسهولة تحديد فترات السلوك المتزامن أو غير المتزامن بالإضافة إلى كثافة نشاط الدماغ أثناء إكمال المهمة ، الميزة الرئيسية لمركز التجارة العالمي وتجعله أداة قوية للبحث التطبيقي22. يتمتع مركز التجارة العالمي بميزة على تقنيات الارتباط. الارتباطات حساسة لشكل وظيفة الاستجابة الديناميكية للدورة الدموية (HRF) ، والتي يعتقد أنها تختلف بين الأفراد (خاصة من حيث العمر) وبين مناطق الدماغ المختلفة. وعلى النقيض من ذلك، لا يتأثر مركز التجارة العالمي بالتغيرات الأقاليمية في (HRF)23. استخدم الباحثون نهج المويجات لدراسة السلاسل الزمنية للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. قارن Zhang et al.24 مقاييس الاتصال الوظيفي شائعة الاستخدام ، بما في ذلك ارتباط بيرسون ، والارتباط الجزئي ، والمعلومات المتبادلة ، وتحويل تماسك المويجات (WTC). أجروا تجارب تصنيف باستخدام أنماط اتصال وظيفية واسعة النطاق مشتقة من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي في حالة الراحة وبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي للتحفيز الطبيعي لمشاهدة الفيديو. أشارت النتائج التي توصلوا إليها إلى أن مركز التجارة العالمي كان أفضل أداء في التصنيف (الخصوصية والحساسية والدقة) ، مما يعني أن مركز التجارة العالمي هو مقياس اتصال وظيفي مفضل لدراسة شبكات الدماغ الوظيفية ، على الأقل في تطبيقات التصنيف24.
الشكل 1: تماسك تحويل المويجات (WTC). ويبين مركز التجارة العالمي التماسك وزاوية الطور بين سلسلتين زمنيتين كدالة لكل من الوقت (المحور السيني) والتردد (المحور الصادي). يتم تصوير زيادة التماسك باللون الأحمر في الرسم البياني ، وتوضح الأسهم الصغيرة في الرسم البياني زاوية الطور للسلسلتين الزمنيتين. يمثل السهم المتجه إلى اليمين التزامن في الطور ؛ تمثل الأسهم المتجهة لأسفل والمتجهة لأعلى التزامن المتأخر ؛ والسهم المتجه إلى اليسار يمثل التزامن المضادللطور 30. تم اقتباس هذا الرقم من Pan et al.19. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
في الآونة الأخيرة ، أوضح هاملتون25 العديد من القيود على تفسير بيانات التماسك عبر الدماغ في دراسات المسح المفرط fNIRS. كان أحد اهتمامات هاملتون الأساسية هو أن مقاييس التماسك (على سبيل المثال ، مركز التجارة العالمي) تبلغ فقط عن التأثيرات على أنها متماثلة (أي أن دماغين مرتبطان ، ويظهران نفس نمط التغيير). ومع ذلك، فإن العديد من التفاعلات الاجتماعية غير متماثلة (على سبيل المثال، تدفق المعلومات بين المتحدث والمستمع) حيث قد يلعب مشاركان أدوارا مختلفة، وليس من الواضح ما إذا كان مركز التجارة العالمي يمكنه التقاط هذه المعلومات. هنا ، يتم التعامل مع هذا القلق من خلال إطار جديد يسمح بتفسير مباشر لقدرة المويجات المتقاطعة باستخدام مرحلة المويجات المتقاطعة للكشف عن الاتجاه. سيسمح هذا الإطار أيضا بفحص كيفية تطور ديناميكيات التفاعلات وتغيرها خلال المهمة.
بينما يقوم مركز التجارة العالمي وطرق الارتباط بتقييم الاتصال الوظيفي ، تقوم طرق أخرى بتقييم الاتصال الفعال ، في محاولة لاستخراج التأثيرات السببية لعنصر عصبي على آخر. إنتروبيا النقل هي مقياس من مجال نظرية المعلومات يصف النقل بين العمليات المعتمدة بشكل مشترك26. طريقة أخرى ذات صلة هي تحليل سببية جرانجر (GCA) ، والذي تم وصفه بأنه مكافئ لإنتروبيا النقل26.
في الأدبيات الحالية لدراسات المسح الفائق fNIRS ، تم استخدام تحليل سببية جرانجر (GCA) على نطاق واسع لتقدير اتجاه الاقتران بين بيانات السلاسل الزمنية fNIRS التي تم الحصول عليها خلال مجموعة متنوعة من المهام المختلفة ، مثل التعاون5 ، والتدريس19 ، والتقليد16. يستخدم GCA نماذج الانحدار الذاتي المتجه لتقييم اتجاه الاقتران بين السلاسل الزمنية في بيانات الدماغ. تعتمد سببية جرانجر على التنبؤ والأسبقية: “يقال إن المتغير X متغير” السبب G “Y إذا كان ماضي X يحتوي على المعلومات التي تساعد على التنبؤ بمستقبل Y فوق المعلومات الموجودة بالفعل في الماضي من Y“27. وفقا لذلك ، يتم تحليل السببية G في اتجاهين: 1) من الموضوع A إلى الموضوع B و 2) من الموضوع B إلى الموضوع A.
وفي حين أن تحليل البرنامج العالمي للأمن السيبراني هو تحليل تكميلي يهدف إلى تحديد ما إذا كانت قيمة الاتساق العالية التي تم الحصول عليها باستخدام دالة مركز التجارة العالمي تعكس التناظر العصبي أو التزامن المتأخر (إشارة واحدة تقود الأخرى)، فإنه لا يسمح بتحديد ما إذا كان قد حدث تزامن مضاد للطور. في دراسات التصوير العصبي التقليدية ، التي يتم فيها فحص مشارك واحد فقط (أي نهج “الدماغ الواحد”) ، يعني النمط المضاد للطور أن النشاط في منطقة دماغية واحدة يزداد بينما ينخفض النشاط في منطقة الدماغ الأخرى28. في أدبيات المسح الفائق ، قد يشير وجود التزامن المضاد للطور إلى زيادة التنشيط العصبي في موضوع واحد ، وفي الوقت نفسه ، يتم تقليل التنشيط العصبي للموضوع الآخر. لذلك ، هناك حاجة لتوفير نموذج شامل يمكنه اكتشاف الاتجاه. وبشكل أكثر تحديدا ، سيكون هذا النموذج قادرا على اكتشاف التزامن المضاد للطور (حيث يكون اتجاه النشاط في فرد واحد معاكسا لاتجاه شريكه) بالإضافة إلى التزامن في الطور والمزامنة المتأخرة.
في محاولة لمعالجة القلق من أن مركز التجارة العالمي يظهر تأثيرات متماثلة فقط ، حيث يظهر كلا الدماغين نفس نمط التغيير25 ، يتم تقديم نهج جديد لتحديد نوع التفاعل من خلال فحص مرحلة التزامن (أي في الطور أو متأخر أو مضاد للطور) (انظر الشكل 2). وتحقيقا لهذه الغاية، تم تطوير صندوق أدوات يستخدم طريقة مركز التجارة العالمي لتصنيف الأنواع المختلفة من التفاعلات. يتم تصنيف أنواع التفاعلات باستخدام بيانات الطور النسبي من تحليل التحويل عبر المويجات.
الشكل 2: توضيح لعلاقات الطور المختلفة للموجات الجيبية البسيطة. (أ) عندما تصل الإشارتان، الإشارة 1 (الخط الأزرق s) والإشارة 2 (الخط البرتقاليs)، إلى قيمتيهما القصوى والدنيا والصفرية في نفس النقطة الزمنية، يقال إنهما تظهران التزامن في الطور32. (ب) عندما تصل إحدى الإشارات إلى أقصى قيمة لها وتصل الإشارة الأخرى إلى القيمة الصفرية في نفس النقطة الزمنية ، يقال إنها تظهر تزامنا متأخرا (إحداها تتقدم بمقدار 90 درجة) 32،33،34. (ج) عندما تتحول سلسلتان زمنيتان في اتجاهين متعاكسين، وهذا يعني أن إحدى الإشارتين تصل إلى الحد الأقصى والأخرى تصل إلى القيمة الصغرى في النقطة الزمنية نفسها، يشار إلى ذلك بالتزامن المضادللطور 28. (د-ف) في جميع علاقات الطور الأخرى بين سلسلتين زمنيتين ، تقود إحدى الإشارات الأخرى. في جميع المراحل الإيجابية ، تقود الإشارة 2 الإشارة 1 (على سبيل المثال ، اللوحات E و F و M و N) ، بينما في جميع المراحل السلبية ، تقود الإشارة 1 الإشارة 2 (على سبيل المثال ، اللوحات D و G و H و O و P). ومن الجدير بالذكر أنه عندما تكون القيمة المطلقة للمرحلة أعلى، يصبح من الأكثر تميزا أي سلسلة زمنية تقود الأخرى (على سبيل المثال، تكون القيادة أكثر تميزا في الفريق ياء منها في الفريق الأول، وفي الفريق K، تكون القيادة أكثر تميزا مما هي عليه في اللوحة L). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
واحدة من أكثر الطرق شيوعا المستخدمة في دراسات fNIRS هي تماسك تحويل المويجات (WTC) ، وهو مقياس للارتباط المتبادل بين سلسلتين زمنيتين كدالة للتردد والوقت10. يحسب مركز التجارة العالمي الاتساق وتأخر الطور بين سلسلتين زمنيتين باستخدام التحليلات الترابطية (الملف التكميلي 1). ا?…
The authors have nothing to disclose.
نود أن نعرب عن تقديرنا للدعم المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 62207025) ، ومشروع أبحاث العلوم الإنسانية والاجتماعية من وزارة التعليم الصينية (رقم 22YJC190017) ، وصناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية إلى Yafeng Pan.
NIRScout | NIRx Medical Technologies, LLC | n.a. | 8 sources, 8 detectors |
MATLAB | The Mathworks, Inc. | Matlab 2022a | In this protocol, several toolboxes and buit in MATLAB functions were used: HOMER3 toolbox was used to convert Intensity to OD, to remove motion artifacts through its function hmrMotionCorrectWavelet with default parameters and to convert OD to Conc. Wavelet Toolbox was used to compute WTC. |