High Density Event-Related Potential Data Acquisition in Cognitive Neuroscience

Mit ereigniskorrelierten Potenzialen (ERPs) in hoher Dichte können die schnellen zeitlichen Dynamiken des funktionierenden menschlichen Gehirns verfolgt werden. Um Daten mit hoher Dichte zu erfassen, wird zunächst die Elektrodenhaube auf dem Kopf des Probanden platziert und die Positionen der Elektroden digitalisiert, um individuelle Unterschiede in Kopfform und -größe zwischen den Versuchspersonen zu berücksichtigen. Anschließend werden die Elektrodenimpedanzen gesenkt, indem in jede Elektrode Gel injiziert wird.

Die Datenaufnahme erfolgt, während visuelle Reize dem Probanden präsentiert werden. Nach Beendigung der Aufzeichnung wird die Elektrodenkappe gründlich gereinigt. Die gewonnenen Daten dienen der Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Dynamik der Gehirnaktivität, die mit einem bestimmten kognitiven Prozess assoziiert ist.

Hallo, ich bin Scott Slotnik vom Memory and Perception Lab der Abteilung für Psychologie am Boston College. Heute zeigen wir Ihnen ein Protokoll zur Erfassung von hochdichten ereigniskorrigierten Potentialen. Wir verwenden dieses Verfahren in unserem Labor, um die räumlich-zeitlichen Dynamiken der Gehirnaktivität während des Gedächtnisses für visuelle Reize zu untersuchen.

Beginnen wir also. Ereigniskorrelierte Potenziale oder ERPs bieten eine Methode, um die räumlich-zeitlichen Dynamiken der menschlichen Gehirnfunktion mit hervorragender zeitlicher Auflösung zu erfassen. Die Daten werden typischerweise in einem abgeschirmten Raum gemessen, um Störungen des neuronalen Signals, das von den Elektroden aufgezeichnet wird, zu minimieren.

Jede Elektrode ist mit einem Verstärker verbunden, der wiederum mit einem Datenerfassungscomputer außerhalb des abgeschirmten Raums verbunden ist. Ein separater Computer wird zur Präsentation der Reize verwendet, um mögliche Störungen des neuronalen Signals zu vermeiden. Im abgeschirmten Raum sollten nur unbedingt notwendige elektrisch betriebene Komponenten untergebracht werden, wie beispielsweise die Reizdarstellung und die Antworttastatur.

Während der Experimente sitzen die Teilnehmer auf einem bequemen Stuhl mit Armlehnen und einer Rückenlehne, deren Höhe eine Schulterstütze bietet, um Muskelartefakte im Nackenbereich zu minimieren. Beginnen wir damit, die Platzierung der Elektrodenkappe zu erläutern. Bei den Teilnehmern sind die Elektroden in einer Elasthan-Kappe eingebettet, was die Applikationszeit erheblich verkürzt, um die Kappe gemäß dem Ten-Five-Elektrodensystem zu positionieren. Achten Sie beim Aufsetzen darauf, dass die Kappe eine linke und rechte Symmetrie aufweist und die mittig liegenden Elektroden über der Kopf-Mittellinie platziert sind.

Stellen Sie außerdem sicher, dass sich die am weitesten posterior gelegenen unteren Elektroden oberhalb der Schädelhalsgrenze befinden, um Muskelartefakte aus dem Halsbereich zu vermeiden. Sobald die Kappe angebracht ist, befestigen Sie die Seitengurte mit einem Kinnriemen oder einem speziell angefertigten Gurt auf Taillenhöhe, um den seitlichen Elektrodenkontakt zum Kopf zu verbessern. Bringen Sie Elektroden in der Nähe der Augen an, um anschließend Artefakte durch Augenbewegungen oder Blinken entfernen zu können. Um die Variabilität der Elektrodenpositionierung und der Kopfform zwischen den Probanden zu berücksichtigen, werden die Elektrodenpositionen für jeden Teilnehmer mit einem Polhemus Fast Track Digitizer erfasst.

Der Digitalisierer umfasst einen Sender, drei Empfänger, die am Kapillar befestigt werden, sowie einen Stift zur Aufzeichnung der Position jeder Elektrode, während das Kapillar angelegt ist und die Elektroden-Digitalisierung abgeschlossen ist. Fahren wir nun mit der Verringerung der Elektrodenimpedanzen fort, indem wir den Teilnehmer bequem auf den Aufzeichnungsstuhl setzen. Einigen Teilnehmern ist es angenehmer, wenn ein gefaltetes Handtuch leicht zwischen ihre Schultern und die Rückenlehne des Stuhls geschoben wird.

Schließen Sie nun die Multielektrodenkappe an die Verstärker an. Anschließend muss die Impedanz jeder Elektrode so weit verringert werden, dass sie unter etwa fünf Kiloohm liegt. In unserem Labor wird dies erreicht, indem die Impedanzen in Echtzeit mit der Neuroscan-Scan-Software gemessen und gleichzeitig mit einer sterilen Spritze und einer stumpfen Kanüle leitfähiges Gel in jede Elektrodenöffnung injiziert wird.

Es gibt eine Reihe von Techniken, die den Prozess der Impedanzminderung beschleunigen können, welcher der zeitaufwändigste Aspekt der Mehrkanalaufnahme ist. Beginnen Sie mit der Erdungs- oder Referenzelektrode und führen Sie mit der Schreibhand einige Kreise mit der Spritze aus, während diese auf dem Kopf aufliegt. Um das dazwischenliegende Haar zu verschieben, achten Sie darauf, die Spritze nicht gegen den Kopf des Probanden zu drücken.

Der Gelapplikationsprozess sollte niemals Unbehagen beim Probanden verursachen. Als Nächstes, während man mit der nicht-dominanten Hand leicht auf die Elektrode drückt, eine kleine Menge Gel an der Kopfhaut injizieren und dann die Spritze weiterhin injizierend entfernen. Eine Gelbrücke zwischen der Kopfhaut und dem aus der Elektrodenöffnung hervorstehenden Elektrodengel sollte an dieser Stelle mit einem Tuch abgewischt und entsorgt werden.

Wenn die Impedanzen des ersten Elektrodensatzes weiterhin alle hoch bleiben, sollte Gel auf die Erdungs- und Referenzelektroden erneut aufgetragen werden, da Gel normalerweise im Laufe der Zeit leitfähiger wird. Eine Strategie besteht darin, Gel in Elektroden eines Kopfhautquadranten, beispielsweise der rechten hinteren Kopfhaut, einzubringen, bis alle Impedanzen zu sinken beginnen. Danach wird Gel in Elektroden des nächsten Quadranten eingefüllt, bis alle Impedanzen zu sinken beginnen, und anschließend wird der Vorgang sequenziell durch die übrigen Quadranten wiederholt.

Erneutes Injizieren des Gels in die Elektroden mit dem höchsten Impedanzwert. In einigen Fällen kann das leitfähige Gel benachbarte Elektroden miteinander verbinden, wodurch die Impedanzen gekoppelt werden. Dies verringert die räumliche Auflösung, ist jedoch in der Regel nur von geringer Bedeutung, da eine hohe Anzahl von Elektroden mit reduzierten Impedanzen vorhanden ist.

Sehen wir uns an, wie Daten vor Beginn einer Aufnahmesitzung erfasst werden. Bitten Sie den Teilnehmer, eine bequeme, entspannte Haltung einzunehmen, und darauf hin, sich ruhig zu verhalten. Dies minimiert Muskel- und Bewegungsartefakte.

Sobald sich der Teilnehmer wohlfühlt, übergeben Sie ihm eine Reaktionstastatur und entfernen oder schalten Sie alle nicht wesentlichen Geräte in der Nähe des Teilnehmers aus, beispielsweise Lichter, um anschließend eine ereigniskorrelierte Analyse zu ermöglichen. Der Beginn jedes Stimulusereignisses muss vom Stimulus-Computer signalisiert oder ausgelöst und gemeinsam mit den elektrophysiologischen Daten gespeichert werden. Wir senden Triggerimpulse zu jedem Stimulusbeginn über die parallele Schnittstelle mithilfe von ePrime-Programmen, die eine benutzerdefinierte Inline-Port-Initialisierung sowie Trigger-Skripte enthalten, die frei verfügbar sind.

Diese Trigger werden von der Scan-Software empfangen und gespeichert. Verwenden Sie beim Aufzeichnen elektrophysiologischer Daten einen Standard-Hochpassfilter, um sehr niederfrequente Komponenten wie Gleichstrom (DC) zu entfernen, die für die transiente neuronale Antwort irrelevant sind. In Umgebungen mit sehr geringen Störungen kann ein Tiefpassfilter mit einer sehr hohen Grenzfrequenz, beispielsweise 200 Hertz, verwendet werden; in Umgebungen mit höheren Störpegeln elektromagnetischer Umgebungsstrahlung hingegen sollte die Grenzfrequenz niedriger gewählt werden.

Ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von etwa 80 Hertz und ein 60-Hertz-Notch-Filter können verwendet werden, damit die Antwort hauptsächlich vom neuronalen Signal bestimmt wird. Nun sehen wir uns an, wie man die Kappe reinigt. Nach Beendigung einer Sitzung muss die Multielektrodenkappe unmittelbar nach Abschluss der Aufnahme gründlich gereinigt und desinfiziert werden.

Beginnen Sie damit, die Kappe fünf bis zehn Minuten lang in warmem Wasser einzuweichen, und spülen Sie anschließend jede Elektrode mit fließendem Wasser ab. Um das leitfähige Gel vollständig zu entfernen, verwenden Sie das stumpfe Ende eines Holzstäbchens oder einen Wattestäbchen, um die Öffnungen in den Elektroden zu reinigen. Danach weichen Sie die Kappe 30 Minuten lang in einem warmen Seifenwasserbad bestehend aus vier Quart Wasser und einer bis zwei Unzen Dial-Seife ein, um sicherzustellen, dass das gesamte Gel entfernt wurde, und spülen die Kappe anschließend gründlich mit Wasser ab.

Um eine Kreuzkontamination zwischen Teilnehmern zu vermeiden, muss die Kappe abschließend noch einmal 15–30 Minuten in einer Wasser-Desinfektionsmittel-Mischung, beispielsweise im Verhältnis vier Teile Wasser zu einer Teil Desinfektionsmittel, eingeweicht und anschließend erneut gründlich mit Wasser abgespült werden, bevor sie zum Trocknen aufgehängt wird. Sie sollte symmetrisch und spannungsfrei platziert werden, da sie in gewissem Maße die Trocknungsposition beibehalten kann, was die anschließende Impedanzsenkung erschweren könnte. Schließen wir ab, indem wir uns einige repräsentative Ergebnisse ansehen.

Nun zeigen wir einige repräsentative Ergebnisse nach der Erfassung und Analyse von ERP-Daten. Die Spannungstopographie an der Kopfoberfläche links und rechts spiegelt eine schnelle retinotopische Reaktivierung visueller kortikaler Regionen während genauer Erinnerung an zuvor im rechten bzw. linken Gesichtsfeld präsentierte Reize wider. Soeben habe ich Ihnen gezeigt, wie man hochauflösende ERP-Daten mit diesem Verfahren erfasst.

Es ist wichtig, sich stets daran zu erinnern, dass der Komfort der Teilnehmer stets an erster Stelle steht. Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.