High Density Event-gerelateerde Mogelijke data-acquisitie in Cognitive Neuroscience
16 april 2010
Event-related potential (ERP) opname wordt onderbenut in Cognitive Neuroscience, omdat de data acquisitie technieken zijn niet direct beschikbaar en deze methode heeft vaak een slechte ruimtelijke resolutie. Ter bevordering van het toegenomen gebruik van ERP in Cognitive Neuroscience, dit artikel de belangrijkste details technieken die in hoge dichtheid ERP-data-acquisitie.
High density event related potentials of ERP's make het mogelijk om de snelle tijdelijke dynamischen van het functionerende menselijk brein te volgen. Om high density ERP-gegevens te verzamelen, wordt eerst de elektrodenkap op het hoofd van de deelnemer geplaatst en worden de elektrodenlocaties gedigitaliseerd om rekening te houden met variabiliteit en hoofdvorm tussen proefpersonen. De elektrodenimpedanties worden vervolgens verlaagd door gel in elke elektrode te injecteren.
Gegevens worden verzameld terwijl visuele stimuli aan de deelnemer worden gepresenteerd. Wanneer de opname is voltooid, wordt de elektrodenkap grondig schoongemaakt. De verzamelde gegevens worden gebruikt om de ruimtelijke en temporele dynamischen van hersenactiviteit te onderzoeken die geassocieerd zijn met een bepaald cognitief proces.
Hallo, ik ben Scott Slotnik van het Memory and Perception Lab in het Department of Psychology van Boston College. Vandaag laten we u een protocol zien voor de verwerving van gegevens over hoge dichtheid en gebeurtenisgerelateerde potentiaal. We gebruiken deze procedure in ons laboratorium om de ruimtelijk-tijdelijke dynamischen van hersenactiviteit te bestuderen tijdens het geheugen voor visuele items.
Dus laten we beginnen. Gebeurtenisgerelateerde potentiaal of ERP's bieden een methode om de ruimtelijk-tijdelijke dynamischen van de menselijke hersenfunctie te meten met een uitstekende tijdelijke resolutie. Gegevens worden meestal gemeten in een afgeschermde ruimte, waardoor interferentie met het neurale signaal dat door de elektroden wordt opgepikt, tot een minimum wordt beperkt.
Elke elektrode is verbonden met een versterker, die op zijn beurt is verbonden met een data-acquisitiecomputer buiten de afgeschermde ruimte. Een aparte computer wordt gebruikt voor stimuluspresentatie vanwege mogelijke interferentie met het neurale signaal. Alleen essentiële aangedreven componenten mogen zich in de afgeschermde kamer bevinden, zoals het stimulusdisplay en het responstoetsenbord.
Tijdens experimenten zitten de deelnemers op een comfortabele stoel met armleuningen en een rughoogte die schouderondersteuning biedt om halsspierartefacten te minimaliseren. Laten we beginnen met het zien hoe de elektrodenkap wordt geplaatst. De elektroden van een deelnemer zijn ingebed in een spandex-cap, wat de aanbreektijd aanzienlijk verkort om de cap te plaatsen. Elektrode oz volgens het ten-vijf-elektrodensysteem terwijl de cap wordt aangebracht, zorg ervoor dat deze links-rechts symmetrie heeft met midline-elektroden geplaatst over de middenlijn van het hoofd.
Zorg er ook voor dat de meest achterste inferieure elektroden superieur zijn aan de nekgrens van de schedel om halsspierartefacten te voorkomen. Zodra de cap op zijn plaats is, bevestigt u de zijriemen met een kinband of een op maat gemaakte riem op taillehoogte om de laterale elektrodecontacten met het hoofd te verbeteren. Breng elektroden aan naast de ogen om de daaropvolgende verwijdering van oogbewegingen of knipperartefacten mogelijk te maken om variabiliteit in elektrodeplaatsing en hoofdvorm tussen proefpersonen aan te pakken. Elektrodelocaties worden voor elke deelnemer gemeten met een polyus fast track-digitizer.
De digitizer bevat een zender, drie ontvangers, die op de cap worden gemonteerd en een stylus voor het registreren van elke elektrodelocatie met de cap op zijn plaats en elektrode digitalisatie voltooid. Laten we verder gaan met het verminderen van de elektrodenimpedanties. Plaats de deelnemer comfortabel in de opname-stoel. Sommige deelnemers vinden het comfortabeler wanneer een gevouwen handdoek lichtjes tussen hun schouders en de stoelrug wordt gestoken.
Sluit nu de multi-elektrodenkap aan op de versterkers. Vervolgens moet de impedantie van elke elektrode worden verlaagd, zodat deze ongeveer vijf kilo-ohm is. Dit wordt in ons laboratorium bereikt door real-time impedanties te meten met neuroscan-scansoftware terwijl een steriele spuit en stompe naaldpunt worden gebruikt om een geleidend gel in elke elektrodeopening te injecteren.
Er zijn een aantal technieken die het proces van impedantievermindering kunnen versnellen, wat het meest tijdrovende aspect van multikanaals opname is. Begin met de grond- of referentie-elektrode en maak met uw dominante hand een paar cirkels met de spuit terwijl deze tegen het hoofd rust. Om het haar ertussen te verplaatsen, zorg ervoor dat de spuit niet tegen het hoofd van de deelnemer wordt gedrukt.
Het gel-toepassingsproces mag de deelnemer geen ongemak bezorgen. Injecteer vervolgens, terwijl u de elektrode lichtjes naar beneden drukt met de niet-dominante hand, een kleine hoeveelheid gel op de hoofdhuid en trek de spuit weg terwijl u doorgaat met injecteren. Het creëren van een gelbrug tussen de hoofdhuid en de elektrode. Gel dat uit de elektrodeopening uitsteekt, moet worden afgeveegd met een tissue en op dit moment worden weggegooid.
Als de eerste set elektrodenimpedanties allemaal hoog blijft, moet gel opnieuw worden aangebracht op de aard- en referentie-elektroden, omdat gel meestal geleidelijk geleidender wordt. Een strategie is om gel in elektroden binnen een hoofdkwadranten te injecteren, zoals de rechter achterste hoofdkwadranten, totdat alle impedanties beginnen te dalen. Injecteer vervolgens gel in elektroden binnen de volgende kwadranten totdat alle impedanties beginnen te dalen en cycliseer vervolgens door de kwadranten.
Gel opnieuw injecteren in de elektroden met de hoogste impedantie. In sommige gevallen zal geleidend gel verbinding maken met aangrenzende elektroden, zodat de impedanties gelinkt zullen zijn. Dit vermindert de ruimtelijke resolutie, maar is meestal van minder belang, aangezien er een hoog aantal elektroden is met verlaagde impedanties.
Laten we zien hoe u gegevens opneemt voordat u begint met een opnamesessie. Moedig de deelnemer aan om in een comfortabele, ontspannen houding te komen en stil te blijven. Dit minimaliseert spier- en bewegingsartefacten.
Zodra de deelnemer comfortabel zit, geef hem een responstoetsenbord en verwijder of zet alle niet-essentiële apparatuur in de buurt van de deelnemer uit, zoals lichten om latere gebeurtenisgerelateerde analyse mogelijk te maken. Het begin van elke stimulusgebeurtenis moet worden gesignaleerd of getriggerd door de stimuluscomputer en samen met de elektrofysiologische gegevens worden opgeslagen
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel bespreekt technieken voor het registreren van event-related potentials (ERP) met een hoge dichtheid in de cognitieve neurowetenschappen. Het benadrukt het belang van deze methoden voor het volgen van de snelle temporele dynamiek van hersenactiviteit.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Cognitieve Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Event-related potentials (ERPs) worden onderbenut in de cognitieve neurowetenschappen.
- Technieken voor data-acquisitie van ERPs zijn niet breed beschikbaar.
- ERPs vertonen vaak een geringe ruimtelijke resolutie.
- ERP-methoden met een hoge dichtheid kunnen de datakwaliteit verbeteren.
Doel van de studie
- Het bevorderen van het gebruik van ERP's in de cognitieve neurowetenschap.
- Het in detail beschrijven van belangrijke technieken voor de acquisitie van ERP-gegevens met een hoge dichtheid.
- Het verbeteren van het begrip van cognitieve processen door middel van ERP-analyse.
Gebruikte methoden
- Plaatsing van een elektrodenkap op het hoofd van de deelnemer.
- Digitalisering van de elektrodenposities om rekening te houden met variaties in hoofdvorm.
- Verlaging van de elektrodenimpedanties met behulp van gel.
- Gegevensacquisitie tijdens de presentatie van visuele stimuli.
Belangrijkste resultaten
- ERP-gegevens met een hoge dichtheid maken het mogelijk om snelle hersendynamiek te volgen.
- Gegevens kunnen worden gebruikt om de ruimtelijke en temporele hersenactiviteit te onderzoeken.
- Verbeterde technieken kunnen het begrip van cognitieve processen vergroten.
Conclusies
- ERP's met hoge dichtheid zijn waardevol voor onderzoek in de cognitieve neurowetenschap.
- Verbeterde technieken voor gegevensverwerving kunnen leiden tot betere inzichten.
- Verdere adoptie van ERP's wordt aangemoedigd voor cognitieve studies.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Datacollectie met ERP's met een hoge dichtheid maakt nauwkeurige tracking van snelle temporele dynamiek in de hersenfunctie mogelijk, waarmee een cruciaal hiaat in de cognitieve neurowetenschap wordt opgevuld waar fMRI onvoldoende temporele resolutie heeft. Deze methode ondersteunt het mechanistische risicobeheer van neurale targets door cognitieve processen te koppelen aan spatiotemporele activiteitspatronen in de hersenen. Verbeterde signaalkwaliteit door gestandaardiseerde elektrodeplaatsing en impedantiereductie vergroot de betrouwbaarheid van de gegevens voor targetvalidatie bij de ontdekking van neuropsychiatrische geneesmiddelen.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door snelle neurale reacties op cognitieve stimuli vast te leggen.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve elektrofysiologische resultaten voor de verduidelijking van signaalpaden bij target engagement in het CZS.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door reproduceerbare meting van gebeurtenisgerelateerde hersendynamiek.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Klaar voor analyse: De gedigitaliseerde plaatsing van de elektrodekap waarborgt gestandaardiseerde biologische systemen voor reproduceerbare acquisitie van neurale signalen.
- Kwantitatieve output: Elektrodenarrays met een hoge dichtheid genereren ruimtelijk opgeloste temporele gegevens voor het screenen van effecten van verbindingen.
- Schaalbaarheid: De opstelling in een afgeschermde kamer en triggersynchronisatie bij de presentatie van stimuli maken hergebruik van het platform mogelijk voor diverse cognitieve assays.
Translationeel & preklinisch onderzoek
- Translationele continuïteit: De gemeten spatio-temporele dynamiek bij mensen stemt overeen met inspanningen voor de afstemming van preklinische biomarkers.
- Risico-gecorrigeerde vooruitgang: Betrouwbare ERP-metingen ondersteunen go/no-go-beslissingen in de vroege ontwikkeling van geneesmiddelen voor het CZS.
- Mechanistisch inzicht: Volgt snelle neurale modulaties om risico's te beperken bij targets die betrokken zijn bij geheugen- en perceptiepaden.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze methode past binnen het ontdekkingscontinuüm, van hypothesetoetsing tot lead-identificatie, en biedt elektrofysiologische validatie van target-interactie voorafgaand aan preklinische investeringen.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing door neurale responsen te meten die tijdgebonden zijn aan cognitieve gebeurtenissen.
- Screening: Maakt assay-gereedheid mogelijk via impedantie-gestuurd electrodecontact en stimulus-getriggerde data-acquisitie.
- Analytiek: Genereert spatiotemporele read-outs met een hoge resolutie voor het vergelijken van neurale activiteit over verschillende experimentele condities.
- Translationeel onderzoek: Verbindt bevindingen uit de menselijke cognitieve neurowetenschap met preklinische modellen via gedeelde temporele dynamiek van hersenfuncties.
- Enterprise hergebruik: Gestandaardiseerde digitalisering van de cap en gel-gebaseerde impedantiereductie creëren een herbruikbaar platform voor cognitieve screening in meerdere laboratoria.
Operationele impact & impact op de onderneming
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende betrouwbaarheid bij doelwitvalidatie door middel van tracking van neurale dynamiek met milliseconde-resolutie.
- Operationele waarde: Standaardisatie via digitalisering van elektroden en protocollen voor impedantiereductie waarborgt de reproduceerbaarheid.
- Strategische waarde: Vermindert biologische risico's in een laat stadium door de interactie met het doelwit in cognitieve circuits die relevant zijn voor de mens te bevestigen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van CNS-doelwitten mogelijk op basis van elektrofysiologische responsprofielen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in elektrofysiologie en het experimenteel ontwerp van cognitieve neurowetenschappen.
- Afhankelijk van de infrastructuur van een afgeschermde kamer, versterkers en acquisitiesystemen met triggersynchronisatie.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de plaatsing van elektroden en de procedures voor het aanbrengen van gel.
- Overwegingen voor aanpassing omvatten variërende hoofdomvang en eisen aan de elektrodedichtheid tussen verschillende proefpersonenpopulaties.
- Praktische beperkingen omvatten tijdrovende impedantiereductie en gevoeligheid voor spierartefacten indien de positionering van de deelnemer suboptimaal is.
