Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

EEG-hyperscanning voor thuisgebruik voor sociale interacties tussen baby en verzorger

2.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/66655

⸱

31 mei 2024

 ,  ,  ,  , 
1Department of Psychology, School of Social Sciences, Nanyang Technological University, 2Department of Pediatrics, University of Cambridge, 3Child Neuropsychology Section, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy, Medical Faculty, RWTH Aachen University

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol beschrijft hoe gesynchroniseerde elektro-encefalografie, elektrocardiografie en gedragsopnames werden vastgelegd van baby-verzorger-dyades in een thuisomgeving.

Samenvatting

Eerdere hyperscanning-onderzoeken die de hersenactiviteiten van verzorgers en kinderen tegelijkertijd registreren, zijn voornamelijk uitgevoerd binnen de grenzen van het laboratorium, waardoor de generaliseerbaarheid van de resultaten naar real-life instellingen wordt beperkt. Hier wordt een uitgebreid protocol voorgesteld voor het vastleggen van gesynchroniseerde elektro-encefalografie (EEG), elektrocardiografie (ECG) en gedragsopnames van baby-verzorger-dyades tijdens verschillende interactieve taken thuis. Dit protocol laat zien hoe de verschillende gegevensstromen kunnen worden gesynchroniseerd en hoe EEG-gegevensretentiepercentages en kwaliteitscontroles kunnen worden gerapporteerd. Daarnaast worden kritische kwesties en mogelijke oplossingen met betrekking tot de experimentele opstelling, taken en gegevensverzameling in thuissituaties besproken. Het protocol is niet beperkt tot de dyades van baby's en verzorgers, maar kan worden toegepast op verschillende dyadische constellaties. Over het algemeen demonstreren we de flexibiliteit van EEG-hyperscanopstellingen, waarmee experimenten buiten het laboratorium kunnen worden uitgevoerd om de hersenactiviteiten van de deelnemers vast te leggen in meer ecologisch geldige omgevingsomgevingen. Toch beperken beweging en andere soorten artefacten nog steeds de experimentele taken die in de thuisomgeving kunnen worden uitgevoerd.

Inleiding

Met de gelijktijdige registratie van hersenactiviteiten van twee of meer op elkaar inwerkende proefpersonen, ook wel hyperscanning genoemd, is het mogelijk geworden om de neurale basis van sociale interacties op tehelderen in hun complexe, bidirectionele en snelle dynamiek. Deze techniek heeft de focus verlegd van het bestuderen van individuen in geïsoleerde, strak gecontroleerde omgevingen naar het onderzoeken van meer naturalistische interacties, zoals ouder-kindinteracties tijdens vrij spel 2,3, puzzels oplossen4 en coöperatieve computerspellen 5,6. Deze studies tonen aan dat hersenactiviteiten synchroniseren tijdens sociale interacties, d.w.z. temporele overeenkomsten vertonen, een fenomeen dat interpersoonlijke neurale synchronie (INS) wordt genoemd. De overgrote meerderheid van hyperscanning-onderzoeken is echter beperkt tot laboratoriumomgevingen. Hoewel dit een betere experimentele controle mogelijk maakt, kan dit ten koste gaan van het verlies van enige ecologische validiteit. Gedrag dat in het laboratorium wordt waargenomen, is mogelijk niet representatief voor het typische dagelijkse interactieve gedrag van de deelnemers vanwege de onbekende en kunstmatige omgeving en de aard van de opgelegde taken7.

Recente ontwikkelingen op het gebied van mobiele neuroimaging-apparaten, zoals elektro-encefalografie (EEG) of functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS), verlichten deze problemen door de vereiste weg te nemen dat deelnemers fysiek verbonden moeten blijven met de opnamecomputer. Ze stellen ons dus in staat om de hersenactiviteiten van deelnemers te meten terwijl ze vrij communiceren in de klas of thuis 8,9. Het voordeel van EEG in vergelijking met andere neuroimaging-technieken, zoals fNIRS, is dat het een uitstekende temporele resolutie heeft, waardoor het bijzonder geschikt is voor het onderzoeken van snelle sociale dynamieken10. Toch komt het met het voorbehoud dat het EEG-signaal zeer kwetsbaar is voor beweging en andere fysiologische en niet-fysiologische artefacten11.

Desondanks hebben de eerste studies met succes EEG-hyperscanning-opstellingen geïmplementeerd in realistische omgevingen en omstandigheden. Dikker et al.12 maten bijvoorbeeld het EEG-signaal van een groep studenten terwijl ze zich bezighielden met verschillende klassikale activiteiten, waaronder het bijwonen van colleges, het bekijken van video's en het deelnemen aan groepsdiscussies. Deze studie, samen met andere studies 8,9, heeft voornamelijk droge EEG-elektroden gebruikt om het proces van het uitvoeren van metingen in niet-laboratoriumomgevingen te vergemakkelijken. In vergelijking met natte elektroden, waarvoor geleidende gel of pasta moet worden aangebracht, bieden droge elektroden aanzienlijke voordelen op het gebied van bruikbaarheid. Het is aangetoond dat ze vergelijkbare prestaties vertonen als natte elektroden in volwassen populaties en stationaire omstandigheden; Hun prestaties kunnen echter afnemen in bewegingsgerelateerde scenario's als gevolg van verhoogde impedantieniveaus13.

Hier presenteren we een werkprotocol om gesynchroniseerde opnames vast te leggen van een zevenkanaals vloeibaar gel-EEG-systeem met een lage dichtheid met een enkele elektrocardiografie (ECG) die is aangesloten op dezelfde draadloze versterker (bemonsteringsfrequentie: 500 Hz) van baby-verzorger-dyades in een thuisomgeving. Terwijl actieve elektroden werden gebruikt voor volwassenen, werden in plaats daarvan passieve elektroden gebruikt voor zuigelingen, omdat deze laatste meestal in de vorm van ringelektroden worden geleverd, waardoor het proces van het aanbrengen van gel wordt vergemakkelijkt. Bovendien werden EEG-ECG-opnames gesynchroniseerd met drie camera's en microfoons om het gedrag van de deelnemers vanuit verschillende hoeken vast te leggen. In de studie waren baby's van 8-12 maanden oud en hun verzorgers bezig met een lees- en speeltaak terwijl hun EEG, ECG en gedrag werden geregistreerd. Om de impact van overmatige beweging op de kwaliteit van het EEG-signaal te minimaliseren, werden de taken uitgevoerd in een tafelmodel (bijv. met behulp van de keukentafel en een kinderstoel), waarbij de deelnemers tijdens de interactietaak moesten blijven zitten. Verzorgers kregen drie voor hun leeftijd geschikte boeken en tafelspeelgoed (uitgerust met zuignappen om te voorkomen dat ze vallen). Ze kregen de opdracht om hun kind ongeveer 5 minuten voor te lezen, gevolgd door een speelsessie van 10 minuten met het speelgoed.

Dit protocol beschrijft de methoden voor het verzamelen van gesynchroniseerde EEG-ECG-, video- en audiogegevens tijdens de lees- en afspeeltaken. De algemene procedure is echter niet specifiek voor deze onderzoeksopzet, maar is geschikt voor verschillende populaties (bijv. ouder-kind-dyades, vriend-dyades) en experimentele taken. De methode voor synchronisatie van verschillende datastromen zal worden gepresenteerd. Verder zal een basispijplijn voor EEG-voorverwerking op basis van Dikker et al.12 worden geschetst, en zullen retentiepercentages van EEG-gegevens en kwaliteitscontrolestatistieken worden gerapporteerd. Aangezien de specifieke analytische keuzes afhankelijk zijn van een verscheidenheid aan factoren (zoals taakontwerp, onderzoeksvragen, EEG-montage), zal hyperscanning-EEG-analyse niet verder worden uitgewerkt, maar zal de lezer in plaats daarvan worden verwezen naar bestaande richtlijnen en toolboxen (bijv.14 voor richtlijnen;15,16 voor toolboxen voor hyperscanninganalyse). Ten slotte bespreekt het protocol de uitdagingen en mogelijke oplossingen voor EEG-ECG-hyperscanning thuis en in andere real-world omgevingen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Het beschreven protocol is goedgekeurd door de Institutional Review Board (IRB) van de Nanyang Technological University, Singapore. Geïnformeerde toestemming werd verkregen van alle volwassen deelnemers en van ouders namens hun baby's.

1. Overwegingen van apparatuur en ruimte bij thuissessies

  1. Bereid u voor op verschillende vochtigheids- en temperatuuromstandigheden, afhankelijk van het land en het seizoen. Zorg voor omgevingen met hoge temperaturen en vochtigheidsniveaus voor voldoende luchtstroom en schakel indien mogelijk de airconditioning in huis in.
  2. Houd afstand van wifi-zenders, Bluetooth-apparatuur (bijv. mobiele telefoons, toetsenbord, muis, enz.) en magnetrons, aangezien machines in de buurt die in dezelfde frequentieband werken, interferentie kunnen veroorzaken. Probeer bovendien de experimentele opstelling uit de buurt te houden van het opladen van apparaten in huis, omdat dit aanzienlijke ruis in de stroomlijn in de gegevens kan veroorzaken. Houd er rekening mee dat staande ventilatoren of plafondventilatoren met hoge snelheden in de buurt ervoor kunnen zorgen dat de EEG-kabels gaan zwaaien en bijdragen aan mechanische artefacten.
  3. Bereid een gunstige ruimte voor voor het experiment dat in het huis van de deelnemer wordt gehouden. Zorg ervoor dat de testruimte voldoende vrije ruimte heeft voor één verzorger en één baby in een kinderstoel rond een tafel, evenals drie camera's op statieven. Verwijder alle items van de tafel, indien mogelijk, om mogelijke afleiding te verminderen.
  4. Zorg ervoor dat er voldoende helderheid is in het testgebied voor de camcorders om de uitdrukkingen van de deelnemer vast te leggen. Als de tafels zich dicht bij ramen bevinden, plaats de camcorders dan niet naar het raam gericht om verblinding van de lens te voorkomen.

2. Voorbereidingen voor de sessie

  1. Informeer de deelnemers dat volwassenen voor de EEG-meting hun haar de dag voor de sessie moeten wassen zonder haarproducten aan te brengen. Vraag of ze kunnen afzien van het dragen van make-up op de dag van de EEG-sessie.
  2. Zorg ervoor dat alle opnameapparatuur (microfoons en camcorders), laptops, versterkers en de powerbank die door de triggerbox wordt gebruikt, de dag voor de sessie zijn opgeladen. Controleer of alle apparatuur een paar uur voor de sessie volledig is opgeladen. Draag opladers of bij voorkeur draagbare powerbanks voor onverwachte gevallen van een laag batterijniveau in de apparatuur.
  3. Pak alle benodigde formulieren en opnameapparatuur in voor de sessie.

3. Voorbereiding van het experiment bij de deelnemer thuis

  1. EEG-geleerpreparaat
    1. Trek een paar handschoenen aan bij het hanteren van de gel. Vul vier spuiten met gel, twee spuiten met de stompe punt voor de passieve elektroden en twee spuiten met de fijnere punt voor de actieve elektroden.
    2. Bereid twee vierkante stukken plakband voor voor de ECG-elektroden voor baby's en volwassenen.
  2. Voorbereiding van de opnameapparatuur
    1. Trek handschoenen uit bij het hanteren van elektronische apparatuur.
    2. Zet alle laptops aan en sluit de EEG-dongles aan op de respectievelijke laptops. Zorg ervoor dat de EEG-opnamesoftware actief is.
    3. Sluit de versterkers voor volwassenen en baby's via een draadloze verbinding aan op de EEG-opnamesoftware op de respectievelijke laptops.
    4. Controleer en zorg ervoor dat beide amplifiers (volwassene en baby) hebben dezelfde triggerpoortinstellingen, d.w.z. of de triggermarkering wordt geproduceerd op de stijgende (hoogactieve) of dalende rand (laag-actief) van de ingangspuls.
    5. Monteer de drie camcorders op elk statief. Zorg ervoor dat elke camcorder respectievelijk de verzorger, de baby en zowel de verzorger als de baby (gecombineerde weergave) vastlegt (zie afbeelding 1). Voordat u met de sessie begint, moet u ervoor zorgen dat de hoeken van de camcorder de gezichten van de deelnemers consistent kunnen vastleggen, aangezien de verzorger tijdens interacties vaak naar het oog van de baby beweegt.
  3. Plaats de kinderstoel van de baby en de stoel van de verzorger aan de rand van hun tafel, zodat ze tegenover elkaar staan in een hoek waarin de camcorders hun gezichtsuitdrukkingen kunnen opvangen (zie afbeelding 1). Als er niet genoeg ruimte op de tafel is, plaats dan de kinderstoel van de baby en de stoel van de verzorger naast elkaar in een rechte hoek.

figure-protocol-1
Afbeelding 1: Bovenaanzicht van de installatie. (1) Camcorder voor baby's. (2) Camcorder met gecombineerde weergave. (3) Camcorder die naar de verzorger is gericht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. EEG- en ECG-sensortoepassing voor de zorgverlener

  1. De versterker stevig bevestigen aan de EEG-dop
    1. Voor de verzorger: gebruik de achterzak van de EEG-dop om de versterker op te bergen om kabelbeweging en EEG-ruis te verminderen. Voordat u de dop op de deelnemer aanbrengt, moet u ervoor zorgen dat de amplifier is veilig opgeborgen en aan de connector is bevestigd.
    2. Zorg ervoor dat er geen contact is met water tijdens het hanteren van de amplifier (d.w.z. trek handschoenen uit als ze doordrenkt zijn met gel).
  2. Vraag de verzorger om zijn bril, masker of oorbellen af te zetten. Als hun haar is vastgebonden, vraag hen dan om de haarband te verwijderen om hun haar los te hebben.
  3. Reinig met handschoenen aan en met toestemming van de verzorger het voorhoofd met alcoholdoekjes (70 % isopropylalcohol (IPA)).
  4. Scheid aan beide zijden van het hoofd van de verzorger het haar op het bovenste punt van het oor om ervoor te zorgen dat het oor volledig zichtbaar is, volgens de natuurlijke haarscheidingslijnen.
  5. Meet de hoofdomtrek van de verzorger door het meetlint rond vier referentiepunten op het hoofd te plaatsen: de nasion (wenkbrauwhoogte), over de kam van de inion (het hoogste punt aan de achterkant van het hoofd) en tussen de linker- en rechtertragus (de toppen van de oren).
  6. Rek de EEG-dop van binnenuit uit met een kruinachtig handgebaar en begin de dop vanaf het voorhoofd van de verzorger naar de achterkant van het hoofd te plaatsen. Zonder de dop los te laten, schuift u de handen naar beneden om de riemen vast te houden, trekt u ze naar beneden naar hun kin en maakt u de klittenbanduiteinden vast. Pas de banden aan volgens het comfort van de deelnemer.
    1. Zorg ervoor dat eventuele pony's of haarlokken op het gezicht van de deelnemer uit de buurt van het gezicht worden verwijderd om ongemak of belemmering van het zicht te voorkomen.
    2. Strijk de dop voorzichtig glad om ervoor te zorgen dat de elektroden in nauw contact liggen met de hoofdhuid. Zorg ervoor dat er geen kreukels op de dop zitten.
  7. Plaats het meetlint over de elektroden bij de middellijn en meet de afstand tussen de nasion en de inion. Zorg ervoor dat de Cz-elektrode van het internationale 10-20-systeem zich in het midden van de meting bevindt. Gebruik de scrunch and release-methode om de posities van de dop indien nodig heen en weer te verschuiven.
  8. Meet de afstand tussen het linker- en rechtertragus om er zeker van te zijn dat de Cz-elektrode overeenkomt met het middelpunt van de meting en pas indien nodig aan.
  9. Toepassing van EEG- en ECG-gel
    1. Begin met het aanbrengen van gel op de referentie- en aardelektroden. Ga verder met het geleren van de resterende elektroden. Begin met de elektroden aan de achterkant, omdat het langer kan duren voordat de impedantie is afgenomen tot een acceptabel bereik (meestal < 25 kΩ), aangezien volwassenen doorgaans meer haar aan de achterkant hebben.
    2. Gebruik bij het aanbrengen van gel op de verzorger een spuit met een langere en fijnere punt. Steek de punt van de spuit in de elektrodeopening en scheid het haar met behulp van de onderste ronding van de spuit. Spuit kleine hoeveelheden gel terwijl de spuit wordt uitgezogen. Als er een grote opening is tussen de hoofdhuid en de elektrode, druk dan stevig op de elektrode om contact te garanderen.
    3. Gebruik licht als referentiegids voor de impedantie als de gegeven actieve elektrode-opstelling dat toelaat. U kunt ook de impedantiemetingen op de EEG-opnamesoftware raadplegen om te bepalen welke elektroden contactverbetering vereisen.
      OPMERKING: Elektroden met een lage impedantie en een goede signaalkwaliteit (gegarandeerd door te controleren op artefacten voordat de sessie begint) worden groen gekleurd op de dop en/of op de EEG-montage. Als de impedantie voor een elektrode hoog is, herhaal dan de inspanning om het haar te scheiden en verplaats de gel in de elektrode goed naar het punt van duidelijk contact met de hoofdhuid.
    4. Houd er rekening mee dat de dop meestal niet perfect op elk hoofd past en dat concave delen van het hoofd een natuurlijke opening tussen de elektrode en de hoofdhuid kunnen veroorzaken. Als de impedantie hoog blijft, breng dan een klein hoopje gel aan om ervoor te zorgen dat er een gelbrug ontstaat tussen de elektrode en de hoofdhuid. Zorg ervoor dat u de gel hierna niet zijwaarts beweegt om overbrugging met naburige elektroden onder de dop te voorkomen.
    5. Zorg ervoor dat u de putjes niet te vol met gel vult om te voorkomen dat ze ook over de dop over aangrenzende elektroden overbruggen.
    6. Zodra alle EEG-elektroden een lage impedantie hebben, reinigt u het zachte gebied onder het linkersleutelbeen van de deelnemer met alcoholdoekjes en begint u de ECG-elektrode te bevestigen.
      1. Bevestig een cirkelvormige tape aan de onderkant van de ECG-elektrode en breng voldoende gel aan om het putje van de elektrode te bedekken.
      2. Bevestig de elektrode aan het zachte gebied onder het linker sleutelbeen. Breng witte afplaktape aan op de bovenkant van de sensor.

5. EEG- en ECG-sensortoepassing voor de baby

  1. Vraag de verzorger om de baby te helpen een vest te dragen, dat door de onderzoekers wordt verstrekt, met een achterzak, waarin de versterker later kan worden opgeborgen.
  2. Reinig met toestemming van de verzorger het voorhoofd met alcoholdoekjes. Meet de hoofdomtrek van de baby door het meetlint rond de vier referentiepunten te leggen.
  3. Als de baby in een ogenschijnlijk goed humeur is en gelukkig alleen of met een verzorger speelt, ga dan verder met het plaatsen van de EEG-dop. Raadpleeg de verzorger over de gemoedstoestand van het kind en de aanleg voor hoofddeksels. Bereid droogvoer of speelgoed voor om de handen van de baby bezig te houden voordat u het afdekt, als de ouder het goed vindt. Plaats de baby bovendien op de schoot van de verzorger, zodat ze zich getroost voelen tijdens het geleerproces.
  4. Plaats de dop op het hoofd van de baby met dezelfde kroonachtige strekkende beweging en bevestig de klittenbanduiteinden onder de kin. Laat de tweede onderzoeker of verzorger de baby met behulp van een rammelaar vragen om omhoog te kijken, zodat het gemakkelijker is om de klittenbanduiteinden vast te maken.
    1. Zorg ervoor dat eventuele knallen of verdwaalde haren op het gezicht van de baby netjes onder de pet zijn weggestopt om ongemak of belemmering van het zicht te voorkomen.
    2. Strijk de dop voorzichtig glad om ervoor te zorgen dat de elektroden in nauw contact liggen met de hoofdhuid. Zorg ervoor dat er geen kreukels op de dop zitten.
  5. Gebruik het meetlint om ervoor te zorgen dat de dop correct is geplaatst, met de Cz-elektrode in het midden of de bovenkant van het hoofd en gebruik de scrunch and release-methode om indien nodig aan te passen (zie stap 4.7).
  6. Bevestig de amplifier stevig aan de dop. Eenmaal aangesloten, geeft u de impedantiemetingen weer.
  7. Plaats de aangesloten versterker in de zak aan de achterkant van het vest van de baby.
  8. Toepassing van EEG- en ECG-gel
    1. Begin met het aanbrengen van gel op de referentie- en aardelektroden. Ga verder met het geleren van de resterende elektroden, beginnend vanaf de achterkant.
      OPMERKING: Zuigelingen kunnen een beetje kieskeurig zijn door de onderzoekers die hun hoofd aanraken of door het verkoelende gevoel van de gel. Als dit het geval is, geef de verzorger dan wat tijd om het kind te kalmeren voordat u verder gaat. De tweede onderzoeker kan het kind afleiden (bijvoorbeeld door bellen te blazen, speelgoed te gebruiken of wat eten te geven).
    2. Vul alle elektrodeopeningen met gel en gebruik vervolgens de wattenstaafjes om het haar in een zachte beweging van links naar rechts te scheiden als u passieve elektroden gebruikt (zoals hier); raadpleeg de montage op de EEG-opnamesoftware om te controleren op impedantie tijdens het geleren.
    3. Zorg ervoor dat alle elektroden een lage impedantie vertonen op de EEG-opnamesoftware, meestal < 50 kΩ, aangezien zuigelingen minder tolerant zijn voor het geleerproces in vergelijking met volwassenen.
    4. Reinig het zachte gebied onder het linkersleutelbeen van de baby met babydoekjes en bevestig het ECG onder het linkersleutelbeen van de baby volgens dezelfde procedure als het ECG voor volwassenen.

6. Een triggerbox maken voor multimodale gegevenssynchronisatie

OPMERKING: Aangezien verschillende sensorgegevensstromen (d.w.z. EEG, ECG, video en audio) op verschillende tijdstippen tijdens de sessie beginnen met opnemen, moeten ze handmatig worden gesynchroniseerd om één tijdlijn van gebeurtenissen te maken. Er is dus een gemeenschappelijke gebeurtenis nodig die kan worden vastgelegd door zowel de camcorder (d.w.z. LED-licht) als de versterker (d.w.z. digitaal of analoog signaal). Om dit te bereiken, wordt een interne synchronisatietriggerbox gebruikt, die kan worden gebouwd met behulp van een eenvoudig microcontroller-eenheidsprogramma, zoals hieronder beschreven.

  1. Om de triggerbox te bouwen, gebruikt u een microcontroller-ontwikkelbord, LED, BNC-connector, powerbank, een digitaal invoerapparaat (d.w.z. een drukknop) en elektrische puls-/signaaluitgang (d.w.z. triggerdraden) die worden aangesloten op de triggerpoort van de versterker (zie afbeelding 2B).
    1. Sluit de vrouwelijke BNC-connector aan op de drukknop, die als ingang dient (bijv. ingangspin: 8), en het LED-lampje en het elektrische pulssignaal fungeren als uitgang (bijv. uitgangspen: 12; zie afbeelding 2A).
    2. Sluit de BNC-connector aan op de twee versterkers via de 2.5 mm elektrische draadkabels, waardoor one-bit-triggers worden geproduceerd die de monsters in de EEG-ECG-opname markeren wanneer deze het digitale TTL-signaal van de drukknop leest (zie afbeelding 2C).
  2. Configureer de triggerpoortinstellingen van de versterkers voor volwassenen en baby's op een identieke manier om een strakke en nauwkeurige EEG-EEG-synchronisatie te garanderen.
    1. Ontwerp het triggersysteem zo dat triggermarkeringen worden geproduceerd in beide versterkeropnames wanneer de trigger-drukknop wordt losgelaten (na te zijn ingedrukt) in tegenstelling tot wanneer deze wordt ingedrukt.
    2. Identificeer de huidige status van de triggerpoort in de amplifiers. Als deze aanvankelijk op 0 of LAAG staat, stelt u de poort in op laag-actief om een markering te produceren wanneer de drukknop wordt losgelaten. Als de begintoestand van de poort 1 of HOOG is, stelt u de poort ook in op hoog-actief om een markering te produceren wanneer de drukknop wordt losgelaten (zie afbeelding 3).

figure-protocol-2
Figuur 2: Bouw van de triggerbox. (A) Schakelschema van de microcontroller voor de triggerbox; (B) Binnenkant van de ingebouwde triggerbox; (C) Triggerbox aangesloten op de EEG-ECG-versterkers voor volwassenen en baby's, de triggerdrukknop en de powerbank. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-3
Afbeelding 3: Instellingen voor hoge actieve en lage actieve triggerpoorten. Afhankelijk van de begintoestand van de triggerpin (0 of 1), wordt de instelling van de triggerpoort (High Active, HA of Low Active, LA) zo gekozen dat de marker aan het einde van de puls wordt geproduceerd (wanneer de triggerdrukknop wordt losgelaten). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

7. Synchronisatie van sensorstreams

  1. Om de synchronisatie te vergemakkelijken, sluit u de microfoonontvanger aan op de betreffende camcorder, waardoor video (camcorder) automatisch wordt gesynchroniseerd met audio (microfoon).
    OPMERKING: Aangezien de microfoons op de camcorders zijn aangesloten en de EEG- en ECG-elektroden afkomstig zijn van de EEG-elektrodevertakking die op dezelfde versterker is aangesloten, worden deze gegevensstromen automatisch vooraf gesynchroniseerd.
  2. Bevestig de betreffende microfoonzender aan de halsband van het topje van de verzorger en aan het vest van de baby.
  3. Start de camcorderopnames voor alle drie de camcorders nadat u ervoor hebt gezorgd dat hun positionering het LED-lichtsignaal van de Trigger Box in de kamer kan opvangen.
  4. Start de EEG-opname op de laptop en de versterker (SD-kaartversie) voor zowel de baby als de verzorger. Om de synchronisatie na de sessie te vergemakkelijken, start u eerst de camera's, gevolgd door de EEG-sensoren in volgorde volwassene-kind, aangezien het EEG voor baby's de hoofdsensor is waarmee elke andere sensor wordt gesynchroniseerd (om negatieve video-EEG-offsets te voorkomen).
  5. Sluit beide versterkers aan op de triggerbox-opstelling met behulp van de 2.5 mm-aansluiting om valse markeringen te voorkomen (Figuur 2C).
    OPMERKING: Er moet een triggermarkering te zien zijn op de continue EEG-stroom terwijl de aansluiting is aangesloten op de amplifier.
  6. Synchroniseer de gegevensstromen met behulp van de Trigger Box.
    1. Druk lang op de knop, omdat het verschil in uiterlijk van de markering tussen de twee configuraties (begin versus einde van het indrukken van de knop) alleen merkbaar is als de drukken aanzienlijk lang zijn (minstens 1 - 2 s lang).
    2. Druk meerdere keren lang om meerdere triggers te produceren om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de geschatte offsets tussen sensoren te vergroten en post-hoc synchronisatie te bevorderen in situaties waarin sommige triggers niet worden geregistreerd door sommige sensoren.
    3. Controleer alle camera's om te controleren of het LED-signaal van de Trigger Box zichtbaar is in de opnames en controleer of er gelijktijdige markeringen worden weergegeven in de lopende EEG-opnames op de laptop.
  7. Verwijder de amplifiers uit de triggerbox en zorg ervoor dat de amplifiers stevig zijn bevestigd aan de respectievelijke EEG-doppen.
  8. Voer deze synchronisatieprocedure uit aan het begin en aan het einde van de experimentele sessie, vooral als webcamera's worden gebruikt om weggevallen videoframes te controleren, waardoor de synchronisatie afwijkt.

8. Experiment met interactie tussen ouder en kind

  1. Voordat u met de taak voor ouder-kindinteractie begint, verwijdert u alle apparatuur van de tafel om mogelijke afleiding voor de interactie-experimenten tussen verzorger en kind te verwijderen.
  2. Voer de experimentele taken uit.
    OPMERKING: De taken werden gekozen om naturalistische interacties tussen de dyade te benadrukken met minimale instructies of betrokkenheid van de onderzoeker (bijv. 5 minuten met je baby lezen zoals je normaal gesproken thuis zou doen). De duur van de taak is afhankelijk van het comfort van de deelnemers en de beperkingen van de apparatuur, bijvoorbeeld de levensduur van de batterij van de versterker.
  3. Zorg er indien mogelijk voor dat alle onderzoekers tijdens het experiment uit het zicht van het kind worden verborgen om afleiding te voorkomen. Een onderzoeker moet in de buurt blijven bij de opnamelaptops om te kunnen ingrijpen als er zich problemen met sensorstreaming voordoen. Zorg ervoor dat de opnamelaptops zich in de buurt van de amplifiers bevinden (< 10 m) om verloren samples te voorkomen als gevolg van draadloze (Wi-Fi, Bluetooth) degradatie.

9. Opruimen aan het einde van het experiment

  1. Stop de opnames op camcorders en de EEG-opnamesoftware op de laptop en de versterker. Schakel de versterker uit en maak deze los van de dop.
  2. EEG-doppen verwijderen
    1. Verwijder voorzichtig de ECG-tapes en elektroden, te beginnen bij de verzorger, of vraag de verzorger om indien nodig het ECG van de baby te verwijderen. Omdat de huid van de baby gevoelig is, gebruik dan babydoekjes of warm water om de tape nat te maken om deze gemakkelijker te kunnen verwijderen.
    2. Begin met het verwijderen van de klittenbanduiteinden van de dop, trek vervolgens de dop naar achteren af en draai hem binnenstebuiten. Gebruik babydoekjes om de gelresten van het hoofd van de baby te verwijderen en ga verder met het verwijderen van de dop van de verzorger.
    3. Vertel de verzorger dat overtollige gel gemakkelijk uitspoelt onder de douche.
  3. Voorbereidingen voor transport
    1. Plaats de EEG-dop samen met de EEG- en ECG-elektroden in een plastic zak. Zorg ervoor dat de gel op de dop niet in contact komt met de splitterbox van de dop. Bewaar de draden en de splitterbox tijdens het transport in een gestructureerde doos.
    2. Om mechanische schade tijdens het transport te voorkomen, verpakt u de amplifier in een gewatteerde doos om trillingen tot een minimum te beperken.
  4. Reiniging na de dop in het lab
    1. Begin zo snel mogelijk met het schoonmaken van de EEG-doppen.
    2. Plaats de EEG-doppen in een reinigingskuip en klem de draden met droge doeken uit de buurt van de waterbron. Zorg ervoor dat de splitterbox niet in contact komt met water.
    3. Giet ongeveer 1 liter water in het bad en voeg 10 ml ontsmettingsmiddelen op basis van aldehyde toe. Laat de dop 10 minuten in de oplossing zitten. Bewaar de dop niet te lang in de oplossing en doe niet te veel ontsmettingsmiddel, omdat dit de achteruitgang van de doppen na verloop van tijd versnelt.
    4. Gebruik na 10 minuten een tandenborstel om de gelresten van de elektroden onder stromend water te verwijderen. Wees bijzonder voorzichtig bij het reinigen van actieve elektroden, aangezien deze kleine elektronische schakelingen hebben ingebouwd in elke elektrode.
    5. Spoel de dop grondig af met water om de desinfecterende oplossing te verwijderen.
    6. Dep de dop met een droge doek droog en steek een droge doek in de dop om eventueel achtergebleven vocht op te nemen. Sluit de klittenbanduiteinden om de droge doek binnen de dop te houden.
    7. Hang de dop te drogen en zorg ervoor dat de natte uiteinden van de dop de connectoren niet raken. Om dit te bereiken, plaatst u de dop tijdens het ophangen op een lagere positie dan de splitterbox en connectoren.
  5. Besparing van gegevens
    1. Zorg ervoor dat de gegevens van de SD-kaarten van de camcorders, versterkers en opnamen van de laptop worden geëxporteerd en geback-upt naar de gegevensopslaglocatie.

10. Kwaliteitsborging van de gegevens

  1. Video-audio gegevens
    1. Controleer of het geluid is ingeschakeld, of het zicht niet is belemmerd tijdens de taken en of de markeringen zijn vastgelegd.
  2. EEG-ECG-gegevens
    1. Zorg ervoor dat de opname op de SD-kaart aanwezig is en niet beschadigd is. Controleer of de markers op beide EEG-opnames zijn vastgelegd.
    2. Controleer op technische storingen, d.w.z. het loskoppelen van de versterker en elektrische of mechanische interferentie in het EEG / ECG-signaal.

11. Gegevensverwerking

  1. Synchronisatie van opnames met meerdere sensoren
    1. Importeer de video's van de verzorger, de baby en de gecombineerde camcorder in de videobewerkingssoftware.
    2. Doorloop de video om de specifieke frames te markeren waarin elk LED-triggerlicht voor het eerst verschijnt. Ga verder met het doorlopen van de video en voeg nog een markering toe aan het specifieke frame waarin het LED-lampje voor elke trigger volledig verdwijnt.
    3. Voer deze stappen uit voor alle drie de video's. Als je klaar bent, noteer je de framenummers van de markeringen van alle video's in een spreadsheet.
    4. Open de EEG-markeringsbestanden van de SD-kaart van de versterker voor de baby en de volwassene. Noteer de voorbeeldinformatie van de markering in een spreadsheet.
    5. Aangezien de video wordt opgenomen in frames per seconde (FPS, bijv. 25 FPS) en het EEG-ECG wordt opgenomen in samples per seconde (bijv. 500 Hz), moet u de frame- en samplenummers omzetten in een gemeenschappelijke meeteenheid, zoals milliseconden (ms), om een enkele tijdlijn te kunnen maken.
    6. Bereken voor elke sensor (video's en fysiologische opnames) de tijden tussen triggers, hier aangeduid als inter-trigger intervallen (ITI), door de ms-tijdstempel voor elk paar opeenvolgende markeringen af te trekken.
      OPMERKING: Hoewel de starttijden van de opnamesensoren verschillend zijn, moeten de ITI's in ms voor dezelfde set triggers op de verschillende sensoren (video's en EEG's) nog steeds overeenkomen. Om dit te valideren, berekent u daarom het verschil in elke ITI (ITI Lag) tussen elke sensor en het master-EEG.
    7. Controleer de kwaliteit van de video-EEG ITI Lags. Aangezien de bemonsteringsfrequentie/FPS anders is tussen de twee sensoren, heeft de EEG doorgaans een veel hogere bemonsteringsfrequentie dan de video's, waardoor een fout met tolerantie ± 1 videoframe (hier 40 ms) mogelijk is voor de berekende EEG-video ITI-vertragingen.
    8. Controleer de kwaliteit van de EEG voor volwassenen - EEG ITI Lags voor zuigelingen. Aangezien ze dezelfde bemonsteringsfrequentie hebben, moet u een fouttolerantie van ± 1 EEG-monster toestaan (hier 2 ms).
    9. Zodra deze controles zijn voltooid, berekent u de offsets tussen elke sensor en de tijdlijn van de hoofdsensor (in dit geval het EEG van de baby).
    10. Trek de ms-tijdstempel van elke triggermarker van de Master EEG af van de respectievelijke markers van elke sensor (video's, EEG voor volwassenen). Dit produceert N [sensor - master EEG] offsets (N = aantal triggers) voor elke sensor.
    11. Bereken voor elke sensor het gemiddelde van deze offsets en rond ze naar boven af om het uiteindelijke offsetgetal ten opzichte van het master-EEG te produceren. Gebruik deze offsetnummers om de video- en EEG-gegevens te knippen zodat ze op hetzelfde moment beginnen als het master-EEG.
  2. Eenvoudige videocodering
    1. Om de verschillende fasen van het experiment in de video's te identificeren (bijv. begin en einde van de experimentele taken of onderbrekingen), noteer je de specifieke tijdstempels in frames met behulp van videobewerkingssoftware.
  3. EEG-voorbewerking
    1. Knip de EEG-bestanden van de volwassenen en zuigelingen aan het begin en einde van de taak.
    2. Identificeer en verwijder slechte kanalen
      1. Noteer alle kanalen die er continu luidruchtig uitzien of geen signaal bevatten gedurende het geheel/het grootste deel van de taakregistratie.
        OPMERKING: Voor opnamen met een lage dichtheid is het doel om zoveel mogelijk kanalen te behouden. Voor kanalen die slechts gedurende korte perioden slecht zijn, verdient het dus de voorkeur om het beschadigde gegevenssegment in een later stadium van de analyse te verwijderen in plaats van het kanaal zelf.
      2. Plot en inspecteer de Power Spectral Density (PSD) visueel om afgelegen kanalen te identificeren.
    3. Om langzame lineaire trends (meer dan 2 s) te verwijderen, filtert u de gegevens met behulp van een standaard FIR-hoogdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 0,5 Hz.
    4. Om hoogfrequente ruis van myogene en externe bronnen te verwijderen, filtert u de gegevens met een laagdoorlaatfilter met behulp van een basis FIR-laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 35 Hz.
    5. Segmenteer de gegevens in opeenvolgende, niet-overlappende tijdvakken van 1 s.
    6. Vernietig automatisch alle segmenten met een minimumwaarde lager dan -100 μV (voor volwassenen) en -150 (voor zuigelingen) en/of de maximumwaarde boven +100 μV (voor volwassenen) en +150 (voor zuigelingen).
    7. Inspecteer visueel alle segmenten die niet zijn uitgesloten in 11.3.6. Weiger handmatig alle segmenten die artefacten bevatten. Als slechts één 1s-segment acceptabel is tussen afgewezen segmenten, verwijdert u de hele periode zodat er geen enkele 1s-segmenten behouden blijven.
    8. Analyseer voor INS / dyadische analyse alleen geaccepteerde segmenten die gemeenschappelijk zijn voor volwassenen en zuigelingen. Door alle segmenten van de volwassene die bij de baby worden afgestoten te verwijderen en vice versa, zorgt u ervoor dat de EEG-tijdreeksen van volwassene en baby perfect op elkaar afgestemd blijven.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Deelnemers aan deze studie waren 8 tot 12 maanden oud, meestal ontwikkelende baby's en hun moeder en/of grootmoeder die thuis Engels of Engels en een tweede taal spraken. De EEG's met 7 elektroden en een ECG met één afleiding van volwassenen en baby's, evenals video- en audio-opnamen van drie camera's en microfoons, werden tijdens de taken tegelijkertijd verkregen. Neurale activiteiten werden gemeten over F3, F4, C3, Cz, C4, P3 en P4 volgens het internationale 10-20-systeem. De verschillende gegevensstromen werden aan he...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In dit protocol voeren we metingen uit in de huizen van de deelnemers, waar baby's en verzorgers zich meer op hun gemak voelen en hun gedrag meer representatief kan zijn voor hun interacties in het echte leven in tegenstelling tot een laboratoriumomgeving, waardoor de ecologische validiteit toeneemt7. Verder kunnen opnames in de thuisomgeving de last voor de deelnemers verlichten, bijvoorbeeld met betrekking tot reistijden, en zo bepaalde deelnemersgroepen toegankelijker maken. Naast deze voordele...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Er hoeven geen belangenconflicten te worden gemeld.

Dankbetuigingen

Het werk werd gefinancierd door een Presidential Postdoctoral Fellowship Grant van de Nanyang Technological University die werd toegekend aan VR.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

```html
Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
10 cc Luer Lock Tip syringe without NeedleTerumo Corporation
actiCAP slim 8-kanaals elektrodenset (LiveAMP8)Brain Products GmbH
Arduino Software (IDE)ArduinoArduino IDE 1.8.19De software die wordt gebruikt om de code voor de Arduino-microcontroller te schrijven. Er kan alternatieve programmeersoftware worden gebruikt in combinatie met de gekozen microcontroller-eenheid. 
Arduino Uno-boardArduinoWordt gebruikt voor het bouwen van de schakeling van de triggerbox. Er kunnen alternatieve microcontrollerborden worden gebruikt.
BNC-connectorenBNC-connectoren om de verschillende onderdelen van de triggerbox-opstelling aan te sluiten.
BNC-drukknop Brain Products GmbHBP-345-9000BNC-trigger-drukknop om triggers te verzenden.
BNC naar 2,5 mm jack trigger-kabel (80 cm) Brain Products GmbHBP-245-1200BNC-kabels die de 2 LiveAmps met de triggerbox verbinden.
BrainVision Analyzer Versie 2.2.0.7383Brain Products GmbHEEG-analysesoftware.
BrainVision Recorder Licentie met dongleBrain Products GmbHS-BP-170-3000
BrainVision Recorder Versie 1.23.0003Brain Products GmbHEEG-opnamesoftware.
Custom 8Ch LiveAmp Cap passief (zuigelingen EEG-caps)Brain Products GmbHLC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 Voor zuigelingen hoofdmaten 44, 46, 48 . Alternatieve EEG-caps kunnen worden gebruikt.
Dell Latitude 3520 LaptopsDellTwee laptops, één voor volwassen EEG-opname en één voor zuigelingen EEG-opname. Alternatieve computers kunnen worden gebruikt.
Tandarts-irrigatiespuiten
LiveAmp 8-CH draadloze versterkerBrainProducts GmbHBP-200-3020Twee LiveAmps, één voor volwassen EEG en één voor zuigelingen EEG. Alternatieve versterker kan worden gebruikt.
Manfrotto MT190X3 statief met 128RC Micro Fluid Video HeadManfrottoMT190X3Alternatieve statieven kunnen worden gebruikt.
Matlab SoftwareThe MathWorks, Inc.R2023aAlternatieve analyse- en presentatiesoftware kan worden gebruikt.
Powerbank (10000 mAh)PhilipsDLP6715NB/69Alternatieve powerbanks kunnen worden gebruikt.
Ruwe EEG-capsEASYCAP GmbHVoor volwassen hoofdmaten 52, 54, 56, 58. Alternatieve EEG-caps kunnen worden gebruikt.
Rode Wireless Go II Single SetRøde MicrophonesAlternatieve microfoons kunnen worden gebruikt.
Sony FDR-AX700 CamcorderSonyFDR-AX700Alternatieve camcorders of webcams kunnen worden gebruikt.
SuperVisc Hoog-Viscositeits Gel EASYCAP GmbHNS-7907
```

Referenties

  1. Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
  2. Endevelt-Shapira, Y., Djalovski, A., Dumas, G., Feldman, R. Maternal chemosignals enhance infant-adult brain-to-brain synchrony. Sci Adv. 7 (50), eabg6867 (2021).
  3. Santamaria, L., et al. Emotional valence modulates the topology of the parent-infant inter-brain network. NeuroImage. 207, 116341(2020).
  4. Nguyen, T., et al. The effects of interaction quality on neural synchrony during mother-child problem solving. Cortex. 124, 235-249 (2020).
  5. Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
  6. Reindl, V., et al. Conducting hyperscanning experiments with functional near-infrared spectroscopy. J Vis Exp. (143), e58807(2019).
  7. Gardner, F. Methodological issues in the direct observation of parent-child interaction: Do observational findings reflect the natural behavior of participants. Clin Child Fam Psychol Rev. 3, 185-198 (2000).
  8. Xu, J., Zhong, B. Review on portable EEG technology in educational research. Comput Hum Behav. 81, 340-349 (2018).
  9. Troller-Renfree, S. V., et al. Feasibility of assessing brain activity using mobile, in-home collection of electroencephalography: methods and analysis. Dev Psychobiol. 63 (6), e22128(2021).
  10. Bögels, S., Levinson, S. C. The brain behind the response: Insights into turn-taking in conversation from neuroimaging. Res Lang Soc. 50 (1), 71-89 (2017).
  11. Georgieva, S., et al. Toward the understanding of topographical and spectral signatures of infant movement artifacts in naturalistic EEG. Front Neurosci. 14, 452947(2020).
  12. Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Curr Biol. 27 (9), 1375-1380 (2017).
  13. Oliveira, A. S., Bryan, R. S., Hairston, W. D., Peter, K., Daniel, P. F. Proposing metrics for benchmarking novel EEG technologies towards real-world measurements. Front Hum Neurosci. 10, 188(2016).
  14. Turk, E., Endevelt-Shapira, Y., Feldman, R., vanden Heuvel, M. I., Levy, J. Brains in sync: Practical guideline for parent-infant EEG during natural interaction. Front Psychol. 13, 833112(2022).
  15. Kayhan, E., et al. A dual EEG pipeline for developmental hyperscanning studies. Dev Cogn Neurosci. 54, 101104(2022).
  16. Ayrolles, A., et al. HyPyP: a Hyperscanning Python pipeline for inter-brain connectivity analysis. Soc Cogn Affect Neurosci. 16 (1-2), 72-83 (2021).
  17. Delorme, S., Makeig, S. EEGLAB: an open-source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics. J Neurosci Meth. 134, 9-21 (2004).
  18. Nathan, K., Contreras-Vidal, J. L. Negligible motion artifacts in scalp electroencephalography (EEG) during treadmill walking. Front Hum Neurosci. 9, 708(2016).
  19. Stone, D. B., Tamburro, G., Fiedler, P., Haueisen, J., Comani, S. Automatic removal of physiological artifacts in EEG: The optimized fingerprint method for sports science applications. Front Hum Neurosci. 12, 96(2018).
  20. Noreika, V., Georgieva, S., Wass, S., Leong, V. 14 challenges and their solutions for conducting social neuroscience and longitudinal EEG research with infants. Infant Behav Dev. 58, 101393(2020).
  21. Ng, B., Reh, R. K., Mostafavi, S. A practical guide to applying machine learning to infant EEG data. Dev Cogn Neurosci. 54, 101096(2022).
  22. vander Velde, B., Junge, C. Limiting data loss in infant EEG: putting hunches to the test. Dev Cogn Neurosci. 45, 100809(2020).
  23. Bell, M. A., Cuevas, K. Using EEG to study cognitive development: Issues and practices. J Cogn Dev. 13 (3), 281-294 (2012).
  24. Lopez, K. L., et al. HAPPILEE: HAPPE in low electrode electroencephalography, a standardized pre-processing software for lower density recordings. NeuroImage. 260, 119390(2022).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Interactie tussen baby en verzorgergesynchroniseerde EEG-registratiedyadische sociale interactiegedragsregistratiesmultimodale synchronisatievoorbereiding van de EEG-kapelektrocardiografie ECGecologische validiteit
EEG-hyperscanning voor thuisgebruik voor sociale interacties tussen baby en verzorger
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.