Name: 高密度事件相关电位在认知神经科学的数据采集 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-04-16T17:04:00.000+00:00
Duration: 8 min 33 s
Description: 学习高密度事件相关电位数据采集方法，用于认知神经科学研究。本方法通过电极帽放置、阻抗降低和视觉刺激呈现，实现大脑时空动态追踪，提升认知过程理解。

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本工作由美国国家科学基金会（NSF）资助项目BCS0745880支持。

一、引言
在认知神经科学领域，功能磁共振成像（fMRI）已成为标准的分析方法。fMRI 的广泛应用部分归因于其数据采集和分析技术的易得性，以及结果易于解释，能够突出显示与特定认知过程相关的脑区。然而，fMRI 的时间分辨率较差，因此无法追踪大脑功能活动的快速时间动态。如果认知神经科学家继续主要依赖 fMRI，那么所得出的大脑功能图景将存在严重缺陷。尽管事件相关电位（ERPs）方法具有优异的时间分辨率，但其使用频率却远低于 fMRI。本文旨在详细介绍高密度 ERP 数据采集中的关键技术，希望这些信息能够促进 ERP 在认知神经科学中的更广泛应用。
II. 通用设备设置
ERP 数据通常在环境电磁场强度较低的场所进行测量，以尽量减少对神经信号的干扰。为最大限度降低此类干扰，ERP 常在屏蔽金属室（即法拉第笼）内测量，但也可选择未屏蔽但环境场强可接受（1 mg 或更低，可使用电磁场测量仪测定）的场所。每个电极连接至放大器，放大器再连接至数据采集计算机。刺激呈现则使用另一台独立计算机。为减少对神经信号的干扰，屏蔽室或记录区域内部仅应放置必要的带电设备，例如刺激显示器和反应键盘（例如，可使用灯具辅助电极安放，但在记录期间应关闭电源）。可使用视频切换器在单个显示器上交替显示数据采集计算机或刺激呈现计算机的画面。若使用屏蔽室，所有电缆可通过墙体上的小管道（直径几英寸）或门缝穿入。受试者应坐在带有扶手且靠背高度能支撑肩部的舒适座椅上，以尽量减少颈部肌电伪迹，同时便于后续对后下部电极进行阻抗调节。我们使用由 Global Partners in Shielding, Inc.（新泽西州帕塞克）制造的屏蔽室，以及 128 导 Quik-Cap/SynAmps2 NeuroScan 系统（Compumedics USA，北卡罗来纳州夏洛特）。
III. 帽子放置与电极数字化
电极通常嵌入在氨纶材质的帽中，这显著缩短了应用时间。然而，帽中电极的相对位置是固定的，因此无法使用标准的电极配置，例如基于个体受试者精确位置的10-20电极系统1，或更高密度的10-5电极系统2等变体。为了以标准格式呈现最终结果，我们为每位受试者将电极Oz置于接近10-5电极系统规定的位置（然后根据其在10-5电极系统中的近似位置对所有电极进行标记）。在佩戴电极帽时，应确保其左右对称，中线电极位于头部中线上，并且最靠后下方的电极位于颅骨与颈部交界处之上，以避免颈部肌肉伪迹。虽然使用下颌带足以固定电极帽的位置，但使用魔术贴将侧边带子连接到腰部自定义腰带，可改善电极与头部侧面的接触。此外，可在眼睛附近额外放置电极，以便后续去除眼动或眨眼伪迹。
尽管可以合理假设电极放置在不同受试者之间相对一致，但头部尺寸的差异和电极帽的佩戴位置仍会导致电极位置的变异。为解决此类变异，可对每位受试者测量电极位置。我们使用 Polhemus FASTRAK 三维数字化仪（Colchester, VT），该设备包括一个发射器、三个通过魔术贴固定在电极帽上的接收器（用于校正受试者的运动），以及一支用于记录每个电极位置的探针（该硬件与我们用于数据采集的 Neuroscan SCAN/3DSpaceDx 软件兼容）。无论使用何种数字化仪，都应按照指定指南进行设置，例如避免靠近大型金属物体，并将发射器和接收器的电缆分开。数字化仪应进行校准并测试其准确性，必要时应移动至不同位置，直至空间定位准确无误。
IV. 降低电极阻抗
在电极位置完成数字化后，受试者应舒适地坐在记录椅上。部分受试者发现，将一条折叠的毛巾轻轻塞在肩部与椅背之间会更加舒适。随后，应将多电极帽连接至放大器。每个电极的阻抗必须降低至预设阈值以下。这一步骤通过向每个电极孔内注入导电凝胶实现，以使电流能够在头皮与上方电极之间传导。为避免受试者之间的交叉污染，每位受试者必须使用一支新的无菌注射器和钝头针头。值得注意的是，尽管5 kΩ是标准的阻抗阈值，但在环境电磁场强度非常低的情况下，也可采用略高的阈值。我们使用NeuroScan SCAN软件测量电极阻抗，该软件可实时以颜色显示所有电极的阻抗水平。有多种技术可加快阻抗降低过程，这是事件相关电位（ERP）数据采集中最耗时的环节。需谨记，目标是将凝胶仅施用于头皮与正上方电极之间。建议由优势手控制注射器并进行凝胶施加，非优势手执行其他操作。装有导电凝胶的注射器可轻靠头部而不引起受试者不适，但绝不可压迫头部。首先，针对某一特定电极，通常可先将注射器轻靠头部画几圈，以拨开中间的头发。随后，用非优势手轻轻下压电极，同时注入少量凝胶至头皮，然后在持续注入凝胶的同时将注射器抽出，从而在头皮与电极之间形成凝胶桥。从电极孔中溢出的凝胶应使用纸巾擦拭并丢弃。在某些情况下，导电凝胶可能连接相邻电极，导致阻抗相互关联——这会降低空间分辨率，但由于电极数量较多，通常影响较小。应首先向接地电极和参考电极施加凝胶；若初次测量时所有电极阻抗仍较高，则应重新向这两个电极补加凝胶。由于凝胶的导电性通常随时间推移而增强，一种策略是：先向某一头皮象限（如右侧后部头皮）内的电极注入凝胶，直至所有阻抗开始下降；再向下一象限的电极注入凝胶，直至阻抗开始下降；随后循环各象限，重新向阻抗最高的电极补注凝胶。必须强调，凝胶施加过程绝不能引起受试者不适，并应明确告知受试者，一旦感到不适应立即说明，以便及时停止相应操作。
V. 数据记录
在开始记录之前，应让受试者采取舒适的姿势并放松身体，以尽量减少颈部肌肉伪迹，并避免头部移动导致后部电极与椅背接触。需要向受试者强调，在记录过程中应保持相对静止，因为椅子的明显移动（通常含有金属框架）可能产生电磁干扰。随后应向受试者提供反应键盘，并移除或关闭受试者附近的非必要设备，例如照明灯。为了便于后续的事件相关分析，每个刺激事件的起始时间必须由刺激计算机发出信号/触发，并与电生理数据一同接收和存储。我们通过E-Prime程序（Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, PA）经并行端口在每次刺激开始时发送这些触发脉冲，这些程序包含可免费获取的自定义InLine端口初始化和触发脚本3，触发信号由SCAN软件接收并存储。应参考端口配置的引脚定义，以确保使用有效的触发值。值得注意的是，大多数放大器的高通滤波器设置均可接受，因为其目的仅仅是去除与瞬态神经反应无关的极低频成分（如直流成分）。相比之下，合适的低通滤波器设置则取决于记录环境。在环境电磁干扰极低的情况下，可使用截止频率很高的低通滤波器（例如200 Hz），以最大程度减少对包含较高频率成分的神经反应的失真。在干扰水平较高的环境中，可采用较低的截止频率（例如80 Hz）并结合60 Hz陷波滤波器，从而使电生理反应主要反映神经信号。需要注意的是，滤波也可在数据采集后通过软件完成，但在放大器阶段进行滤波通常能产生更少的信号失真。
VI. 清洁帽盖
数据记录完成后，必须立即对多电极帽进行彻底清洁和消毒。首先将电极帽浸泡在温水中5至10分钟，然后用流动水冲洗每个电极，以彻底清除所有导电凝胶。可使用木棒棉签的钝端清理电极上的孔洞。随后将电极帽浸泡在温热的肥皂水浴中（由4夸脱水和1至2盎司Dial洗涤剂组成）30分钟，确保完全去除残留凝胶，之后再用清水彻底冲洗。为避免受试者之间的交叉污染，电极帽必须在适当的水/消毒剂混合液（例如4份水加1份Envirocide）中浸泡15至30分钟，然后再用清水充分冲洗。将电极帽悬挂晾干时，应保持对称且无张力状态，因为电极帽可能在一定程度上保留其干燥时的形态，若形态不规则，可能会影响后续降低阻抗的操作便利性。
七、分析概述
数据预处理4包含多个步骤，包括剔除接触不良或接触不稳定的电极、去除眨眼伪迹、基线校正，以及额外的高通滤波或低通滤波。预处理之后进行事件相关平均，通过进行ERP源定位5可提高空间分辨率。我们使用BESA分析软件（Gräfelfing，德国）进行预处理、事件相关平均和源定位（BESA定期提供为期两天的分析培训课程），并对导出的事件相关平均文件使用基于MATLAB（The MathWorks，Natick，MA）编写的自定义脚本进行进一步分析。

<ol><li>Jasper, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ten-twenty+electrode+system+of+the+International+Federation%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalogr.+Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">The ten-twenty electrode system of the International Federation.</a> Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 10, 371-375 (1958).</li>
<li>Oostenveld, R., Praamstra, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+five+percent+electrode+system+for+high-resolution+EEG+and+ERP+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements.</a> Clin. Neurophysiol. 112, 713-719 (2001).</li>
<li>Trigger onset [Internet]. , Boston College Web. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www2.bc.edu/~slotnics/scripts.htm">http://www2.bc.edu/~slotnics/scripts.htm</a> (2010).</li>
<li>Slotnick, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+retinotopic+reactivation+during+spatial+memory%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Rapid retinotopic reactivation during spatial memory.</a> Brain Res. 1268, 97-111 (2009).</li>
<li>Handy, T. C. Source localization of ERP generators. In Event-Related Potentials: A Methods Handbook. , The MIT Press. Cambridge. 149-166 (2004).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

高密度事件相关电位数据采集在认知神经科学中的应用

High Density Event-related Potential  Data Acquisition in Cognitive Neuroscience

功能磁共振成像（fMRI）目前是认知神经科学领域评估脑功能的标准方法，部分原因是fMRI数据采集和分析技术已广泛可用。由于fMRI具有优良的空间分辨率但时间分辨率较差，该方法仅能用于确定与特定认知过程相关的脑活动的空间位置（几乎无法揭示脑活动的时间进程）。相比之下，事件相关电位（ERP）记录是一种使用频率远低于fMRI的方法，具有优良的时间分辨率，因而能够追踪神经活动的快速时间变化。然而，由于数据采集技术不易获取，且低密度ERP记录的空间分辨率较差，ERP在认知神经科学中的应用受到限制。为了促进ERP在认知神经科学中的更广泛应用，本文详细介绍了高密度ERP数据采集中的关键技术。关键在于，高密度ERP有望实现优良的时间分辨率和良好的空间分辨率（若与fMRI结合，则可达到优良的空间分辨率），这对于捕捉人类脑功能的时空动态至关重要。

关键词：功能磁共振成像，fMRI，事件相关电位，ERP，认知神经科学，高密度ERP，脑功能，时空分辨率，数据采集

事件相关电位（ERP）记录在认知神经科学中应用不足，原因是数据采集技术不易获得，且该方法的空间分辨率通常较差。为了促进ERP在认知神经科学中的更广泛应用，本文详细介绍了高密度ERP数据采集中的关键技术。

功能磁共振成像（fMRI）目前是认知神经科学领域评估脑功能的标准方法，部分原因在于……

高密度事件相关电位（ERPs）可用于追踪人脑功能的快速时间动态。为了获取高密度ERP数据，首先将电极帽佩戴在受试者头部，并对电极位置进行数字化，以适应不同受试者的个体差异和头型变化。随后通过向每个电极注入导电膏来降低电极阻抗。在向受试者呈现视觉刺激的同时采集数据。记录结束后，电极帽将被彻底清洗。所采集的数据用于研究与特定认知过程相关的脑活动的空间和时间动态特征。大家好，我是来自波士顿学院心理学系记忆与知觉实验室的 Scott Slotnik。今天我们将向您展示一种高密度事件相关电位数据采集的实验方案。在我们的实验室中，该方法被用于研究视觉项目记忆过程中大脑活动的时空动态特征。那么，让我们开始吧。事件相关电位（ERPs）提供了一种以优异时间分辨率捕捉人类大脑功能时空动态的方法。数据通常在屏蔽室内采集，以最大程度减少电极所接收神经信号的干扰。每个电极连接到一个放大器，放大器再连接到位于屏蔽室外的数据采集计算机。由于可能对神经信号产生干扰，刺激呈现使用单独的计算机。屏蔽室内应仅放置必要的带电组件，例如刺激显示设备和反应键盘。实验过程中，受试者应坐在带有扶手的舒适椅子上，椅背高度需能提供肩部支撑，以尽量减少颈部肌肉伪迹。首先，我们来看如何佩戴电极帽。受试者的电极嵌入在氨纶材质的帽中，这显著缩短了安放时间，可按照国际十-二十电极系统准确定位电极位置。佩戴电极帽时，应确保其左右对称，并将中线电极置于头部正中线上。此外，确保最靠后下方的电极位于颅骨颈部边界的上方，以避免颈部肌肉伪迹。电极帽就位后，使用下颌带或腰部定制腰带固定侧边绑带，以改善电极与头部侧面的接触。在眼睛附近放置电极，以便后续去除眼动或眨眼伪迹。为解决不同受试者之间电极位置和头型的差异，每位参与者的电极位置均使用Polhemus Fast Trak数字化仪进行测量。数字化仪包含一个发射器、三个接收器（安装在帽上）以及一支触笔，用于在帽佩戴就位且电极数字化完成后记录每个电极的位置。接下来我们开始降低电极阻抗。让受试者舒适地坐在记录用椅子上。部分受试者在肩部与椅背之间轻轻塞入一条折叠的毛巾时会感觉更舒适。现在，将多电极帽连接到放大器上。接下来，必须降低每个电极的阻抗，使其低于约五千欧姆。在本实验室中，我们通过使用无菌注射器和钝头针向每个电极孔内注入导电凝胶，同时利用NeuroScan Scan软件实时监测阻抗来实现这一目标。有多种技术可以加快阻抗降低过程，这是多通道记录中最耗时的环节。从接地电极或参考电极开始，用你的惯用手握住注射器，在头部表面轻轻打几个圈，同时保持注射器轻触头部。为移动电极之间的毛发，请注意不要将注射器用力压在受试者头部。凝胶涂抹过程绝不能引起受试者的不适。接下来，用非优势手轻轻按压电极，同时在头皮处注入少量凝胶，然后在持续注射的同时将注射器抽出。此时，应使用纸巾擦去并丢弃电极开口处突出的、连接头皮与电极凝胶之间的凝胶桥。如果第一组电极的阻抗仍然全部较高，应重新向接地电极和参考电极涂抹导电膏，因为导电膏通常会随着时间推移而导电性增强。一种策略是在某一头皮象限（例如右侧后部头皮）内的电极中注入导电膏，直至所有阻抗开始下降；然后在下一个象限的电极中注入导电膏，直至阻抗开始下降，依此顺序循环处理各个象限。将凝胶重新注入阻抗最高的电极中。在某些情况下，导电凝胶会连接到相邻的电极，导致阻抗相互关联。这会降低空间分辨率，但由于存在大量阻抗降低的电极，通常影响较小。在开始记录之前，先了解如何记录数据。让受试者采取舒适、放松的姿势，并保持静止不动，以尽量减少肌肉和运动伪迹。当受试者感到舒适后，递给他们一个反应键盘，并移除或关闭受试者附近所有非必需的设备（如照明设备），以便进行后续的事件相关分析。每个刺激事件的起始必须由刺激计算机发出信号或触发，并与电生理数据一同存储。我们通过ePrime程序在每次刺激开始时经由并行端口发送触发脉冲，这些程序包含自定义的端口初始化设置以及可自由获取的触发脚本。这些触发信号由扫描软件接收并存储。在记录电生理数据时，应使用标准的高通滤波器，以去除与瞬态神经反应无关的极低频成分（如直流信号）。在干扰极小的环境中，可采用截止频率非常高的低通滤波器；而在环境电磁干扰较高的情况下，可使用截止频率为 200 赫兹的低通滤波器。可使用截止频率约为 80 赫兹的低通滤波器和 60 赫兹的陷波滤波器，以使神经信号成为主导。现在让我们看看如何清洁电极帽。每次实验结束后，必须在记录完成后立即对多电极帽进行彻底清洁和消毒。首先将帽套在温水中浸泡5到10分钟，然后用流动的水冲洗每个电极。为彻底清除所有导电凝胶，使用木棒的钝端或棉签清理电极上的孔洞。接着，将帽套浸泡在含有4夸脱水和1至2盎司Dial肥皂的温热肥皂水中30分钟，以确保完全去除凝胶，之后用清水彻底冲洗帽套。为避免受试者之间的交叉污染，帽套在使用后必须最后一次浸泡在水和消毒剂的混合液中15至30分钟，例如四份水与一份碘伏的混合液，然后在悬挂晾干前再次用清水彻底冲洗。帽套应被对称地放置，且无张力，因为它可能会保留一定程度的干燥时的位置形态，这会降低后续降低阻抗的便利性。最后，让我们通过查看一些代表性结果来总结一下。现在我们将展示在事件相关电位（ERP）数据采集与分析后的一些代表性结果。左侧和右侧的头皮电压地形图分别反映了在准确记忆先前呈现在右视野和左视野的项目时，视觉皮层区域快速的视网膜拓扑再激活。我刚刚向您展示了在此实验流程中如何采集高密度ERP数据。需要始终牢记，参与者的舒适度永远是第一位的。以上就是全部内容。感谢观看，祝您的实验顺利成功。

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