Articolo metodologico

Registrazione dell'attività cerebrale con elettroencefalografia dell'orecchio

DOI:

10.3791/64897

⸱

31 marzo 2023

 , 
1Neurophysiology of Everyday Life Group, Department of Psychology, University of Oldenburg, 2Research Center for Neurosensory Science, University of Oldenburg

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Presentata qui è la procedura per l'utilizzo della c-grid (elettroencefalografia auricolare, venduta con il nome di cEEGrid) per registrare l'attività cerebrale all'interno e all'esterno del laboratorio per periodi prolungati. Questo protocollo descrive come impostare questi array e come registrare l'attività cerebrale utilizzandoli.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La c-grid (elettroencefalografia auricolare, venduta con il nome di cEEGrid) è una matrice di elettrodi discreta e confortevole che può essere utilizzata per studiare l'attività cerebrale dopo l'apposizione intorno all'orecchio. La c-grid è adatta per l'uso al di fuori del laboratorio per lunghi periodi, anche per l'intera giornata. Vari processi cognitivi possono essere studiati utilizzando queste griglie, come dimostrato da ricerche precedenti, compresa la ricerca al di fuori del laboratorio. Per registrare dati auricolari EEG di alta qualità, è necessaria un'attenta preparazione. In questo protocollo, spieghiamo i passaggi necessari per la sua implementazione di successo. Innanzitutto, viene mostrato come testare la funzionalità della griglia prima di una registrazione. In secondo luogo, viene fornita una descrizione su come preparare il partecipante e su come adattare la c-grid, che è il passo più importante per la registrazione di dati di alta qualità. In terzo luogo, viene fornito uno schema su come collegare le griglie a un amplificatore e su come controllare la qualità del segnale. In questo protocollo, elenchiamo le raccomandazioni e i suggerimenti sulle migliori pratiche che rendono le registrazioni c-grid di successo. Se i ricercatori seguono questo protocollo, sono completamente attrezzati per sperimentare con la c-grid sia all'interno che all'esterno del laboratorio.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Con l'elettroencefalografia auricolare mobile (EEG), l'attività cerebrale può essere registrata nella vita di tutti i giorni e nuove conoscenze sull'elaborazione neurale oltre il laboratorio possono essere acquisite1. Per essere adatto alla vita di tutti i giorni, un sistema auricolare EEG mobile dovrebbe essere trasparente, discreto, facile da usare, tollerante al movimento e comodo da indossare anche per diverse ore2. La c-grid (venduta con il nome cEEGrid), un sistema auricolare EEG a forma di c, mira a soddisfare questi requisiti per ridurre al minimo le interferenze con il comportamento naturale. La griglia è composta da 10 elettrodi Ag/AgCl stampati su materiale Flexprint3. In combinazione con un amplificatore mobile miniaturizzato e uno smartphone per l'acquisizione dati 4,5, queste griglie possono essere utilizzate per raccogliere dati auricolari-EEG per più di 8 ore 1,6.

Diversi studi condotti in laboratorio hanno dimostrato il potenziale delle c-grid per lo studio dei processi uditivi e di altri processi cognitivi. Le griglie C sono state utilizzate con successo per la decodifica dell'attenzione uditiva con precisioni superiori al livello di probabilità 7,8,9,10,11. Segaert et al.12 hanno utilizzato questi array per quantificare la compromissione del linguaggio in pazienti con decadimento cognitivo lieve. Garrett et al.13 hanno dimostrato che questi array possono catturare potenziali cerebrali uditivi provenienti dal tronco cerebrale. Oltre alla ricerca incentrata sul dominio uditivo, Knierim et al.14 hanno utilizzato le griglie per studiare le esperienze di flusso (cioè la sensazione di coinvolgimento totale in un compito), misurate dai cambiamenti nella potenza alfa. Infine, Pacharra et al.15 hanno usato queste griglie per un compito visivo. Tutti questi studi di laboratorio mostrano i vari processi cognitivi che possono essere catturati con queste griglie.

Queste griglie possono essere utilizzate anche per registrazioni EEG oltre il laboratorio, come illustrato da diversi studi. Ad esempio, questi array sono stati utilizzati per valutare il carico mentale in un simulatore di guida 16,17 e per studiare la sordità disattenta, la non percezione dei suoni di allarme critici, in un simulatore di volo18. Le griglie sono particolarmente promettenti per le registrazioni a lungo termine, come il monitoraggio a lungo termine delle crisi epilettiche2 e la stadiazione del sonno6. Hölle et al.1 hanno utilizzato queste griglie per misurare l'attenzione uditiva durante un giorno d'ufficio per 6 ore. In sintesi, tutti questi studi evidenziano il loro potenziale per indagare vari processi cerebrali all'interno e all'esterno del laboratorio.

Ogni registrazione EEG richiede un'attenta preparazione per ottenere risultati validi. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni mobili in cui ci si può aspettare più artefatti che in laboratorio a causa del movimento del partecipante. Per garantire risultati ottimali, sono necessarie fasi di preparazione specifiche. Dichiariamo i passaggi critici nella preparazione delle griglie, nella preparazione del partecipante per la raccolta dei dati e nell'adattamento e collegamento delle griglie per le registrazioni EEG. Sottolineiamo potenziali errori e mostriamo esempi di scarsa qualità dei dati quando l'allegato non è corretto. Infine, vengono mostrati i risultati rappresentativi di un compito stravagante suonato al pianoforte.

Protocollo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La procedura generale utilizzata in questo protocollo è stata approvata dal comitato etico dell'Università di Oldenburg. Il partecipante ha fornito il consenso informato scritto prima della sua partecipazione.

NOTA: Le griglie c devono essere utilizzate solo su pelle non danneggiata e con partecipanti che non hanno un'allergia all'adesivo utilizzato. Ha due lati. C'è un testo nero all'esterno. Le superfici conduttive degli elettrodi sono all'interno e sono rivolte verso la pelle del partecipante durante la registrazione. È importante sottolineare che maneggiare queste griglie con cura. Non toccare le superfici conduttive, non piegare le griglie, non piegarle eccessivamente ed evitare di tirarle.

1. Collaudo

NOTA: Se maneggiate con cura, le griglie c possono essere riutilizzate più volte. Per garantire un funzionamento ottimale, verificare che tutti gli elettrodi funzionino correttamente prima della registrazione successiva. Eseguire la stessa procedura per le nuove griglie per identificare potenziali problemi (ad esempio, a causa di problemi nel processo di produzione) prima dell'inizio della registrazione. Ci sono diverse opzioni per verificare rapidamente la presenza di problemi (ad esempio, un elettrodo rotto).

  1. Opzione 1: Multimetro.
    1. Impostare un multimetro per misurare la resistenza.
    2. Collegare un pin del multimetro all'elettrodo e l'altro pin al contatto corrispondente sull'estremità del connettore.
    3. Verificare se è possibile misurare una bassa resistenza (<10 kΩ) per ciascun elettrodo.
  2. Opzione 2: gel per elettrodi
    1. Utilizzare il gel dell'elettrodo per collegare tutti gli elettrodi. Assicurarsi che non ci siano spazi tra gli elettrodi.
    2. Collegare la griglia al connettore di un amplificatore. Per visualizzare un segnale, collegare la griglia al lato con gli elettrodi di riferimento e di massa in base al layout del connettore utilizzato.
    3. Utilizzare il controllo dell'impedenza dell'amplificatore. Controllare l'impedenza dell'elettrodo di riferimento e di tutti gli otto elettrodi di registrazione (10 elettrodi in totale meno gli elettrodi di massa e di riferimento); devono avere tutti una bassa impedenza (<10 kΩ). Successivamente, pulire il gel.
  3. Opzione 3: Acqua
    NOTA: Utilizzare questa opzione con cautela per non causare danni causati dall'acqua all'apparecchiatura.
    1. Immergere tutti gli elettrodi in un bicchiere d'acqua, ma assicurarsi di mantenere la coda della griglia asciutta. In alternativa, posizionare la griglia c in una piastra riempita d'acqua (con gli elettrodi rivolti verso la piastra).
    2. Collegare la griglia al connettore dell'amplificatore.
    3. Utilizzare il controllo dell'impedenza dell'amplificatore. Controllare l'impedenza dell'elettrodo di riferimento e di tutti gli otto elettrodi di registrazione (10 elettrodi in totale meno gli elettrodi di massa e di riferimento); devono avere tutti una bassa impedenza (<10 kΩ). Successivamente, asciugare la griglia c con un fazzoletto.

2. Preparazione del partecipante

NOTA: Per registrazioni di alta qualità, il partecipante deve avere capelli puliti e asciutti, non deve aver usato prodotti per capelli (ad esempio, prodotti per lo styling) o prodotti per la pelle e non deve indossare il trucco. Se possibile, i partecipanti dovrebbero lavarsi i capelli direttamente prima della registrazione con uno shampoo delicato e neutro e anche lavare le aree intorno alle orecchie. Chiedi ai partecipanti di indicare se uno qualsiasi dei passi preparatori è scomodo per loro.

  1. Per preparare il partecipante, lo sperimentatore ha bisogno di accedere all'area dietro e intorno all'orecchio. Per i partecipanti con capelli più lunghi, utilizzare fermagli per capelli per un accesso più facile.
  2. Posiziona una griglia C intorno all'orecchio del partecipante per vedere come si adatta. Inoltre, controlla se può essere posizionato intorno all'orecchio senza toccare l'orecchio. Assicurati che non tocchi la parte posteriore dell'orecchio o il lobo dell'orecchio, poiché ciò può essere scomodo dopo un po 'di tempo. Questo pre-montaggio fornisce anche un'indicazione dell'area che sarà coperta e, quindi, deve essere pulita.
    NOTA: queste griglie sono disponibili in un'unica taglia e non si adattano a tutte le dimensioni delle orecchie. Per le orecchie più grandi, tagliare parte della plastica intorno agli elettrodi all'interno della C con un piccolo paio di forbici. Prestare particolare attenzione a non tagliare gli elettrodi o il percorso conduttivo.
  3. Applicare una piccola goccia di gel per elettrodi abrasivi su un fazzoletto. Utilizzare il gel per pulire la pelle intorno all'orecchio del partecipante con una certa pressione, ma assicurarsi che rimanga confortevole per il partecipante. Assicurati di pulire generosamente l'intera area che sarà coperta.
  4. Immergere un fazzoletto in un po 'di alcool e pulire l'area dietro l'orecchio con questo tessuto.
  5. Asciugare l'area pulita con un asciugamano pulito.
  6. Per livelli più elevati di comfort, opzionalmente posizionare un piccolo pezzo di nastro sul lato posteriore dell'orecchio.
  7. Ripetere tutti i passaggi precedenti (passaggi 2.1-2.5) per l'altro orecchio.

3. Preparazione e montaggio delle griglie

NOTA: Esistono diversi modi per fissare la griglia C utilizzando il nastro biadesivo. Qui sono presentate due opzioni: adesivi a forma di c (forniti dal produttore) che coprono l'intera superficie e piccoli adesivi circolari che vengono posizionati individualmente attorno agli elettrodi (ad esempio, durante il riutilizzo).

  1. Attaccare adesivi biadesivi (a forma di C o individuali) attorno a ciascun elettrodo. Assicurarsi che gli adesivi non coprano la superficie conduttiva degli elettrodi.
  2. Metti piccole gocce (delle dimensioni di una lenticchia) di gel per elettrodi su ciascun elettrodo. Evitare di usare troppo gel, in quanto potrebbe riversarsi sul materiale adesivo e ridurre l'adesione alla pelle. Troppo gel potrebbe anche creare ponti tra gli elettrodi.
  3. Rimuovere il coperchio dell'adesivo/i adesivo/i. Riapplicare il gel nel caso in cui sia stato rimosso durante questo passaggio. In alternativa, rimuovere il primo coperchio e applicare il gel quindi; Tuttavia, ciò richiede una mano molto ferma in modo che il gel non si rovesci accidentalmente sull'adesivo.
  4. Chiedere al partecipante di tenere i capelli lontani dall'orecchio in modo che non ostruiscano il montaggio. Sposta i peli il più possibile in modo che gli adesivi tocchino direttamente la pelle. A seconda dell'attaccatura dei capelli, questo non è sempre possibile (ad esempio, quando ci sono peli direttamente sopra l'orecchio).
  5. Posizionare la griglia intorno all'orecchio e, quando è in posizione, premerla sulla pelle. Assicurati di non posizionarlo troppo vicino all'orecchio, poiché potrebbe diventare scomodo per il partecipante. Lasciare un po 'di spazio (da 1 mm a 2 mm) tra la griglia e il lato posteriore dell'orecchio. Inoltre, chiedere al partecipante di premere sugli elettrodi.
  6. Ripetere tutti i passaggi precedenti (passaggi 3.1-3.5) per l'altro orecchio.
  7. Rimuovere eventuali fermagli per capelli. Posizionare con attenzione gli occhiali o le strisce di maschere facciali sulle orecchie, se necessario.

4. Connessione

  1. Collegare il connettore all'amplificatore. Durante questa fase, evitare di piegare o tirare eccessivamente sulla griglia c.
  2. Collegare i contatti al connettore. Assicurarsi che i contatti siano collegati sul lato corretto. Assicurarsi che i contatti esposti all'interno della griglia c siano rivolti verso i contatti nel connettore.
    NOTA: è importante conoscere la disposizione del connettore utilizzato (compresa la posizione della massa e gli elettrodi di riferimento). A seconda del sistema utilizzato, il layout può variare. Per creare un connettore, visitare https://uol.de/psychologie/abteilungen/ceegrid. Con il connettore giusto, le c-grid possono essere collegate a qualsiasi amplificatore.
  3. Per tenere l'amplificatore in posizione, utilizzare una fascia, ad esempio, per fissarlo sulla testa.
    NOTA: Il laboratorio di Oldenburg utilizza un amplificatore integrato in un altoparlante da collo chiamato nEEGlace. Il nEEGlace rende la configurazione più comoda e veloce.

5. Controllare l'impedenza e i dati

  1. Collegare l'amplificatore a uno smartphone (opzionale: un laptop) tramite Bluetooth.
  2. Controllare l'impedenza degli elettrodi con il controllo dell'impedenza dell'amplificatore. L'impedenza di solito migliora nel tempo (da 5 minuti a 10 minuti) e non deve essere inferiore a 10 kΩ per ciascun elettrodo all'inizio. Non cercare di mettere più gel sotto gli elettrodi con un'alta impedenza.
  3. Controllare il segnale EEG. Chiedi al partecipante di stringere le mascelle, di battere le palpebre e di chiudere gli occhi (attività alfa). Osservare gli artefatti corrispondenti e l'attività alfa nel segnale. Assicurati che ogni elettrodo fornisca un buon segnale. Se il segnale EEG risultante è scarso, rimuovere la griglia, rimuovere qualsiasi gel residuo intorno all'orecchio del partecipante e montarne uno nuovo.
  4. Inizia la registrazione.

6. Rimozione e pulizia

  1. Dopo aver terminato la registrazione dei dati, scollegare il telefono (o laptop) dall'amplificatore. Staccare le griglie dall'amplificatore e rimuovere l'amplificatore dal partecipante. Rimuovere delicatamente le griglie c dal partecipante. Assicurati di non piegare troppo la griglia C né di strappare i capelli del partecipante. Permettere ai partecipanti di pulirsi con fazzoletti o un asciugamano.
  2. Immergere le griglie in acqua per alcuni minuti. Possono essere completamente sommersi.
  3. Stacca con attenzione gli adesivi per evitare danni. Risciacquare via il gel residuo. Asciugare all'aria le griglie. Non strofinare sulla superficie conduttiva degli elettrodi.
  4. Conservare le griglie C in modo sicuro in un luogo buio e asciutto.

Risultati

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Quando si segue questo protocollo, l'impedenza di ciascun elettrodo è solitamente inferiore a 10 kΩ o si avvicina a questo valore pochi minuti dopo aver posizionato la griglia (Figura 1), indicando un buon contatto elettrodo-pelle. Da notare, l'impedenza può ancora migliorare entro 2 ore dopo il montaggio.

La Figura 2 illustra diversi segnali EEG non elaborati. La figura 2A illustra l'aspetto dei dati quando non viene utilizzato alcun gel. È necessario un gel conduttivo e la griglia non funziona correttamente senza l'uso del gel. Se viene utilizzato troppo gel, gli elettrodi potrebbero essere collegati. I dati per questo scenario sono illustrati nella Figura 2B. Gli elettrodi a ponte mostrano esattamente lo stesso segnale. Quando la preparazione e il montaggio vengono eseguiti con attenzione, ci si può aspettare dati di alta qualità, come mostrato nella Figura 2C.

La Figura 3 illustra la procedura e i dati di un paradigma ERP (Event-Related Potential) esemplare (oddball task) con un partecipante. La figura 3A illustra il paradigma. In particolare, lo sperimentatore ha suonato una sequenza predefinita di due diverse note sul pianoforte (Do centrale e Sol centrale). Il Do centrale è stato suonato frequentemente (328 volte), e il Sol centrale è stato giocato raramente (78 volte); Il partecipante doveva contare le note poco frequenti. L'app open source AFEx ha registrato gli onsset di toni, il volume (RMS) e il contenuto spettrale (PSD) per tutti i toni. L'app Record-A ha registrato contemporaneamente le caratteristiche acustiche e l'EEG4. Nelle analisi, i toni poco frequenti e frequenti sono stati differenziati in base alla densità spettrale di potenza (PSD; vedi Hölle et al.19 per i dettagli). I dati EEG sono stati filtrati passa-alto a 0,1 Hz e passa-basso filtrati a 25 Hz. Un filtro spaziale è stato calcolato utilizzando la decomposizione autovettoriale generalizzata, che massimizza il segnale di interesse20. Nella Figura 3B,C, è possibile osservare l'ERP risultante con componenti tipici dell'elaborazione uditiva, come l'N1 per entrambi i toni e il P3 per il tono poco frequente che doveva essere contato. Questi risultati sono coerenti con precedenti studi oddball sia con c-grids 1,3 che con cap-EEG 21,22.

figure-results-1
Figura 1: Esempio di buona impedenza. Tutti i valori sono espressi in kiloohm (kΩ). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

figure-results-2
Figura 2: Illustrazione di segnali non elaborati con qualità diverse . (A) Esempio di 10 s di dati quando non viene utilizzato alcun gel elettrodo. (B) Esempio di 10 s di dati quando gli elettrodi sono collegati a ponte. (C) Esempio di 10 s di buoni dati acquisiti in laboratorio. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

figure-results-3
Figura 3: Risultati di un paradigma di potenziale correlato agli eventi (ERP) (oddball task) con un partecipante . (A) Panoramica del paradigma. Il partecipante ha ascoltato una sequenza di toni suonati su un pianoforte e ha dovuto contare quello raro. Lo smartphone ha registrato contemporaneamente gli EEG e le caratteristiche acustiche (B) ERP di tutti i canali c-grid. Abbreviazioni: REF = elettrodo di riferimento; DRL = elettrodo di massa. (C) ERP basato sul filtro spaziale visualizzato nell'angolo in alto a sinistra. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Discussione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Qui è fornito un protocollo per le registrazioni ear-EEG con le c-grid. Seguire i passaggi di questo protocollo garantisce registrazioni di alta qualità. Nei paragrafi seguenti, viene effettuato un confronto con cap-EEG, vengono discussi i passaggi più critici del protocollo insieme ad alcune raccomandazioni sulle migliori pratiche e vengono discusse alcune modifiche.

Confronto tra c-grid e cap-EEG e EEG in-ear
La c-grid consente la registrazione discreta dell'attività cerebrale nelle impostazioni della vita quotidiana ed è adatta per registrazioni più lunghe. Ha diversi vantaggi rispetto al cap-EEG. In primo luogo, grazie al suo peso, comfort e scarsa visibilità, limita a malapena i partecipanti alle loro attività quotidiane1. In secondo luogo, può essere indossato per lunghi periodi di tempo - più di 11 ore in uno studio 6 - senza che gli elettrodi cadanoda 1,3,6, poiché sono sigillati dagli adesivi. Al rovescio della medaglia, la griglia c copre solo una frazione della superficie del cap-EEG e, quindi, non può sostituire il cap-EEG per tutti gli scopi. Tuttavia, nei casi in cui è necessaria una soluzione leggera, discreta, rapida da configurare e minimamente restrittiva (ad esempio, sul posto di lavoro), le c-grid possono fornire informazioni neurali rilevanti.

Il confronto dei risultati tra i partecipanti è potenzialmente più difficile per le c-grid rispetto al cap-EEG. Per il cap-EEG, spesso viene utilizzato il sistema internazionale 10-20 per facilitare il confronto dei risultati tra studi e tra partecipanti con diverse dimensioni della testa. In questo sistema, gli elettrodi sono posizionati rispetto a specifici punti di riferimento anatomici (ad esempio, il nasion e l'inion per la parte anteriore e posteriore e le orecchie da sinistra a destra). In pratica, vengono utilizzate diverse dimensioni del cappuccio per tenere conto delle diverse dimensioni della testa e quindi approssimare il posizionamento ottimale dell'elettrodo. La c-grid non può essere facilmente integrata in tale sistema per due motivi. Innanzitutto, questi sono attualmente disponibili in un'unica taglia e, quindi, coprono più o meno spazio a seconda delle dimensioni della testa. In secondo luogo, la forma dell'orecchio influenza il posizionamento delle griglie. In generale, i due elettrodi più in alto saranno direttamente sopra l'orecchio, ma a seconda della forma dell'orecchio, potrebbero essere inclinati più in avanti o dietro. Non siamo a conoscenza di alcuno studio che abbia indagato se questi spostamenti nelle posizioni degli elettrodi siano abbastanza grandi da essere rilevanti.

Un altro approccio per misurare l'EEG auricolare è quello di posizionare gli elettrodi all'interno dell'orecchio, ad esempio, nel condotto uditivo esterno o nella concha23,24,25. Tale approccio offre una visibilità ancora inferiore rispetto alla c-grid ma porta a registrare segnali con ampiezze inferiori a causa delle piccole distanze tra gli elettrodi26.

Passaggi più critici
L'EEG in generale, e in particolare l'EEG mobile centrato sull'orecchio, rimane una tecnologia impegnativa. Pertanto, l'attenta preparazione del partecipante e il posizionamento delle griglie è essenziale per garantire una buona qualità dei dati nel tempo. La preparazione inizia con i capelli e la pelle dei partecipanti. I capelli e la pelle intorno all'orecchio devono essere lavati e asciugati. Inoltre, lo sperimentatore deve pulire accuratamente l'area intorno all'orecchio con gel abrasivo e alcool e assicurarsi che le griglie siano saldamente fissate con gli adesivi. Questi passaggi sono importanti e devono essere eseguiti con attenzione per garantire una buona adesione elettrodo-pelle e una bassa impedenza per periodi più lunghi. La pulizia della pelle in particolare può fare la differenza tra una registrazione riuscita e una non riuscita.

Anche con la dovuta cura, tuttavia, l'impedenza per i singoli elettrodi può ancora essere scarsa subito dopo il posizionamento degli elettrodi. In generale, l'interfaccia elettrodo-pelle si stabilizza nel tempo e spesso osserviamo che l'impedenza diminuisce entro 5 minuti a 15 minuti. Se la qualità del segnale rimane scarsa, si consiglia di rimuovere completamente le griglie, rimuovere qualsiasi gel residuo intorno all'orecchio del partecipante e montarne uno nuovo. È più veloce montarne uno nuovo rispetto alla pulizia e alla preparazione della griglia precedentemente rimossa. Non è consigliabile aggiungere gel elettrodico ai singoli elettrodi una volta montata la griglia in quanto ciò può compromettere la forza di adesione degli adesivi e può persino portare al ponte degli elettrodi vicini.

Dopo che la griglia è stata posizionata e quando l'impedenza degli elettrodi è bassa, è possibile iniziare la registrazione dei dati. Per registrazioni più lunghe (>1 ora), all'inizio deve essere effettuato un breve controllo della qualità dei dati. Ad esempio, un compito uditivo di 3 minuti è esemplificato in questo studio, che può essere condotto e analizzato rapidamente per garantire una buona qualità del segnale.

In alcuni casi, la registrazione con la griglia c potrebbe non essere affatto possibile, ad esempio quando la griglia è troppo piccola per l'orecchio (anche dopo il taglio) o quando l'attaccatura dei capelli è troppo vicina all'orecchio, il che significa che la griglia non si attacca alla pelle. Se la griglia "si libra" su alcuni capelli, i ricercatori non possono aspettarsi dati di alta qualità.

Risoluzione dei problemi
Impedenza e/o segnale difettosi
Per evitare questi problemi, è imperativo che la pelle venga accuratamente pulita prima dell'adattamento. Inoltre, è necessario assicurarsi di testare la funzionalità di ciascun elettrodo prima del montaggio. Ad esempio, si dovrebbe verificare che la griglia sia collegata correttamente al connettore e che ogni elettrodo abbia un contatto stabile con la pelle e quindi attendere alcuni minuti fino a quando l'impedenza e il segnale migliorano. Per verificare ulteriormente la funzionalità dopo il montaggio, è necessario premere i singoli elettrodi e controllare il segnale risultante. Se il segnale corrispondente di ciascun elettrodo mostra una risposta, l'elettrodo è funzionale in linea di principio. Se tutti i passaggi precedenti non aiutano, è necessario rimuovere la griglia, rimuovere il gel residuo intorno all'orecchio del partecipante e montarne uno nuovo.

Situazioni senza segnale
In primo luogo, è necessario assicurarsi che la griglia sia collegata correttamente all'amplificatore, oltre a garantire che il connettore della griglia non sia capovolto. Ci sarà un segnale solo se gli elettrodi di terra e di riferimento sono collegati; Se la massa e il riferimento saranno a sinistra, a destra o su entrambi i lati dipende dal connettore.

Il segnale peggiora durante la registrazione
Ci possono essere diversi motivi per questo problema che devono essere affrontati. In primo luogo, alcuni degli elettrodi potrebbero essersi staccati dalla pelle. Ciò può accadere quando l'adesivo è compromesso dai resti del gel dell'elettrodo, dai capelli sotto gli elettrodi o a causa di interferenze da parte del partecipante (ad esempio, graffi intorno all'orecchio o regolazione degli occhiali). In secondo luogo, potrebbero esserci problemi con la connessione tra la rete e l'amplificatore (cioè, la griglia potrebbe essere stata estratta dall'amplificatore o la sua posizione potrebbe essersi spostata). Infine, la rete potrebbe aver subito danni durante l'utilizzo. Questo può accadere se la coda della griglia c è piegata troppo forte.

Canali che mostrano segnali identici
In questo caso, gli elettrodi sono a ponte. Si dovrebbe rimuovere la griglia, rimuovere il gel residuo intorno all'orecchio del partecipante e montarne uno nuovo. Si dovrebbe anche assicurarsi di utilizzare solo gocce di gel per elettrodi delle dimensioni di lenticchie su ciascun elettrodo per evitare il ponte.

Partecipanti che segnalano che il posizionamento è scomodo
Il motivo più comune per diminuire il comfort è che la griglia è posizionata troppo vicino alla parte posteriore dell'orecchio. Si dovrebbe fare in modo di lasciare da 1 mm a 2 mm tra la griglia c e il lato posteriore dell'orecchio. Un piccolo pezzo di nastro adesivo attaccato dietro l'orecchio aiuta ad aumentare il comfort.

Modifiche del metodo
La griglia c è disponibile in un'unica dimensione. Tuttavia, consente una certa flessibilità per quanto riguarda le sue dimensioni. Tagliando la plastica del lato interno, le dimensioni possono essere ridotte per adattarsi alle orecchie più grandi. Si dovrebbe prestare particolare attenzione per non tagliare gli elettrodi o i percorsi conduttivi.

A seconda dell'amplificatore utilizzato e dello scenario di registrazione, ci sono diversi modi per posizionare l'amplificatore sul corpo. La lunghezza fissa della coda della griglia e il fatto che punti orizzontalmente lontano dall'orecchio limita le possibili posizioni per posizionare il connettore dell'amplificatore. Diversi produttori forniscono cavi adattatori che collegano la rete a un amplificatore specifico (mobile o in laboratorio). Sono state proposte diverse soluzioni per il posizionamento dell'amplificatore; Alcuni ricercatori usano una fascia3, mentre altri la integrano in una Basecap27. Per esperimenti più brevi, è adatta una fascia. Per esperimenti più lunghi, l'amplificatore può essere fissato ai vestiti6 o corpo2, riposto in cinghie personalizzate, fissato alle cuffie indossate intorno al collo1 o fissato a una protezione per il collo comunemente usata per la mountain bike. Abbiamo sviluppato un prototipo che combina un altoparlante da collo (per la presentazione di stimoli uditivi) con un amplificatore EEG mobile e connettori alla griglia c (le istruzioni per la costruzione possono essere trovate qui: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). Abbiamo usato questo approccio con successo in un recente studio (in preparazione) in cui abbiamo registrato l'EEG auricolare per 4 ore mentre i partecipanti lavoravano in un ufficio.

Applicazioni future
La c-grid è uno strumento promettente per le registrazioni a lungo termine nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, si può usare per studiare l'elaborazione del suono nella vita di tutti i giorni1. Con registrazioni a lungo termine, le variazioni circadiane nella cognizione e nella funzione uditiva possono anche essere studiate28,29. A fini diagnostici, la griglia può essere utilizzata per il monitoraggio a lungo termine delle crisi epilettiche2, la stadiazione del sonno6 o per misurare l'attenzione per gli apparecchi acustici 7,11.

Conclusione
Questo protocollo fornisce ai ricercatori gli strumenti per sperimentare queste c-grid dentro e oltre il laboratorio. Se i ricercatori seguono questo protocollo ed eseguono attentamente i passaggi, compresi quelli più importanti, come la pulizia della pelle e il montaggio della griglia c, possono aspettarsi dati di alta qualità per i loro esperimenti di EEG auricolare.

Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non segnalano conflitti di interesse.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo lavoro è stato finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) nell'ambito del programma Emmy-Noether, BL 1591/1-1 - Project ID 411333557. Ringraziamo Suong Nguyen, Manuela Jäger e Maria Stollmann per la loro assistenza nelle riprese del video. Ringraziamo Joanna Scanlon per la voce fuori campo del video.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Gel abrasivo: Abralyt HiCleasycap GmbH, Germania
App AFExUniversità di Oldenburg, Germaniaper la nostra registrazione esemplare dei dati, open-source: https://zenodo.org/record/5814670#.Y0AavXZByUk
AlcoholCarl Roth GmbH + Co. KG, Germania70% isopropanolo, 30% acqua distillata
c-grid: cEEGridTSMI, Oldenzaal, Paesi Bassi
cEEGrid connectorUniversità di Oldenburg, Germaniacostum build
app di acquisizione EEG: SmartingmBrainTrain, Serbia
MatlabThe MathWorks, Inc., USAutilizzato per l'analisi dei dati e la creazione delle figure
Nastro medico: LeukosilkBSN medical GmbH, Germania
amplificatore EEG mobile: Smarting MOBImBrainTrain, Serbia
MultimetroPeakTech Prü f- und Messtechnik GmbH, Germaniadispositivo opzionale per verificare la funzionalità degli elettrodi
nEEGlaceUniversità di Oldenburg, Germaniaaltoparlante da collo personalizzato con amplificatore EEG integrato (Smarting, mBrainTrain, Serbia) e connettori cEEGrid
Salviette di carta -
Registra-un'appUniversità di Oldenburg, Germaniaper la nostra esemplare registrazione dei dati, open-source: https://github.com/NeuropsyOL/Pocketable-Labs
Smartphone: Google Pixel 3a Google LLC, USA
Yahama Digital Piano P-35Hamamatsu, Giapponeper la nostra esemplare registrazione dei dati

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hölle, D., Meekes, J., Bleichner, M. G. Mobile ear-EEG to study auditory attention in everyday life. Behavior Research Methods. 53 (5), 2025-2036 (2021).
  2. Bleichner, M. G., Debener, S. Concealed, unobtrusive ear-centered EEG acquisition: cEEGrids for transparent EEG. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 163(2017).
  3. Debener, S., Emkes, R., De Vos, M., Bleichner, M. Unobtrusive ambulatory EEG using a smartphone and flexible printed electrodes around the ear. Scientific Reports. 5, 16743(2015).
  4. Blum, S., Hölle, D., Bleichner, M. G., Debener, S. Pocketable labs for everyone: Synchronized multi-sensor data streaming and recording on smartphones with the lab streaming layer. Sensors. 21 (23), 8135(2021).
  5. Bleichner, M. G., Emkes, R. Building an ear-EEG system by hacking a commercial neck speaker and a commercial EEG amplifier to record brain activity beyond the lab. Journal of Open Hardware. 4 (1), 5(2020).
  6. Sterr, A., et al. Sleep EEG derived from behind-the-ear electrodes (cEEGrid) compared to standard polysomnography: A proof of concept study. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 452(2018).
  7. Mirkovic, B., Bleichner, M. G., De Vos, M., Debener, S. Target speaker detection with concealed EEG around the ear. Frontiers in Neuroscience. 10, 349(2016).
  8. Bleichner, M. G., Mirkovic, B., Debener, S. Identifying auditory attention with ear-EEG: cEEGrid versus high-density cap-EEG comparison. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066004(2016).
  9. Nogueira, W., et al. Decoding selective attention in normal hearing listeners and bilateral cochlear implant users with concealed ear EEG. Frontiers in Neuroscience. 13, 720(2019).
  10. Denk, F., et al. Event-related potentials measured from in and around the ear electrodes integrated in a live hearing device for monitoring sound perception. Trends in Hearing. 22, 2331216518788219(2018).
  11. Holtze, B., Rosenkranz, M., Jaeger, M., Debener, S., Mirkovic, B. Ear-EEG measures of auditory attention to continuous speech. Frontiers in Neuroscience. 16, 869426(2022).
  12. Segaert, K., et al. Detecting impaired language processing in patients with mild cognitive impairment using around-the-ear cEEgrid electrodes. Psychophysiology. 59 (5), e13964(2021).
  13. Garrett, M., Debener, S., Verhulst, S. Acquisition of subcortical auditory potentials with around-the-ear cEEGrid technology in normal and hearing impaired listeners. Frontiers in Neuroscience. 13, 730(2019).
  14. Knierim, M. T., Berger, C., Reali, P. Open-source concealed EEG data collection for Brain-computer-interfaces - neural observation through OpenBCI amplifiers with around-the-ear cEEGrid electrodes. Brain-Computer Interfaces. 8 (4), 161-179 (2021).
  15. Pacharra, M., Debener, S., Wascher, E. Concealed around-the-ear EEG captures cognitive processing in a visual simon task. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 290(2017).
  16. Wascher, E., et al. Evaluating mental load during realistic driving simulations by means of round the ear electrodes. Frontiers in Neuroscience. 13, 940(2019).
  17. Getzmann, S., Reiser, J. E., Karthaus, M., Rudinger, G., Wascher, E. Measuring correlates of mental workload during simulated driving using cEEGrid electrodes: A test-retest reliability analysis. Frontiers in Neuroergonomics. 2, 729197(2021).
  18. Somon, B., Giebeler, Y., Darmet, L., Dehais, F. Benchmarking cEEGrid and solid gel-based electrodes to classify inattentional deafness in a flight simulator. Frontiers in Neuroergonomics. 2, 802486(2022).
  19. Hölle, D., Blum, S., Kissner, S., Debener, S., Bleichner, M. G. Real-time audio processing of real-life soundscapes for EEG analysis: ERPs based on natural sound onsets. Frontiers in Neuroergonomics. 3, 793061(2022).
  20. Cohen, M. X. A tutorial on generalized eigendecomposition for denoising, contrast enhancement, and dimension reduction in multichannel electrophysiology. NeuroImage. 247, 118809(2022).
  21. Meiser, A., Bleichner, M. G. Ear-EEG compares well to cap-EEG in recording auditory ERPs: A quantification of signal loss. Journal of Neural Engineering. 19 (2), (2022).
  22. Polich, J. Updating P300: An integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
  23. Kidmose, P., Looney, D., Mandic, D. P. Auditory evoked responses from ear-EEG recordings. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. , 586-589 (2012).
  24. Looney, D., Goverdovsky, V., Rosenzweig, I., Morrell, M. J., Mandic, D. P. Wearable in-ear encephalography sensor for monitoring sleep preliminary observations from nap studies. Annals of the American Thoracic Society. 13 (12), 2229-2233 (2016).
  25. Kappel, S. L., Makeig, S., Kidmose, P. Ear-EEG forward models: Improved head-models for ear-EEG. Frontiers in Neuroscience. 13, 943(2019).
  26. Meiser, A., Tadel, F., Debener, S., Bleichner, M. G. The sensitivity of ear-EEG: Evaluating the source-sensor relationship using forward modeling. Brain Topography. 33 (6), 665-676 (2020).
  27. Knierim, M. T., Berger, C., Reali, P. Open-source concealed EEG data collection for brain-computer-interfaces. arXiv. , (2021).
  28. Aseem, A., Hussain, M. E. Circadian variation in cognition: a comparative study between sleep-disturbed and healthy participants. Biological Rhythm Research. 52 (4), 636-644 (2019).
  29. Basinou, V., Park, J. -S., Cederroth, C. R., Canlon, B. Circadian regulation of auditory function. Hearing Research. 347 (3), 47-55 (2017).

Ristampe e permessi

Richiedi il permesso di riutilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE

Richiedi permesso

Tag

Ear ElectroencephalographyBrain Activity RecordingcEEGrid ElectrodeEEG Signal QualityElectrode PreparationMobile EEG AmplifierElectrode ImpedanceCognitive ProcessesElectrode Gel ApplicationEvent Related Potentials

Articoli correlati