電気脳造影法 (EEG)

脳波計(EEG)は、認知を研究する研究者が一般的に使用する電気生理学的手法です。脳は常に電気的活動を生成し、それは自発的に、または刺激によって誘発されたときに発生する可能性があります。EEGは、脳の活動の変化を検出して定量化できる非侵襲的でポータブルで安価な技術であり、認知研究に特に役立ちます。このビデオでは、EEG信号がどのように生成されるか、EEGが認知研究にどのように適用されるか、EEG記録の標準的な方法、およびいくつかの特定のアプリケーションについて簡単に説明します。

まず、EEG信号がどこでどのように生成されるかを見てみましょう。

脳波信号は、頭皮に配置された電極を使用して脳の表面から記録された電気的活動です。これは主に、皮質の主要な出力ニューロンである活性化された錐体ニューロンによって、最も外側の層である大脳皮質で生成されます。これらのニューロンは、脳の他の部分からシナプス入力を受け取り、統合し、その集合的な活動は情報の処理を反映しています。

特に、励起は正に帯電したイオンを膜を通ってニューロンに移動し、樹状突起領域に電流の「シンク」を作り出し、これは体細胞の周りの電荷の外側への移動によって中和されます-電流の「源」。これにより、ニューロンは「双極子」状態になり、電位が生成され、頂端樹状突起と体細胞の間に電流が流れます。電極は、同期して作用する多数の「神経双極子」によって生成される電位の総計を捕捉します。

脳波信号の背後にある生理学について理解したところで、脳波信号が認知機能について何を教えてくれるのかについて説明しましょう。

正常な脳波は自発的な振動を示します。このリズム活動は、フーリエ変換などの数学的変換によってマスクを解除できるいくつかの重なり合うサブリズムで構成されています。この手法を使用して、EEG時系列はその構成要素のサブリズムに分解され、「パワースペクトル」としてプロットされます。各サブリズムは、その周波数に基づいて、総EEGレコードの「濃度」または信号パワーに従ってプロットされます。

脳のリズムの周波数は次のとおりです:デルタ波、これは4Hz未満で最も遅いです。シータ波、4〜7 Hz。アルファ波、8-12 Hz;13-30 Hzのベータ波。ガンマ波は、30 Hz を超えると最も高速です。各リズムは行動状態とも相関しており、デルタ波とシータ波は睡眠状態で観察され、アルファ波は覚醒状態とリラックス状態で観察され、ベータ波とガンマ波は活発な認知時に発生します。

脳波活動の変化は、認知課題中の刺激に対する脳の反応を調査するために使用されます。例えば、認知実験中に、被験者はコンピュータ画面上の顔を見て、それらを区別するように求められるかもしれません。テストは何度も繰り返されます。その後のEEG応答は、視覚刺激の開始に時間ロックされ、平均化されます。これにより、信号レベルがバックグラウンドノイズより上に上昇します。特定の刺激によって誘発される平均EEG活動は、イベント関連電位として知られています。または ERP。

ERPグラフのピークは、協調的な神経活動に対応しています。ここで、以前のピークは視覚系の直接的な応答に関連しています。次に、同期した神経活動の後のピークは、刺激の認知処理に関連しています。

脳波が認知の研究にどのように使用されるかを学んだので、脳波実験がどのように行われるかを見てみましょう。

EEG実験では、実際の皮質電位が非常に小さいため、意味のある信号のみが収集されます。これらの信号をキャプチャするために、EEG電極は、銀や塩化銀などの高導電性材料でできており、標準化された10-20配置システムに従ってキャップに配置されています。このシステムにより、電極の一貫した位置決めが保証されるため、実験は時間や被験者を超えて再現可能です。電極は、識別された皮質領域と半球の位置に従って指定され、頭蓋骨の前後または右から左への総距離の10%または20%以内に体系的に分離されます。

電解質ゲルは、導電性を高めるために電極とともに使用されます。アクティブ信号は参照電極に対して増幅され、システムはノイズを低減するために接地されます。さらに、信号はフィルタリングされ、EEG周波数範囲内の信号のみが収集されます。まばたきなどの身体の動きによるアーティファクトは、通常、監視され、データから差し引かれます。

実験の前に、手順が参加者に説明され、書面による同意が得られます。被験者の頭囲を測定し、適切な電極キャップサイズを選択します。キャップを配置するためのランドマークは、10-20配置システムに従ってマークされ、追跡されます。次に、導電性ゲルを各電極ホルダー内に注入し、隣接する電極間の干渉を避けるのに十分なだけ、頭皮に対してゲルのスタックを作ります。次に、アクティブ電極をホルダーに固定します。被験者は実験の位置に配置され、不要な動きを最小限に抑えるようにリマインドされます。最後に、EEGディスプレイがチェックされ、すべてが正しく動作していることを確認します。

脳波実験の基本を学んだところで、認知研究におけるこの手法の具体的な応用について見ていきましょう。

EEGは、成人と乳児の社会的認知を研究するために使用されます。ここでは、実験には、乳児を被験者とする対面式の人形劇が含まれ、即時想起と模倣が行われます。頭皮全体から収集されたデータは、さまざまな実験時点での脳波活動の違いを示しています。

機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、脳の活動を測定する別の非侵襲的手法です。活性化の位置に対するfMRIの感度は、活性化のタイミングに対する脳波の感度と組み合わせることができます。これらの技術を組み合わせることで、睡眠、意識、感情、学習、記憶などの認知プロセスを理解するための、より高いレベルでの機能マッピングが可能になります。

最後に、EEGは、脳刺激がニューロンの興奮性を調節することを可能にする技術である経頭蓋直流刺激(tDCS)と組み合わせることができます。tDCSは、認知能力に影響を与える神経障害の治療に可能性を秘めており、EEGは直接刺激の影響を監視および最適化するために使用されます。自動高速フーリエ変換を実行するソフトウェアプログラムを使用して、EEGパワースペクトルの変化をリアルタイムで観察します。

JoVEの脳波に関するビデオを見ましたね。このビデオでは、EEG信号がどのように生成されるか、この手法が認知を理解するためにどのように使用されるか、EEG実験の実施の基本、そして最後に認知研究におけるいくつかの特定のアプリケーションについて説明しました。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!