Rejestracja danych o wysokiej gęstości potencjałów wywołanych w neuronauce poznawczej

Potencjały wywołane o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (ERP) umożliwiają śledzenie szybkiej dynamiki czasowej funkcjonowania ludzkiego mózgu. Aby uzyskać dane ERP o wysokiej gęstości, w pierwszej kolejności na głowie uczestnika umieszcza się czepek z elektrodami, a następnie digitalizuje się położenie elektrod, aby uwzględnić różnice w kształcie głowy poszczególnych osób. Impedancje elektrod są następnie obniżane poprzez wstrzykiwanie żelu do każdej z nich.

Dane są pozyskiwane podczas prezentowania uczestnikowi bodźców wzrokowych. Po zakończeniu rejestracji czepek z elektrodami jest dokładnie oczyszczany. Pozyskane dane służą do badania dynamiki przestrzennej i czasowej aktywności mózgu związanej z danym procesem poznawczym.

Witajcie, jestem Scott Slotnik z Laboratorium Pamięci i Percepcji w Katedrze Psychologii na Boston College. Dzisiaj zaprezentujemy protokół akwizycji danych potencjałów wywołanych o wysokiej gęstości. Stosujemy tę procedurę w naszym laboratorium do badania dynamiki czasowo-przestrzennej aktywności mózgu podczas zapamiętywania elementów wizualnych.

Zacznijmy zatem. Potencjały wywołane (ERP) stanowią metodę rejestracji dynamiki przestrzenno-czasowej funkcji ludzkiego mózgu z doskonałą rozdzielczością czasową. Dane są zazwyczaj pomiarowane w ekranowanym pomieszczeniu, co minimalizuje zakłócenia sygnału neuronalnego wychwytywanego przez elektrody.

Każda elektroda jest połączona z wzmacniaczem, który z kolei jest podłączony do komputera do akwizycji danych znajdującego się poza ekranowaną pomieszczeniem. Do prezentacji bodźców używa się oddzielnego komputera ze względu na możliwe zakłócenia sygnału neuronalnego. Wewnątrz komory ekranowanej powinny znajdować się tylko niezbędne komponenty zasilane, takie jak wyświetlacz bodźców i klawiatura odpowiedzi.

Podczas eksperymentów uczestnicy siedzą w wygodnym fotelu z podłokietnikami i oparciem na wysokości ramion, co zapewnia wsparcie dla obręczy barkowej i minimalizuje artefakty pochodzące z mięśni szyi. Rozpocznijmy od zapoznania się ze sposobem zakładania czepek z elektrodami. Elektrody uczestnika są osadzone w spandexowej czapce, co znacznie skraca czas aplikacji; aby ustawić czepek, należy umieścić elektrodę Oz zgodnie z systemem 10-5. Podczas zakładania czepka należy upewnić się, że zachowano symetrię lewo-prawo, a elektrody linii środkowej zostały umieszczone nad linią środkową głowy.

Należy również upewnić się, że najbardziej tylne i dolne elektrody znajdują się powyżej granicy czaszki i szyi, aby uniknąć artefaktów pochodzących z mięśni szyi. Po założeniu czepek należy przymocować boczne paski za pomocą paska podbródkowego lub specjalnie wykonanego pasa na poziomie talii, aby poprawić boczny kontakt elektrod z głową. Należy przymocować elektrody w sąsiedztwie oczu, co umożliwi późniejsze usunięcie artefaktów wynikających z ruchów oczu lub mrugania. Aby zniwelować różnice w rozmieszczeniu elektrod i kształcie głowy poszczególnych badanych, lokalizacje elektrod dla każdego uczestnika są mierzone za pomocą digitalizatora Polyus Fast Track.

Cyfryzator składa się z nadajnika, trzech odbiorników montowanych na czepku oraz rysika służącego do zapisywania lokalizacji każdej elektrody po założeniu czepka i zakończeniu cyfryzacji elektrod. Przejdźmy teraz do zmniejszenia impedancji elektrod; posadź uczestnika wygodnie na krześle do rejestracji. Niektórzy uczestnicy czują się bardziej komfortowo, gdy między ich łopatkami a oparciem krzesła zostanie lekko włożony złożony ręcznik kąpielowy.

Teraz podłącz czapkę wieloelektrodową do wzmacniaczy. Następnie należy obniżyć impedancję każdej elektrody tak, aby wynosiła ona mniej niż około 5 kΩ. W naszym laboratorium osiąga się to poprzez pomiar impedancji w czasie rzeczywistym za pomocą oprogramowania Neuroscan, używając jednocześnie sterylnej strzykawki i tępej igły do wstrzyknięcia żelu przewodzącego do każdego otworu elektrody.

Istnieje szereg technik, które pozwalają przyspieszyć proces redukcji impedancji, będący najbardziej czasochłonnym etapem rejestracji wielokanałowej. Zaczynając od elektrody uziemiającej lub referencyjnej, wykonaj dominującą ręką kilka okrężnych ruchów strzykawką, gdy ta opiera się o głowę. Aby przesunąć znajdujące się pomiędzy włosy, należy uważać, by nie dociskać strzykawki do głowy uczestnika.

Proces nakładania żelu nie powinien powodować dyskomfortu u uczestnika. Następnie, lekko dociskając elektrodę niedominującą ręką, wstrzyknij niewielką ilość żelu na skórę głowy, a następnie odsuń strzykawkę, kontynuując wstrzykiwanie. Powstały mostek żelowy między skórą głowy a elektrodą oraz nadmiar żelu wystający z otworu elektrody należy w tym momencie wytrzeć chusteczką i wyrzucić.

Jeśli wszystkie pierwsze pomiary impedancji elektrod pozostaną wysokie, należy ponownie nałożyć żel na elektrody masy i referencyjne, ponieważ żel zazwyczaj staje się bardziej przewodzący z czasem. Jedną ze strategii jest wstrzykiwanie żelu do elektrod w obrębie kwadrantu skóry głowy, np. prawego tylnego, aż wszystkie impedancje zaczną spadać. Następnie należy wstrzyknąć żel do elektrod w kolejnym kwadrancie, aż wszystkie impedancje zaczną spadać, i powtarzać ten proces dla pozostałych kwadrantów.

Ponowne wstrzykiwanie żelu do elektrod o najwyższej impedancji. W niektórych przypadkach żel przewodzący może połączyć się z sąsiednimi elektrodami, co spowoduje powiązanie ich impedancji. Zmniejsza to rozdzielczość przestrzenną, ale zazwyczaj nie stanowi poważnego problemu, ponieważ liczba elektrod o obniżonej impedancji jest wysoka.

Przejrzyjmy sposób rejestrowania danych przed rozpoczęciem sesji pomiarowej. Poproś uczestnika o zajęcie wygodnej, zrelaksowanej pozycji i pozostanie w bezruchu. Pozwoli to zminimalizować artefakty mięśniowe i ruchowe.

Gdy uczestnik poczuje się komfortowo, należy przekazać mu klawiaturę do odpowiedzi i usunąć lub wyłączyć całe zbędne urządzenia znajdujące się w pobliżu uczestnika, takie jak lampy, aby umożliwić późniejszą analizę zdarzeń. Początek każdego zdarzenia stymulującego musi być sygnalizowany lub wyzwalany przez komputer stymulujący i zapisywany wraz z danymi elektrofizjologicznymi. Przesyłamy impulsy wyzwalające przy każdym początku stymulacji przez port równoległy za pomocą programów ePrime, które zawierają niestandardową inicjalizację portu wewnątrz kodu oraz skrypty wyzwalające, które są ogólnodostępne.

Wyzwalacze te są odbierane i przechowywane przez oprogramowanie skanujące. Podczas rejestracji danych elektrofizjologicznych należy zastosować standardowy filtr górnoprzepustowy, aby usunąć komponenty o bardzo niskiej częstotliwości, takie jak prąd stały (DC), które nie mają znaczenia dla przejściowej odpowiedzi neuronalnej. W środowiskach o bardzo niskim poziomie zakłóceń można zastosować filtr dolnoprzepustowy z bardzo wysoką częstotliwością odcięcia, na przykład 200 hertz, w środowiskach o wyższym poziomie zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych.

Można zastosować filtr dolnoprzepustowy z częstotliwością odcięcia około 80 hertz oraz filtr notch 60 hertz, aby odpowiedź była zdominowana przez sygnał neuronalny. Przejdźmy teraz do sposobu czyszczenia czepek. Po zakończeniu sesji czepek wieloelektrodowy musi zostać dokładnie oczyszczony i zdezynfekowany niezwłocznie po zakończeniu rejestracji.

Zacznij od namoczenia czepek w ciepłej wodzie przez 5 do 10 minut, a następnie opłucz każdą elektrodę pod bieżącym strumieniem wody. Aby dokładnie usunąć cały żel przewodzący, użyj tępego końca drewnianego patyczka higienicznego do oczyszczenia otworów w elektrodach. Następnie namocz czepek przez 30 minut w kąpieli z ciepłej wody z mydłem, składającej się z czterech kwartów wody i jednej do dwóch uncji mydła w kostce, aby upewnić się, że cały żel został usunięty, a następnie dokładnie opłucz czepek wodą.

Aby uniknąć kontaminacji krzyżowej między uczestnikami, czepek należy namoczyć po raz ostatni przez 15-30 minut w mieszaninie wody z środkiem dezynfekującym (np. w proporcji czterech części wody do jednej części środka), a następnie ponownie dokładnie opłukać wodą przed zawieszeniem czepka do wyschnięcia. Powinien on zostać zawieszony symetrycznie i bez naprężeń, ponieważ może on zachować pewien stopień odkształcenia w pozycji suszenia, co może utrudnić późniejszą redukcję impedancji. Na koniec zaprezentujmy kilka reprezentatywnych wyników.

Teraz zaprezentujemy reprezentatywne wyniki uzyskane po akwizycji i analizie danych ERP. Topografia napięcia na powierzchni skóry po lewej i prawej stronie odzwierciedla szybką reaktywację retinotopową obszarów kory wzrokowej podczas dokładnego przypominania sobie elementów wcześniej zaprezentowanych odpowiednio w prawym i lewym polu widzenia. Przedstawiłem właśnie sposób akwizycji danych ERP o wysokiej rozdzielczości przy zastosowaniu tej procedury.

Ważne jest, aby pamiętać, że komfort uczestnika jest zawsze najważniejszy. To wszystko na dziś. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.