开放性协作学习中的脑间同步性：一项基于fNIRS超扫描的研究
2021年7月21日
本文概述了在自然学习环境中对协作学习对组进行功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描实验的操作方案，并提出了一种用于分析氧合血红蛋白（Oxy-Hb）信号的脑间同步性（IBS）的数据处理流程。
本方案通过功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描技术，揭示自然环境下协作二人组间的脑间同步性。该技术的显著优势在于能够实时研究两个或多个相互作用的大脑动态过程。在实验开始前，应先启动近红外光谱系统，使其达到稳定的运行温度，然后使用弹性泳帽固定探头支架网格，并按照文本稿件中的描述准备NIRS帽。
对于信号不足的通道，使用带照明的光纤探头将探头尖端下方的毛发拨至一侧。待工作温度稳定后，确保触发接收器处于激活状态，并将测量模式设置为事件相关测量。准备好带照明的光纤探头以拨开毛发。
向参与者说明近红外光谱（NIRS）测量方法的详细信息，并告知其切勿直视激光束，因为激光可能对眼睛造成伤害。让参与者面对面就座，以确保他们能够直接看到对方，并调整座椅与桌子之间的距离，使参与者坐姿舒适。打开激光按钮，将四束光纤松散地放置在支架臂上，避免与参与者或椅子接触；将装有探头组的帽套戴在参与者的头部，确保3×5探头组覆盖参与者的前额区域，4×4探头组覆盖左侧颞顶皮层区域；然后小心地将每个弹簧加载探头进一步推入探头插座中，使探头尖端接触参与者的头皮。
然后让两名参与者共同学习学习材料，并设置五分钟的静息状态作为基线。首先，为检查信号质量，在功能近红外光谱仪的探头集监控窗口中点击自动增益，随后将信号较差的通道标记为黄色，信号充足的通道标记为绿色，并重复此步骤，直至所有通道均显示为绿色。实验结束后，点击“文本文件输出”以导出原始光强度数据，并将数据保存为文本文件。
使用三维数字化仪确定每位受试者的发射器、接收器及其他参考点的位置，然后利用 commercially available numeric computing platform 获取记录通道的MNI坐标。对每位受试者在每个通道中的数据进行分析。对某一特定配对在通道33中的光密度进行了可视化处理。
采用基于小波的运动伪影去除方法，单独使用以及结合主成分分析（PCA）对数据进行提取。曲线之间的差异表明，PCA 在去除非神经信号方面具有较高效率。对小波变换相干性矩阵进行了可视化展示。
颜色图谱从蓝色变化到黄色，代表脑间同步值从零到一的范围，其中一表示两个信号之间最大的相干性，零表示无相干性。此外，还获得了显著性系数，约一赫兹附近的强相干性反映了二人组的心率相干性。观察到的 T 值与随机 T 值分布的比较显示，在特定频段内具有显著性结果。
必须确保探针组覆盖目标区域，并尽量减少偏差。
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概述
本研究概述了一种在自然情境下开展功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描实验的方案，用于探究协作学习过程中的脑间同步性。分析重点为氧合血红蛋白（Oxy-Hb）信号，以评估两个互动大脑的实时动态活动。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 协作式学习
- 脑连接
背景
- 功能性近红外光谱成像（fNIRS）用于研究大脑活动。
- 脑间同步性（IBS）有助于理解协作性互动。
- 自然主义环境对于研究真实生活中的互动至关重要。
- 该实验方案详细说明了设备设置和受试者的位置安排。
研究目的
- 提供一种用于研究学习对子中人际脑同步（IBS）的方法。
- 详细说明用于采集氧合血红蛋白（Oxy-Hb）信号的fNIRS实验设置。
- 建立协作学习过程中认知参与的基线标准。
使用的方法
- 在团队合作活动中采用了功能性近红外光谱超扫描技术。
- 参与者被安排为面对面坐姿，以增强互动。
- 数据采集过程中需确保fNIRS设备稳定运行并保障参与者的舒适性。
- 采用小波方法评估信号质量并去除伪迹。
主要结果
- 脑间同步性得到可视化呈现，显示出协作过程中的相干性。
- 数据分析表明，在约1赫兹处存在与心律相关的强相干性。
- 该方案证实了主成分分析（PCA）在滤除非神经信号方面的有效性。
结论
- 本研究验证了一种在协作情境中评估肠易激综合征（IBS）的综合性方法。
- 研究结果有助于理解社交互动过程中的认知活动。
- 该方案可促进对学习环境中神经动态机制的进一步探索。
常见问题
行业高管相关性
通过fNIRS超扫描技术测量脑间同步性，可为评估实时协作动态提供神经生物学指标，并揭示社会学习过程的机制。该方法通过量化交互任务中神经耦合的强度，支持神经科学领域的靶点验证，有助于认知与行为障碍相关生物标志物的开发。标准化的分析流程提高了研究的可重复性及跨实验室的可比性，符合开放科学原则，对临床前风险降低和转化研究的连续性具有重要意义。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够验证与社会认知及神经连接机制相关的治疗假设。
- 操作价值：提供一种可重复的功能靶点验证方法，以脑间同步性作为表型读数。
- 预测价值：通过量化神经协调性作为协作参与的生物标志物，支持机制层面的风险评估。
筛选与检测方法开发
- 检测准备就绪： 准备经过验证的生物系统（二元脑网络），用于对影响社会行为的化合物进行下游筛选。
- 定量输出： 提供基于氧合血红蛋白的同步性指标，支持在临床前模型中进行剂量-反应分析。
- 平台可扩展性： 标准化的功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描流程支持在不同实验室和研究设计间重复使用。
转化与临床前研究
- 疾病相关性：适用于存在社会功能障碍的疾病（例如自闭症、精神分裂症），其中脑间同步性可能作为可转化的生物标志物。
- 临床前连续性：连接发现阶段的神经机制识别与促社会性化合物的临床前验证。
- 基于风险的推进决策：脑间同步性（IBS）指标通过提供靶点参与的客观神经相关证据，支持推进或终止决策。
流程与工作流整合
功能性近红外光谱超扫描方法可融入从靶点假设验证到先导物发现，再到临床前验证的整个发现流程，尤其适用于调控社会性神经环路的中枢神经系统靶点。
- 发现生物学：支持对社会学习与互动中涉及的神经通路进行假设检验。
- 筛选：实现评估调节脑间同步性化合物的检测标准化与可重复性。
- 分析：提供小波相干性和主成分分析结果，用于不同条件下神经动态的定量比较。
- 转化研究：通过生物标志物对齐，将氧合血红蛋白同步性测量与社会认知的临床前模型相连接。
- 企业级复用：建立可复用的神经生理学平台，供研究社会脑网络的跨职能团队使用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过降低社会性神经机制解释中的模糊性，提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：确保跨站点的超扫描协议具有标准化、可重复性和可扩展性。
- 战略价值：通过客观的神经同步性读数，提升“推进/终止”决策的质量，减少中枢神经系统项目在后期阶段的淘汰率。
- 组合影响：基于交互范式获得的机制性生物标志物数据，实现对化合物的风险调整后优先排序。
实施注意事项
- 需要具备神经影像学、实验设计和fNIRS数据信号处理方面的专业知识。
- 依赖于稳定的近红外光谱系统以及运动伪影校正能力（例如基于小波的方法、主成分分析法）。
- 需要在不同研究团队之间对探头放置、信号质量检查和数据导出流程进行标准化。
- 在不同模型系统间的应用必须考虑物种特异的神经解剖结构和血流动力学响应特征。
- 实际局限性包括对运动伪影和环境光干扰的敏感性，如原始资料中所述。
