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

Methodenartikel

Integratie van hartcyclusfasen in gebeurtenisgerelateerde potentiaalanalyse: een protocol voor tweedimensionale en virtual reality-omgevingen

69 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/69752

⸱

5 mei 2026

 ,  ,  ,  , 
1Research Center for Genetics and Life Sciences, Sirius University of Science and Technology, 2Samara State Medical University, 3National Research University Higher School of Economics

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol beschrijft een benadering om hartfase-afhankelijke modulatie van visuele gebeurtenisgerelateerde potentialen te onderzoeken met behulp van gelijktijdige elektro-encefalografie en elektrocardiografie-opnames. Het protocol beschrijft stimulussynchronisatie, cardiale fasesegmentatie en event-gerelateerde potentialenanalyse tijdens systole en diastole, en is toepasbaar in zowel conventionele tweedimensionale als immersieve virtual reality-omgevingen.

Samenvatting

De hartslag is een fundamenteel fysiologisch ritme dat niet alleen het leven in stand houdt, maar ook perceptuele en neurale processen moduleert, waardoor de reproduceerbaarheid van gebeurtenisgerelateerde potentialen (ERP's) wordt beïnvloed. Hoewel virtual reality (VR) zeer meeslepende omgevingen biedt vergeleken met conventionele tweedimensionale (2D) schermen, brengt het ook unieke uitdagingen met zich mee voor elektrofysiologische opname, waaronder bewegingsartefacten, presentatielatentie en mogelijk sterkere cardiogene modulatie. Deze factoren kunnen de efficiëntie van standaard elektro-encefalografie (EEG) preprocessing verminderen, wat leidt tot aanzienlijk dataverlies. Deze studie presenteert een gedetailleerd protocol dat gelijktijdige EEG en elektrocardiografie (ECG) combineert om hart-herseninteracties onder zowel VR- als 2D-omstandigheden te onderzoeken. De aanpak omvat nauwkeurige uitlijning van prikkels met hartsignalen, correctie voor door VR veroorzaakte latentie en uitgebreide artefactbeheer. Segmentatie van EEG-epochen op basis van of stimuli optraden tijdens de hartsystole of diastole toonde een robuuste onderdrukking van de visuele ERP-amplitude tijdens de systole. Cruciaal is dat dit onderdrukkende effect vrijwel identiek was in zowel VR- als 2D-omgevingen, wat de effectiviteit van het protocol aantoont en bevestigt dat deze fundamentele hart-herseninteractie bestand is tegen veranderingen in het immersieniveau. Dit protocol biedt dus een gestandaardiseerd kader voor het onderzoeken van de invloed van het hart op cognitie, dat zich kan aanpassen aan diverse visuele presentatiemethoden.

Inleiding

De ritmische activiteit van het hart wordt steeds meer erkend, niet alleen als een vitaal homeostatisch proces, maar ook als een fundamentele modulator van hersenfunctie en cognitie1. Een groeiend aantal bewijs toont aan dat hartsignalen een continue invloed uitoefenen op een breed spectrum aan neurocognitieve processen, waaronder perceptie, aandacht, emotionele regulatie en bewustzijn 2,3. Deze hart-hersenas wordt gemedieerd door afferente interoceptieve signalen van cardiovasculaire baroreceptoren en mechanoreceptoren, die via de hersenstam naar corticale gebieden projecteren waar ze integreren met exteroceptieve sensorische informatie 4,5. Daardoor verwerkt de hersenen externe prikkels niet passief, maar binnen de context van de interne toestand van het lichaam, waarvan een belangrijke indicator de fase van de hartcyclus is.

De centrale methodologische uitdaging is om te onthullen hoe cardiogene neurale activiteit de verwerking van externe prikkels beïnvloedt, gemeten aan de hand van visuele ERP's. De meest opvallende elektrofysiologische manifestatie van deze wisselwerking is het hartslag-geëvokeerde potentiaal (HEP), een specifiek patroon van EEG-activiteit dat tijdsgebonden is aan de hartcontractie6. De HEP wordt beschouwd als een neurale marker van interoceptieve aandacht, die de voorspellende codering van de hersenen van de naderende hartslag en de gevolgen daarvan voor sensorische verwerkingweerspiegelt 7,8. Volgens hedendaagse modellen gebruikt de hersenen deze hartsignalen om een uniforme representatie te creëren van de interne toestand van het lichaam binnen de externe context 9,10. Empirisch bewijs wijst erop dat de verwerking van externe prikkels, inclusief hun perceptuele salientie en onderliggende neurale correllaten, aanzienlijk varieert afhankelijk van of ze worden gepresenteerd tijdens hartsystole of diastole 11,12,13. Stimuli die tijdens systole (de contractiefase) worden gepresenteerd, zijn consequent geassocieerd met onderdrukte neurale verwerking, wat blijkt uit verminderde ERP-amplitudes en veranderde gedragsreacties, vergeleken met die tijdens diastole (de relaxatiefase)14,15,16. Dit effect wordt verklaard door de "somatosensory gating"-hypothese, die stelt dat de hersenen exteroceptieve signaalverwerking onderdrukken om tijdelijk prioriteit te geven aan hartinteroceptieve signalen tijdens systole15,17.

Ondanks de groeiende interesse in de hart-hersenas, richten standaard ERP-analyseprotocollen zich uitsluitend op externe prikkels, waarbij epochen worden gesegmenteerd ten opzichte van het begin van de stimulus en daarmee de diepgaande variabiliteit per proef door de voortdurende hartcyclus genegeerd. Om de modulatie van de hartcyclus van visuele ERP's nauwkeurig vast te leggen, is een fundamenteel andere benadering nodig. Dit vereist de precieze afstemming van stimuluspresentatie met specifieke hartfasen, bevestigd door gelijktijdige ECG-opname18. De huidige literatuur mist gestandaardiseerde, gedetailleerde en gemakkelijk reproduceerbare protocollen die alle verwerkingsfasen volledig beschrijven, van ruwe gegevensverzameling tot statistische analyse, met rekening houdend met hartfasen.

Een extra methodologische uitdaging ontstaat door de snelle adoptie van immersieve technologieën zoals VR in de neurowetenschap. VR-omgevingen bieden zeer meeslepende en boeiende contexten, waardoor gecontroleerde maar realistische experimentele omgevingen mogelijk zijn19,20. Het gelijktijdig verkrijgen van hoogwaardige EEG- en ECG-gegevens binnen een VR-omgeving gaat echter gepaard met verschillende technische moeilijkheden. Deze omvatten potentiële bewegingsartefacten, elektromagnetische interferentie van de headset en de cruciale noodzaak van precieze temporele synchronisatie tussen stimuluspresentatie (vaak met inherente latentie), data-acquisitie en bewegingsvolgsystemen21. Deze technische uitdagingen hebben bijgedragen aan een tekort aan robuuste analyseprotocollen die specifiek zijn ontworpen voor directe vergelijking van cardio-afhankelijke neurale modulatie tussen klassieke 2D- en immersive VR-paradigma's. Dit gebrek aan een gemeenschappelijk kader belemmert uiteindelijk onderzoek naar hoe immersie en aanwezigheid fundamentele hersen-lichaam-interactiemechanismen moduleren.

Om deze uitdagingen aan te pakken, presenteert dit werk een uitgebreid, stapsgewijs methodologisch protocol voor het onderzoeken van de hartcyclusmodulatie van visuele ERP's door gelijktijdige EEG- en ECG-opnames te integreren. De hoeksteen van de aanpak is de segmentatie van neurale gegevens ten opzichte van de hart-R-piek, waardoor de classificatie van prikkels mogelijk is op basis van hun optreden tijdens systole of diastole. Cruciaal is dat een datagedreven analyse van het gehele post-stimulus tijdperk wordt gebruikt om specifieke tijdsvensters te identificeren waarin de hartfase een significante modulerende invloed uitoefent op de neurale respons. De belangrijkste bijdragen van dit werk zijn drieledig: (1) er wordt een compleet, gevisualiseerd protocol aangeboden voor eenvoudige replicatie, (2) het protocol wordt aangepast en gevalideerd om gegevens te vergelijken die zijn verkregen met een standaard 2D-monitor en een immersieve VR-headset, en (3) het nut van het protocol wordt aangetoond door te laten zien hoe gezichtsprikkels van emotionele valentie de invloed van het hart op neurale verwerking verschillend moduleren, afhankelijk van de immersiviteit van de omgeving.

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

Protocol

De studie werd goedgekeurd door de Bio-ethische Commissie van de Staatsmedische Universiteit van Samara (protocolcode 195, gedateerd 10 oktober 2018). Alle deelnemers gaven vooraf aan het onderzoek geïnformeerde vrijwillige toestemming. De uiteindelijke steekproef bestond uit 27 gezonde mannelijke vrijwilligers van 19 tot 21 jaar. Tijdens de testsessies voltooide elke deelnemer een reeks gestandaardiseerde beoordelingen die individueel werden afgenomen. De reagentia en de gebruikte apparatuur worden vermeld in de Materiaaltabel.

1. Materialen en uitrusting

OPMERKING: Gebruik functioneel gelijkwaardige hardware en software wanneer dat passend is. Zie Figuur 1 voor een overzicht van de experimentele opstelling, inclusief systeemindeling en verbindingen. Bereid de volgende apparatuur en software voor vóór het experiment. Algemene vereisten worden hieronder beschreven en specifieke configuraties worden vermeld in de Materiaaltabel.

  1. EEG/ECG-opnamesysteem
    1. Gebruik een versterkersysteem dat gelijktijdige opname van EEG en ECG mogelijk maakt.
    2. Gebruik EEG-elektroden die van de hoofdhuid kunnen worden toegewezen voor ECG-opnames.
  2. ECG-invoeropties (EEG-systeem ondersteunt bipolaire kanalen)
    1. Gebruik speciale bipolaire ingangskanalen voor ECG-opnames, indien beschikbaar.
    2. Wijs twee niet-kritische EEG-elektroden opnieuw toe om een bipolair ECG-paar te vormen als speciale bipolaire kanalen niet beschikbaar zijn.
  3. ECG-invoeropties (EEG-systeem ondersteunt alleen monopolaire kanalen)
    1. Gebruik een differentiële adapter om ECG-signalen naar een hulp- (AUX) of differentiële ingang te leiden.
    2. Gebruik passieve elektroden en wegwerp-kleefelektroden die compatibel zijn met de geselecteerde invoerconfiguratie.
  4. Stimuluspresentatie
    1. Gebruik een computer met een scherm met een hoge verversingssnelheid (≥120 Hz) voor 2D-presentatie.
    2. Gebruik een hoofdgemonteerd display met een secundaire monitor voor signaalspiegeling voor VR-presentatie.
  5. Synchronisatie en sensoren
    1. Gebruik een fotodiode of fotosensor met bevestigingsaccessoires en sluit deze aan op het EEG-opnamesysteem.
  6. Software
    1. Gebruik een VR-runtime-omgeving en stimuluscontrolesoftware die in staat is tot precieze timing, sequencing en triggeroutput.
    2. Gebruik EEG/ECG-analysesoftware die gebeurtenisafhandeling, preprocessing en ERP-analyse ondersteunt; Gebruik optionele, aangepaste scripts indien nodig.
  7. Laboratoriumomgeving en accessoires
    1. Gebruik een afgeschermde en goed geïsoleerde kamer voor EEG-opnames.
    2. Zorg voor een comfortabele stoel, kabelmanagementoplossingen, huidvoorbereidingsbenodigdheden, geleidende gel en hygiënematerialen voor hoofdgemonteerde displays.

2. Systeemopstelling en latentiedetectie

  1. Installeer en configureer de stimuluspresentatiesoftware.
    1. VR-conditie
      1. Installeer de vendor-specifieke VR-runtime die nodig is voor het head-mounted display.
      2. Zet de experimentele stimulusapplicatie in op de VR-headset volgens de runtime-documentatie.
      3. Voer de eerste VR-systeemopstelling uit door het trackingsysteem te kalibreren (indien van toepassing) en de speelgebiedgrenzen te definiëren volgens de instructies van de fabrikant om stabiele tracking te garanderen en bewegingsgerelateerde artefacten te minimaliseren.
    2. 2D-conditie
      1. Optimaliseer het stimuluspresentatiewerkstation door onnodige achtergrondapplicaties en -processen uit te schakelen om onderbrekingen en tijdvertragingen tijdens dataverzameling te minimaliseren.
  2. Maak de opnamemontage in de EEG-opnamesoftware.
    1. Maak een nieuwe werkruimte- of opnameconfiguratie aan en geef deze een naam volgens de studie-identificatie.
    2. Wijs EEG-kanalen toe en reserveer AUX-ingangskanalen volgens de documentatie van de versterkerhardware.
    3. Voeg twee extra kanalen toe voor de fotodiode- en ECG-signalen. Configureer kanaalnamen, types en eenheden waar nodig, en neem deze kanalen op in hetzelfde opnamebestand als de EEG. Label het ECG-kanaal consequent (bijvoorbeeld "ECG").
  3. Meet de latentie van stimuluspresentatie met behulp van een fotodiode.
    1. Sluit de fotodiode aan op een beschikbare AUX-ingang van de EEG-versterker.
    2. VR-conditie: Plaats de fotodiode op de lens van de headset op een plek die overeenkomt met een stimulus-locked luminantiepatch. Presenteer minstens 100 stimulusgebeurtenissen en neem het fotodiodesignaal op om de weergavelatency en trial-to-trial jitter ten opzichte van de beoogde trigger te meten. Na het voltooien van de VR-metingen verplaats je de fotodiode naar het 2D-scherm.
    3. 2D-conditie: Plaats de fotodiode boven een toegewijd pixelgebied met stimulusvergrendeling op de monitor. Presenteer minstens 100 stimulusgebeurtenissen en neem het fotodiodesignaal op om de weergavelatentie en jitter ten opzichte van de bedoelde trigger te meten.
    4. Optioneel: Als er twee fotodiodes beschikbaar zijn, sluit elke sensor aan op een apart AUX-kanaal en presenteer gesynchroniseerde flitsen om 2D- en VR-latenties gelijktijdig te meten.
    5. Verwijder de fotodiode van het 2D-scherm na het voltooien van latency metingen om het zicht van de deelnemer niet te belemmeren.
    6. Bereken de gemiddelde weergavelatency en de standaarddeviatie (jitter) voor elke presentatieomgeving.
    7. Documenteer latency en jitterwaarden apart voor de 2D- en VR-condities.
    8. Controleer of latency jitter stabiel blijft gedurende de sessie. Als hardware- of softwareinstellingen worden aangepast, herhaal dan de latency metingen.
  4. Configureer het ECG-opnamekanaal.
    1. Bepaal de ECG-ingangsconfiguratie op basis van de beschikbare versterkermogelijkheden (bipolaire kanalen ondersteund versus alleen monopolaire kanalen; zie stappen 1.2 en 1.3).
    2. Als bipolaire ECG-opname wordt ondersteund, schakel dan de speciale bipolaire ECG-ingang in de opnamesoftware in en reserveer het kanaallabel "ECG."
    3. Als er alleen monopolaire kanalen beschikbaar zijn, sluit dan een differentiële adapter aan op een AUX- of differentiële ingang en koppel deze ingang als het ECG-kanaal in de opnamesoftware. Reserveer het kanaallabel "ECG."
    4. Plaats in dit stadium geen ECG-elektroden. Voer elektrodeplaatsing en impedantiecontroles uit tijdens de voorbereiding van de deelnemer.

3. Voorbereiding van deelnemers

  1. EEG-dop plaatsen
    1. Pas de EEG-kap aan volgens het internationale 10–10 of 10–20 systeem door de Cz-elektrode uit te lijnen en de kapmaat aan te passen aan de hoofdomtrek22 van de deelnemer.
    2. Scheid het haar op elke elektrodeplaats met een wattenstaafje of een stompe canule (ongeveer 2–3 mm diameter). Breng een milde schurend middel of huidvoorbereidingsoplossing aan om de impedantie te verminderen.
    3. Plaats elke elektrode, breng geleidende gel aan en zorg voor stevig contact met de hoofdhuid door de elektrodehouder zachtjes te draaien. Vermijd het creëren van geleidende gelbruggen tussen aangrenzende elektroden.
    4. Meet de elektrodeimpedanties en verlaag deze onder de 8 kΩ (of de laboratoriumstandaard) door haarscheiding te herhalen, extra huidvoorbereiding toe te passen of geleidende gel toe te voegen indien nodig.
    5. Beveilig EEG-kabels om beweging te minimaliseren en te controleren of de deelnemer zich comfortabel voelt voordat je verder gaat.
  2. ECG-elektrode plaatsing
    1. Maak de huid aan de binnenkant (handpalmgerichte) van beide polsen schoon met alcoholdoekjes en laat de huid volledig drogen.
    2. Plaats wegwerp-lijmelektroden op de polsen om Standard Limb Lead I vast te leggen, waarbij de negatieve elektrode op de rechterpols en de positieve elektrode op de linkerpols wordt geplaatst. Zorg voor goed contact met elektroden en vermijd plaatsing over botige uitsteeksels.
    3. Zet ECG-kabels vast met medisch tape, waarbij kleine losse lussen worden achtergelaten om bewegingsgerelateerde artefacten te verminderen.
    4. Controleer het ECG-signaal in rust. Zorg ervoor dat R-pieken duidelijk zichtbaar en rechtop zijn. Als R-pieken omgekeerd lijken, wissel dan de polariteit van de elektrode. Controleer of het ECG-signaal stabiel blijft gedurende de tijd.
    5. Als je één versterker gebruikt voor EEG- en ECG-opname, sluit dan de EEG- en ECG-aardelektroden aan zoals vereist door het systeem. Wanneer er meerdere aardcontacten beschikbaar zijn, plaats je aparte aardelektroden voor EEG en ECG om de signaalstabiliteit te verbeteren, zodat alle aardelektroden intern in de versterker zijn aangesloten.

4. VR-headset pasvorm (alleen VR-conditie)

  1. Verwijder de EEG-dop niet en koppel geen EEG- of ECG-elektroden los voordat de headset wordt gemonteerd.
  2. Maak de bovenste band en het achterste aandraaimechanisme van de VR-headset los om plaats boven de EEG-kap mogelijk te maken.
  3. Geef de deelnemer de instructie om het voorste deel van de VR-headset op zijn of haar gezicht te plaatsen. Laat het achterste gedeelte boven de EEG-kap zakken en draai de banden geleidelijk aan totdat de headset stevig vastzit.
    1. Zorg ervoor dat de headset geen overmatige druk uitoefent op EEG-elektroden. Pas de pasvorm aan om te voorkomen dat de headset wegschuift, terwijl het comfort van de deelnemers tijdens langdurig gebruik behouden blijft. Inspecteer het EEG-signaal op lijnruis of drukgeïnduceerde artefacten en stel de headset indien nodig opnieuwin 23.
  4. Spiegel de output van het VR-display naar een secundaire monitor om realtime toezicht te kunnen houden op stimuluspresentatie en het gedrag van deelnemers.
  5. Controleer de impedanties van de EEG-elektrode opnieuw na het monteren van de headset. Breng geleidende gel opnieuw aan op elk kanaal dat meer dan 8 kΩ (of de laboratoriumstandaard) is. Herhaal de impedantiecontroles periodiek gedurende de VR-conditie.

5. Opname

  1. Stimuluspresentatie
    1. Presenteer visuele prikkels met precieze en reproduceerbare timing. Stuur en registreer gebeurtenistriggers voor elke stimulusstart binnen de EEG-opname. Gebruik identieke stimulustimingparameters (bijv. stimulusduur, interstimulusinterval) in de 2D- en VR-omgevingen.
  2. Participatiemonitoring
    1. Geef de deelnemer instructies om hoofdbewegingen en oogknipperingen tijdens stimuluspresentatie te minimaliseren. Monitor continu de EEG- en ECG-signalen tijdens het opnemen. Pauzeer het experiment indien nodig om elektrode-impedanties te corrigeren of de bekabeling aan te passen.
  3. Opnameblokken
    1. Registreer data in beide presentatieomgevingen (2D en VR). Balanceer de orde van de omgevingen tussen de deelnemers wanneer van toepassing om order-effecten te controleren.

6. EEG-voorverwerking

  1. Data-import en kanaalverificatie
    1. Importeer de continue EEG-, ECG- en fotodiodegegevens in de EEG-analysesoftware. Controleer of alle kanaallabels, types en eenheden correct zijn toegewezen.
  2. Signaalfiltering
    1. Pas een inkepingsfilter toe op de lokale frequentie van de stroomlijn (50 Hz of 60 Hz). Neem harmonische frequenties op indien vereist door de laboratoriumstandaard.
    2. Pas een banddoorlaatfilter toe op de EEG-gegevens volgens de laboratoriumstandaard (bijv. 0,1–40 Hz).
  3. Correctie en heretikettering van gebeurtenismarkers
    1. Corrigeer stimulusgebeurtenismarkeringen door de omgevingsspecifieke weergavelatentie die in stap 2.3 is gemeten af te trekken. Genereer latency-gecorrigeerde stimulusmarkers voor latere analyses.
    2. Herlabel stimulusmarkers volgens de presentatieomgeving (bijvoorbeeld prefix-gebeurtenislabels met "2D_" of "VR_").
  4. Artefactdetectie en correctie
    1. Inspecteer visueel de continue data op artefacten. Identificeer en markeer segmenten met overmatig geluid of bewegingsartefacten. Interpolleer slechte kanalen wanneer passend, volgens standaard laboratoriumprocedures.
    2. Voer onafhankelijke componentanalyse (ICA)24 uit om oculaire en spierartefacten te identificeren. Inspecteer deeltijdverloopsbanen, hoofdhuidtopografieën en spectrale kenmerken. Verwijder artefactgerelateerde componenten op basis van objectieve criteria of deskundig oordeel. Indien passend, breid ICA- of regressiebenaderingen uit om cardiale artefacten te modelleren.
    3. Compute ERP's tijdvergrendeld op de R-piek met dezelfde preprocessingparameters als voor stimulus-gelocked ERP's. Inspecteer de resulterende golfvormen en hoofdhuidtopografieën om mogelijke verontreiniging met hartveldartefacten (CFA) te beoordelen25. Identificeer prominente QRS-achtige complexen of andere ECG-gerelateerde afbuigingen in de EEG-signalen (Figuur 2), die wijzen op het resterende hartvolume dat naar de hoofdhuid is geleid.
      1. Als er aanzienlijke hartgerelateerde activiteit wordt waargenomen, pas dan aanvullende correctieprocedures toe, algemene lineaire modelgebaseerde regressie met ECG als continue voorspeller26, uitgebreide ICA-gebaseerde methoden of machine learning-gebaseerde benaderingen27.
    4. Houd rekening met overlap tussen stimulus-gelockte ERP's en HEP. Gebruik methoden die expliciet overlappende neurale responsen modelleren, zoals regressie-gebaseerde of deconvulutiebenaderingen26. Pas indien passend surrogaatgebaseerde procedures of controleanalyses toe om de robuustheid van hartgerelateerde neurale effecten te beoordelen28,29.

7. Hartfasesegmentatie (offline)

  1. Detecteer R-pieken
    1. Detecteer automatisch R-pieken in het ECG-signaal met behulp van de analysesoftware. Bekijk handmatig alle gedetecteerde gebeurtenissen en corrigeer gemiste of onjuist gedetecteerde R-pieken om een nauwkeurige hartslagtiming te garanderen.
  2. Definieer hartfasen
    1. Definieer systole en diastole, terwijl rekening wordt gehouden met interindividuele verschillen in hartslag en variabiliteit tussen slag en slag-tot-slag. Vergeef de voorkeur aan cyclusspecifieke definities boven vaste temporele vensters wanneer mogelijk.
      OPMERKING: Gebruik een van de volgende benaderingen: (1) Definieer systole en diastole als verhoudingen van elk individueel R-R-interval, consistent met de niet-lineaire relatie tussen hartslag en hartfase-duur; (2) Wanneer de kwaliteit van het ECG-signaal het toelaat, definieer het einde van de systole met het einde van de T-golf als fysiologisch geaarde marker; (3) Als betrouwbare T-golfdetectie niet haalbaar is, definieer dan de systole met een vast temporeel venster (bijvoorbeeld de eerste 300 ms na de R-piek). Erken deze benadering expliciet en neem rekening met individuele hartslagverschillen in latere analyses.
  3. Wijs hartfaselabels toe aan stimuli
    1. Gebruik latency-gecorrigeerde stimulusmarkers om elke stimulus toe te wijzen aan de hartfase die aanwezig is bij het begin van de stimulus (systole of diastole). Wijs faselabels apart toe aan elke presentatieomgeving (2D of VR) en hernoem gebeurtenissen dienovereenkomstig (bijv. 2D_systole, VR_diastole).
  4. Sluit ambigue trials uit
    1. Identificeer en verwijder onderzoeken waarin het geplande ERP-analysevenster beide hartfasen zou omvatten, gebaseerd op de directe hartslag van de deelnemer.
  5. Voorbeeld van software-implementatie
    OPMERKING: De volgende stappen illustreren een mogelijke implementatie met behulp van een EEG-analysesoftware die ECG-gebeurtenisdetectie en gebeurtenisheretikettering ondersteunt.
    1. Geautomatiseerde R-piekdetectie: Open het evenementdetectiemenu en selecteer de hartslagdetectiefunctie. Selecteer het ECG-kanaal met de hoogste signaalkwaliteit, definieer een label voor de gedetecteerde gebeurtenissen (bijv. "R-piek") en voer het detectie-algoritme uit om R-piek gebeurtenismarkeringen te genereren.
    2. Handmatige beoordeling van R-piekdetectie: Inspecteer het ECG-signaal visueel met overliggende R-piekmarkeringen. Voeg ontbrekende markeringen toe en verwijder onjuiste detecties met behulp van de eventbewerkingstools die door de software worden aangeboden.
    3. Cardiale fase-gebaseerde gebeurtenisheretikettering: Gebruik de gebeurteniscombinatie- of selectiefunctie om stimuli te classificeren volgens hartfase bij aanvang.
      OPMERKING: Voor systolische onderzoeken selecteert u stimuli die plaatsvinden binnen het vooraf gedefinieerde systolische interval na elke R-piek. Voor diastolische proeven selecteert u stimuli die plaatsvinden binnen het vooraf gedefinieerde diastolische interval voorafgaand aan de volgende R-piek. Maak nieuwe gebeurteniscategorieën voor systole en diastole. Voer deze procedure apart uit voor elke hartfase en presentatieomgeving.

8. Tijdperken en gemiddelden

  1. Epoching en baseline-correctie
    1. Ken labels voor hartfase toe uitsluitend op basis van de hartfase die aanwezig was bij het begin van de stimulus (d.w.z. systole of diastole). Definieer het ERP-tijdperk ten opzichte van het begin van de stimulus. Laat het tijdperk zich uitbreiden naar volgende hartfasen zonder de faseclassificatie te beïnvloeden.
    2. Gebruik een epochlengte van ongeveer 400 ms. Als een langer venster (bijv. 600 ms) vereist is, sluit dan proeven uit waarbij het analysevenster zich aanzienlijk uitstrekt tot in de volgende hartfase. Pas baselinecorrectie toe met een kort pre-stimulus interval (bijvoorbeeld -50 tot 0 ms, of -50 tot -2 ms).
  2. Gemiddelde
    1. Bereken ERP's afzonderlijk voor de vier experimentele voorwaarden: 2D_systole, 2D_diastole, VR_systole en VR_diastole. Rapporteer het aantal behouden proeven voor elke aandoening.
  3. Overwegingen bij elektrodeselectie
    1. Selecteer elektroden voor analyse op basis van de onderzoeksvraag en de aard van de ERP-componenten van belang. Gebruik occipitale elektroden (O1, Oz, O2) voor visuele paradigma's, omdat ze canonieke visuele ERP's vastleggen met een hoge signaal-ruisverhouding.

9. Kwaliteitscontrole en probleemoplossing

  1. Trigger-stimulus latencyjitter
    1. Beoordeel de latency jitter tussen de triggertijdstempels en de door fotodiodes gemeten stimulusstart. Beschouw jitter die ongeveer 10 ms overschrijdt tussen trials als problematisch, vooral voor vroege ERP-componenten. Als er overmatige jitter wordt waargenomen, hervalueer dan de stimulustiming, hardwaresynchronisatie en pas daar nodig run-specifieke latentiecorrecties toe.
  2. ECG-verzadiging of ruis
    1. Controleer het contact en de impedantie van de ECG-elektroden. Wissel de polariteit van de elektrode als R-pieken omgekeerd zijn. Verplaats ECG-elektroden naar de onderarmen als polsopnames nog steeds ruiserig zijn.
  3. VR-headset drukartefacten
    1. Vervang de bandjes van de headset om de druk op EEG-elektroden te verminderen. Voeg indien nodig vulling toe en breng geleidende gel opnieuw aan op de aangetaste elektroden.
  4. Ongelijke trialtellingen over hartfasen heen
    1. Pas het ERP-epochvenster of de stimulustiming aan om een evenwichtige bemonstering over systolische en diastolische fasen te waarborgen.
  5. Ambigue-fase proeven
    1. Identificeer proeven waarin de stimulusstart plaatsvindt nabij een hartfasegrens (bijvoorbeeld rond de R-piek of nabij de overgang tussen systole en diastole) en waar het geplande analysevenster beide fasen kan omvatten. Merk deze processen als dubbelzinnig. Inspecteer het ECG-signaal en het directe R-R-interval en sluit ambigue proeven uit van verdere analyse.

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

Resultaten

De huidige studie gebruikte een analyseprotocol om ERP-modulatie door afferente interoceptieve signalen tijdens de cardiale cyclusfase (systole versus diastole) te onderzoeken in twee experimentele omgevingen: een standaard 2D-monitor en een immersieve VR-omgeving. EEG-epochs werden geëxtraheerd en geanalyseerd ten opzichte van de R-piek van het gelijktijdig geregistreerde ECG.

De niet-parametrische clustergebaseerde permutatietest toegepast op visuele ERP's g...

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

Discussie

Kritieke stappen binnen het protocol
Verschillende stappen van het voorgestelde protocol zijn cruciaal voor het verkrijgen van geldige cardiale fase-afhankelijke ERP-effecten. Ten eerste is precieze synchronisatie tussen stimuluspresentatie en EEG-opname essentieel, en omgevingsspecifieke weergavelatentie moet worden gekwantificeerd met een fotodiode en gecorrigeerd op het niveau van de gebeurtenismarker, aangezien ongecorrigeerde vertragingen of overmatige jitter kun...

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

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat zij geen belangenconflict hebben.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door de subsidie van het staatsprogramma van het «Sirius» Federaal Territorium «Wetenschappelijke en technologische ontwikkeling van het «Sirius» Federaal Territorium» (Overeenkomst nr. 28-03, datum 27-09-2024).

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

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
actiCAP slim / snapBrain Products GmbHBP-185-2200Actieve elektrodendop met 64 kanalen.
actiCHamp Plus Veelzijdige alles-in-één labversterkerBrain Products GmbHS/N ACBM17120955Primair EEG-gegevensverzamelsysteem.
Ag/AgCl elektroden wegwerp 26 mmNika-Medical LtdN/AWegwerpelektroden voor drie-draads ECG
BIP2AUX adapterBrain Products GmbHN/AVerbindt ECG-uitgang naar EEG aux-ingang.
Desktop ROG Srtix ASUSTeK Computer Inc.G835LR-SA117Hoogwaardige werkstation. Gebruikt voor gelijktijdige werking van het VR-systeem (HTC Vive), stimuluspresentatiesoftware en EEG-opnameplatform (BrainVision Recorder).
HTC Vive  Pro EyeHTC Corporation S/N FA1142100443VR-systeem voor immersieve stimuluspresentatie.
Foto SensorBrain Products GmbHN/AVoor optische detectie van stimulus-aanvang.
Samsung 27" ViewFinity S8 Samsung Electronics Co., LtdS/N 0UYMHNBXB00044DPrimaire weergave voor de 2D-conditie.
Samsung 27" ViewFinity S8 Samsung Electronics Co., LtdS/N 0UYMHNBXB00030EScherm van de experimentator. Gebruikt voor het uitvoeren van EEG-opnamesoftware en het bewaken van gegevens tijdens experimenten.
Afgeschermde ruimte Neiroiconica "Expert"Neiroiconica Assistive LtdS/N figure-materials-1K20210119011Elektromagnetisch afgeschermde kamer.
Snap Lead KabelNeurosoft ltdN/AVerbindt ECG-elektroden met de adapter
TriggerBox PlusBrain Products GmbHS/N TB-A100009-0624Synchronisatie-interface voor TTL-triggers.

Referenties

  1. Barrett, L. F., Simmons, W. K. Interoceptive predictions in the brain. Nat Rev Neurosci. 16 (7), 419-429 (2015).
  2. Critchley, H. D., Garfinkel, S. N. Interoception and emotion. Curr Opin Psychol. 17, 7-14 (2017).
  3. Quigley, K. S., Kanoski, S., Grill, W. M., Barrett, L. F., Tsakiris, M. Functions of interoception: from energy regulation to experience of the self. Trends Neurosci. 44 (1), 29-38 (2021).
  4. Cechetto, D. F. Cortical control of the autonomic nervous system. Exp Physiol. 99 (2), 326-331 (2014).
  5. Gianaros, P. J., Wager, T. D. Brain-body pathways linking psychological stress and physical health. Curr Dir Psychol Sci. 24 (4), 313-321 (2015).
  6. Schandry, R., Sparrer, B., Weitkunat, R. From the heart to the brain: a study of heartbeat-contingent scalp potentials. Int J Neurosci. 30 (4), 261-275 (1986).
  7. Azzalini, D., Rebollo, I., Tallon-Baudry, C. Visceral signals shape brain dynamics and cognition. Trends Cogn Sci. 23 (6), 488-509 (2019).
  8. Park, H. D., Blanke, O. Heartbeat-evoked cortical responses: underlying mechanisms, functional roles, and methodological considerations. Neuroimage. 197, 502-511 (2019).
  9. Saltafossi, M., Zaccaro, A., Perrucci, M. G., Ferri, F., Costantini, M. The impact of cardiac phases on multisensory integration. Biol Psychol. 182, 108642(2023).
  10. Seth, A. K., Friston, K. J. Active interoceptive inference and the emotional brain. Philos Trans R Soc B Biol Sci. 371 (1708), 20160007(2016).
  11. Kirasirova, L. A., Pyatin, V. F. Face-related ERP is influenced by cardiac afferent information. Opera Med Physiol. 9 (1), 54-59 (2022).
  12. Martins, A. Q., Ring, C., McIntyre, D., Edwards, L., Martin, U. Effects of unpredictable stimulation on pain and nociception across the cardiac cycle. Pain. 147 (1-3), 84-90 (2009).
  13. Motyka, P., et al. Interactions between cardiac activity and conscious somatosensory perception. Psychophysiology. 56 (3), e13424(2019).
  14. Edwards, L., Inui, K., Ring, C., Wang, X., Kakigi, R. Pain-related evoked potentials are modulated across the cardiac cycle. Pain. 137 (3), 488-494 (2008).
  15. Garfinkel, S. N., et al. Fear from the heart: sensitivity to fear stimuli depends on individual heartbeats. J Neurosci. 34 (19), 6573-6582 (2014).
  16. Rau, H., Elbert, T. Psychophysiology of arterial baroreceptors and the etiology of hypertension. Biol Psychol. 57, 179-201 (2001).
  17. Gray, M. A., Rylander, K., Harrison, N. A., Wallin, B. G., Critchley, H. D. Following one’s heart: cardiac rhythms gate central initiation of sympathetic reflexes. J Neurosci. 29, 1817-1825 (2009).
  18. Pollatos, O., Schandry, R. Accuracy of heartbeat perception is reflected in the amplitude of the heartbeat-evoked brain potential. Psychophysiology. 41 (3), 476-482 (2004).
  19. Parsons, T. D. Virtual reality for enhanced ecological validity and experimental control in clinical, affective and social neurosciences. Front Hum Neurosci. 9, 520(2015).
  20. Slobounov, S. M., Ray, W., Johnson, B., Slobounov, E., Newell, K. M. Modulation of cortical activity in 2D versus 3D virtual reality environments: an EEG study. Int J Psychophysiol. 95 (3), 254-260 (2015).
  21. Pavlov, Y. G., et al. EEGManyLabs: Investigating the replicability of influential EEG experiments. Cortex. 144, 213-229 (2021).
  22. Klem, G., Lüders, H., Jasper, H., Elger, C. The ten-twenty electrode system of the International Federation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 52, 3-6 (1999).
  23. Larsen, O. F. P., et al. A method for synchronized use of EEG and eye tracking in fully immersive VR. Front Hum Neurosci. 18, 1347974(2024).
  24. Vigário, R., Särelä, J., Jousmäki, V., Hämäläinen, M., Oja, E. Independent component approach to the analysis of EEG and MEG recordings. IEEE Trans Biomed Eng. 47 (5), 589-593 (2000).
  25. Al, E., et al. Heart-brain interactions shape somatosensory perception and evoked potentials. Proc Natl Acad Sci USA. 117 (19), 10575-10584 (2020).
  26. Ehinger, B. V., Dimigen, O. Unfold: An integrated toolbox for overlap correction, non-linear modeling, and regression-based EEG analysis. PeerJ. 7, e7838(2019).
  27. Arnau, S., Sharifian, F., Wascher, E., Larra, M. F. Removing the cardiac field artifact from EEG using neural network regression. Psychophysiology. 60 (4), e14323(2023).
  28. Aprile, F., et al. The heartbeat-evoked potential in young and older adults during attention orienting. Psychophysiology. 62 (1), e70057(2025).
  29. Steinfath, P., et al. Validating genuine changes in heartbeat-evoked potentials using pseudotrials and surrogate procedures. Imaging Neurosci. 3, IMAG.a.30(2025).
  30. Walker, B. B., Sandman, C. A. Visual evoked potentials change as heart rate and carotid pressure change. Psychophysiology. 19 (5), 520-527 (1982).
  31. Maris, E., Oostenveld, R. Nonparametric statistical testing of EEG and MEG data. J Neurosci Methods. 164 (1), 177-190 (2007).
  32. Coll, M. P., Hobson, H., Bird, G., Murphy, J. Systematic review and meta-analysis of the relationship between the heartbeat-evoked potential and interoception. Neurosci Biobehav Rev. 122, 190-200 (2021).
  33. Kirasirova, L., Tugin, S., Pyatin, V., Kabir, M. S., Sagalajev, B. Modality-specific ERP dynamics in virtual and non-immersive environments. Proc Int Conf Neurotechnologies Neurointerfaces, , 36-39 (2025).
  34. Sagehorn, M., et al. Real-life relevant face perception is not captured by the N170 but reflected in later potentials: a comparison of 2D and virtual reality stimuli. Front Psychol. 14, 1050892(2023).
  35. Kirasirova, L., Maslova, O., Pyatin, V. Impact of virtual agent facial emotions and attention on N170 ERP amplitude: comparative study. Front Behav Neurosci. 19, 1523705(2025).
  36. Marín-Morales, J., et al. Affective computing in virtual reality: Emotion recognition from brain and heartbeat dynamics using wearable sensors. Sci Rep. 8, 13657(2018).
  37. Kirasirova, L., et al. Standardized EEG protocol for comparing cortical responses to mechanical and electrical tactile stimuli. J Vis Exp. (229), e69817(2026).

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

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Gebeurtenisgerelateerde potentialenVirtual Reality EEGhart herseninteractieEEG voorbehandelingelektrocardiografie ECGbewegingsartefactenvisuele ERP amplitudecardiale systolecardiale diastole
Video binnenkort beschikbaar
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.