بين الدماغ Synchrony في التعلم التعاوني المفتوح : دراسة fNIRS - Hyperscanning
يوليو 21, 2021
ويرد في الخطوط العريضة بروتوكول لإجراء تجارب fNIRS hyperscanning على dyads التعلم التعاوني في بيئة التعلم الطبيعية. علاوة على ذلك ، يتم تقديم خط أنابيب لتحليل Synchrony بين الدماغ (IBS) من إشارات الهيموغلوبين المؤكسي (Oxy-Hb).
هذا البروتوكول يكشف عن تزامن بين الدماغ في dyads التعاونية في البيئة الطبيعية من قبل تقنية fNIRS hyperscanning. الميزة الهامة لهذه التقنية هي أنها تسمح بالتحقيق في الديناميكيات في الوقت الحقيقي لأدمغتين أو أكثر من العقول المتفاعلة. قبل بدء التجربة، ابدأ نظام التحليل الطيفي القريب بالأشعة تحت الحمراء لتحقيق درجة حرارة تشغيل مستقرة، ثم اعتمد غطاء سباحة مرن لوضع شبكة حامل البصريات وإعداد قبعات NIRS كما هو موضح في المخطوطة النصية.
بالنسبة لقناة ذات إشارات غير كافية، استخدم مسابير الألياف البصرية المضاءة لتحريك الشعر تحت طرف المسبار إلى جانب واحد. بمجرد استقرار درجة حرارة التشغيل، تأكد من أن جهاز استقبال الزناد نشط وحدد وضع القياس للقياس المرتبط بالحدث. إعداد مسبار الألياف البصرية مضاءة لتحريك الشعر جانبا.
إرشاد المشاركين فيما يتعلق بتفاصيل أساليب قياس NIRS وعدم النظر مباشرة إلى أشعة الليزر لأن شعاع الليزر قد يكون ضارا بعيون المشارك. اجعل المشاركين يجلسون وجها لوجه للتأكد من أنهم يستطيعون رؤية بعضهم البعض مباشرة وضبط مسافة الكرسي إلى الطاولة لجعل المشاركين يجلسون بشكل مريح. قم بتشغيل زر الليزر، وضع حزم الألياف البصرية الأربعة بشكل فضفاض على ذراعي الحامل دون اتصال بالمشاركين أو الكراسي ووضع الغطاء مع مجموعات المسبار على رؤوس المشاركين، مما يضمن أن مجموعات التحقيق ثلاثة في خمسة تغطي جبين المشارك ومجموعات التحقيق أربعة في أربعة تغطي القشرة الإيقاعية اليسرى، ثم دفع بعناية كل ربيع تحميل التحقيق كذلك في مقبس التحقيق بحيث طرف المسبار يمس فروة الرأس من المشارك.
ثم السماح لاثنين من المشاركين للمشاركة في تعلم المواد التعليمية مع خمس دقائق بقية الدولة، والتي هي بمثابة خط الأساس. أولا، للتحقق من جودة الإشارة، انقر فوق الكسب التلقائي في إطار مراقبة مجموعة المسبار لآلة NIRS الوظيفية، ثم ضع علامة على إشارة القناة الضعيفة باللون الأصفر والإشارة الكافية باللون الأخضر وكرر هذا الإجراء حتى يتم وضع علامة خضراء على جميع القنوات. بعد التجربة، انقر على Text File Out لتصدير بيانات كثافة الضوء الخام وحفظ البيانات كملف نصي.
استخدم جهاز الرقم ثلاثي الأبعاد لتحديد مواقع أجهزة الانبعاثات والاستقبال والمراجع الأخرى لكل مشارك، ثم احصل على إحداثيات MNI لقنوات التسجيل باستخدام منصة الحوسبة الرقمية المتاحة تجاريا. تم تحليل البيانات من كل مشارك في كل قناة. تم تصور optodensity في القناة 33 لdad معينة.
تم استخراج البيانات باستخدام طريقة إزالة القطع الأثرية المتحركة القائمة على الموجة ، وحدها وإلى جانب تحليل المكونات الرئيسية. الفرق بين المنحنيات يشير إلى أن PCA فعال في إزالة الإشارات غير العصبية. تم تصور مصفوفة تماسك التحويل الموجي.
تنوعت خريطة الألوان من الأزرق إلى الأصفر، حيث تمثل قيم تزامن بين الدماغ تتراوح بين صفر وواحد، حيث يشير المرء إلى أكبر تماسك بين إشتين وصفر لا يدل على أي تماسك. بالإضافة إلى ذلك ، تم الحصول على معاملات كبيرة أيضا ، والتماسك القوي حول هيرتز واحد يمثل تماسك إيقاع القلب في الدياد. وتبين المقارنة بين قيمة T الملاحظة وتوزيع قيمة T العشوائية نتائج هامة في حرية المعلومات المحددة.
من المهم التأكد من أن مجموعة المسبار تغطي منطقة المصالح ومحاولة تقليل الانحراف.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
توضح هذه الدراسة بروتوكولاً لإجراء تجارب المسح الفائق باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) لاستقصاء التزامن بين الأدمغة أثناء التعلم التعاوني في بيئة طبيعية. ويركز التحليل على إشارات الهيموجلوبين المؤكسج (Oxy-Hb) لتقييم الديناميكيات الآنية لدماغين متفاعلين.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علم الأعصاب
- التعلم التعاوني
- الاتصالية الدماغية
خلفية علمية
- تُستخدم تقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) لدراسة نشاط الدماغ.
- يساعد التزامن بين الدماغين (IBS) في فهم التفاعلات التعاونية.
- تعد البيئات الطبيعية ضرورية لدراسة التفاعلات في الحياة الواقعية.
- يفصل البروتوكول إعداد المعدات وكيفية وضع المشاركين.
الغرض من الدراسة
- توفير طريقة لفحص التزامن بين الدماغ والدماغ (IBS) في ثنائيات التعلم.
- تفصيل إعدادات التصوير الوظيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) لالتقاط إشارات الهيموجلوبين المؤكسج (Oxy-Hb).
- تحديد خط أساس للمشاركة المعرفية أثناء التعلم التعاوني.
الطرق المستخدمة
- استُخدمت تقنية التصوير الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) فائقة المسح أثناء أنشطة العمل الجماعي.
- تم وضع المشاركين وجهاً لوجه لتعزيز التفاعل.
- تضمن جمع البيانات ضمان التشغيل المستقر لجهاز fNIRS وراحة المشاركين.
- تم تقييم جودة الإشارة وإزالة الشوائب باستخدام طرق المويجات (wavelet methods).
النتائج الرئيسية
- تم تصوير التزامن بين الدماغين، مما أظهر وجود تماسك أثناء التعاون.
- سلط تحليل البيانات الضوء على تماسك قوي عند حوالي 1 hertz مرتبط بالنظم القلبي.
- أكد البروتوكول فعالية PCA في تصفية الإشارات غير العصبية.
الاستنتاجات
- تثبت هذه الدراسة صحة منهجية شاملة لتقييم IBS في السياقات التعاونية.
- تدعم النتائج فهم العمليات المعرفية أثناء التفاعلات الاجتماعية.
- يمكن لهذا البروتوكول أن يسهل المزيد من استكشاف الديناميكيات العصبية في بيئات التعلم.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
يوفر قياس التزامن بين الأدمغة عبر التصوير الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) بنمط المسح الفائق (hyperscanning) مؤشراً عصبياً بيولوجياً لتقييم ديناميكيات التعاون في الوقت الفعلي، مما يقدم رؤى ميكانيكية حول عمليات التعلم الاجتماعي. ويدعم هذا النهج التحقق من الأهداف في علوم الأعصاب من خلال تمكين التقييم الكمي للاقتران العصبي أثناء المهام التفاعلية، وهو ما يمكن أن يساهم في تطوير المؤشرات الحيوية للاضطرابات المعرفية والسلوكية. كما يعزز مسار العمل الموحد من إمكانية إعادة الإنتاج والمقارنة بين المختبرات، بما يتماشى مع مبادئ العلم المفتوح الضرورية لتقليل المخاطر في المرحلة قبل السريرية وضمان الاستمرارية الانتقالية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تمكّن من استقصاء الفرضيات العلاجية المتعلقة بالإدراك الاجتماعي وآليات الاتصال العصبي.
- القيمة التشغيلية: توفر طريقة قابلة للتكرار للتحقق من الأهداف الوظيفية باستخدام التزامن بين الأدمغة كمؤشر ظاهري.
- القيمة التنبؤية: تدعم تقليل المخاطر الميكانيكية من خلال قياس التماسك العصبي كعلامة بيولوجية للتفاعل التعاوني.
الفحص وتطوير المقايسة
- جاهزية المقايسة: تجهيز أنظمة بيولوجية مصادق عليها (شبكات دماغية ثنائية) للفحص اللاحق للمركبات التي تؤثر على السلوك الاجتماعي.
- المخرجات الكمية: تقديم مقاييس التزامن القائمة على الهيموجلوبين المؤكسج، مما يتيح تحليل الاستجابة للجرعة في النماذج قبل السريرية.
- قابلية توسيع المنصة: يدعم مسار الفحص الفائق بتقنية fNIRS الموحد إمكانية إعادة الاستخدام عبر المختبرات وتصاميم الدراسات المختلفة.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- الأهمية المرضية: ينطبق على الاضطرابات المصحوبة بخلل وظيفي اجتماعي (مثل التوحد والفصام) حيث يمكن أن يعمل التزامن بين الأدمغة كعلامة بيولوجية ترجمية.
- الاستمرارية قبل السريرية: يربط بين تحديد الآليات العصبية في مرحلة الاكتشاف والتحقق قبل السريري من المركبات المحفزة للتفاعل الاجتماعي.
- التقدم المعدل حسب المخاطر: تساهم مقاييس IBS في اتخاذ قرارات الاستمرار أو التوقف من خلال توفير ارتباطات عصبية موضوعية للتفاعل مع الهدف.
تكامل سير العمل والمسارات
تتكامل طريقة التصوير الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) فائقة المسح ضمن سلسلة الاكتشافات، بدءاً من اختبار فرضية الهدف، ومروراً بتحديد المركبات الواعدة، وصولاً إلى التحقق قبل السريري، لا سيما بالنسبة لأهداف الجهاز العصبي المركزي التي تنظم الدوائر العصبية الاجتماعية.
- بيولوجيا الاكتشاف: يدعم اختبار الفرضيات المتعلقة بالمسارات العصبية المشاركة في التعلم والتفاعل الاجتماعي.
- المسح: يتيح توحيد المقايسات وقابلية تكرارها لتقييم المركبات التي تعدل التزامن بين الأدمغة.
- التحليلات: يوفر مخرجات تماسك المويجات وتحليل المكونات الرئيسية للمقارنة الكمية للديناميكيات العصبية عبر الظروف المختلفة.
- الأبحاث الانتقالية: يربط مقاييس تزامن Oxy-Hb بالنماذج قبل السريرية للإدراك الاجتماعي من خلال مواءمة المؤشرات الحيوية.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: يؤسس لمنصة فيزيولوجيا عصبية قابلة لإعادة الاستخدام للفرق متعددة الوظائف التي تدرس شبكات الدماغ الاجتماعية.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية في التحقق من الهدف عن طريق تقليل الغموض في تفسير الآليات العصبية الاجتماعية.
- القيمة التشغيلية: تضمن التوحيد القياسي، وقابلية التكرار، وقابلية التوسع لبروتوكولات المسح الدماغي المفرط (hyperscanning) عبر المواقع المختلفة.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن جودة قرارات المتابعة أو الإيقاف (go/no-go) من خلال قراءات موضوعية للتزامن العصبي، مما يقلل من معدلات الفشل في المراحل المتأخرة من برامج الجهاز العصبي المركزي (CNS).
- التأثير على المحفظة: تتيح تحديد الأولويات للمركبات بناءً على المخاطر المعدلة وفقاً لبيانات المؤشرات الحيوية الميكانيكية المستمدة من النماذج التفاعلية.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في التصوير العصبي، والتصميم التجريبي، ومعالجة الإشارات الخاصة ببيانات fNIRS.
- يعتمد على أنظمة مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة المستقرة والقدرات المتاحة لتصحيح الشوائب الحركية (على سبيل المثال، الطرق القائمة على المويجات، أو تحليل المكونات الرئيسية PCA).
- يستلزم توحيداً قياسياً بين الفرق فيما يخص وضع المجسات، وفحوصات جودة الإشارة، وإجراءات تصدير البيانات.
- يجب أن يراعي التكيف عبر أنظمة النماذج المختلفة التشريح العصبي الخاص بكل نوع وخصائص الاستجابة الهيموديناميكية.
- تشمل القيود العملية القابلية للتأثر بالشوائب الحركية وتداخل الضوء البيئي، كما ورد في المادة المصدر.
