High Density Event-gerelateerde Mogelijke data-acquisitie in Cognitive Neuroscience

Event-related potentials met een hoge dichtheid, of ERP's, maken het mogelijk om de snelle temporele dynamiek van het functioneren van het menselijk brein te volgen. Om ERP-gegevens met een hoge dichtheid te verkrijgen, wordt eerst de elektrodenkap op het hoofd van de deelnemer geplaatst, waarna de posities van de elektroden worden gedigitaliseerd om rekening te houden met de variabiliteit en de hoofdvorm tussen de proefpersonen. De impedantie van de elektroden wordt vervolgens verlaagd door gel in elke elektrode te injecteren.

Gegevens worden verzameld terwijl er visuele stimuli aan de deelnemer worden gepresenteerd. Wanneer de opname is voltooid, wordt de elektrodekap grondig gereinigd. De verzamelde gegevens worden gebruikt om de ruimtelijke en temporele dynamiek van de hersenactiviteit die geassocieerd is met een bepaald cognitief proces te onderzoeken.

Hallo, ik ben Scott Slotnik van het Memory and Perception Lab van de afdeling Psychologie aan Boston College. Vandaag laten we u een protocol zien voor de acquisitie van event-related potential-gegevens met een hoge dichtheid. Wij gebruiken deze procedure in ons laboratorium om de spatiotemporele dynamiek van hersenactiviteit tijdens het onthouden van visuele items te bestuderen.

Laten we beginnen. Gebeurtenisgerelateerde potentialen, of ERP's, bieden een methode om de spatiotemporele dynamiek van de menselijke hersenfunctie vast te leggen met een uitstekende temporele resolutie. Gegevens worden doorgaans gemeten in een afgeschermde ruimte om interferentie met het neurale signaal dat door de elektroden wordt opgevangen, tot een minimum te beperken.

Elke elektrode is verbonden met een versterker, die op zijn beurt weer is verbonden met een computer voor gegevensacquisitie buiten de afgeschermde ruimte. Voor de presentatie van stimuli wordt een aparte computer gebruikt vanwege mogelijke interferentie met het neurale signaal. Alleen essentiële componenten met stroomvoorziening mogen zich in de afgeschermde kamer bevinden, zoals het stimulusdisplay en het responstoetsenbord.

Tijdens de experimenten zitten de deelnemers in een comfortabele stoel met armleuningen en een rugleuning die schoudersteun biedt om artefacten van de nekspieren te minimaliseren. Laten we beginnen met het plaatsen van de elektrodekap. De elektroden van een deelnemer zijn ingebed in een spandex kap, wat de applicatietijd aanzienlijk verkort; positioneer de kap door elektrode Oz te plaatsen volgens het tien-vijf-elektrodesysteem, terwijl u bij het aanbrengen van de kap ervoor zorgt dat deze links-rechts symmetrisch is, met de midline-elektroden over de middellijn van het hoofd.

Zorg er daarnaast voor dat de meest posterieure inferieure elektroden zich superieur ten opzichte van de grens van de schedel en de nek bevinden om artefacten door nekspieren te voorkomen. Zodra de cap op zijn plaats zit, bevestig je de zijbanden met een kinband of een op maat gemaakte riem op heuphoogte om het laterale contact van de elektroden met het hoofd te verbeteren. Plaats elektroden naast de ogen om later oogbewegings- of knipperartefacten te kunnen verwijderen; om variabiliteit in elektrodeplaatsing en hoofdvorm tussen proefpersonen op te vangen, worden de elektrodelocaties voor elke deelnemer gemeten met een polyus fast track digitizer.

De digitizer bestaat uit een zender, drie ontvangers die op de cap worden gemonteerd en een stylus om de locatie van elke elektrode vast te leggen zodra de cap is geplaatst en de digitalisering van de elektroden is voltooid. Laten we overgaan naar het verlagen van de elektrode-impedanties; plaats de deelnemer comfortabel in de opnamestoel. Sommige deelnemers vinden het prettiger wanneer een gevouwen handdoek lichtjes tussen hun schouders en de rugleuning van de stoel wordt gestoken.

Sluit nu de multi-elektrodenkap aan op de versterkers. Vervolgens moet de impedantie van elke elektrode worden verlaagd tot onder ongeveer vijf kilo ohmes. In ons laboratorium wordt dit bereikt door de impedanties in realtime te meten met neuros scan scan-software, terwijl een steriele spuit en een stompe naald worden gebruikt om een geleidende gel in elke elektrodeopening te injecteren.

Er zijn verschillende technieken die het proces van impedantieverlaging kunnen versnellen, aangezien dit het meest tijdrovende aspect van multichannel-opname is. Begin bij de ground- of referentie-elektrode en gebruik uw dominante hand om een paar cirkelvormige bewegingen met de spuit te maken terwijl deze tegen het hoofd rust. Om het tussenliggende haar te verschuiven, moet u ervoor zorgen dat u de spuit niet tegen het hoofd van de deelnemer drukt.

Het proces van het aanbrengen van de gel mag de deelnemer nooit ongemak bezorgen. Druk vervolgens met de niet-dominante hand de elektrode lichtjes aan, injecteer een kleine hoeveelheid gel op de hoofdhuid en trek de spuit vervolgens weg terwijl u blijft injecteren. Een gelbrug tussen de hoofdhuid en de elektrode moet worden gecreëerd; gel die uit de opening van de elektrode steekt, moet op dit punt met een tissue worden afgeveegd en weggegooid.

Als de eerste set electrode-impedanties allemaal hoog blijven, moet er opnieuw gel worden aangebracht op de massa- en referentie-elektroden, aangezien gel in de loop van de tijd gewoonlijk meer geleidend wordt. Een mogelijke strategie is om gel in de elektroden binnen een kwadrant van de hoofdhuid te injecteren, zoals de rechterachterzijde van de hoofdhuid, totdat alle impedanties beginnen af te nemen. Injecteer vervolgens gel in de elektroden binnen het volgende kwadrant totdat alle impedanties beginnen af te nemen en doorloop vervolgens alle kwadranten.

Het opnieuw injecteren van gel in de elektroden met de hoogste impedantie. In sommige gevallen zal de geleidende gel verbinding maken met aangrenzende elektroden, waardoor de impedanties aan elkaar gekoppeld worden. Dit vermindert de ruimtelijke resolutie, maar is meestal van gering belang aangezien er een groot aantal elektroden is met een verminderde impedantie.

Laten we bekijken hoe gegevens worden geregistreerd voordat een opnamesessie begint. Moedig de deelnemer aan om een comfortabele, ontspannen houding aan te nemen en stil te blijven zitten. Dit zal spier- en bewegingsartefacten minimaliseren.

Zodra de deelnemer comfortabel is, overhandig hen een responstoetsenbord en verwijder of schakel alle niet-essentiële apparatuur in de buurt van de deelnemer uit, zoals lampen, om daaropvolgende event-gerelateerde analyse mogelijk te maken. De onset van elk stimulus-event moet worden gesignaleerd of getriggerd door de stimuluscomputer en samen met de elektrofysiologische gegevens worden opgeslagen. Wij verzenden triggerpulsen bij elke stimulus-onset via de parallelluipoort middels ePrime-programma's die custom inline poortinitialisatie en trigger-scripts bevatten die freely available zijn.

Deze triggers worden ontvangen en opgeslagen door de scansoftware. Gebruik bij het vastleggen van elektrofysiologische gegevens een standaard hoogdoorlaatfilter om zeer lage frequentiecomponenten zoals DC te verwijderen die irrelevant zijn voor de transiënte neurale respons. In omgevingen met zeer weinig interferentie kan een laagdoorlaatfilter met een zeer hoge afsnijfrequentie worden gebruikt; in omgevingen met hogere niveaus van omgevingsruis door elektromagnetische interferentie kan een afsnijfrequentie van bijvoorbeeld 200 hertz worden gehanteerd.

Een laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie rond de 80 hertz en een notchfilter van 60 hertz kunnen worden gebruikt, zodat de respons wordt gedomineerd door het neurale signaal. Laten we nu kijken hoe de cap moet worden gereinigd. Nadat een sessie is beëindigd, moet de multi-elektrode cap direct na voltooiing van de opname grondig worden gereinigd en gedesinfecteerd.

Begin met het weken van de kap in warm water gedurende vijf tot 10 minuten en spoel vervolgens elke elektrode af onder een stromende waterstraal. Om alle geleidingsgel grondig te verwijderen, gebruikt u het stompe uiteinde van een wattenstaafje om de openingen in de elektroden schoon te maken. Week de kap daarna 30 minuten in een bad van warm zeepsop, bestaande uit vier quarts water en één tot twee ounces vloeibare zeep, om er zeker van te zijn dat alle gel is verwijderd, en spoel de kap vervolgens grondig af met water.

Om kruiscontaminatie tussen deelnemers te voorkomen, moet de cap voor de laatste keer gedurende 15-30 minuten worden geweekt in een water-desinfectiemengsel, zoals vier delen water op één deel fungicide, om vervolgens opnieuw grondig met water te worden gespoeld bij het ophangen van de cap om te drogen. Deze moet symmetrisch en zonder spanning worden geplaatst, aangezien de cap een bepaalde mate van de droogpositie kan behouden, wat de eenvoud van de daaropvolgende impedantiereductie kan belemmeren. Laten we afsluiten door naar enkele representatieve resultaten te kijken.

Nu tonen we enkele representatieve resultaten na de acquisitie en analyse van ERP-gegevens. De scalpvoltage-topografie links en rechts weerspiegelen een snelle retinotope reactivatie van visuele corticale regio's tijdens een accuraat geheugen voor items die respectievelijk eerder in het rechter en linker visuele veld werden gepresenteerd. Ik heb u zojuist laten zien hoe u high-density ERP-gegevens verkrijgt bij het gebruik van deze procedure.

Het is belangrijk om te onthouden dat het comfort van de deelnemer altijd vooropstaat. Dat is alles. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.