I potenziali evento-correlati e il paradigma dell'odd-ball

Data l'enorme quantità di informazioni sensoriali nel nostro ambiente, il cervello deve essere in grado di dare priorità all'elaborazione di determinati stimoli, in modo da dedicare meno sforzi a ciò che potrebbe non essere attualmente importante e prestare attenzione a ciò che lo è.

Ogni giorno, una persona è esposta a molteplici immagini e suoni, come le persone che digitano in ufficio o le immagini sullo schermo di un computer.

L'attenzione che una persona presta a tali stimoli dipende, in parte, dai suoi obiettivi in un dato momento. Ad esempio, possono concentrarsi intenzionalmente sul monitor per rivedere una presentazione. Quando ciò accade, il cervello ignora elementi frequenti e non importanti, come la digitazione dei colleghi, e invece presta attenzione alle diapositive sullo schermo.

Questo è un esempio di un processo chiamato attenzione dall'alto verso il basso, in cui il cervello filtra le informazioni non correlate a un obiettivo.

Al contrario, l'attenzione dal basso verso l'alto si occupa di stimoli unici e inaspettati, che hanno la capacità di catturare l'attenzione di una persona, anche se non sono correlati a un obiettivo.

Questi rumori o immagini rari sono chiamati stimoli stravaganti e, a causa della loro novità, sono prioritari dal cervello per l'elaborazione, in quanto possono essere importanti. Un rumore in cucina potrebbe significare che qualcuno si è fatto male o che potrebbero esserci degli spuntini.

In risposta a eventi sensoriali così importanti, lo schianto in cucina, possono essere attivati più neuroni nella stessa regione del cervello, il che favorisce la propagazione di un segnale elettrico.

Questa risposta elettrica può essere misurata sul cuoio capelluto con elettrodi attraverso tecniche di elettroencefalografia, abbreviata in EEG, e la misura risultante è chiamata potenziale evento-correlato, o ERP.

In questo video, indagheremo gli ERP durante un paradigma stravagante, in cui ai soggetti vengono mostrati stimoli visivi unici e comuni. Dimostreremo come impostare un esperimento EEG, analizzare i dati ERP ed esplorare come i ricercatori stanno applicando questa tecnica per studiare altri aspetti dell'attenzione.

In questo esperimento, l'attività cerebrale dei partecipanti che visualizzano due tipi di stimoli basati sulla forma – linea di base e stravagante – viene misurata utilizzando l'EEG, al fine di ottenere informazioni su come il cervello identifica l'irrilevante da importanti informazioni sensoriali.

Per prepararsi all'EEG, i ricercatori posizionano gli elettrodi "già inseriti in un cappuccio" sui partecipanti? cuoio capelluto in posizioni anatomiche specifiche, in modo che l'attività elettrica nel cervello possa essere registrata.

Elettrodi aggiuntivi vengono posizionati intorno agli occhi per misurare l'attività muscolare, che può produrre artefatti di movimento nei dati EEG, e dietro le orecchie nelle posizioni mastoidee che fungono da riferimenti in cui vengono raccolte le informazioni non neurali.

I partecipanti vengono quindi introdotti ai due tipi di stimoli che vedranno. In questo caso, gli oggetti visivi di base sono costituiti da un singolo cerchio rosso, mentre un'immagine stravagante è composta da un singolo cerchio verde.

I partecipanti sono istruiti a stare alla ricerca di forme verdi e a premere un pulsante ogni volta che ne viene mostrata una sullo schermo.

Durante l'attività, ogni cerchio appare per 1 s sul monitor di un computer. Dopo che il cerchio è scomparso, lo schermo rimane vuoto per 1 s e viene quindi presentata l'immagine successiva.

Il trucco è che ai partecipanti vengono mostrati cerchi verdi sporadicamente – e molto meno spesso – tra diverse immagini sequenziali di quelli rossi. Dei 160 stimoli, solo 64 sono verdi.

L'idea è che queste immagini target "fuori posto" cattureranno sia l'attenzione dal basso verso l'alto – poiché sono rare – sia l'attenzione dall'alto verso il basso – poiché l'obiettivo del compito è indicare quando queste forme appaiono.

Di conseguenza, il cervello risponderà a questi stimoli potenzialmente importanti legati all'obiettivo producendo segnali elettrici robusti.

I dati EEG vengono registrati continuamente in tutti i 160 studi. Quindi, la sequenza viene ripetuta e viene mostrata una seconda serie di 160 immagini, che garantisce la raccolta di informazioni sufficienti per distinguere la vera attività indotta da stravaganza dal rumore.

Successivamente, i dati EEG vengono elaborati per generare forme d'onda ERP per ogni sito anatomico su cui è posizionato un elettrodo.

Sulla base di ricerche precedenti, i dati più critici sono attesi in prossimità dell'elettrodo di Pz, situato al centro del cuoio capelluto verso la parte posteriore della testa, sopra la giunzione dei lobi parietali.

In particolare, si prevede che un componente di questi ERP parietali, chiamato P300 – così chiamato perché consiste in un picco positivo nella forma d'onda che si verifica circa 300 ms dopo la presentazione di uno stimolo sensoriale – sia potenziato in risposta ai cerchi verdi stravaganti.

Per iniziare l'esperimento, salutare il partecipante e assicurarsi che firmi tutti i moduli di consenso appropriati. Conferma inoltre di non aver utilizzato prodotti per capelli, come la mousse, che potrebbero interferire con le registrazioni EEG.

Prima di procedere, mescolare prima l'elettrodo-gel conduttivo per rilasciare eventuali bolle d'aria. Quindi, usalo per riempire una siringa da 10 ml, che aiuterà ad applicare questa sostanza alle disposizioni degli elettrodi più avanti nel protocollo.

Una volta preparata la siringa, spazzolare accuratamente i capelli e il cuoio capelluto del partecipante e pulire la parte superiore della testa con una garza di cotone imbevuta di alcol.

Successivamente, sterilizzare la pelle dietro le orecchie di ciascun partecipante sopra e sotto l'occhio sinistro e nelle posizioni orizzontali di entrambi gli occhi in modo simile.

Quindi, posizionare una faccia di un disco adesivo biadesivo contro un elettrodo. Sull'altro lato, applicare il gel sull'elettrodo esposto, quindi fissarlo sull'area pulita sopra l'occhio sinistro. Ripetere questo processo nelle restanti posizioni sterilizzate sul viso.

Per determinare la dimensione della cuffia EEG da utilizzare, misurare la distanza dalla parte anteriore della testa del partecipante "direttamente tra le sopracciglia" alla proiezione dell'inione del cranio, situata sotto la protuberanza nella parte posteriore della testa. Sopra il punto medio dell'occhio, segnare il 10% della distanza misurata sulla fronte.

Utilizzando la misurazione occhio-a-inion, scegli un cappuccio che si adatti agli intervalli di circonferenza standard e posizionalo in modo che l'elettrodo FPz, quello centrale e più anteriore, sia posizionato sopra il segno sulla fronte. Quindi, collegare ciascuno degli elettrodi facciali al rispettivo cavo sul cappuccio.

Dopo aver recuperato la siringa riempita di gel, informare il partecipante che si inserirà la punta smussata in ogni elettrodo. Ora, solleva ciascuno di essi e raschia da parte i peli sottostanti, facendo attenzione a non ferire la pelle.

Quindi, procedere con l'inserimento del gel e ripetere questo processo per gli elettrodi a cappuccio rimanenti per garantire che i segnali elettrici raccolti sul cuoio capelluto siano condotti correttamente.

Successivamente, portare il partecipante in una stanza silenziosa con schermatura acustica ed elettrica e collegare l'intero cappuccio al sistema di registrazione.

Utilizzando il programma informatico associato, controllare le impedenze dei collegamenti elettrodo-cuoio capelluto. Se l'impedenza è superiore a 10 K? per qualsiasi elettrodo, che può causare rumore nelle tracce EEG, verificare che abbia gel conduttivo e che tutti i peli sottostanti siano stati allontanati.

Si noti che tutti i valori di impedenza dovrebbero ora essere inferiori a 10 K?.

In preparazione per il compito comportamentale, chiedi al partecipante di sedersi in modo che sia posizionato a circa 75 cm dal monitor e dagli una scatola di risposta da tenere. Sottolinea che dovrebbero premere il pulsante di cronometraggio solo quando osservano un cerchio verde sullo schermo.

Dopo che il partecipante ha compreso il compito, avviare il sistema EEG. Consentire loro di completare le 64 prove di stimolo target intervallate dalle 96 prove di controllo non target. Dopo le 160 prove, inizia la sequenza da ripetere.

Una volta raccolti tutti i dati, importa i risultati in un programma di analisi per iniziare l'elaborazione offline. Innanzitutto, isolare solo i segnali neurali facendo riferimento alle informazioni ai valori mastoidei medi.

Continuare dividendo le registrazioni EEG continue in sezioni di epoche che iniziano 200 ms prima e terminano 1000 ms dopo l'inizio di ogni stimolo, in questo caso cerchi verdi o rossi.

Procedere alla regolazione di base di questi intervalli di tempo utilizzando le parti che si verificano 200 ms prima dell'inizio dello stimolo.

Quindi, per correggere gli artefatti di movimento, eliminare i periodi durante i quali una variazione di segnale superiore a 150 ? V è stato registrato in uno qualsiasi degli elettrodi, non solo in quello che raccoglieva dati da un sito anatomico di interesse.

Successivamente, per ciascun elettrodo, calcolare la media dei dati EEG raccolti da tutte le prove di immagini di base per produrre una forma d'onda ERP. Allo stesso modo, fai la media dei dati per le prove stravaganti.

Per analizzare i dati, visualizzare le medie ERP dal sito di registrazione Pz sia per la forma di controllo target verde che per quella rossa. Per i componenti P300 parietali, valutare l'ampiezza - l'altezza del componente al di sopra del valore basale di 0 ? V?e la sua latenza?per quanto tempo appare in ms dopo che il partecipante ha visualizzato il cerchio.

Quindi, per queste ampiezze e latenze di picco, utilizzare i test F per determinare se esiste una differenza tra gli stimoli di base e quelli stravaganti.

Si noti che per le forme stravaganti verdi, la traccia ha raggiunto il picco a circa 350 ms dopo l'inizio dello stimolo, mentre non è stato osservato alcun picco P300 quando il partecipante ha visualizzato i cerchi rossi di controllo.

Collettivamente, questi dati suggeriscono che l'attività nel lobo parietale aumenta quando vengono presentati stimoli stravaganti, riflettendo i processi neurali che identificano gli stimoli salienti rilevanti per il compito.

Ora che sai come i ricercatori usano il paradigma visivo stravagante nell'elaborazione delle informazioni sensoriali, diamo un'occhiata a come gli scienziati stanno applicando questa tecnica per analizzare gli ERP in altre aree.

Sebbene ci siamo concentrati sugli ERP prodotti da cervelli sani, alcuni ricercatori stanno utilizzando il paradigma stravagante per capire come le commozioni cerebrali – lesioni derivanti da traumi alla testa – influenzano i processi cognitivi.

Ad esempio, esistono prove che gli studenti che hanno subito una commozione cerebrale e che mostrano sintomi come vertigini o confusione producono picchi di P300 significativamente più bassi quando visualizzano un'immagine rara e stravagante, rispetto ai partecipanti di controllo illesi.

Ciò suggerisce che le commozioni cerebrali possono influenzare negativamente il modo in cui il cervello risponde ed elabora informazioni sensoriali potenzialmente importanti.

Altri ricercatori hanno utilizzato una modifica del paradigma stravagante – uno che coinvolge suoni inaspettati, piuttosto che immagini – per comprendere meglio le differenze tra l'attenzione dall'alto verso il basso e dal basso verso l'alto.

Studiando gli ERP prodotti da toni stravaganti, gli scienziati hanno determinato che, non solo il picco P300 è anche potenziato da suoni rari, ma che questo componente può essere costituito da due sottoparti: una porzione iniziale chiamata P3a e un elemento P3b successivo.

È interessante notare che questi due picchi sono osservati negli ERP dei partecipanti con l'obiettivo di identificare stimoli sonori rari. Tuttavia, solo P3a si verifica nelle forme d'onda dei partecipanti a cui è stato detto di ascoltare passivamente i suoni e non è stato dato l'obiettivo di identificare quelli strani.

Pertanto, si pensa che P3a si occupi dell'attenzione dal basso verso l'alto e di come il cervello risponde a nuovi stimoli, mentre P3b probabilmente riflette l'attenzione dall'alto verso il basso e il modo in cui il cervello classifica cognitivamente i bersagli.

Hai appena visto il video di JoVE sull'uso del paradigma stravagante per studiare l'elaborazione degli stimoli sensoriali, in particolare nel lobo parietale. A questo punto, dovresti sapere come progettare diversi stimoli, registrare EEG, nonché generare e analizzare ERP. Dovresti anche avere una comprensione di come gli ERP possono fornire informazioni sui processi cognitivi ed essere utilizzati per comprendere meglio alcune lesioni.

Grazie per l'attenzione!