La synchronisation inter-cerveaux dans l’apprentissage collaboratif ouvert : une étude fNIRS-Hyperscanning
21 juillet 2021
Le protocole pour mener des expériences d’hyperscan fNIRS sur des dyades d’apprentissage collaboratif dans un environnement d’apprentissage naturaliste est décrit. En outre, un pipeline pour analyser la synchronisation inter-cerveau (IBS) des signaux d’hémoglobine oxygénée (Oxy-Hb) est présenté.
Ce protocole révèle la synchronisation inter-cerveau dans les dyades collaboratives dans l’environnement naturaliste par la technique d’hyperscanning fNIRS. L’avantage significatif de cette technique est qu’elle permet d’enquêter sur la dynamique en temps réel de deux ou plusieurs cerveaux en interaction. Avant de commencer l’expérience, démarrez le système de spectroscopie proche infrarouge pour atteindre une température de fonctionnement stable, puis adoptez un bonnet de bain élastique pour placer la grille de support d’optode et préparer les capuchons NIRS comme décrit dans le manuscrit du texte.
Pour un canal avec des signaux insuffisants, utilisez les sondes à fibre optique éclairées pour déplacer les cheveux sous la pointe de la sonde d’un côté. Une fois la température de fonctionnement stabilisée, assurez-vous que le récepteur de déclenchement est actif et réglez le mode de mesure sur la mesure liée à l’événement. Préparez la sonde à fibre optique éclairée pour écarter les cheveux.
Informez les participants des détails des méthodes de mesure NIRS et de ne pas regarder directement dans les faisceaux laser car le faisceau laser peut être nocif pour les yeux du participant. Faites en sorte que les participants s’assoient face à face pour s’assurer qu’ils peuvent se voir directement et ajustez la distance entre la chaise et la table pour que les participants s’assoient confortablement. Allumez le bouton laser, placez les quatre faisceaux de fibres optiques lâchement sur les bras du support sans contact avec les participants ou les chaises et placez le capuchon avec les ensembles de sondes sur la tête des participants, en veillant à ce que les ensembles de sondes trois par cinq couvrent le front du participant et les ensembles de sondes quatre par quatre couvrent le cortex temporopariétal gauche, puis poussez soigneusement chaque sonde à ressort plus loin dans la douille de la sonde afin que la pointe de la sonde touche le cuir chevelu du participant.
Ensuite, permettez à deux participants de co-apprendre le matériel d’apprentissage avec un état de repos de cinq minutes, qui sert de base. Tout d’abord, pour vérifier la qualité du signal, cliquez sur le gain automatique dans la fenêtre du moniteur du jeu de sondes de la machine NIRS fonctionnelle, puis marquez le mauvais signal du canal en jaune et le signal suffisant en vert et répétez cette procédure jusqu’à ce que tous les canaux soient marqués en vert. Après l’expérience, cliquez sur la sortie du fichier texte pour exporter les données brutes d’intensité lumineuse et enregistrer les données sous forme de fichier texte.
Utilisez le numériseur tridimensionnel pour déterminer l’emplacement des émetteurs, des récepteurs et d’autres références pour chaque participant, puis obtenez les coordonnées MNI des canaux d’enregistrement à l’aide de la plate-forme informatique numérique disponible dans le commerce. Les données de chaque participant dans chaque canal ont été analysées. L’optodensité dans le canal 33 pour une certaine dyade a été visualisée.
Les données ont été extraites à l’aide de la méthode d’élimination des artefacts de mouvement à base d’ondelettes, seule et avec l’analyse des composants principaux. La différence entre les courbes suggère que l’APC est efficace pour éliminer les signaux non neuronaux. La matrice de cohérence de la transformation des ondelettes a été visualisée.
La carte des couleurs variait du bleu au jaune, représentant des valeurs de synchronisation inter-cerveaux allant de zéro à un, où l’on dénote la plus grande cohérence entre deux signaux et zéro ne dénote aucune cohérence. De plus, des coefficients significatifs ont également été obtenus, la forte cohérence autour d’un hertz représentant la cohérence du rythme cardiaque de la dyade. La comparaison entre la valeur T observée et la distribution de la valeur T aléatoire montre des résultats significatifs dans l’accès à l’information identifié.
Il est important de s’assurer que l’ensemble de sondes couvre la région d’intérêts et d’essayer de réduire l’écart.
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Aperçu
Cette étude décrit un protocole permettant de réaliser des expériences d'hyperscanning par spectroscopie fonctionnelle dans l'infrarouge proche (fNIRS) afin d'explorer la synchronisation inter-cérébrale durant l'apprentissage collaboratif dans un cadre naturel. L'analyse se concentre sur les signaux d'hémoglobine oxygénée (Oxy-Hb) pour évaluer la dynamique en temps réel de deux cerveaux en interaction.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Apprentissage collaboratif
- Connectivité cérébrale
Contexte
- La spectroscopie de proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) est utilisée pour étudier l'activité cérébrale.
- La synchronie inter-cérébrale (IBS) permet de mieux comprendre les interactions collaboratives.
- Les environnements naturalistes sont essentiels pour l'étude des interactions en situation réelle.
- Le protocole détaille la configuration du matériel et le positionnement des participants.
Objectif de l'étude
- Proposer une méthode pour examiner l'IBS dans des dyades d'apprentissage.
- Détailler le dispositif fNIRS pour capturer les signaux de HbO.
- Établir une référence pour l'engagement cognitif durant l'apprentissage collaboratif.
Méthodes utilisées
- La technique d'hyperscanning par fNIRS a été utilisée pendant des activités de travail d'équipe.
- Les participants ont été placés en position face à face afin de favoriser l'interaction.
- La collecte de données a impliqué la garantie d'un fonctionnement stable du fNIRS et le confort des participants.
- La qualité du signal a été évaluée et les artefacts ont été éliminés à l'aide de méthodes par ondelettes.
Résultats principaux
- La synchronie inter-cérébrale a été visualisée, démontrant une cohérence durant la collaboration.
- L'analyse des données a mis en évidence une forte cohérence aux alentours d'un hertz, liée au rythme cardiaque.
- Le protocole a confirmé l'efficacité de l'ACP pour filtrer les signaux non neuronaux.
Conclusions
- La présente étude valide une méthode complète pour évaluer le IBS dans des contextes collaboratifs.
- Les résultats soutiennent la compréhension des processus cognitifs durant les interactions sociales.
- Ce protocole peut faciliter une exploration approfondie des dynamiques neuronales dans les environnements d'apprentissage.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
La mesure de la synchronie inter-cérébrale par hyperscanning fNIRS fournit un indice neurobiologique permettant d'évaluer les dynamiques collaboratives en temps réel, offrant des aperçus mécanistiques des processus d'apprentissage social. Cette approche soutient la validation ciblée en neurosciences en permettant une évaluation quantitative du couplage neuronal durant des tâches interactives, ce qui peut guider le développement de biomarqueurs pour les troubles cognitifs et comportementaux. Le protocole standardisé améliore la reproductibilité et la comparabilité entre laboratoires, s'inscrivant dans les principes de science ouverte essentiels à la réduction des risques en recherche préclinique et à la continuité translationnelle.
Applications stratégiques en R&D biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation d'hypothèses thérapeutiques liées aux mécanismes de la cognition sociale et de la connectivité neuronale.
- Valeur opérationnelle : Fournit une méthode reproductible de validation fonctionnelle de cibles à l'aide de la synchronie inter-cérébrale comme indicateur phénotypique.
- Valeur prédictive : Contribue à la réduction du risque mécanistique en quantifiant la cohérence neuronale comme biomarqueur d'engagement collaboratif.
Développement de criblages et de tests
- Préparation du test : Prépare des systèmes biologiques validés (réseaux cérébraux dyadiques) en vue du criblage de composés affectant le comportement social.
- Données quantitatives : Fournit des métriques de synchronie basées sur l'hémoglobine oxygénée, permettant des analyses dose-réponse dans des modèles précliniques.
- Évolutivité de la plateforme : Un protocole fNIRS d'hyperscanning standardisé permet une réutilisation dans différents laboratoires et conceptions d'étude.
Recherche translationnelle et préclinique
- Pertinence pour les maladies : Applicable aux troubles associés à un dysfonctionnement social (par exemple, autisme, schizophrénie) pour lesquels la synchronie inter-cérébrale pourrait servir de biomarqueur translationnel.
- Continuité préclinique : Établit un lien entre l'identification des mécanismes neuronaux en phase de découverte et la validation préclinique de composés favorisant les comportements sociaux.
- Progression ajustée au risque : Les métriques de la SIC orientent les décisions de poursuite ou d'arrêt du développement en fournissant des corrélats neuronaux objectifs de l'interaction avec la cible.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode d'hyperscanning fNIRS s'intègre dans le continuum de découverte, allant du test d'hypothèses ciblées à l'identification de candidats et à la validation préclinique, en particulier pour les cibles du SNC modulant les circuits neuronaux sociaux.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses relatives aux voies neuronales impliquées dans l'apprentissage social et les interactions sociales.
- Essais de dépistage : Permet la standardisation et la reproductibilité des tests pour évaluer les composés modulant la synchronie inter-cérébrale.
- Analytique : Fournit des sorties en cohérence d'ondelettes et en analyse en composantes principales afin de comparer quantitativement la dynamique neuronale entre différentes conditions.
- Recherche translationnelle : Relie les mesures de synchronie de l'HbO à des modèles précliniques de la cognition sociale par l'alignement de biomarqueurs.
- Réutilisation en entreprise : Met en place une plateforme neurophysiologique réutilisable au service d'équipes pluridisciplinaires étudiant les réseaux cérébraux sociaux.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la validation des cibles en réduisant l'ambiguïté dans l'interprétation des mécanismes neuronaux sociaux.
- Valeur opérationnelle : Garantit la standardisation, la reproductibilité et l'évolutivité des protocoles d'hyperscanning entre différents sites.
- Valeur stratégique : Améliore la qualité des décisions d'aller/arrêt grâce à des lectures objectives de la synchronie neuronale, réduisant ainsi l'abandon en phase avancée des programmes du système nerveux central.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation des composés ajustée au risque, fondée sur des données de biomarqueurs mécanistiques issues de paradigmes interactifs.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en imagerie cérébrale, en conception expérimentale et en traitement du signal pour les données de spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS).
- Dépend de systèmes stables de spectroscopie dans le proche infrarouge et de capacités de correction des artefacts liés aux mouvements (par exemple, méthodes basées sur les ondelettes, ACP).
- Exige une standardisation inter-équipes concernant le positionnement des sondes, les vérifications de qualité du signal et les procédures d'exportation des données.
- L'adaptation à différents systèmes modèles doit tenir compte de l'anatomie neurologique spécifique à chaque espèce ainsi que des caractéristiques de la réponse hémodynamique.
- Les limitations pratiques incluent la sensibilité aux artefacts de mouvement et aux interférences lumineuses ambiantes, comme indiqué dans la documentation source.
