Wavelet Transform Coherence Under Controlled Temporal Correspondence and Social Co-Presence: Implications for fNIRS Hyperscanning

Mensen zijn geprogrammeerd om verbinding te maken. Wanneer we een moment delen met een ander persoon, of het nu gaat om een gesprek, een gedeelde lach of een gecoördineerde beweging, volgt ons lichaam vaak hetzelfde ritme. We kunnen tegelijkertijd naar voren leunen, onze ademhaling afstemmen of onze handen in hetzelfde ritme bewegen. Wetenschappers noemen dit interpersoonlijke synchronie, een fenomeen waarbij ons gedrag en zelfs onze interne biologische ritmes zich op elkaar afstemmen. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers deze observatie naar een nieuw niveau getild door in het brein te kijken. Met behulp van een draagbare technologie die de bloedstroom in de hersenen meet, kunnen ze nu de neurale activiteit van twee mensen tegelijkertijd registreren terwijl ze met elkaar interageren. Deze aanpak, bekend als hyperscanning, heeft onthuld dat wanneer mensen verbinding maken, hun hersengolven ook vaak synchroon lijken te lopen. Maar een cruciale vraag blijft over: gebeurt deze afstemming tussen de hersenen omdat de twee mensen elkaar echt beïnvloeden, of is het simpelweg omdat ze beiden op dezelfde taak of omgeving reageren?

Om dit te beantwoorden, ontwierp een team van onderzoekers aan de Universiteit van Trento in Italië een zorgvuldig experiment om te testen hoe we deze hersenverbinding meten. Ze richtten zich op een specifiek wiskundig instrument dat wordt gebruikt om hersensignalen te vergelijken, genaamd wavelet transform coherentie. Dit instrument is als een precisie-liniaal die controleert of twee hersensignalen in dezelfde tijd bewegen over verschillende snelheden. De onderzoekers wilden weten of deze liniaal betrouwbaar een verschil kon detecteren tussen signalen die bedoeld waren om overeen te komen en signalen die bedoeld waren om verschillend te zijn. Belangrijker nog, ze wilden zien of de aanwezigheid van een ander persoon de werking van de hersenen veranderde, en of die verandering de meting zelf beïnvloedde. Door de timing van een eenvoudige taak te isoleren van de sociale ervaring van het uitvoeren ervan met een partner, ontdekten ze dat de manier waarop we hersensynchronie meten, diep verbonden is met de sociale context waarin het plaatsvindt.

De studie omvatte vierentwintig volwassenen die werden samengebracht in vierentwintig teams van twee personen. Elke persoon droeg een kap uitgerust met sensoren die de bloedstroom in de motorische gebieden van de hersenen mat, de regio's die verantwoordelijk zijn voor het aansturen van beweging. Ze droegen ook een koptelefoon om een reeks pieptonen te horen. De taak was eenvoudig: telkens wanneer ze een toon hoorden, tikten ze tien seconden lang met hun vinger op een toets, en wanneer de toon stopte, bleven ze stil zitten. De onderzoekers creëerden een specifiek patroon van tonen en stiltes dat in blokken werd herhaald. Sommige blokken hadden dezelfde tijdsstructuur, terwijl andere blokken andere structuren hadden. Het doel was om te zien of de hersensignalen van overeenkomende blokken meer op elkaar leken dan de signalen van niet-overeenkomende blokken.

Het experiment vond plaats in twee verschillende omgevingen. Eerst voerde elke persoon de tiktaak alleen uit in een stille kamer. Later voerden de paren de opdracht samen uit, zittend naast elkaar, waarbij ze elkaars handen konden zien bewegen, maar met de instructie om niet te praten of hun acties bewust te coördineren. Deze opzet stelde de onderzoekers in staat om de hersensignalen van dezelfde persoon die de taak alleen uitvoert te vergelijken met die van de taak uitgevoerd met een partner, en om de signalen tussen twee verschillende mensen die de taak samen versus afzonderlijk uitvoeren te vergelijken.

De resultaten gaven een duidelijk beeld van hoe de hersenen reageren op deze eenvoudige motorische taak. Wanneer mensen met hun vingers tikten, lichtte het deel van de hersenen aan de tegenovergestelde zijde van het lichaam dat beweging aanstuurt op, wat precies is wat wetenschappers verwachten te zien. Dit gebeurde zowel alleen als met een partner. Er ontstond echter een significant verschil wanneer ze samen waren. Tijdens de gezamenlijke sessie werd ook het deel van de hersenen aan dezelfde zijde als de tikkende hand actief. Dit suggereert dat de loutere aanwezigheid van een ander persoon, die naar dezelfde taak kijkt, de manier waarop de hersenen de beweging uitvoeren verandert, waarbij extra gebieden worden ingezet die rustig blijven wanneer we alleen handelen.

De meest verrassende bevindingen kwamen voort uit de analyse van de overeenkomst tussen de hersensignalen. Wanneer de onderzoekers keken naar de gegevens van mensen die de taak alleen uitvoerden, slaagde het meetinstrument er niet in om onderscheid te maken tussen de overeenkomende en niet-overeenkomende blokken. Ondanks dat de timing van het tikken strikt gecontroleerd was en verschillende blokken verschillende structuren hadden, vertoonden de hersensignalen geen duidelijk patroon van gelijkenis dat het instrument kon detecteren. De signalen waren te variabel om het verschil te zien.

Het verhaal veranderde volledig toen de deelnemers de taak samen uitvoerden. In de gezamenlijke sessie identificeerde het meetinstrument de overeenkomende blokken succesvol. De hersensignalen van perioden met dezelfde tijdsstructuur vertoonden een veel sterkere verbinding dan die met verschillende structuren. Dit effect was het sterkst in de motorische regio's van de hersenen. Cruciaal was dat deze verbetering in detectie niet alleen plaatsvond tussen de twee mensen, maar ook binnen dezelfde persoon. Wanneer een individu de taak uitvoerde met een partner aanwezig, werden hun eigen hersensignalen consistenter en gemakkelijker te matchen met andere soortgelijke blokken.

Deze bevinding daagt het idee uit dat hersensynchronie een eenvoudige, contextonafhankelijke maatstaf van verbinding is. De onderzoekers ontdekten dat de sociale aanwezigheid van een partner de aard van de individuele hersensignalen zelf veranderde. De aanwezigheid van de partner leek de reactie van de hersenen op de taak consistenter en georganiseerder te maken. Bijgevolg werd het instrument dat synchronie meet veel gevoeliger. Het was niet zo dat de twee mensen plotseling op een magische manier "synchroon liepen" die er eerder niet was; de sociale context veranderde de individuele signalen zelf, waardoor de onderliggende patronen van timing zichtbaarder werden voor de meting.

De studie keek ook naar hoe goed het instrument werkte bij het vergelijken van twee verschillende mensen. Wanneer de partners afzonderlijk werden getest, vond het instrument weinig bewijs dat hun hersensignalen overeenkwamen op basis van de taakstructuur. Echter, wanneer zij de taak samen uitvoerden, detecteerde het instrument een duidelijke toename van overeenkomende signalen, met name in de motorische gebieden. Dit bevestigt dat hoewel gedeelde taken enige gelijkenis in hersenactiviteit kunnen creëren, de handeling van het samen zijn in dezelfde ruimte dit effect aanzienlijk versterkt.

Deze resultaten suggereren dat wanneer we twee hersenen in synchronie zien bewegen, we er niet vanuit kunnen gaan dat dit uitsluitend het gevolg is van een diepe interpersoonlijke band of een directe neurale link. De sociale omgeving zelf vormt de signalen. De aanwezigheid van een andere persoon kan veranderen hoe de hersenen van een individu een taak verwerken, waardoor de signalen consistenter en gemakkelijker te detecteren als gesynchroniseerd zijn. Dit betekent dat metingen van hersensynchronie niet alleen een venster zijn naar de ruimte tussen twee mensen, maar ook een reflectie van hoe de hersenen van elk individu functioneren binnen die specifieke sociale moment.

De onderzoekers concluderen dat instrumenten die worden gebruikt om hersenverbinding te meten, met zorg moeten worden geïnterpreteerd. Het zijn geen neutrale linialen die altijd dezelfde meting geven, ongeacht de situatie. In plaats daarvan zijn ze gevoelig voor de functionele en sociale context waarin de hersenen werken. De studie laat zien dat sociale co-presentie de temporele dynamiek van individuele neurale signalen kan veranderen, waardoor de grondstof waarop synchroniemetingen zijn gebouwd, effectief verandert. Dit inzicht is essentieel voor het begrijpen van menselijke interactie en herinnert ons eraan dat de hersenen niet in een vacuüm opereren. Wanneer we verbinding maken met anderen, synchroniseren onze hersenen niet alleen; ze veranderen. De handeling van het samen zijn zelf hervormt het neurale landschap, wat een coherenter en gesynchroniseerd signaal creëert dat de complexiteit van de gedeelde menselijke ervaring weerspiegelt.