كيفية حساب والتحقق من صحة التزامن بين الدماغ في دراسة FNIRS Hyperscanning
سبتمبر 8, 2021
وقد تم تمثيل الديناميات بين العقول المقترنة من الأفراد على نحو متزايد من خلال التزامن بين الدماغ (IBS) عندما تنسق مع بعضها البعض، وذلك في الغالب باستخدام إشارات تسجيل في وقت واحد من العقول (وهي hyperscanning) مع fNIRS. في دراسات fNIRS hyperscanning ، تم تقييم IBS بشكل شائع من خلال طريقة تماسك تحويل الموجات (WTC) بسبب ميزتها على توسيع السلسلة الزمنية إلى مساحة التردد الزمني حيث يمكن رؤية التذبذبات بطريقة بديهية للغاية. يمكن التحقق من صحة IBS الملاحظ من خلال الاقتران العشوائي القائم على التباديل للتجربة والشريك والحالة. هن
يوفر هذا البروتوكول خط أنابيب قياسي محتمل لتحليل المزامنة بين الدماغ في دراسة المسح الضوئي الفائق fNIRS. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها تسمح بحساب قانون المزامنة بين الدماغ الذي سيحول طريقة متماسكة ويتحقق من صحة طرق المزامنة بين الدماغ ، والتباديل القائم على تمكين ظروف الصدر ويشارك. إجراء كافة تحليل البيانات باستخدام برنامج MATLAB مع علب الأدوات المناسبة.
أثناء معالجة البيانات مسبقا ، وتحديدا باستخدام تحليل المكون الرئيسي وطريقة تحسين الإشارات القائمة على الارتباط ، قم بإزالة الضوضاء الفسيولوجية العالمية F N I R S باستخدام فلتر NPCA. والتحف حركة الرأس باستخدام حركة HMR الصحيح التأكيد CBSI من هوميروس اثنين. بعد ذلك ، لحساب التزامن بين الدماغ أو IBS ، اعتمد وظيفة تحويل الموج المتماسكة لعلبة أدوات متماسكة عبر الموجة والموج مع المعلمات الافتراضية ، وحساب القيم المتماسكة في كل مرة في نقطة التردد للحصول على مصفوفة محورين من القيم المتماسكة.
بالنسبة للمعلمات الافتراضية، استخدم الموجة الأم Morlet لتحويل كل سلسلة زمنية إلى مجال الوقت والتردد من خلال تحويل الموجة المستمرة. بعد ذلك ، لاختيار نطاق التردد من الاهتمام ، حدد متوسط القيم المتماسكة لنطاق التردد بين 0.5 إلى Hertz واحد. وفقا لنطاق التردد المستخدمة في مهمة حركة الإصبع من F N I R S فرط المسح الضوئي الدراسة.
الحصول على عمود واحد من قيم coherent لكل زوج. ثم حدد متوسط القيم المتماسكة للنافذة الزمنية أثناء مرحلة الراحة. ولكل حالة تجريبية، وذلك باستخدام معلومات العلامة، والحصول على خمس قيم متماسكة لكل dyad لجلسة العمل، فقط تحديد المدة التي المشاركين استغلالها لإعادة إنتاج التحفيز السمعي، وهو حوالي 12 ثانية لكل تجربة مما أدى إلى ما مجموعه 180 ثانية لكل شرط تجريبي.
ثم طرح قيمة متناسقة يستريح من قيمة متماسكة المهمة ذات الصلة. منذ يتم استخدام قيمة التماسك أثناء حالة الراحة كخط أساس في هذه التجربة. بعد ذلك ، وذلك باستخدام عينات مقترنة التباديل T اختبار مع شركات تسطير أسفل السطر الشعير تسطير أسفل السطر بيرم T1 وظيفة من قطرات العمل.
قارن القيم المتماسكة المطروحة مع صفر في كل قناة لكل شرط تجريبي. ثم، باستخدام دالة FDR من مربع أدوات MATLAB تصحيح القيم P بواسطة أسلوب معدل اكتشاف false. بعد ذلك ، وذلك باستخدام عينات مقترنة التباديل T اختبار مع شركات تسطير أسفل السطر بيرم أسفل أسفل السطر T1 وظيفة من قطرات العمل ، ومقارنة قيم التماسك بين ظروف المهام المختلفة في القناة التي كانت موجودة IBS.
للتحقق من صحة IBS، استخدم الدالة perm خرف MATLAB عشوائيا تسمية التجارب في حالة التنسيق متر واحد dyad في كل قناة. اتبع خط الأنابيب الذي تم إثباته لحساب IBS والإحصاءات الخاصة بتسمية التجربة المعشاة، باستثناء تحليل الحساسية لنطاق التردد المثير للاهتمام. إجراء التباديل 1000 مرة، ثم رسم توزيع القيم Z الإحصائية المتولدة داخل التباديل dyad.
بعد ذلك ، اتبع خط الأنابيب لحساب IBS والإحصاءات بعد عشوائية الاقتران بين المشاركين في نفس التجربة ، في حالة تنسيق العداد. وأخيرا، اتبع خط الأنابيب مرة أخرى بعد عشوائية تسميات الشرط لنفس أعضاء dyad واحد في نفس التجربة. وأظهرت النتائج وجود IBS في القناة الخامسة في حالة تنسيق العداد.
في حين لم يتم الكشف عن IBS في الظروف الأخرى. في القناة الخامسة، كان IBS وحالة تنسيق العداد أعلى بكثير من القيم المتماسكة في حالة التنسيق غير متر واستقلال متر. أظهر تحليل التباديل أن IBS الملاحظ ربما قدم في شخصين من dyad واحد الذين حاولوا مزامنة مع بعضهم البعض في الوقت المطابق، ولكن ليس في شريك الوقت أو شرط الاقتران العشوائي.
تأكد من أن، IBS محددة للتفاعل نادرة. لذا ، وحساب IBS في هذه المهمة ، وربط نطاق التردد ، وتحور شروط الثقة والمقابلات. ومن شأن حوسبة نظام IBS لجميع القنوات في متناول اليد، أو عبر قنوات ومناطق مختلفة، أن يثري شريك حساب IBS.
تحليل شبكة بين الدماغ لمجموعات كبيرة من المشاركين في التفاعلات الطبيعية سوف تستفيد هو تأهيل التفاعل الاجتماعي.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تركز هذه الدراسة على التزامن بين الأدمغة (IBS) بين الأفراد أثناء أداء مهام منسقة، وذلك باستخدام التصوير الطيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء الوظيفي (fNIRS) في إعداد مسح فائق (hyperscanning). وتعتمد الدراسة على تماسك تحويل المويجات (WTC) لتقييم التزامن بين الأدمغة، كما يتم التحقق من صحة النتائج من خلال طرق قائمة على التبديل. وتناقش الدراسة اعتبارات منهجية حاسمة لتعزيز قابليّة التكرار والموثوقية في هذه الدراسات.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- تصوير الدماغ
- التنسيق بين الأشخاص
خلفية علمية
- يعكس التزامن بين الدماغي (IBS) التنسيق بين النشاط الدماغي للأفراد.
- يسمح المسح الفائق (Hyperscanning) بالتسجيل المتزامن للإشارات الدماغية من مشاركين متعددين.
- يُستخدم تماسك تحويل المويجات (WTC) لتحليل خصائص الزمن والتردد.
- تساعد طرق التبديل في التحقق من صحة نتائج التزامن بين الدماغي (IBS) من خلال التحكم في احتمالات الصدفة.
الغرض من الدراسة
- تقديم بروتوكول لتحليل التزامن بين الدماغين (IBS) باستخدام دراسات المسح الفائق للأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS hyperscanning).
- توضيح كيفية حساب والتحقق من صحة التزامن بين الدماغين (IBS) بشكل فعال.
- تحديد الاعتبارات المنهجية الحرجة لتحسين التحليلات.
الطرق المستخدمة
- تستخدم الدراسة تقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) للحصول على إشارات الدماغ.
- تقوم الدراسة بتقييم التنسيق باستخدام دالة التماسك لتحويل المويجات عبر برنامج MATLAB.
- تتضمن المعالجة المسبقة للبيانات تقنيات مثل تحليل المكونات الرئيسية واستخدام مرشح NPCA.
- يتضمن الإجراء اختبار قيم التماسك عبر الظروف التجريبية واستخدام اختبارات التبديل للتحقق من الصحة.
النتائج الرئيسية
- تم رصد IBS في ظل ظروف محددة، مما يشير إلى وجود جهود تزامن بين المشاركين.
- تم تأكيد وجود IBS من خلال الاختبارات الإحصائية وتحليلات التبديل.
- تشير النتائج إلى أن الكشف عن IBS يقتصر على مهام وظروف معينة، مما يعزز فهم ديناميكيات التفاعل الاجتماعي.
الاستنتاجات
- توفر هذه الدراسة إطاراً منهجياً لتقييم الـ IBS، مما يساعد الأبحاث المستقبلية في العلوم العصبية الشخصية.
- إنها تعزز إمكانية إعادة التكرار والموثوقية في تحليل التزامن العصبي بين الأفراد.
- تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الأساس العصبي للتفاعلات الاجتماعية.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
يوفر تحليل المزامنة بين الدماغين (IBS) عبر المسح الفائق بتقنية fNIRS نافذة ميكانيكية لفهم النشاط العصبي المنسق، مما يمنح البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية مؤشراً حيوياً كمياً لنماذج الإدراك الاجتماعي والتفاعل بين الأشخاص. يدعم هذا النهج التحقق من الأهداف في الاضطرابات النفسية العصبية من خلال تمكين القياس الموضوعي للاقتران العصبي الثنائي، وهو ما يمكن أن يوجه تقييم الفعالية العلاجية في الحالات التي تؤثر على التفاعل الاجتماعي. وتعمل طريقة تماسك تحويل المويجات (WTC) المقترنة بالتحقق من التبديل على تعزيز الثقة التنبؤية في النماذج قبل السريرية عن طريق تقليل إشارات المزامنة الإيجابية الكاذبة.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية البيولوجية
الاكتشاف المبكر والتحقق من صحة الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء الفرضيات العلاجية المتعلقة بشبكات الدماغ الاجتماعية من خلال قياس التزامن العصبي بين الأشخاص المتفاعلين.
- القيمة التشغيلية: توفر مسار عمل قابل للتكرار لتقييم مدى التفاعل مع الهدف في النماذج السلوكية الثنائية باستخدام تقنية التصوير الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) فائقة المسح.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: توليد مقاييس تماسك مفككة زمنياً وترددياً تعمل كمخرجات كمية لقياس تأثيرات المركبات على الاقتران العصبي بين الأشخاص.
- القيمة التشغيلية: تدعم توحيد المقايسات من خلال بروتوكولات محددة مسبقاً لنطاق التردد (0.5–1 Hz) ومتوسط النافذة الزمنية، مما يحسن إمكانية المقارنة بين الدراسات المختلفة.
الأبحاث الترجمية وقبل السريرية
- القيمة العلمية: يسهل تقليل المخاطر الميكانيكية من خلال التمييز بين التزامن الحقيقي المعتمد على التفاعل والارتباطات الاصطناعية عبر التحقق القائم على التبديل.
- القيمة التشغيلية: يتيح التتبع الطولي للأنماط الظاهرية للتنسيق العصبي في نماذج الأمراض، مما يدعم الاستمرارية الانتقالية من مرحلة الاكتشاف إلى التحقق قبل السريري.
تكامل سير العمل ومسار المعالجة
يندرج مسار تحليل IBS ضمن سير عمل الاكتشاف المبكر حيث يتم تقييم الارتباطات العصبية للسلوك الاجتماعي، لا سيما في مراحل التحقق من الأهداف وتطوير المقايسات للعلاجات الخاصة بالجهاز العصبي المركزي (CNS).
- بيولوجيا الاكتشاف: يدعم اختبار الفرضيات المتعلقة بالآليات العصبية الكامنة وراء التفاعل الاجتماعي من خلال توفير مقاييس موضوعية وكمية للارتباط بين الدماغين.
- الفحص: يوفر مخرجات تماسك قابلة للتكرار وجاهزة للمقايسة بعد المعالجة المسبقة (ترشيح NPCA وتصحيح الحركة HMR) والتحقق الإحصائي (اختبار التبديل وتصحيح FDR).
- التحليلات: ينتج توزيعات قيمة Z من اختبارات التبديل التي تتيح المقارنة الإحصائية لمستوى IBS عبر الظروف والقنوات المختلفة.
- الأبحاث الانتقالية: يتوافق مع جهود تطوير المؤشرات الحيوية من خلال تقديم مقياس للتزامن العصبي حساس للتنسيق الخاص بالمهمة، وهو أمر ذو صلة بنماذج الخلل الوظيفي الاجتماعي.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: يؤسس إطاراً تحليلياً قابلاً لإعادة الاستخدام يمكن تطبيقه عبر مهام ثنائية وظروف تجريبية متعددة، مما يقلل من تكاليف إعادة التطوير.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: زيادة الثقة التنبؤية في التحقق من الهدف من خلال التأكيد على أن التشابه في نمط التزامن (IBS) الملحوظ خاص بالتفاعل الحقيقي وليس مجرد اقتران عشوائي أو تأثيرات ظروف التجربة.
- القيمة التشغيلية: تعزيز القابلية للتكرار من خلال المعالجة المسبقة الموحدة (تقليل الضوضاء القائم على تحليل المكونات الرئيسية PCA، وتصحيح الحركة) ومسارات إحصائية تم التحقق من صحتها (اختبار T التبادلي، وتصحيح FDR).
- القيمة الاستراتيجية: تحسين قرارات المتابعة أو التوقف (go/no-go) من خلال توفير مؤشر حيوي عصبي للتفاعل الاجتماعي يمكن تعديله بواسطة التدخلات الدوائية.
- تأثير المحفظة: تمكين تحديد أولويات المركبات التي تستهدف مسارات الإدراك الاجتماعي بناءً على المخاطر، وذلك عبر قراءات موضوعية وقابلة للقياس لـ IBS.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في اكتساب بيانات fNIRS، وتصميم تجارب المسح الفائق (hyperscanning)، ومعالجة الإشارات باستخدام برنامج MATLAB.
- يعتمد على إمكانية الوصول إلى صناديق أدوات تماسك تحويل المويجات (wavelet transform coherence toolboxes) ووظائف اختبار التبديل (permutation testing) لضمان التنفيذ الصحيح.
- يستلزم توحيد خطوات المعالجة المسبقة بين الفرق (على سبيل المثال، مرشح NPCA، وتصحيح الحركة HMR) ومعلمات التحليل (النطاق الترددي، والنوافذ الزمنية) لضمان قابلية التكرار.
- يتضمن اعتبارات التكيف عند تطبيق البروتوكول على مجموعات مختلفة من المشاركين، أو مهام متنوعة، أو مناطق عصبية مستهدفة مختلفة.
- يتقيد بضرورة الاختيار الدقيق للقنوات (على سبيل المثال، القناة الخامسة في حالة التنسيق الحركي) والتفسير المرتبط بكل حالة لتجنب النتائج الإيجابية الكاذبة.
