Evento relacionados com alta densidade de Aquisição de Dados Potencial em Neurociência Cognitiva

Summary

Relacionados a eventos potenciais de gravação (ERP) é subutilizado em Neurociência Cognitiva porque as técnicas de aquisição de dados não estão prontamente disponíveis e este método tem muitas vezes a resolução espacial pobres. Para promover o aumento do uso de ERPs no Cognitive Neuroscience, os detalhes presente artigo principais técnicas envolvidas na aquisição de dados de alta densidade ERP.

Abstract

Ressonância magnética funcional (fMRI) é atualmente o método padrão de avaliação da função cerebral na área de Neurociência Cognitiva, em parte porque a aquisição de dados fMRI e técnicas de análise estão prontamente disponíveis. Porque fMRI tem resolução espacial excelente resolução temporal, mas pobre, este método só pode ser usado para identificar a localização espacial da atividade cerebral associada a um determinado processo cognitivo (e revela quase nada sobre a duração da atividade cerebral). Pelo contrário, relacionados a eventos de gravação potencial (ERP), um método que é usado com muito menos freqüência do que fMRI, tem excelente resolução temporal e, portanto, pode acompanhar rápida modulações temporais na atividade neural. Infelizmente, ERPs são sub-utilizados em Neurociência Cognitiva porque as técnicas de aquisição de dados não estão prontamente disponíveis e baixa densidade de gravação ERP tem resolução espacial pobres. Em um esforço para promover o aumento do uso de ERPs no Cognitive Neuroscience, os detalhes presente artigo principais técnicas envolvidas na aquisição de dados de alta densidade ERP. Criticamente, ERPs de alta densidade oferecem a promessa de resolução temporal excelente e boa resolução espacial (ou resolução espacial excelente se juntamente com fMRI), que é necessário para capturar a dinâmica espacial-temporal da função cerebral humana.

Protocol

I. Introdução

No campo da neurociência cognitiva, a ressonância magnética funcional (fMRI) tornou-se o método padrão de análise. A popularidade do fMRI deriva em parte da aquisição de dados facilmente disponíveis e técnicas de análise para além dos resultados facilmente interpretável que destacam as regiões do cérebro associadas a um determinado processo cognitivo. No entanto, fMRI tem resolução temporal pobres e, portanto, não pode acompanhar a dinâmica temporal rápida do cérebro em funcionamento. Se neurocientistas cognitivos continuar a usar principalmente fMRI, a imagem resultante do funcionamento do cérebro será severamente deficiente. Potenciais relacionados a eventos (ERPs) são usados ​​com muito menos frequência, embora este método oferece uma excelente resolução temporal. O objetivo do presente artigo é detalhar as principais técnicas envolvidas na aquisição de dados de alta densidade ERP. Espera-se que esta informação irá promover o aumento do uso de ERPs no Cognitive Neuroscience.

II. Geral Configuração do equipamento

Dados ERP normalmente são medidos em um local com um baixo nível de força de campo eletromagnético do ambiente para minimizar a interferência com o sinal neural. Para minimizar tais interferências, ERPs são muitas vezes medidos em uma câmara de metal blindado (ie, uma gaiola de Faraday), mas pode ser possível para encontrar um local sem blindagem, com um nível aceitável de força do campo ambiente (1 mg ou menos, o que pode ser medida usando um medidor de campo eletromagnético). Cada eletrodo conectado a um amplificador que por sua vez se conecta a um computador de aquisição de dados. Um computador separado é usado para apresentação do estímulo. Para minimizar a interferência com o sinal neural, somente componentes essenciais com alimentação deve ser alojado no interior da câmara blindado ou perto do local de gravação, como a exibição de estímulo e resposta do teclado (por exemplo, as lâmpadas podem ser utilizadas para auxiliar na aplicação de eletrodos, mas deve ser desligado durante a gravação). Um switch de vídeo pode ser usado para exibir tanto o computador de aquisição de dados ou o computador apresentação do estímulo em um único monitor. Se uma câmara blindado é usado, todos os cabos podem ser executados através de um conduto pequena na parede (que está a poucos centímetros de diâmetro) ou uma porta rachada. Os participantes devem estar sentados em uma cadeira confortável com descansa braço e uma altura para trás que fornece suporte de ombro para minimizar artefatos musculares no pescoço, mas permite o acesso a posterior eletrodos inferior para posterior redução do eletrodo de impedância. Nós usamos uma câmara blindada (construído por Partners Global em Blindagem, Inc., Passaic, NJ) e um canal de 128 Quik-Cap/SynAmps ² NeuroScan sistema (Compumedics EUA, Charlotte, NC).

III. Colocação tampa e Digitalização Eletrodo

Eletrodos são tipicamente incorporado em uma tampa de spandex que reduz significativamente o tempo de aplicação. No entanto, os locais de eletrodo em relação com um boné são fixos o que elimina a possibilidade de usar as configurações padrão do eletrodo, como o sistema de eletrodo ^10-20 janeiro ou uma variante de alta densidade, tais como o sistema de eletrodo ^10-05 fevereiro, que são precisamente posicionados em uma base participante individual. Para a apresentação dos resultados finais em um formato padrão, nós Oz posição do eletrodo para cada participante na localização aproximada ditada pelo sistema de eletrodo 05/10 (e, em seguida, rótulo de todos os eletrodos de acordo com suas posições aproximadas 05/10 sistema de eletrodos). Ao aplicar a tampa, certifique-se que tem simetria esquerda-direita, com eletrodos de linha média colocada sobre a linha média da cabeça, e que o mais posterior-inferior eletrodos são superiores ao limite crânio-pescoço para evitar artefato muscular no pescoço. Enquanto uma cinta de queixo vai manter adequadamente a tampa em posição, anexando as tiras laterais a um cinto feito sob medida no nível da cintura usando prendedores de velcro pode melhorar o contato do eletrodo lateral com a cabeça. Eletrodos adjacentes aos olhos também pode ser aplicado para a remoção subsequente do movimento dos olhos ou artefatos piscar.

Embora seja razoável supor que a colocação do eletrodo é relativamente consistente entre os participantes, as diferenças no tamanho da cabeça e colocação de tampão eletrodo produzirá variabilidade local do eletrodo. Para lidar com essa variabilidade, locais de eletrodo pode ser medida para cada participante. Nós usamos um Polhemus FASTRAK digitalizador (Colchester, VT), que inclui um transmissor, três receptores que montar na tampa usando velcro (para corrigir o movimento participante), e um estilete para gravar cada local do eletrodo (este hardware é compatível com SCAN Neuroscan de / 3DSpaceDx software que usamos para aquisição de dados). Independentemente de qual digitizer é usado, ele deve ser configurado de acordo com as normas especificadas, tais como evitar proximidade de grandes objetos metálicos e separando transmissor e receptor de cabos. O digitador deve ser calibrado e testado para a precisão e deve ser transferido, se necessary, para um local diferente, até localização espacial é precisa.

IV. Reduzindo Impedâncias Eletrodo

Após a localização do eletrodo são digitalizadas, o participante deve sentar-se confortavelmente na cadeira de gravação. Alguns participantes acham mais confortável quando uma toalha de mão dobrado é levemente dobrada entre os ombros e as costas da cadeira. Então, a tampa de multi-eletrodo deve ser ligado ao amplificador. A impedância de cada eletrodo deve ser reduzida de tal forma que é abaixo de um limiar pré-determinado. Isto é feito através da injeção de um gel de condução em cada abertura do eletrodo, o que permitirá que a corrente flua entre o couro cabeludo eo eletrodo sobrejacente. Para eliminar a possibilidade de cross-participante de contaminação, uma nova seringa e agulhas estéreis ponta romba deve ser utilizado para cada participante. É notável que, apesar de 5 k & Omegal é um limite padrão de impedância, um limite um pouco maior pode ser usado se a intensidade do campo eletromagnético do ambiente é muito baixa. Usamos o software NeuroScan SCAN para medir impedância do eletrodo, que exibe nível de impedância de cor para todos os eletrodos em tempo real. Há uma série de técnicas que podem ser acelerar o processo de redução de impedância, que é o aspecto mais demorada de ERP aquisição de dados. É importante ter em mente que o objetivo é restringir a aplicação de gel entre o couro cabeludo eo eletrodo imediatamente sobrejacente. Recomenda-se que a mão dominante controlar a seringa e aplicação do gel enquanto a mão não-dominante exerce outras funções. A seringa cheia de gel condutor pode ficar contra a cabeça com nenhum desconforto participante, mas nunca deve ser pressionada contra a cabeça. Primeiro, para um eletrodo dada, muitas vezes é útil fazer alguns círculos com a seringa enquanto ela fica encostada à cabeça, para mover o cabelo intervir. Após isso, enquanto pressionando levemente o eletrodo para baixo com a mão não-dominante, uma pequena quantidade de gel deve ser injetado no couro cabeludo e, em seguida, a seringa deve ser puxado para fora, continuando a injetar gel para fazer uma ponte entre o gel no couro cabeludo e os eletrodo. Gel que se projeta a partir da abertura do eletrodo deve ser limpo com um lenço de papel e descartados. Em alguns casos, a realização de gel vai se conectar eletrodos adjacentes, que impedâncias estarão ligados - o que reduz a resolução espacial, mas geralmente é uma preocupação menor, pois há um grande número de eletrodos. Gel deve ser aplicado primeiro para o chão e eletrodos de referência, e se o primeiro conjunto de impedâncias eletrodo todos permanecem gel de alta deve ser reaplicado a esses dois eletrodos. Gel como normalmente se torna mais condutivo ao longo do tempo, uma estratégia é injetar gel em eletrodos dentro de um quadrante do couro cabeludo (como o couro cabeludo posterior direita) até que todas as impedâncias começam a diminuir, injetar gel em eletrodos dentro do quadrante seguinte até que todas as impedâncias começam a diminuir , e depois percorrer os quadrantes re-injeção de gel para os eletrodos mais alta impedância. Deve-se ressaltar que o processo de aplicação do gel não deve causar o desconforto participante, e ele deve deixar claro para o participante que deve verbalizar qualquer desconforto para a ação correspondente pode ser interrompido.

V. Gravação de dados

Antes da gravação começa, os participantes devem ser encorajados a ficar em uma posição confortável e relaxar, para minimizar artefatos musculares no pescoço, e evitar movimentos de cabeça que possam produzir o contato entre eletrodos e posterior do encosto da cadeira. Deve salientar-se ao participante que durante a gravação que eles devem permanecer relativamente imóvel, como movimento significativo da cadeira (que normalmente contém uma armação de metal) pode criar interferências electromagnéticas. Os participantes devem então receber uma resposta do teclado e todos os equipamentos não essenciais perto do participante, como luzes, deve ser removido ou desativado. Para permitir a análise de eventos relacionados com subseqüente, o início de cada evento de estímulo deve ser sinalizado / desencadeada pelo computador estímulo e recebidos e armazenados junto com os dados eletrofisiológicos. Enviamos estes pulsos de disparo em cada início do estímulo através da porta paralela via E-Prime programas (Tools Software Psicologia, Inc., Pittsburgh, PA), que incluem a inicialização de porta personalizado InLine e acionar scripts que estão disponíveis gratuitamente ^3, e os gatilhos são recebidos e armazenados pelo software SCAN. Porta de configuração pin-outs devem ser referenciados para garantir valores de referência válidos são usados. De relevância, a maioria amplificador high-pass configurações do filtro são aceitáveis ​​como o objectivo é simplesmente para remover componentes de freqüência muito baixa (como DC) que são irrelevantes para a resposta transitória neural. Em contraste, aceitável low-pass configurações de filtro variar dependendo do ambiente de gravação. Em ambientes com interferência eletromagnética muito baixo ambiente de um filtro passa-baixa com um corte de freqüência muito alta (como 200 Hz) pode ser usado, queh minimiza a distorção da resposta neural que contém freqüências mais altas. Em ambientes com altos níveis de interferência, um corte menor freqüência (como 80 Hz) e um entalhe 60 Hz filtro pode ser usado de tal forma que a resposta eletrofisiológica é dominado pelo sinal neural. Note que a filtragem também pode ser realizado em software depois que os dados é adquirido, embora filtragem na fase amplificador geralmente produz menos distorção do sinal.

VI. Limpeza do Cap

A tampa multi-eletrodo deve ser cuidadosamente limpos e desinfectados imediatamente após a gravação de dados seja concluída. Começamos por imersão a tampa em água morna por 5-10 minutos e depois enxágüe cada eletrodo com um fluxo de água corrente para remover completamente todos os gel condutor. O fim brusco de um swab de madeira pau de algodão pode ser usado para limpar os furos nos eletrodos. Então mergulhar a tampa em um banho de água morna e sabão (consistindo de 4 litros de água e 1-2 oz de Dial) por 30 minutos para garantir todo o gel foi removido, seguido de enxaguamento com água. Para evitar a contaminação cruzada-participante, a tampa deve ser embebido por 15-30 minutos em uma mistura de água / desinfetante apropriada (tais como 4 partes de água para 1 Envirocide parte) e, em seguida, deve ser lavada cuidadosamente com água. Ao desligar a tampa para secar, ele deve ser colocado simetricamente e sem tensão, uma vez que podem reter um certo grau de sua posição de secagem, que se irregular pode reduzir a facilidade de redução de impedância subseqüentes.

VII. Visão geral de análise

Dados de pré-processamento consiste de ^quatro passos múltiplos, incluindo a exclusão de eletrodos que tinha mau contato ou intermitente, a remoção de artefatos de piscar, correção de linha de base e adicional de filtragem passa-alta ou passa-baixa. Pré-processamento é seguido por eventos relacionados média, e resolução espacial pode ser melhorada através da realização de ERP localização de fontes ^5. Nós usamos o software de análise BESA (Gräfelfing, Alemanha) para pré-processamento de eventos relacionados, com uma média, e localização de fontes (BESA oferece regularmente cursos de dois dias de análise), com análises adicionais realizadas em exportado evento arquivos relacionados média usando scripts personalizados escritos em MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).