Hoe inter-brain synchronisatie te berekenen en te valideren in een fNIRS Hyperscanning-studie
8 september 2021
De dynamiek tussen gekoppelde hersenen van individuen wordt in toenemende mate weergegeven door inter-hersensynchronisatie (PDS) wanneer ze met elkaar coördineren, meestal met behulp van gelijktijdig opnemende signalen van hersenen (namelijk hyperscanning) met fNIRS. In fNIRS hyperscanning studies is IBS vaak beoordeeld via de wavelet transform coherence (WTC) methode vanwege het voordeel op het uitbreiden van tijdreeksen in tijd-frequentie ruimte waar oscillaties op een zeer intuïtieve manier kunnen worden gezien. De wa
Dit protocol biedt een potentieel standaard pijplijn voor het analyseren van Inter-Brain synchronisatie in fNIRS Hyper-scanning Study. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het het mogelijk maakt om de inter-hersensynchronisatiewet te berekenen die de coherente methode transformeert en inter-hersensynchronisatiemanieren valideert, permutatie op basis van empowerment van borstaandoeningen en deelneemt. Voer alle data-analyse uit met behulp van de MATLAB-software met de juiste toolboxen.
Tijdens de voorbewerking van gegevens, met name met behulp van de principecomponentanalyse en op correlatie gebaseerde signaalverbeteringsmethode, verwijdert u de F N I R S globale fysiologische ruis met behulp van het NPCA-filter. En de hoofdbewegingsartefacten met behulp van de HMR-bewegingscorrectie onderstrepen CBSI van Homerus twee. Vervolgens, voor het berekenen van Inter-Brain synchronisatie of IBS, gebruik de wavelet transform coherente functie van cross wavelet en wavelet coherent toolbox met standaardparameters, en bereken de coherente waarden op elk moment in frequentiepunt om een tweeassige matrix van coherente waarden te verkrijgen.
Gebruik voor de standaardparameters de Morlet-moedergolflet om elke tijdreeks om te zetten in het tijd- en frequentiedomein door de continue wavelettransformatie. Om vervolgens de frequentieband van belang te kiezen, selecteert u een gemiddelde van de coherente waarden van de frequentieband tussen 0,5 tot één Hertz. Volgens de frequentieband die wordt gebruikt bij de vingerbewegingstaak van de F N I R S Hyper-scanning studie.
Verkrijg één kolom met coherente waarden voor elk paar. Selecteer vervolgens een gemiddelde van de coherente waarden van het tijdvenster tijdens de rustfase. En voor elke experimentele toestand, met behulp van de informatie van mark, verkrijgen vijf coherente waarden voor elke dyade voor de taaksessie, selecteer alleen de duur waarin deelnemers tikten om de auditieve stimulus te reproduceren, wat ongeveer 12 seconden is voor elke proef, wat resulteert in een totaal van 180 seconden voor elke experimentele toestand.
Trek vervolgens de rustende coherente waarde af van de taakgerelateerde coherente waarde. Omdat de coherentiewaarde tijdens de rusttoestand als basis wordt gebruikt in dit experiment. Vervolgens, met behulp van de gepaarde monsters permutatie T-test met de mout underscore comp underscore perm T1 functie van druppels werken.
Vergelijk de afgetrokken coherente waarden met nul bij elk kanaal voor elke experimentele toestand. Corrigeer vervolgens met behulp van de A FDR-functie van de MATLAB-toolbox de P-waarden met de false discovery rate-methode. Vergelijk vervolgens met behulp van de gepaarde monsters permutatie T-test met de moutonderstreping comp underscore perm underscore T1-functie van druppels werk, de coherentiewaarden tussen verschillende taakomstandigheden in het kanaal waar IBS bestond.
Gebruik voor het valideren van de IBS de rant perm-functie een MATLAB om het label van onderzoeken in de metercoördinatieconditie voor één dyade in elk kanaal te randomiseren. Volg de gedemonstreerde pijplijn voor het berekenen van de IBS en statistieken voor het gerandomiseerde onderzoekslabel, exclusief de gevoeligheidsanalyse voor de frequentieband van belang. Voer de permutatie 1000 keer uit en plot vervolgens de verdeling van statistische Z-waarden gegenereerd binnen dyadpermutatie.
Volg vervolgens de pijplijn om de IBS en statistieken te berekenen na het randomiseren van de paring van de deelnemers aan dezelfde studie, in de toestand van de metercoördinatie. Volg ten slotte de pijplijn opnieuw na het randomiseren van de conditielabels voor dezelfde leden van één dyade in dezelfde studie. De resultaten toonden de aanwezigheid van IBS bij kanaal vijf in de metercoördinatieconditie.
Terwijl er bij de andere aandoeningen geen PDS werd gedetecteerd. Bij kanaal vijf waren de IBS en de metercoördinatieconditie significant hoger dan de coherente waarden in de niet-metercoördinatie en meteronafhankelijkheidsconditie. Permutatieanalyse toonde aan dat de waargenomen IBS zich waarschijnlijk presenteerde bij twee individuen van één dyade die probeerden met elkaar te synchroniseren in de gematchte tijd, maar niet in de tijdpartner of toestand van willekeurige paring.
Zorg ervoor dat de PDS specifiek is voor zeldzame interactie. Dus, het berekenen van PDS in de taak, gecorreleerde frequentieband en per muterende vertrouwensvoorwaarden en interviews. Het berekenen van de IBS van alle kanalen binnen het bereik, of over verschillende kanalen en de regio's, zou de IBS-berekeningspartner verrijken.
Het analyseren van het Inter-Brain netwerk voor grote groepen deelnemers aan natuurlijke interacties zal de kwalificatie van sociale interactie ten goede komen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie richt zich op inter-hersensynchronisatie (IBS) tussen individuen tijdens gecoördineerde taken, waarbij gebruik wordt gemaakt van functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) in een hyperscanning-opstelling. Er wordt gebruikgemaakt van wavelet-transformatiecoherentie (WTC) voor het beoordelen van IBS, en de resultaten worden gevalideerd via permutatiegebaseerde methoden. Kritische methodologische overwegingen worden besproken om de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid in dergelijke studies te verbeteren.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Hersenbeeldvorming
- Interpersoonlijke Coördinatie
Achtergrond
- Inter-brain synchronisatie (IBS) weerspiegelt de coördinatie tussen de hersenactiviteit van individuen.
- Hyperscanning maakt het mogelijk om gelijktijdig hersensignalen van meerdere deelnemers op te nemen.
- Wavelet-transformatiecoherentie (WTC) wordt gebruikt om tijd-frequentiekenmerken te analyseren.
- Permutatiemethoden helpen bij het valideren van IBS-bevindingen door te controleren op toevalstreffers.
Doel van de studie
- Om een protocol te presenteren voor het analyseren van IBS met behulp van fNIRS-hyperscanningstudies.
- Om in detail uit te leggen hoe IBS effectief kan worden berekend en gevalideerd.
- Om kritische methodologische overwegingen te identificeren voor verbeterde analyses.
Gebruikte methoden
- De studie maakt gebruik van functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) voor de acquisitie van hersensignalen.
- De coördinatie wordt beoordeeld met behulp van de wavelet-transformatie coherente functie met MATLAB-software.
- De preprocessing van de gegevens omvat technieken zoals principale componentenanalyse en het gebruik van het NPCA-filter.
- De procedure omvat het testen van coherentiewaarden over verschillende experimentele condities en het gebruik van permutatietests voor validatie.
Belangrijkste resultaten
- IBS werd waargenomen onder specifieke omstandigheden, wat wijst op synchronisatiepogingen tussen deelnemers.
- De aanwezigheid van IBS werd bevestigd via statistische toetsing en permutatieanalyses.
- De resultaten suggereren dat IBS-detectie specifiek is voor bepaalde taken en omstandigheden, wat het begrip van de dynamiek van sociale interactie vergroot.
Conclusies
- Deze studie biedt een methodologisch kader voor het beoordelen van IBS, wat toekomstig onderzoek in de interpersoonlijke neurowetenschap ondersteunt.
- Het verbetert de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid bij het analyseren van neurale synchronie tussen individuen.
- De bevindingen leveren waardevolle inzichten in de neurale basis van sociale interacties.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Analyse van inter-brein synchronisatie (IBS) via fNIRS-hyperscanning biedt een mechanistisch inzicht in gecoördineerde neurale activiteit, wat biopharma R&D voorziet van een kwantitatieve biomarker voor sociale cognitie en modellen van interpersoonlijke betrokkenheid. Deze benadering ondersteunt target-validatie bij neuropsychiatrische stoornissen door objectieve meting van dyadische neurale koppeling mogelijk te maken, watten informatie kan verschaft over de therapeutische effectiviteit bij aandoeningen die de sociale interactie beïnvloeden. De wavelet transform coherence (WTC)-methode in combinatie met permutatievalidatie verhoogt het voorspellende vertrouwen in preklinische modellen door vals-positieve synchronisatiesignalen te verminderen.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen met betrekking tot sociale hersennetwerken mogelijk door de neurale synchronie tussen interagerende subjecten te kwantificeren.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbare pijplijn voor het beoordelen van target engagement in dyadische gedragsparadigma's met behulp van fNIRS hyperscanning.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert tijd-frequentie-opgeloste coherentiemetrieken die dienen als kwantitatieve readouts voor de effecten van verbindingen op interpersoonlijke neurale koppeling.
- Operationele waarde: Ondersteunt de standaardisatie van assays via vooraf gedefinieerde frequentiebanden (0,5–1 Hz) en protocollen voor tijdvenster-middeling, waardoor de vergelijkbaarheid tussen studies wordt verbeterd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert mechanische risicoreductie door echte interactie-afhankelijke synchronie te onderscheiden van artefactuele correlaties via permutatiegebaseerde validatie.
- Operationele waarde: Maakt longitudinale monitoring van neurale coördinatiefenotypes in ziektemodellen mogelijk, wat de translationele continuïteit van ontdekking naar preklinische validatie ondersteunt.
Integratie van Pipeline & Workflow
De IBS-analysepijplijn past binnen vroege discovery-workflows waarin neurale correlaten van sociaal gedrag worden geëvalueerd, met name in de fasen van targetvalidatie en assayontwikkeling voor therapeutica voor het CZS.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetesten van neurale mechanismen ten grondslag aan sociale interactie door objectieve, kwantificeerbare maten van inter-breinkoppeling te bieden.
- Screening: Levert assay-ready, reproduceerbare coherentie-outputs na voorbewerking (NPCA-filtering, HMR-bewegingscorrectie) en statistische validatie (permutatietesten, FDR-correctie).
- Analytics: Produceert Z-waardeverdelingen uit permutatietesten die statistische vergelijking van IBS over verschillende condities en kanalen mogelijk maken.
- Translationeel Onderzoek: Sluit aan bij inspanningen voor biomarkerontwikkeling door een neurale synchronisatiemaat te bieden die gevoelig is voor taakspecifieke coördinatie, relevant voor modellen van sociale disfunctie.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar analytisch kader dat toepasbaar is op meerdere dyadische taken en experimentele condities, waardoor de kosten voor herontwikkeling worden verlaagd.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen bij doelwitvalidatie door te bevestigen dat de waargenomen IBS specifiek is voor een werkelijke interactie en niet het gevolg is van willekeurige koppelingen of conditie-effecten.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid via gestandaardiseerde preprocessing (PCA-gebaseerde ruisonderdrukking, bewegingscorrectie) en gevalideerde statistische pipelines (permutatie T-test, FDR-correctie).
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door een neurale biomarker voor sociale betrokkenheid te bieden die gemoduleerd kan worden door farmacologische interventies.
- Impact op de portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering mogelijk van verbindingen die zich richten op sociale cognitiepaden via objectieve, kwantificeerbare IBS-uitlezingen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in fNIRS-data-acquisitie, experimenteel ontwerp voor hyperscanning en signaalverwerking in MATLAB.
- Is afhankelijk van toegang tot toolboxes voor wavelet-transformatiecoherentie en permutatietestfuncties voor een correcte implementatie.
- Vereist cross-team standaardisatie van preprocessing-stappen (bijv. NPCA-filter, HMR-bewegingscorrectie) en analyseparameters (frequentieband, tijdvensters) om reproduceerbaarheid te garanderen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het toepassen van het protocol op verschillende deelnemerspopulaties, taken of neurale regio's van belang.
- Beperkt door de noodzaak van zorgvuldige kanaalselectie (bijv. kanaal vijf in de motorische coördinatieconditie) en conditiespecifieke interpretatie om fout-positieven te vermijden.
