Ereignisbezogene Potenziale und die Oddball-Aufgabe

Angesichts der überwältigenden Menge an sensorischen Informationen in unserer Umwelt muss das Gehirn in der Lage sein, die Verarbeitung bestimmter Reize zu priorisieren, damit es sich weniger um das kümmert, was gerade nicht wichtig ist, und sich um das kümmert, was gerade wichtig ist.

Jeden Tag ist eine Person mehreren Anblicken und Geräuschen ausgesetzt, z. B. Menschen, die im Büro tippen, oder Bildern auf einem Computerbildschirm.

Die Aufmerksamkeit, die jemand solchen Reizen schenkt, hängt zum Teil von seinen Zielen zu einem bestimmten Zeitpunkt ab. Sie können sich beispielsweise gezielt auf ihren Monitor konzentrieren, um eine Präsentation zu überprüfen. Wenn dies geschieht, ignoriert das Gehirn häufige, unwichtige Dinge - wie das Tippen von Kollegen - und kümmert sich stattdessen um die Folien auf dem Bildschirm.

Dies ist ein Beispiel für einen Prozess namens Top-Down-Aufmerksamkeit, bei dem das Gehirn Informationen herausfiltert, die nicht mit einem Ziel zusammenhängen.

Im Gegensatz dazu befasst sich die Bottom-up-Aufmerksamkeit mit einzigartigen, unerwarteten Reizen, die die Fähigkeit haben, die Aufmerksamkeit einer Person zu fesseln, obwohl sie nicht mit einem Ziel verbunden sind.

Diese seltenen Geräusche oder Anblicke werden als seltsame Reize bezeichnet und werden aufgrund ihrer Neuartigkeit vom Gehirn für die Verarbeitung priorisiert, da sie wichtig sein können. Ein Geräusch in der Küche kann bedeuten, dass jemand verletzt ist oder dass es Snacks gibt.

Als Reaktion auf solch wichtige sensorische Ereignisse – den Crash in der Küche – können mehrere Neuronen in der gleichen Hirnregion aktiviert werden, was die Ausbreitung eines elektrischen Signals fördert.

Diese elektrische Reaktion kann an der Kopfhaut mit Elektroden durch Techniken der Elektroenzephalographie - abgekürzt als EEG - gemessen werden, und die resultierende Messung wird als ereigniskorreliertes Potential oder ERP bezeichnet.

In diesem Video untersuchen wir ERPs während eines seltsamen Paradigmas, bei dem den Probanden einzigartige und gemeinsame visuelle Reize gezeigt werden. Wir zeigen, wie man ein EEG-Experiment einrichtet, ERP-Daten analysiert und untersucht, wie Forscher diese Technik anwenden, um andere Aspekte der Aufmerksamkeit zu untersuchen.

In diesem Experiment wird die Gehirnaktivität von Teilnehmern, die zwei Arten von formbasierten Reizen - Grund- und Sonderreize - betrachten, mittels EEG gemessen, um einen Einblick zu gewinnen, wie das Gehirn irrelevante von wichtigen sensorischen Informationen unterscheidet.

Zur Vorbereitung auf das EEG positionieren die Forscher Elektroden, die bereits in eine Kappe eingesetzt sind, an den Teilnehmern. Kopfhaut an bestimmten anatomischen Stellen, so dass die elektrische Aktivität im Gehirn aufgezeichnet werden kann.

Zusätzliche Elektroden werden um die Augen herum platziert, um die Muskelaktivität zu messen, was zu Bewegungsartefakten in EEG-Daten führen kann, und hinter den Ohren an mastoiden Stellen, die als Referenz dienen, an denen nicht-neuronale Informationen gesammelt werden.

Die Teilnehmer werden dann mit den beiden Arten von Reizen vertraut gemacht, die sie sehen werden. Hier bestehen die Baseline-Visuals aus einem einzelnen, roten Kreis, während ein seltsames Bild aus einem einzelnen grünen Kreis besteht.

Die Teilnehmer werden angewiesen, nach grünen Formen Ausschau zu halten, und angewiesen, einen Knopf zu drücken, wenn eine auf dem Bildschirm angezeigt wird.

Während der Aufgabe erscheint jeder Kreis für 1 s auf einem Computermonitor. Nachdem der Kreis verschwunden ist, bleibt der Bildschirm 1 s lang leer und das nächste Bild wird angezeigt.

Der Trick besteht darin, dass den Teilnehmern sporadisch - und viel seltener - grüne Kreise zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Bildern von roten Kreisen gezeigt werden. Von den 160 Stimuli sind nur 64 grün.

Die Idee ist, dass diese "deplatzierten" Zielbilder sowohl die Aufmerksamkeit von unten nach oben – da sie selten sind – als auch die Aufmerksamkeit von oben nach unten auf sich ziehen, da das Ziel der Aufgabe darin besteht, anzuzeigen, wann diese Formen erscheinen.

Infolgedessen reagiert das Gehirn auf diese zielbezogenen, potenziell wichtigen Reize mit der Produktion robuster elektrischer Signale.

Die EEG-Daten werden über alle 160 Studien kontinuierlich aufgezeichnet. Dann wird die Sequenz wiederholt und ein zweiter Satz von 160 Bildern gezeigt, der sicherstellt, dass genügend Informationen gesammelt werden, um echte seltsam induzierte Aktivität von Rauschen zu unterscheiden.

Anschließend werden die EEG-Daten verarbeitet, um ERP-Wellenformen für jede anatomische Stelle zu generieren, über der eine Elektrode platziert wird.

Basierend auf früheren Forschungen werden die kritischsten Daten in der Nähe der Pz-Elektrode erwartet, die sich in der Mitte der Kopfhaut in Richtung Hinterkopf befindet, über der Verbindung der Parietallappen.

Insbesondere wird vorhergesagt, dass eine Komponente dieser parietalen ERPs, die P300 genannt wird - so genannt, weil sie aus einem positiven Peak in der Wellenform besteht, der etwa 300 ms nach der Präsentation eines sensorischen Stimulus auftritt - als Reaktion auf grüne seltsame Kreise verstärkt wird.

Um den Test zu starten, begrüßen Sie den Teilnehmer und stellen Sie sicher, dass er alle entsprechenden Einverständniserklärungen unterschreibt. Vergewissern Sie sich auch, dass sie keine Haarprodukte wie Mousse verwendet haben, die die EEG-Aufzeichnungen beeinträchtigen könnten.

Bevor Sie fortfahren, rühren Sie zuerst das leitfähige Elektrodengel um, um eventuelle Luftblasen freizusetzen. Verwenden Sie es dann, um eine 10-ml-Spritze zu füllen, die beim Auftragen dieser Substanz auf Elektrodenanordnungen im späteren Verlauf des Protokolls hilfreich ist.

Nachdem die Spritze vorbereitet wurde, bürsten Sie das Haar und die Kopfhaut des Teilnehmers gründlich und reinigen Sie den Oberkopf mit in Alkohol getränkter Wattegaze.

Sterilisieren Sie anschließend die Haut hinter den Ohren der Teilnehmer über und unter dem linken Auge und in den äußersten horizontalen Positionen beider Augen auf ähnliche Weise.

Legen Sie anschließend eine Fläche einer zweiseitigen Klebescheibe gegen eine Elektrode. Tragen Sie auf der anderen Seite Gel auf die freiliegende Elektrode auf und befestigen Sie es dann an der gereinigten Stelle über dem linken Auge. Wiederholen Sie diesen Vorgang an den verbleibenden sterilisierten Positionen auf dem Gesicht.

Um die Größe der zu verwendenden EEG-Kappe zu bestimmen, messen Sie den Abstand von der Vorderseite des Kopfes des Teilnehmers direkt zwischen den Augenbrauen bis zur Inionenprojektion des Schädels, die sich unterhalb der Beule am Hinterkopf befindet. Markieren Sie oberhalb des mittleren Augenpunkts 10 % des gemessenen Abstands auf der Stirn.

Wählen Sie bei der Auge-in-Ionen-Messung eine Kappe, die in den Standardumfangsbereich passt, und platzieren Sie sie so, dass die FPz-Elektrode – die zentrale, vorderste – über der Markierung auf der Stirn positioniert ist. Verbinden Sie dann jede der Gesichtselektroden mit dem entsprechenden Kabel an der Kappe.

Nachdem Sie die mit Gel gefüllte Spritze entnommen haben, informieren Sie den Teilnehmer, dass Sie die abgestumpfte Spitze in jede Elektrode einführen werden. Hebe nun jedes einzelne an und kratze das darunterliegende Haar beiseite, wobei du darauf achtest, die Haut nicht zu verletzen.

Fahren Sie dann mit dem Einführen des Gels fort und wiederholen Sie diesen Vorgang für die verbleibenden Kappenelektroden, um sicherzustellen, dass die an der Kopfhaut gesammelten elektrischen Signale richtig geleitet werden.

Anschließend begeben Sie sich mit dem Teilnehmer in einen ruhigen Raum mit akustischer und elektrischer Abschirmung und stecken die gesamte Kappe in das Aufnahmesystem.

Überprüfen Sie mit dem zugehörigen Computerprogramm die Impedanzen der Elektroden-Kopfhaut-Verbindungen. Wenn die Impedanz über 10 K liegt? Stellen Sie bei jeder Elektrode, die zu Rauschen in EEG-Spuren führen kann, sicher, dass sie ein leitfähiges Gel enthält und dass alle darunter liegenden Haare entfernt wurden.

Beachten Sie, dass alle Impedanzwerte nun unter 10 K liegen sollten.

Lassen Sie den Teilnehmer zur Vorbereitung auf die Verhaltensaufgabe so sitzen, dass er etwa 75 cm vom Monitor entfernt positioniert ist, und geben Sie ihm eine Antwortbox, die er halten soll. Betonen Sie, dass sie die Timing-Taste nur drücken sollten, wenn sie einen grünen Kreis auf dem Bildschirm sehen.

Nachdem der Teilnehmer die Aufgabe verstanden hat, starten Sie das EEG-System. Erlauben Sie ihnen, die 64 Target-Stimulus-Versuche zu absolvieren, die mit den 96 Nicht-Target-Kontrollversuchen durchsetzt sind. Starten Sie nach den 160 Versuchen die Wiederholung der Sequenz.

Sobald alle Daten gesammelt wurden, importieren Sie die Ergebnisse in ein Analyseprogramm, um die Offlineverarbeitung zu starten. Isolieren Sie zunächst nur die neuronalen Signale, indem Sie die Informationen auf gemittelte Mastoidwerte verweisen.

Fahren Sie fort, indem Sie die kontinuierlichen EEG-Aufzeichnungen in Epochen einteilen, die 200 ms vor und 1000 ms nach dem Einsetzen jedes Stimulus beginnen, in diesem Fall entweder grüne oder rote Kreise.

Fahren Sie mit der Baseline fort und passen Sie diese Zeitrahmen mit den Abschnitten an, die 200 ms vor dem Einsetzen des Stimulus auftreten.

Um Bewegungsartefakte zu korrigieren, eliminieren Sie dann Zeiträume, in denen eine Signaländerung von mehr als 150 ? V wurde an einer der Elektroden aufgezeichnet - nicht nur an der, die Daten von einer anatomischen Stelle von Interesse sammelte.

Anschließend wird für jede Elektrode der Durchschnitt der EEG-Daten aus allen Basisbildversuchen vorgenommen, um eine ERP-Wellenform zu erstellen. Berechnen Sie in ähnlicher Weise den Durchschnitt der Daten für seltsame Studien.

Um die Daten zu analysieren, zeigen Sie die ERP-Durchschnittswerte von der Pz-Aufzeichnungssite sowohl für das grüne Ziel- als auch für das rote Kontroll-Shape an. Bestimmen Sie für die parietalen P300-Komponenten die Amplitude - die Höhe der Komponente über dem Basislinienwert von 0 ? V?und seine Latenz?wie lange es in ms erscheint, nachdem der Teilnehmer den Kreis betrachtet hat.

Verwenden Sie dann für diese Spitzenamplituden und Latenzen F-Tests, um zu bestimmen, ob es einen Unterschied zwischen Ausgangs- und Oddball-Stimuli gibt.

Beachten Sie, dass bei grünen Oddball-Formen die Spur etwa 350 ms nach Beginn des Stimulus ihren Höhepunkt erreichte, während kein P300-Peak beobachtet wurde, wenn der Teilnehmer die roten Zielkreise der Kontrolle betrachtete.

Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass die Aktivität im Parietallappen zunimmt, wenn seltsame Reize präsentiert werden, was die neuronalen Prozesse widerspiegelt, die aufgabenrelevante, hervorstechende Reize identifizieren.

Nachdem Sie nun wissen, wie Forscher das Paradigma der visuellen Sonderlinge in der sensorischen Informationsverarbeitung anwenden, werfen wir einen Blick darauf, wie Wissenschaftler diese Technik anwenden, um ERPs in anderen Bereichen zu analysieren.

Obwohl wir uns auf ERPs konzentriert haben, die von gesunden Gehirnen produziert werden, verwenden einige Forscher das seltsame Paradigma, um zu verstehen, wie Gehirnerschütterungen - Verletzungen infolge eines Kopftraumas - kognitive Prozesse beeinflussen.

Zum Beispiel gibt es Hinweise darauf, dass Studenten, die eine Gehirnerschütterung erlitten haben und Symptome wie Schwindel oder Verwirrtheit zeigen, signifikant niedrigere P300-Spitzenwerte produzieren, wenn sie ein seltenes seltsames Bild betrachten, verglichen mit unverletzten Kontrollteilnehmern.

Dies deutet darauf hin, dass Gehirnerschütterungen sich negativ darauf auswirken können, wie das Gehirn auf potenziell wichtige sensorische Informationen reagiert und diese verarbeitet.

Andere Forscher haben eine Modifikation des seltsamen Paradigmas verwendet - eines, das unerwartete Geräusche anstelle von Bildern beinhaltet -, um die Unterschiede zwischen Top-Down- und Bottom-Up-Aufmerksamkeit besser zu verstehen.

Durch die Untersuchung von ERPs, die von seltsamen Tönen erzeugt werden, haben Wissenschaftler festgestellt, dass der P300-Peak nicht nur durch seltene Töne verstärkt wird, sondern dass diese Komponente aus zwei Unterteilen bestehen kann: einem frühen Teil namens P3a und einem späteren P3b-Element.

Interessanterweise werden diese beiden Peaks in den ERPs der Teilnehmer beobachtet, mit dem Ziel, seltene Klangreize zu identifizieren. Allerdings tritt nur P3a in den Wellenformen der Teilnehmer auf, denen gesagt wurde, dass sie nur passiv auf Geräusche hören sollten, und denen kein Ziel gegeben wurde, seltsame Geräusche zu identifizieren.

Es wird also angenommen, dass P3a mit der Bottom-up-Aufmerksamkeit zu tun hat - und wie das Gehirn auf neue Reize reagiert -, während P3b wahrscheinlich die Top-Down-Aufmerksamkeit widerspiegelt und wie das Gehirn Ziele kognitiv klassifiziert.

Sie haben gerade das Video von JoVE gesehen, in dem es darum geht, das Oddball-Paradigma zu verwenden, um die Verarbeitung von sensorischen Reizen zu untersuchen - insbesondere im Parietallappen. Inzwischen sollten Sie wissen, wie Sie verschiedene Reize entwerfen, EEGs aufzeichnen sowie ERPs generieren und analysieren können. Sie sollten auch verstehen, wie ERPs Einblicke in kognitive Prozesse geben und verwendet werden können, um bestimmte Verletzungen besser zu verstehen.

Danke fürs Zuschauen!