개방형 협업 학습의 뇌 간 싱크로니: fNIRS 하이퍼스캐닝 연구
2021년 7월 21일
자연주의 학습 환경에서 협업 학습 dyads에 대한 fNIRS 하이퍼스캐닝 실험을 수행하기 위한 프로토콜이 설명되어 있습니다. 또한, 산소헤모글로빈(Oxy-Hb) 신호의 뇌 간 싱크로니(IBS)를 분석하는 파이프라인이 제시된다.
이 프로토콜은 fNIRS 하이퍼스캐닝 기술에 의한 자연주의 환경에서 협업 다이드에서 뇌 간 동기화를 보여줍니다. 이 기술의 중요한 장점은 두 개 이상의 상호 작용하는 뇌의 실시간 역학을 조사 할 수 있다는 것입니다. 실험을 시작하기 전에 안정적인 작동 온도를 달성하기 위한 근적외선 분광계 시스템을 시작한 다음 탄성 수영 캡을 채택하여 검안 홀더 그리드를 배치하고 텍스트 원고에 설명된 대로 NIRS 캡을 준비합니다.
신호가 부족한 채널의 경우 조명된 광섬유 프로브를 사용하여 프로브의 끝 아래 머리카락을 한쪽으로 이동시합니다. 작동 온도가 안정되면 트리거 수신기가 활성화되어 있는지 확인하고 측정 모드를 이벤트 관련 측정으로 설정합니다. 발광광 프로브를 준비하여 머리카락을 옆으로 움직입니다.
참가자에게 NIRS 측정 방법의 세부 사항에 대해 지시하고 레이저 빔이 참가자의 눈에 해로울 수 있기 때문에 레이저 빔을 직접 들여다 볼 수 없습니다. 참가자들이 직접 서로를 볼 수 있도록 얼굴을 맞대고 앉아서 의자 간 거리를 조정하여 참가자들이 편안하게 앉을 수 있도록 합니다. 레이저 버튼을 켜고 참가자 나 의자와 접촉하지 않고 홀더의 팔에 4 개의 광섬유 번들을 느슨하게 넣고 참가자의 머리에 프로브 세트가있는 캡을 배치하여 3 대 5 프로브 세트가 참가자의 이마를 덮고 4 대 4 프로브 세트가 왼쪽 템포의 피질을 덮을 수 있도록합니다. 그런 다음 각 스프링 로드 프로브를 프로브 소켓에 더 밀어 넣고 프로브의 팁이 참가자의 두피에 닿을 수 있도록 합니다.
그런 다음 두 참가자가 5분 간의 휴식 상태로 학습 자료를 공동 학습할 수 있도록 하여 기준선 역할을 합니다. 먼저 신호의 품질을 확인하려면 기능적인 NIRS 기계의 프로브 세트 모니터 창에서 자동 게인을 클릭한 다음 채널의 불량 신호를 노란색으로 표시하고 녹색으로 충분한 신호를 표시하고 모든 채널이 녹색으로 표시될 때까지 이 절차를 반복합니다. 실험 후 텍스트 파일 아웃을 클릭하여 원시 광 강도 데이터를 내보내고 데이터를 텍스트 파일로 저장합니다.
3차원 디지타이저를 사용하여 각 참가자에 대한 방사기, 수신기 및 기타 참조의 위치를 결정한 다음, 시판되는 숫자 컴퓨팅 플랫폼을 사용하여 녹음 채널의 MNI 좌표를 얻습니다. 각 채널의 각 참가자의 데이터를 분석했습니다. 특정 dyad에 대한 채널 33의 검약이 시각화되었습니다.
데이터는 웨이블렛 기반 모션 아티팩트 제거 방법을 사용하여 추출되었으며, 단독으로 및 주 구성 요소 분석과 함께 추출되었습니다. 곡선의 차이는 PCA가 비신경 신호를 제거하는 데 효율적이라는 것을 시사합니다. 웨이블렛 변환 일관성 행렬이 시각화되었습니다.
색상 맵은 파란색에서 노란색으로 다양하여 0에서 1까지의 뇌 간 동기화 값을 나타내며, 하나는 두 신호와 0 사이의 가장 큰 일관성을 나타내지 않습니다. 또한, 중요한 계수도 얻어졌으며, 다이드의 심장 리듬 일관성을 나타내는 한 헤르츠 주위의 강한 일관성도 얻었다. 관찰된 T 값과 임의 T 값 분포 간의 비교는 식별된 FOI에서 중요한 결과를 보여줍니다.
프로브 세트가 관심 영역을 포괄하고 편차를 줄이는 것이 중요합니다.
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개요
본 연구는 자연스러운 환경에서의 협동 학습 중 뇌 간 동기화를 조사하기 위한 기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 하이퍼스캐닝 실험 프로토콜을 설명합니다. 분석은 상호작용하는 두 뇌의 실시간 역동성을 평가하기 위해 산소화 헤모글로빈(Oxy-Hb) 신호에 초점을 맞춥니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 협력 학습
- 뇌 연결성
배경
- 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)은 뇌 활동을 연구하는 데 사용됩니다.
- 뇌 간 동기화(IBS)는 협력적 상호작용을 이해하는 데 도움이 됩니다.
- 자연스러운 환경은 실제 생활의 상호작용을 연구하는 데 필수적입니다.
- 본 프로토콜에서는 장비 설정 및 참가자의 위치 선정에 대해 상세히 설명합니다.
연구 목적
- 학습 다이어드 내의 IBS를 조사하는 방법을 제공합니다.
- Oxy-Hb 신호를 포착하기 위한 fNIRS 설정을 상세히 설명합니다.
- 협동 학습 중 인지적 참여의 기준선을 설정합니다.
사용된 방법
- 팀워크 활동 중에 fNIRS 하이퍼스캐닝 기술이 적용되었습니다.
- 상호작용을 강화하기 위해 참가자들은 서로 얼굴을 마주 보는 상태로 배치되었습니다.
- 데이터 수집 과정에서는 fNIRS의 안정적인 작동과 참가자의 편안함이 확보되었습니다.
- 신호 품질을 평가하였으며, 웨이블릿 방법을 사용하여 아티팩트를 제거하였습니다.
주요 결과
- 뇌 간 동기화를 시각화하여 협업 중의 일관성을 입증하였습니다.
- 데이터 분석 결과, 심장 리듬과 관련된 약 1 Hz 부근에서 강한 일관성이 나타났습니다.
- 본 프로토콜을 통해 비신경 신호를 필터링하는 데 있어 PCA의 효능을 확인하였습니다.
결론
- 본 연구는 협력적 상황에서 IBS를 평가하는 종합적인 방법을 검증합니다.
- 연구 결과는 사회적 상호작용 중의 인지 과정에 대한 이해를 뒷받침합니다.
- 본 프로토콜은 학습 환경에서의 신경 역학에 대한 추가적인 탐구를 촉진할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
fNIRS 하이퍼스캐닝을 통한 뇌 간 동기화 측정은 실시간 협업 역동성을 평가하기 위한 신경생물학적 지표를 제공하며, 사회적 학습 과정에 대한 기전적 통찰을 제시합니다. 이러한 접근 방식은 상호작용 과제 중 신경 결합의 정량적 평가를 가능하게 함으로써 신경과학 분야의 타겟 검증을 지원하며, 이는 인지 및 행동 장애의 바이오마커 개발에 정보를 제공할 수 있습니다. 표준화된 파이프라인은 재현성과 실험실 간 비교 가능성을 높이며, 이는 전임상 위험 완화 및 중개 연속성에 중요한 오픈 사이언스 원칙과 부합합니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 과학적 가치: 사회적 인지 및 신경 연결 메커니즘과 관련된 치료 가설의 검증을 가능하게 합니다.
- 운영적 가치: 뇌 간 동기화를 표현형 판독값으로 사용하여 기능적 표적 검증을 위한 재현 가능한 방법을 제공합니다.
- 예측적 가치: 협력적 참여의 바이오마커로서 신경 일관성을 정량화함으로써 기전적 리스크 감소를 지원합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 분석 준비도: 사회적 행동에 영향을 미치는 화합물의 하위 스크리닝을 위해 검증된 생물학적 시스템(이인자 뇌 네트워크)을 준비합니다.
- 정량적 결과: 전임상 모델에서 용량-반응 분석이 가능한 산소화 헤모글로빈 기반의 동기화 지표를 제공합니다.
- 플랫폼 확장성: 표준화된 fNIRS 하이퍼스캐닝 파이프라인을 통해 다양한 연구실과 연구 설계에서 재사용이 가능합니다.
중개 및 전임상 연구
- 질환 관련성: 뇌 간 동기화(inter-brain synchrony)가 중개 바이오마커로 활용될 수 있는 사회적 기능 장애(예: 자폐증, 조현병) 관련 질환에 적용 가능함.
- 전임상 연속성: 발견 단계의 신경 메커니즘 식별과 친사회적 화합물의 전임상 검증 사이의 가교 역할을 함.
- 위험 조정 추진: IBS 지표는 타겟 결합의 객관적인 신경 상관관계를 제공함으로써 go/no-go 결정의 근거가 됨.
파이프라인 및 워크플로우 통합
fNIRS 하이퍼스캐닝 방법은 표적 가설 검증부터 리드 물질 발굴 및 전임상 검증에 이르는 발견 연속체에 통합되며, 특히 사회적 신경 회로를 조절하는 CNS 표적에 유용합니다.
- 발견 생물학: 사회적 학습 및 상호작용에 관여하는 신경 경로의 가설 검증을 지원합니다.
- 스크리닝: 뇌 간 동기화를 조절하는 화합물을 평가하기 위한 분석의 표준화 및 재현성을 가능하게 합니다.
- 분석: 조건별 신경 역학의 정량적 비교를 위해 웨이블릿 코히어런스 및 주성분 분석 결과물을 제공합니다.
- 중개 연구: 바이오마커 정렬을 통해 Oxy-Hb 동기화 측정값과 사회적 인지의 전임상 모델을 연결합니다.
- 기업적 재사용: 사회적 뇌 네트워크를 연구하는 다기능 팀을 위한 재사용 가능한 신경생리학적 플랫폼을 구축합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 사회적 신경 메커니즘 해석의 모호성을 줄임으로써 타겟 검증의 예측 신뢰도를 높입니다.
- 운용적 가치: 여러 사이트 간 하이퍼스캐닝 프로토콜의 표준화, 재현성 및 확장성을 보장합니다.
- 전략적 가치: 객관적인 신경 동기화 판독값을 통해 go/no-go 결정의 품질을 개선하여 CNS 프로그램의 후기 단계 탈락률을 낮춥니다.
- 포트폴리오 영향: 상호작용 패러다임의 메커니즘 기반 바이오마커 데이터를 바탕으로 화합물의 위험 조정 우선순위 선정이 가능해집니다.
실행 시 고려 사항
- fNIRS 데이터의 신경영상학, 실험 설계 및 신호 처리 분야의 전문 지식이 필요합니다.
- 안정적인 근적외선 분광법 시스템 및 동작 잡음 보정 능력(예: 웨이블릿 기반 방법, PCA)에 의존합니다.
- 프로브 배치, 신호 품질 점검 및 데이터 내보내기 절차에 대한 팀 간 표준화가 필수적입니다.
- 모델 시스템 간의 적용 시 종 특이적 신경해부학 및 혈역학적 반응 특성을 고려해야 합니다.
- 소스 자료에 언급된 바와 같이, 동작 잡음과 주변광 간섭에 취약하다는 실질적인 한계가 있습니다.
