סנכרון בין מוחות בלמידה שיתופית פתוחה: מחקר על היפר-סריקה של fNIRS
21 ביולי 2021
הפרוטוקול לעריכת ניסויי סריקת יתר של fNIRS על דיאדות למידה שיתופית בסביבת למידה נטורליסטית מתואר. יתר על כן, צינור לנתח סינכרוני בין המוח (IBS) של אותות המוגלובין מחומצן (Oxy-Hb) מוצג.
פרוטוקול זה חושף סנכרון בין-מוחי בדיאדות השיתופיות בסביבה הנטורליסטית על-ידי טכניקת סריקת היתר של fNIRS. היתרון המשמעותי של טכניקה זו הוא שהיא מאפשרת חקירה של דינמיקה בזמן אמת של שני מוחות אינטראקציה או יותר. לפני תחילת הניסוי, התחל את מערכת הספקטרוסקופיה הקרובה לאינפרא-אדום להשגת טמפרטורת הפעלה יציבה, ולאחר מכן אמץ כובע שחייה אלסטי כדי למקם את רשת מחזיק האופטודה ולהכין את כובעי NIRS כמתואר בכתב היד של הטקסט.
עבור ערוץ עם אותות לא מספיקים, השתמש בבדיקות סיבים אופטיים מוארים כדי להזיז את השיער מתחת לקצה הגשושית לצד אחד. לאחר שטמפרטורת ההפעלה מתייצבת, ודא שמקלט הגורם המפעיל פעיל והגדר את מצב המדידה למדידה הקשורה לאירוע. הכן את הבדיקה סיב אופטי מואר להזיז את השיער הצידה.
להנחות את המשתתפים לגבי הפרטים של שיטות המדידה NIRS ולא להסתכל ישירות לתוך קרני הלייזר כמו קרן הלייזר עלולה להזיק לעיניו של המשתתף. גרום למשתתפים לשבת פנים אל פנים כדי לוודא שהם יכולים לראות אחד את השני ישירות ולהתאים את מרחק הכיסא לשולחן כדי לגרום למשתתפים לשבת בנוחות. הפעילו את כפתור הלייזר, הניחו את ארבע חבילות הסיבים האופטיים באופן רופף על זרועות המחזיק ללא מגע עם המשתתפים או הכיסאות והנחו את המכסה עם ערכות הבדיקה על ראשיהם של המשתתפים, והבטיחו כי ערכות הבדיקה של שלוש על חמש יכסו את מצחו של המשתתף וערכות הבדיקה של ארבע על ארבע מכסות את קליפת המוח הטמפורופרית השמאלית, לאחר מכן, בזהירות לדחוף כל בדיקה מעמיס קפיץ עוד יותר לתוך שקע הבדיקה, כך קצה הגשושית נוגע הקרקפת של המשתתף.
לאחר מכן אפשר לשני משתתפים ללמוד במשותף את חומרי הלמידה עם מצב מנוחה של חמש דקות, המשמש כבסיס. ראשית, כדי לבדוק את איכות האות, לחץ על הרווח האוטומטי בחלון צג ערכת הבדיקה של מכונת NIRS פונקציונלית, ולאחר מכן לסמן את האות המסכן של הערוץ בצהוב ואת האות מספיק בירוק ולחזור על הליך זה עד שכל הערוצים מסומנים ירוקים. לאחר הניסוי, לחץ על קובץ הטקסט החוצה כדי לייצא את נתוני עוצמת האור הגולמי ולשמור את הנתונים כקובץ טקסט.
השתמש בדיגיטציה התלת-ממדית כדי לקבוע את מיקומם של פולטים, מקלטים והפניות אחרות עבור כל משתתף, ולאחר מכן השג את קואורדינטות ה- MNI של ערוצי ההקלטה באמצעות פלטפורמת המחשוב המספרית הזמינה מסחרית. הנתונים מכל משתתף בכל ערוץ נותחו. ההסכמה בערוץ 33 לדיאד מסוים הייתה דמיונית.
הנתונים חולצו בשיטת הסרת ממצאי תנועה מבוססי גל, לבדם ויחד עם ניתוח הרכיבים העיקרי. ההבדל בין העקומות מצביע על כך PCA יעיל בהסרת אותות שאינם עצביים. מטריצת העקביות של שינוי הגלים הייתה חזותית.
מפת הצבעים השתנתה מכחול לצהוב, המייצגת ערכים בין-מוחיים הנעים בין אפס לאחד, כאשר אחד מהם מציין את העקביות הגדולה ביותר בין שני אותות ואפס אינו מציין קוהרנטיות. בנוסף, הושגו גם מקדמים משמעותיים, העקביות החזקה סביב הרץ אחד המייצגת את קוהרנטיות קצב הלב של הדיאדה. ההשוואה בין ערך T שנצפה לבין ההתפלגות של ערך T אקראי מציגה תוצאות משמעותיות ב- FOI מזוהה.
חשוב לוודא שסט הבדיקות מכסה את אזור האינטרסים ולנסות להפחית את הסטייה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מתווה פרוטוקול לביצוע ניסויי היפר-סריקה (hyperscanning) באמצעות ספקטרוסקופיה פונקציונלית בחוצץ אינפרא-אדום (fNIRS) כדי לבחון סנכרון בין-מוחי במהלך למידה שיתופית בסביבה נטורליסטית. הניתוח מתמקד באותות של המוגלובין מחומצן (Oxy-Hb) כדי להעריך דינמיקה בזמן אמת של שני מוחות המקיימים אינטראקציה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- למידה שיתופית
- קישוריות מוחית
רקע
- ספקטרוסקופיה פונקציונלית בבסביב-אדום (fNIRS) משמשת לחקר פעילות מוחית.
- סנכרון בין-מוחי (IBS) מסייע בהבנת אינטראקציות שיתופיות.
- סביבות נטורליסטיות הן חיוניות לחקר אינטראקציות מהחיים האמיתיים.
- הפרוטוקול מפרט את הגדרת הציוד ואת מיקום המשתתפים.
מטרת המחקר
- מתן שיטה לבחינת IBS בזוגות למידה.
- פירוט הגדרות ה-fNIRS ללכידת אותות Oxy-Hb.
- קביעת קו בסיס למעורבות קוגניטיבית במהלך למידה שיתופית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- במהלך פעילויות עבודת צוות נעשה שימוש בטכניקת hyperscanning של fNIRS.
- המשתתפים הוצבו פנים אל פנים כדי להגביר את האינטראקציה.
- איסוף הנתונים כלל הבטחה לתפעול יציב של ה-fNIRS ולנוחות המשתתפים.
- איכות האות הוערכה וארטיפקטים הוסרו באמצעות שיטות wavelet.
תוצאות עיקריות
- סנכרון בין-מוחי הוצג באופן ויזואלי, והדגים קוהרנטיות במהלך שיתוף פעולה.
- ניתוח הנתונים הדגיש קוהרנטיות חזקה סביב one hertz הקשורה למקצב הלב.
- הפרוטוקול אישר את יעילות ה-PCA בסינון אותות שאינם עצביים.
מסקנות
- מחקר זה מתקף שיטה מקיפה להערכת IBS בהקשרים שיתופיים.
- הממצאים תומכים בהבנת תהליכים קוגניטיביים במהלך אינטראקציות חברתיות.
- פרוטוקול זה יכול לסייע בחקירה נוספת של דינמיקה עצבית בסביבות למידה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מדידת סנכרון בין-מוחי באמצעות hyperscanning ב-fNIRS מספקת מדד נוירוביולוגי להערכת דינמיקה שיתופית בזמן אמת, ומציעה תובנות מכניסטיות לגבי תהליכי למידה חברתית. גישה זו תומכת בתיקוף מטרות (target validation) במדעי המוח על ידי מתן אפשרות להערכה כמותית של צימוד עצבי במהלך משימות אינטראקטיביות, דבר שיכול לסייע בפיתוח ביומרקרים להפרעות קוגניטיביות והתנהגותיות. תהליך העבודה (pipeline) הסטנדרטי משפר את השחזוריות ואת היכולת להשוות בין מעבדות, בהתאם לעקרונות המדע הפתוח החיוניים להפחתת סיכונים בשלב הפרה-קליני ולהמשכיות תרגומית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הקשורות לקוגניציה חברתית ומנגנוני קישוריות עצבית.
- ערך תפעולי: מספק שיטה ניתנת לשחזור לתיקוף של מטרות פונקציונליות באמצעות סנכרון בין-מוחי כקריאה פנוטיפית.
- ערך חיזוי: תומך בהפחתת סיכונים מנגנונית על ידי כימות קוהרנציה עצבית כביומארקר של מעורבות שיתופית.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מוכנות הבדיקה: הכנת מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף (רשתות מוחיות דיאדיות) עבור סריקה רצופה של תרכובות המשפיעות על התנהגות חברתית.
- פלט כמותי: אספקת מדדי סנכרון המבוססים על המוגלובין מחומצן, המאפשרים ניתוח תגובה למינון במודלים פרה-קליניים.
- יכולת הרחבה של הפלטפורמה: תהליך עבודה (pipeline) סטנדרטי של fNIRS hyperscanning התומך בשימוש חוזר במעבדות שונות ובמערכי מחקר שונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלות: רלוונטי להפרעות עם תפקוד חברתי לקוי (למשל, אוטיזם, סכיזופרניה) שבהן סנכרון בין-מוחי עשוי לשמש כסמן ביולוגי תרגומי.
- המשכיות פרה-קלינית: מגשר בין זיהוי מנגנונים עצביים בשלב הגילוי לבין תיקוף פרה-קליני של תרכובים מקדמי-חברתיות.
- קידום מותאם סיכון: מדדי IBS מכווינים החלטות של go/no-go על ידי אספקת מתאמים עצביים אובייקטיביים של מעורבות המטרה.
שילוב בצינור עיבוד ובזרימת עבודה
שיטת ה-fNIRS hyperscanning משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות על מטרות, דרך זיהוי מובילים (leads), ועד לתיקוף פרה-קליני, במיוחד עבור מטרות במערכת העצבים המרכזית (CNS) המווסתות מעגלים עצביים חברתיים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות של מסלולים עצביים המעורבים בלמידה ובאינטראקציה חברתית.
- סקר (Screening): מאפשר סטנדרטיזציה ושחזור של בדיקות לצורך הערכת תרכובות המווסתות סנכרון בין-מוחי.
- אנליטיקה: מספק פלטי wavelet coherence וניתוח רכיבים ראשיים (PCA) להשוואה כמותית של דינמיקה עצבית בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין מדדי סנכרון של Oxy-Hb למודלים פרה-קליניים של קוגניציה חברתית באמצעות התאמת ביומרקרים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה נוירופיזיולוגית לשימוש חוזר עבור צוותים רב-תחומיים החוקרים רשתות מוחיות חברתיות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי בתיקוף המטרה על ידי הפחתת העמימות בפירוש המנגנונים העצביים-חברתיים.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה של פרוטוקולי hyperscanning בין אתרים שונים.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות לגבי המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) באמצעות קריאות אובייקטיביות של סנכרון עצבי, ובכך מפחית נשירה בשלבים מאוחרים של תוכניות CNS.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של תרכובות מותאם-סיכון על בסיס נתוני ביו-מרקרים מנגנוניים מתוך פרדיגמות אינטראקטיביות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדימות עצבי, תכנון ניסויי ועיבוד אותות עבור נתוני fNIRS.
- תלוי במערכות ספקטרוסקופיה של אינפרא-אדום קרוב יציבות וביכולות לתיקון ארטיפקטים של תנועה (למשל, שיטות מבוססות wavelet, PCA).
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של מיקום הגששים, בדיקות איכות אות ונהלי ייצוא נתונים.
- התאמה בין מערכות מודל חייבת להתחשב בנורואנטומיה ספציפית למין ובמאפייני התגובה ההמודינמית.
- מגבלות מעשיות כוללות רגישות לארטיפקטים של תנועה ולהפרעות מאור סביבתי, כפי שצוין בחומרי המקור.
