Undersöka Social kognition hos spädbarn och vuxna som använder Tät Array elektroencefalografi ( _D EEG)

Summary

Tät rad elektroencefalografi används alltmer för att studera sociala kognitiva funktioner hos spädbarn och vuxna. Här presenterar vi en etablerad metod som innebär en betydande förbättring jämfört med konventionella metoder för att studera EEG hos spädbarn och vuxna.

Abstract

Tät array elektroencefalografi _(d EEG), som ger en icke-invasiv fönster för att mäta hjärnans aktivitet och en temporal upplösning oöverträffad av någon annan aktuell hjärnan bildteknik ^1,2, används alltmer i studiet av sociala kognitiv funktion hos spädbarn och vuxna . Medan _d EEG är att möjliggöra för forskare att undersöka mönster hjärnaktivitet med oöverträffade nivåer av känslighet, konventionella EEG-inspelning system fortfarande inför vissa begränsningar, bland annat 1) dålig spatial upplösning och källa lokalisering ^3,4, 2) den fysiska obehag för försökspersoner varaktig den enskilda tillämpningen av ett flertal elektroder till ytan i hårbotten, och 3) komplexitet för forskare att lära sig att använda flera programpaket att samla in och bearbeta data. Här presenterar vi en översikt av en etablerad metod som innebär en betydande förbättring jämfört med konventionella metoder för att studera EEG hos spädbarn och vuxna. Trots att flera analytiska programvara tekniker kan användas för att fastställa indirekta index för källa lokalisering för att förbättra den rumsliga upplösningen av _d EEG, den HydroCel Geodesic Sensor Net (HCGSN) Electrical geodesics, Inc. (EGI), en tät sensorisk array som håller samma avstånd bland intilliggande inspelning elektroder på alla ytor i hårbotten, vilket ytterligare förbättrar rumsliga upplösningen ^4,5,6 jämfört med vanliga _di EEG-system. Svampen-baserade HCGSN kan appliceras snabbt och utan hårbotten nötning, vilket gör den idealisk för användning med vuxna ^7,8, barn ^9,10,11, och spädbarn ^12, inom både forskning och klinisk ^{4,5,6,13,14 , 15} inställningar. Denna funktion möjliggör betydande kostnads-och tidsbesparingar genom att minska den genomsnittliga netto ansökan tid jämfört med andra _d. EEG-system. Dessutom omfattar HCGSN enat, smidig programvara för alla faser av data, stor förenkling insamling, bearbetning och analys av _d EEG-data.

Den HCGSN har en låg profil elektrod piedestal, som när det är fyllt med elektrolyt lösning, skapar en förseglad mikromiljö och en elektrod-hårbotten gränssnitt. I alla Geodesic _d EEG-system, EEG sensorer upptäcka förändringar i spänning som kommer från deltagarens hårbotten, tillsammans med en liten mängd elektriska störningar som kommer från rummet miljön. Elektriska signaler från alla sensorer i den geodetiska sensorn nätet tas emot samtidigt av förstärkaren, där de automatiskt bearbetas, förpackas och skickas till insamlingen av data dator (DAC). När fick av DAC, kan hårbotten elektriska aktivitet vara isolerade från artefakter för analys med hjälp av filtrering och artefakten verktyg upptäckt ingår i EGI programvaran. Normalt kan HCGSN användas kontinuerligt för bara upp till två timmar eftersom elektrolytlösningen torkar ut med tiden, gradvis sänka kvaliteten i hårbotten-elektrod gränssnitt.

I moderbolaget-Spädbarn Research Lab vid University of Toronto, använder vi _d EEG för att studera sociala kognitiva processer inklusive minne, känslor, mål, intentionalitet, förväntan, och exekutiva funktionen i både vuxna och deltagare spädbarn.

Protocol

1. Förbereda experimentuppställning

1. Före deltagarens ankomst till labbet, se till att den geodetiska EEG System (GES) komponenter och experimentet kontroll dator och mjukvara (Net Station) fungerar felfritt.
2. Ta bort alla onödiga och potentiellt störande objekt från experimentet rummet.
3. Ställ upp experimentet rum i enlighet med de särskilda experimentella paradigm håller på att genomföras. Här använder vi paradigm från datorbaserade uppgifter administreras via E-Prime presentationsprogram till olika föräldra-spädbarns-och försöksledaren-spädbarn paradigm interaktion.
4. Se till att videokameror debiteras och ordna kamerorna i vinklar perfekt för den aktuella experiment.

2. Utbyte av information

1. När deltagarens ankomst till labbet, beskriva den geodetiska Sensor Net Application Protocol och förklara experimentet.
2. Efter att deltagaren har en god förståelse för den experimentella protokoll, se till att han eller hon (eller hans eller hennes förmyndare) undertecknar ett medgivande innan du fortsätter med experimentet.
3. För EEG-studier är det ofta bra att få från deltagaren viss information som kan förväntas ha en inverkan på den inspelade elektrisk hjärnaktivitet. Till exempel kan information om dåsighet, sista måltid, och sista sömn vara av intresse. I Haley labbet, är sådan information som erhålls genom att administrera standardiserade frågeformulär. För att hjälpa experimentera vidare i rätt tid, är det lämpligt att ha två praktiker närvarande: en för att administrera frågeformulär, och en för att utföra de HCGSN förberedelser nedan.

3. Förberedelser för HydroCel Geodesic sensor NET-program

1. Förbered HydroCel Saline elektrolyt lösning av destillerat vatten, kaliumklorid, och baby schampo, och se till att röra om ordentligt tills alla kaliumklorid är upplöst i lösningen.
2. Använda ett måttband, mät omkretsen på deltagarens huvud, inspelning mätningen i centimeter.
3. Hämta lämplig storlek HCGSN-dvs en som omfattar de olika huvudomfång på vilket deltagaren huvud omkrets faller.
4. Sänk sensorn slutet av HCGSN i elektrolyten lösning och låt den dra i 5 minuter, var noga med att hålla kontakten slutet från alla vätskor. Det är tillrådligt att använda en timer eller stoppur för att garantera exakt timing.
5. Öppna Net Station programvara för kontroll datorn och börja en experimentell kontroll session så att noll och få mätningar som bör vidtas innan du ansluter HCGSN kontakten och samla in data.

4. Tillämpning av HydroCel Geodesic Sensor Net

För att möjliggöra för den giltiga och konsekventa analyser av insamlade EEG uppgifter måste nätet ansökningsförfarandet vara mycket standardiserad. En sådan standardisering sker genom mätningar av deltagarens huvudet (enligt ovan) för att säkerställa korrekt och konsekvent placering av elektroder från deltagare till deltagare. Om optimala netto positionering inte är initialt uppnås, ta bort nätet och återanvända.

1. I väntan på sensorn nätet för att avsluta blötläggning i elektrolytlösning, vägleda deltagaren i försöket rummet och instruera honom eller henne att sitta på en stol. Stolen bör inte hjul för att undvika oönskade rörelser under sensorn nätet ansökan. I fråga om ett spädbarn deltagare, har barnets vårdnadshavare sitta på stolen med barnet sitter upprätt på hans eller hennes knä, hålla barnet i midjan så att barnets hela huvudet är tillgänglig och barnet fortfarande.
2. Använda ett måttband och ett porslin markör penna, lokalisera och markera vertex genom följande mätningar:
   1. Öra till öra över toppen av huvudet
   2. Nasion att Inion över toppen av huvudet
   Vertex kan identifieras som den punkt där dessa två mätningar kors.
3. Ta bort sensorn netto från elektrolyten hinken och placera den på en ren, torr handduk. Försiktigt klappa sensorn nätet med handduken för att avlägsna överflödig elektrolyt lösning.
4. Ge kontakten slutet av HCGSN till deltagaren eller till en andra försöksledaren att hålla under NET-program.
5. Plocka upp HCGSN, sätter båda händerna i det inre av nätet. Håll nätet så att dina tummar trycks ordentligt (men försiktigt) på vardera sidan av den centrala, mest frontala elektrod och din pinkie fingrar pressas stadigt mot bandet ansluter mest bakre raden av elektroder. Var noga med att inte tänja på nätet. Din resterande sex fingrar bör vara löst inom nätet så att mittpartiet att falla halta.
6. Huka eller gå ner på knä så att du är på ögatnivå med deltagaren.
7. Bakifrån och framåt, dra sensorn nätet över deltagarens huvud. Det är ofta användbart att ha en andra försöksledaren närvarande vid tillämpningen av sensorn nätet på ett spädbarn deltagare att distrahera barnet och minimera huvudrörelser.
8. Med fingertopparna, dra försiktigt på band av nätet och justera den så att vertex elektroden sitter på vertex punkt tidigare märkt med porslin markör penna. Dra örat och remmar hakan. Inspektera anatomiska landmärke platser och netto symmetri för att se om nätet är korrekt placerad, och göra nödvändiga justeringar.

5. Mätning elektrod Impedanser

EEG mäts som den potentiella skillnaden (spänning) mellan den refererade webbplatsen och den uppmätta sajten. Hög impedans vid hårbotten-elektrod gränssnitt orsakar en minskning av uppmätt spänning, dämpning av signalen amplitud, och en ökning i närvaro av brus. Även efter förvärvet filtrering i vissa undersökningar (t.ex. konventionella ERP-studier) kan bli av med detta buller, kompromisser hög impedans i allmänhet trohet förvärvade EEG-data. Det är därför viktigt att se impedans ligger inom det tolerabla specifikationer innan du börjar att spela in EEG-data.

1. Anslut kontakten på HCGSN in gränssnittskabeln och vrid spaken för att låsa den på plats. Sätt på kameran.
2. I kontrollrummet, öppna upp en ny session i Net Station, ange deltagarens information och klicka Börja session. Eftersom video-och _d EEG-signaler synkroniseras bör en live video feed från experimentet rummet visas på skärmen.
3. Välj Paneler rullgardinsmenyn, öppna impedans och klicka på Mät-knappen. Ett montage av HCGSN sensorer kommer att visas på skärmen. Dra fönstret till kanten av skärmen så att den öppnar upp på skärmen i experimentet rummet.
4. Med hjälp av en engångspipett, kratta undan deltagarens håret så att varje elektrod sitter direkt på deltagarens hårbotten.
5. Se den Impedansmätning fönster som visar HCGSN montage på monitorn. Sensorer som inte gör bra kontakt med hårbotten visas rött. Anteckna numren elektroden sensorn. Använd pipett och en liten mängd av den redan förberedda elektrolyt lösning för att förbättra impedans dessa sensorer. Elektroder på montaget blir grön eftersom deras impedans förbättras.
6. När impedansen är tillfredsställande (dvs när alla elektroderna på montage är gröna), klicka på Spara och stäng-knappen på Impedansmätning fönstret i kontrollrummet.
7. I Net Station, öppnar den täta vågform. Bläddra igenom vågformer och notera alla kanaler som visar hög amplitud buller på grund av dålig hårbotten kontakt.

6. Med utgångsvärdena

Innan den experimentella paradigmet, ta lite baslinjen _di EEG-inspelningar av deltagarens vilar elektrisk hjärnaktivitet. Vilande utgångsvärdena är viktiga i kontinuerlig _d EEG-studier eftersom det finns en hög grad av variation i elektriska hjärnans aktivitet från deltagare till deltagare. Som ett resultat måste de flesta kontinuerlig _di EEG-studier genomföra en inom-ämnen experimentell design, analysera skillnaderna mellan varje experimentell skick och en pre-experiment baslinje fas. För event-relaterade EEG-studier kan en baslinje fas inte vara nödvändigt.

1. Låt deltagaren ensam i experimentet rummet och instruera honom eller henne att sitta tyst och minimera rörelse. Avsedda för barn deltagarna ska förälder / vårdnadshavare vara kvar i rummet med barnet sitter tyst i hans eller hennes knä. I Haley labbet, är en film med titeln baby Mozart, en audiovisuell kombination av klassisk musik och färgglada rörliga mönster, som spelas för att säkerställa att barn förblir lugn och stilla. Medan en interaktiv baslinje fas kanske inte alltid vara perfekt, kan den användas som en pre-baslinje fas att lugna barnet innan baslinjen inspelningar.
2. I Net Station, klicka på inspelningsknappen för att börja spela in video och data vågform. På Tät vågform, kan händelsen markörer läggas att länka beteende evenemang för att elektriska aktivitet under hela experimentet. Sätt en "baseline" händelse markör på vågformen displayen.
3. Spela baslinje för standardiserade tidsperiod. I Haley labbet, håller den standard baseline fas 2 minuter.

7. Köra experiment

I _d EEG-studier är det viktigt att ha minst två praktiker under hela studien. En försöksledaren kommer att ansvara för att interagera med deltagaren och genomföra beteendemässiga paradigm, medan den andra försöksledaren kommer att övervaka den täta vågform.

1. Genomföra experimentella punkdigm.
2. Övervaka Tät Vågformsvisare hela försöket för att avgöra om några kanaler visar ökande bullernivåer. Ökande buller kan vara reflekterande för att öka impedanser. Acceptabel impedans nivåer kan återfås genom att använda mer elektrolytlösning. Detta bör ske vid en paus i försöksprotokoll.

8. Debriefing deltagaren

1. När experimentet är klar, lossa försiktigt och ta bort HCGSN från deltagarens huvud. Skölj, desinficera och torka nätet.
2. Ge deltagaren en handduk som man kan torka bort överflödig elektrolyt lösning.
3. Ge deltagaren kvarvarande frågeformulär som måste slutföras.

9. Analys

Samma EGI programvara som används för att förvärva dEEG uppgifter används även för att analysera data, som möjliggör en smidig och enkel övergång från datainsamling till analys av data. Eftersom HCGSN också plockar upp elektriska störningar som härrör från miljön måste uppgifterna först filtreras och renas innan det kan analyseras. Alla nödvändiga verktyg ingår i Net Station.

1. I Net Station, klicka på och öppna Waveform panelen Verktyg. Kör förvärvade datafil genom filtrering och artefakten verktyg upptäckt efter inställning av önskade parametrar. Den artefakt upptäckt Verktyget identifierar spikar följd av ögat blinkar eller ögonrörelser och upptäcker dåliga kanaler. I många fall kan ytterligare hand-redigering och artefakt borttagning vara nödvändigt (särskilt när man arbetar med barn befolkning, där du inte kan kontrollera ögat blinkar och rörelser).
2. Segmentera data för att skilja de olika experimentella förhållanden på grundval av de infogade händelsen markörer.
3. Applicera önskad analys. I Haley labbet är frekvensanalys används för att analysera hur karakteristiska frekvenser av hjärnans aktivitet varierar mellan experimentella förhållanden och mellan olika områden i hjärnan. En minskning i vågkraft är potentiellt följd av den ökade aktiviteten av nervceller i den regionen.

10. Representativa data

Figur 1. Raw EEG-vågformer som visar variationer i inspelade spänning (μv) över tid (s), vid en enda elektrod (elektrod 30). Vågformer representerar data som samlats in under det första 1000ms av varje 3 experimentella faser: utgångsläget, demonstration och omedelbar återkallelse.

Figur 2. Raw data insamlade från hela hårbotten (128-elektrod montage) under tre experimentella faser (baslinje, demonstration, omedelbar minns) i ett deltagande barn. Data presenteras som en topografisk karta och visar skillnader i yt-nivå hjärnans elektriska aktivitet (μv) över områden i hjärnan och experimentella fasen av marionett uppgiften.

Discussion

Den Hydrocel Geodesic Sensor Net från EGI utgör en icke-invasiv och enkel att använda metoden för att få _d EEG-data från både vuxna och deltagare spädbarn. Denna teknik kombinerar hög temporal och spatial upplösning med en ökad möjlighet till rörlighet, vilket gör den idealisk för användning i komplexa beteende paradigm för att undersöka kognitiva aktiviteter som kan återspeglas endast i subtila förändringar i elektriska aktivitet. Med tanke på ökat intresse för att undersöka utvecklingen av barnets kognition och den relativa bristen på tekniker för avbildning av hjärnan lämplig för användning i barnet befolkningen, är användningen av HCGSN sannolikt kommer att öka, vilket leder oss till en djupare förståelse för barnets kognition.