High Density Händelse-relaterade Potentiella Datainsamling i kognitiv neurovetenskap

Summary

Händelse-relaterade potential (ERP) inspelning är underutnyttjade i kognitiv neurovetenskap, eftersom datainsamling tekniker är inte lättillgänglig och denna metod har ofta dålig spatial upplösning. Att främja en ökad användning av ERP-system i kognitiv neurovetenskap, denna artikel detaljerna nyckel teknik inblandad i hög densitet ERP datainsamling.

Abstract

Funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) är för närvarande den standardmetod för utvärdering av hjärnans funktion inom kognitiv neurovetenskap, delvis på grund fMRI datainsamling och analystekniker är lätt tillgängliga. Eftersom fMRI har utmärkta rumsliga upplösningen men dålig tidsupplösning, kan denna metod endast användas för att identifiera den rumsliga placeringen av hjärnaktivitet associerad med en viss kognitiv process (och avslöjar nästan ingenting om den tid under hjärnans aktivitet). Däremot event-relaterade potential (ERP) inspelning, en metod som används mycket mindre ofta än fMRI, har utmärkt temporal upplösning och därmed kan spåra snabba temporal modulationer i neural aktivitet. Tyvärr är ERP underutnyttjade i kognitiv neurovetenskap, eftersom datainsamling tekniker är inte lättillgänglig och låg densitet ERP-inspelningen har dålig spatial upplösning. I ett försök att främja ökad användning av ERP-system i kognitiv neurovetenskap, denna artikel detaljerna nyckel teknik inblandad i hög densitet ERP datainsamling. Kritiskt, hög densitet ERP-system ger löften om goda tidsupplösning och god rumslig upplösning (eller utmärkt rumslig upplösning om de kopplas till fMRI), vilket är nödvändigt för att fånga den rumsliga och tidsmässiga dynamiken i mänskliga hjärnans funktion.

Protocol

I. Inledning

Inom kognitiv neurovetenskap, funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) har blivit standard analysmetod. Populariteten av fMRI härrör delvis från lättillgängliga datainsamling och analystekniker förutom enkelt tolkningsbara resultat att belysa delar av hjärnan är förknippade med en viss kognitiv process. Dock har fMRI dålig tidsupplösning och därmed inte kan följa den snabba temporala dynamiken av hur hjärnan. Om Hjärnforskare fortsätta att i första hand använda fMRI, kommer den resulterande bilden av hjärnans funktion allvarligt bristfällig. Event-related potentials (ERP) används mycket sällan, även om denna metod ger utmärkt temporal upplösning. Syftet med denna artikel är att redogöra för de viktigaste teknikerna för hög densitet ERP datainsamling. Förhoppningen är att denna information kommer att främja en ökad användning av ERP-system i kognitiv neurovetenskap.

II. Allmän installation av utrustningen

ERP-data är vanligtvis mäts i ett läge med låg omgivande elektromagnetiska fältstyrkan för att minimera påverkan på neurala signalen. För att minimera sådana störningar är ERP-system ofta mäts på en avskärmad metall kammare (dvs en Faradays bur) men det kan vara möjligt att hitta en oskärmad läge med en acceptabel nivå av omgivande fältstyrka (1 mg eller mindre, vilket kan mätas med hjälp ett elektromagnetiskt fält meter). Varje elektrod ansluts till en förstärkare som i sin tur ansluts till en datainsamling dator. En separat dator används för stimulans presentation. För att minimera påverkan på neurala signalen, bör endast viktiga drivs komponenter ryms inuti skärmade kammare eller i närheten av inspelningen plats, till exempel stimulans displayen och svar tangentbord (till exempel kan lampor användas för att hjälpa till elektrod ansökan men bör avstängd under inspelning). En video omkopplare kan användas för att visa antingen datainsamling datorn eller stimulans presentationen datorn på en enda skärm. Om en shielded kammare används kan alla kablar köra genom en liten kanal i väggen (det är några inches i diameter) eller en sprucken dörr. Deltagarna bör sitta i en bekväm stol med armstöd och en rygghöjd som ger axeln stöd som minimerar artefakt hals muskler, men ger tillgång till bakre sämre elektroder för senare elektrodimpedans minskning. Vi använder en skärmad kammare (konstruerat av Global Partners i avskärmning, Inc., Passaic, NJ) och en 128-kanal Quik-Cap/SynAmps ² NeuroScan systemet (Compumedics USA, Charlotte, NC).

III. Cap Placering och elektroden Digitalisering

Elektroder är vanligtvis inbäddade i en spandex mössa som avsevärt minskar ansökan tid. Däremot är de relativa elektroden platser i en mössa fast som eliminerar möjligheten att använda standard elektrod-konfigurationer, till exempel 10-20 elektrod system ¹ eller ett högre densitet variant som 10-5 elektroden systemet ^2, som just är placerade på en enskild deltagare till fall. För presentation av de slutliga resultaten i ett standardformat, dikterade vi ställning elektrod Oz för varje deltagare på den ungefärliga platsen med 10-5 elektroden systemet (och sedan märka alla av elektroderna enligt deras ungefärliga 10-5 elektrod systemet positioner). Vid tillämpning av locket, se till att den har höger-vänster symmetri, med mittlinjen elektroder placeras över mittlinjen på huvudet, och att de mest bakre sämre elektroder är överlägsna skallen-hals gränsen för att undvika artefakt hals muskler. Medan en hakrem kommer tillräckligt hålla locket på plats kan fästa sidoremmarna till en skräddarsydd skärp i midjehöjd med hjälp av kardborreband förbättra laterala elektroden kontakt med huvudet. Elektroder i anslutning till ögonen kan också tillämpas för senare borttagning av ögon-rörelse eller artefakter blinka.

Även om det är rimligt att anta att elektrodplacering är relativt enhetlig i deltagare, skillnader i huvudstorlek och elektroden mössa placering ger variation elektrod plats. Att hantera sådana variationer, kan elektroden platser mätas för varje deltagare. Vi använder en Polhemus Fastrak digitizer (Colchester, VT) som innehåller en sändare, tre mottagare som monteras på locket med hjälp av kardborreband (för att korrigera för deltagare rörelse), och en penna för att registrera varje elektrod plats (detta maskinvaran är kompatibel med Neuroscan Scan / 3DSpaceDx programvara som vi använder för datainsamling). Oavsett vilket digitizer används, bör den ställas in enligt de angivna riktlinjerna, såsom att undvika närhet till stora metallföremål och separera sändare och kablar mottagare. Den digitaliserare bör kalibreras och testas för exakthet och bör flyttas om necessary, till en annan plats tills rumsliga lokalisering är korrekt.

IV. Minska elektrod Impedanser

När elektroden platser är digitaliserade, bör deltagaren sitta bekvämt i inspelningen stolen. Vissa deltagare tycker att det är mer bekväm när en hopvikt handduk är lätt uppdragen mellan sina axlar och stolsryggen. Därefter ska flera elektroden locket vara ansluten till förstärkare. Impedansen på varje elektrod måste sänkas så att det är under en förutbestämd tröskel. Detta görs genom att injicera en ledande gel i varje elektrod öppning, som gör att strömmen till flödet mellan hårbotten och överliggande elektroden. För att eliminera risken för kors-deltagare smitta, en ny steril spruta och trubbig spets nål måste användas för varje deltagare. Det är anmärkningsvärt att trots 5 K & Omegal är en standard impedans tröskel, kan en något högre tröskel användas om den omgivande elektromagnetiska fältstyrkan är mycket låg. Vi använder NeuroScan SCAN mjukvara för att mäta elektrodimpedans, som visar impedans nivå genom färg för alla elektroder i realtid. Det finns ett antal tekniker som kan påskynda impedans minskning processen, vilket är den mest tidskrävande delen av ERP datainsamling. Det är viktigt att komma ihåg att syftet är att begränsa gel ansökan mellan hårbotten och de närmast överliggande elektroden. Det rekommenderas att den dominerande handkontrollen sprutan och tillämpning av gelen medan den icke-dominanta handen utför andra funktioner. Sprutan som är fylld med ledande gel kan vila mot huvudet med ingen deltagare obehag, men får aldrig vara tryckt mot huvudet. Först för ett visst elektrod är det ofta bra att göra några cirklar med sprutan medan den vilar mot huvudet, att flytta ingripa hår. Efter detta, samtidigt som lätt trycka elektroden ner med den icke-dominanta sidan får en liten mängd gel injiceras i hårbotten och sedan spruta ska dras ut och samtidigt fortsätta att injicera gel för att göra en gel bro mellan hårbotten och elektrod. Gel som sticker ut från elektroden öppningen bör torkas av med en vävnad och kasseras. I vissa fall kommer att genomföra gel ansluta närliggande elektroder så att impedansen kommer att kopplas - detta minskar rumsliga upplösningen men är oftast av mindre intresse eftersom det finns ett stort antal elektroder. Gel bör först tillämpas på marken och elektroder referens, och om den första uppsättningen av elektrod impedanser alla fortsatt hög Gelen appliceras på nytt på dessa två elektroder. Som gel oftast blir mer ledande över tid, är en strategi för att injicera gel i elektroder i en hårbotten kvadrant (till exempel rätten bakre hårbotten) tills alla impedanser börja minska, injicera gel i elektroder inom de närmaste kvadranten tills alla impedanser börja minska och sedan bläddra igenom de kvadranter åter injicera gel i den högsta impedansen elektroderna. Det bör betonas att gelen ansökningsprocessen ska aldrig ge deltagaren obehag, och det bör göras klart att den deltagare som de ska verbalisera något obehag så att motsvarande åtgärd kan stoppas.

V. Dataregistrering

Innan inspelningen påbörjas, bör deltagarna uppmuntras att komma in i en bekväm ställning och slappna av, för att minimera artefakt hals muskel, och undvika huvudrörelser som kan producera kontakt mellan bakre elektroder och stolsryggen. Det bör understrykas att den deltagare som under inspelningen att de bör förbli relativt stilla, som betydande förflyttning av stolen (som vanligtvis innehåller en metallram) kan skapa elektromagnetiska störningar. Deltagarna ska sedan få ett svar tangentbord och alla icke-väsentlig utrustning nära deltagaren, såsom lampor, bör tas bort eller avstängd. För att möjliggöra senare händelse i samband med analysen måste uppkomsten av varje stimulus händelsen signaleras / utlösas av den stimulans datorn och emot och lagras tillsammans med elektrofysiologiska data. Vi skickar dessa utlösa pulser vid varje stimulus debuten via parallellporten via E-Prime program (Psykologi Software Tools, Inc., Pittsburgh, PA), som inkluderar anpassade InLine port initiering och utlösa skript som är fritt tillgängliga ³ och triggrar emot och lagras av SCAN mjukvara. Portkonfiguration pin-outs bör referera till att giltiga utlösa värden används. Av relevans, de flesta förstärkare högpassfilter inställningar är acceptabel eftersom syftet är helt enkelt att ta bort mycket lågfrekventa komponenter (t.ex. DC) som är irrelevanta för den övergående neurala svar. Däremot varierar acceptabel lågpassfiltret inställningar beroende på omgivningen. I miljöer med mycket låg omgivande elektromagnetisk störning ett lågpassfilter med en mycket hög frekvens cutoff (t.ex. 200 Hz) kan användas, vilketh minimerar förvrängning av neurala svar som innehåller högre frekvenser. I miljöer med högre nivåer av störningar, en lägre frekvens cutoff (t.ex. 80 Hz) och ett 60 Hz-notch-filter kan användas så att elektrofysiologiska svaret domineras av neurala signalen. Observera att filtrering också kan utföras i programvaran efter uppgifterna förvärvas, även filtrering på förstärkaren skede ger ofta mindre signaldistorsion.

VI. Rengöring av Cap

Den multi-elektrod gemensamma jordbrukspolitiken måste rengöras noggrant och desinficeras omedelbart efter registreringen är klar. Vi börjar med blötläggning locket i varmt vatten i 5-10 minuter och sedan skölja varje elektrod med ett rinnande vatten bäck att noggrant ta bort alla ledande gel. Den trubbiga änden av en träpinne bomullspinne kan användas för att rensa hålen i elektroderna. Då kan vi suga locket i en tvål och varmt vattenbad (bestående av 4 liter vatten och 1-2 oz Dial) i 30 minuter för att säkerställa alla gelen har tagits bort, följt av noggrann sköljning med vatten. För att undvika cross-deltagare föroreningar, måste locket läggas i blöt i 15-30 minuter i ett lämpligt vatten / desinfektionsmedel mix (t.ex. 4 delar vatten till 1 del Envirocide) och sedan sköljas noga med vatten. När hänga upp locket för att torka, bör den placeras symmetriskt och utan spänning eftersom det kan behålla en viss grad av dess torkning ställning, vilket är oregelbunden kan minska den lätthet av efterföljande impedans minskning.

VII. Analys Översikt

Dataförbehandling ⁴ består av flera steg inklusive uteslutning av elektroder som hade dålig eller intermittent kontakt, borttagning av blink artefakter, baslinjekorrigering och ytterligare hög-pass och låg-pass filter. Förbehandling följs av händelser relaterade genomsnitt, och spatial upplösning kan förbättras genom att utföra ERP källa lokalisering ^5. Vi använder BESA analysprogram (Gräfelfing, Tyskland), förbehandling, event-relaterade genomsnitt, och källa lokalisering (BESA regelbundet erbjuder två dagars analys kurser), med ytterligare analys på export i samband med evenemang i genomsnitt filer med anpassade skrivit manus i MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).