Artykuł metodologiczny
Zapis potencjału związanego ze zdarzeniami (ERP) jest niedostatecznie wykorzystywany w neuronauce kognitywnej, ponieważ techniki pozyskiwania danych nie są łatwo dostępne, a ta metoda często ma słabą rozdzielczość przestrzenną. Aby wspierać zwiększone wykorzystanie ERP w neuronauce kognitywnej, w niniejszym artykule szczegółowo opisano kluczowe techniki związane z pozyskiwaniem danych ERP o dużej gęstości.
I. Wprowadzenie
W dziedzinie neuronauki poznawczej, obrazowanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) stało się standardową metodą analizy. Popularność fMRI wynika częściowo z łatwo dostępnych technik pozyskiwania i analizy danych, a także z łatwych do interpretacji wyników, które podkreślają regiony mózgu związane z danym procesem poznawczym. Jednak fMRI ma słabą rozdzielczość czasową i dlatego nie może śledzić szybkiej dynamiki czasowej funkcjonującego mózgu. Jeśli neurobiolodzy kognitywni nadal będą używać głównie fMRI, wynikowy obraz funkcji mózgu będzie poważnie niewystarczający. Potencjały związane ze zdarzeniami (ERP) są używane znacznie rzadziej, mimo że metoda ta oferuje doskonałą rozdzielczość czasową. Celem niniejszego artykułu jest wyszczególnienie kluczowych technik związanych z pozyskiwaniem danych ERP o dużej gęstości. Oczekuje się, że informacje te przyczynią się do zwiększonego wykorzystania ERP w neuronauce kognitywnej.
II. Ogólne ustawienia sprzętu
Dane ERP są zazwyczaj mierzone w miejscu o niskim natężeniu pola elektromagnetycznego otoczenia, aby zminimalizować zakłócenia sygnału neuronowego. Aby zminimalizować takie zakłócenia, ERP są często mierzone w ekranowanej metalowej komorze (tj. Klatce Faradaya), ale może być możliwe znalezienie nieekranowanej lokalizacji o akceptowalnym poziomie natężenia pola otoczenia (1 mg lub mniej, co można zmierzyć za pomocą miernika pola elektromagnetycznego). Każda elektroda łączy się ze wzmacniaczem, który z kolei łączy się z komputerem akwizycji danych. Do prezentacji bodźców używany jest osobny komputer. Aby zminimalizować zakłócenia sygnału neuronowego, w ekranowanej komorze lub w pobliżu miejsca nagrywania, takie jak wyświetlacz bodźca i klawiatura odpowiedzi, powinny znajdować się tylko niezbędne elementy zasilane, takie jak wyświetlacz bodźca i klawiatura odpowiedzi (na przykład lampy mogą być używane do pomocy w aplikacji elektrod, ale powinny być wyłączone podczas nagrywania). Przełącznik wideo może być używany do wyświetlania komputera akwizycji danych lub komputera prezentującego bodźce na jednym monitorze. Jeśli używana jest komora ekranowana, wszystkie mogą przebiegać przez mały kanał w ścianie (o średnicy kilku cali) lub pęknięte drzwi. Uczestnicy powinni siedzieć na wygodnym krześle z podłokietnikami i wysokością oparcia, która zapewnia podparcie ramion w celu zminimalizowania artefaktów mięśni szyi, ale umożliwia dostęp do tylnych dolnych elektrod w celu późniejszej redukcji impedancji elektrody. Korzystamy z komory ekranowanej (skonstruowanej przez Global Partners in Shielding, Inc., Passaic, NJ) oraz 128-kanałowego systemu Quik-Cap/SynAmps2 NeuroScan (Compumedics USA, Charlotte, NC).
III. Umieszczanie nasadki i digitalizacja elektrod
Elektrody są zazwyczaj osadzone w nasadce ze spandexu, co znacznie skraca czas aplikacji. Jednak względne lokalizacje elektrod w nasadce są stałe, co eliminuje możliwość stosowania standardowych konfiguracji elektrod, takichjak system elektrod 10-20 1 lub wariant o większej gęstości, taki jak system elektrod 10-52, które są precyzyjnie pozycjonowane dla poszczególnych uczestników. W celu przedstawienia wyników końcowych w standardowym formacie, umieszczamy elektrodę Oz dla każdego uczestnika w przybliżonym miejscu podyktowanym przez system 10-5 elektrod (a następnie oznaczamy wszystkie elektrody zgodnie z ich przybliżonymi pozycjami w systemie elektrod 10-5). Podczas nakładania nasadki upewnij się, że ma ona symetrię lewo-prawo, z elektrodami linii środkowej umieszczonymi nad linią środkową głowy i że elektrody najbardziej tylno-dolne znajdują się nad granicą czaszka-szyja, aby uniknąć artefaktu mięśni szyi. Podczas gdy pasek podbródkowy odpowiednio utrzyma czapkę na miejscu, przymocowanie bocznych pasków do specjalnie wykonanego paska na poziomie talii za pomocą zapięć na rzepy może poprawić boczny kontakt elektrody z głową. Elektrody przylegające do oczu mogą być również stosowane w celu późniejszego usunięcia artefaktów związanych z ruchem gałek ocznych lub mruganiem.
Chociaż rozsądnie jest założyć, że rozmieszczenie elektrod jest względnie spójne u uczestników, różnice w wielkości głowicy i umiejscowieniu nasadki elektrody spowodują zmienność lokalizacji elektrody. Aby zaradzić takiej zmienności, lokalizacje elektrod mogą być mierzone dla każdego uczestnika. Używamy digitizera Polhemus FASTRAK (Colchester, VT), który zawiera nadajnik, trzy odbiorniki, które montuje się na nasadce za pomocą rzepów (w celu korekcji ruchu uczestnika) oraz rysik do rejestrowania położenia każdej elektrody (sprzęt ten jest kompatybilny z oprogramowaniem SCAN/3DSpaceDx firmy Neuroscan, którego używamy do akwizycji danych). Niezależnie od tego, który digitizer jest używany, należy go skonfigurować zgodnie z określonymi wytycznymi, takimi jak unikanie zbliżania się do dużych metalowych przedmiotów oraz oddzielanie nadawczych i odbiorczych. Digitizer powinien zostać skalibrowany i przetestowany pod kątem dokładności i w razie potrzeby powinien zostać przeniesiony w inne miejsce, dopóki lokalizacja przestrzenna nie będzie dokładna.
IV. Redukcja impedancji elektrod
Po digitalizacji lokalizacji elektrod, uczestnik powinien wygodnie usiąść na krześle do nagrywania. Niektórzy uczestnicy uważają, że jest to wygodniejsze, gdy złożony ręcznik jest lekko wsunięty między ramiona a oparcie krzesła. Następnie nasadkę wieloelektrodową należy podłączyć do amplifiers. Impedancja każdej elektrody musi być zmniejszona tak, aby znajdowała się poniżej ustalonego progu. Odbywa się to poprzez wstrzyknięcie żelu przewodzącego do każdego otworu elektrody, co umożliwi przepływ prądu między skórą głowy a leżącą nad nią elektrodą. Aby wyeliminować możliwość zakażenia między uczestnikami, dla każdego uczestnika należy użyć nowej sterylnej strzykawki i igły z końcówką. Warto zauważyć, że chociaż 5 kΩl jest standardowym progiem impedancji, można zastosować nieco wyższy próg, jeśli natężenie pola elektromagnetycznego otoczenia jest bardzo niskie. Do pomiaru impedancji elektrod używamy oprogramowania NeuroScan SCAN, które wyświetla poziom impedancji według koloru dla wszystkich elektrod w czasie rzeczywistym. Istnieje wiele technik, które mogą przyspieszyć proces redukcji impedancji, który jest najbardziej czasochłonnym aspektem pozyskiwania danych ERP. Ważne jest, aby pamiętać, że celem jest ograniczenie aplikacji żelu między skórą głowy a bezpośrednio leżącą elektrodą. Zaleca się, aby ręka dominująca kontrolowała strzykawkę i aplikację żelu, podczas gdy ręka niedominująca wykonywała inne funkcje. Strzykawka wypełniona żelem przewodzącym może opierać się o głowę bez dyskomfortu uczestnika, ale nigdy nie powinna być dociskana do głowy. Po pierwsze, dla danej elektrody często przydatne jest wykonanie kilku kółek strzykawką, gdy opiera się ona o głowę, aby przesunąć włosy znajdujące się między nimi. Następnie, lekko dociskając elektrodę ręką niedominującą, należy wstrzyknąć niewielką ilość żelu w skórę głowy, a następnie wyciągnąć strzykawkę, kontynuując wstrzykiwanie żelu, aby utworzyć żelowy most między skórą głowy a elektrodą. Żel wystający z otworu elektrody należy zetrzeć chusteczką i wyrzucić. W niektórych przypadkach żel przewodzący połączy sąsiednie elektrody w taki sposób, że impedancje zostaną połączone - zmniejsza to rozdzielczość przestrzenną, ale zwykle nie ma większego znaczenia, ponieważ istnieje duża liczba elektrod. Żel należy najpierw nałożyć na elektrody uziemiające i referencyjne, a jeśli pierwszy zestaw impedancji elektrod pozostaje wysoki, żel należy ponownie nałożyć na te dwie elektrody. Ponieważ żel zwykle z czasem staje się bardziej przewodzący, jedną ze strategii jest wstrzykiwanie żelu do elektrod w kwadrancie skóry głowy (takim jak prawa tylna skóra głowy), aż wszystkie impedancje zaczną się zmniejszać, wstrzykiwanie żelu do elektrod w następnej ćwiartce, aż wszystkie impedancje zaczną się zmniejszać, a następnie cykliczne przechodzenie przez ćwiartki, ponownie wstrzykując żel do elektrod o najwyższej impedancji. Należy podkreślić, że proces nakładania żelu nigdy nie powinien powodować dyskomfortu u uczestnika i powinien wyjaśnić uczestnikowi, że powinien zwerbalizować każdy dyskomfort, aby można było zatrzymać odpowiednie działanie.
V. Zapis danych
Przed rozpoczęciem nagrywania, uczestnicy powinni być zachęcani do przyjęcia wygodnej pozycji i zrelaksowania się, aby zminimalizować artefakty mięśni szyi i unikać ruchów głowy, które mogłyby spowodować kontakt między tylnymi elektrodami a oparciem krzesła. Należy podkreślić uczestnikowi, że podczas nagrywania powinien on pozostać w względnym bezruchu, ponieważ znaczny ruch krzesła (które zazwyczaj zawiera metalową ramę) może powodować zakłócenia elektromagnetyczne. Uczestnicy powinni następnie otrzymać klawiaturę odpowiedzi, a wszystkie zbędne urządzenia znajdujące się w pobliżu uczestnika, takie jak światła, powinny zostać usunięte lub wyłączone. Aby umożliwić późniejszą analizę związaną ze zdarzeniem, początek każdego zdarzenia bodźca musi być sygnalizowany/wyzwalany przez komputer bodźca oraz odbierany i przechowywany wraz z danymi elektrofizjologicznymi. Wysyłamy te impulsy wyzwalające przy każdym początku bodźca przez port równoległy za pośrednictwem programów E-Prime (Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, PA), które obejmują niestandardową inicjalizację portu InLine i skrypty wyzwalające, które są swobodnie dostępne3, a wyzwalacze są odbierane i przechowywane przez oprogramowanie SCAN. Należy odwołać się do wyprowadzeń konfiguracji portów, aby upewnić się, że używane są prawidłowe wartości wyzwalaczy. Co istotne, większość ustawień filtra górnoprzepustowego wzmacniacza jest akceptowalna, ponieważ celem jest po prostu usunięcie składowych o bardzo niskiej częstotliwości (takich jak prąd stały), które są nieistotne dla przejściowej odpowiedzi neuronalnej. Natomiast dopuszczalne ustawienia filtra dolnoprzepustowego różnią się w zależności od środowiska nagrywania. W środowiskach o bardzo niskich zakłóceniach elektromagnetycznych otoczenia można zastosować filtr dolnoprzepustowy z bardzo wysokim odcięciem częstotliwości (np. 200 Hz), który minimalizuje zniekształcenia odpowiedzi neuronalnej, która zawiera wyższe częstotliwości. W środowiskach o wyższym poziomie zakłóceń można zastosować niższe odcięcie częstotliwości (np. 80 Hz) i filtr wycinający 60 Hz, tak aby odpowiedź elektrofizjologiczna była zdominowana przez sygnał nerwowy. Należy pamiętać, że filtrowanie można również przeprowadzić w oprogramowaniu po pozyskaniu danych, chociaż filtrowanie na etapie wzmacniacza często powoduje mniejsze zniekształcenia sygnału.
VI. Czyszczenie nasadki
Nasadka wieloelektrodowa musi być dokładnie oczyszczona i zdezynfekowana natychmiast po zakończeniu zapisu danych. Zaczynamy od namoczenia nasadki w ciepłej wodzie przez 5-10 minut, a następnie spłukania każdej elektrody pod bieżącą wodą, aby dokładnie usunąć cały przewodzący żel. koniec bawełnianego wacika w drewnianym patyczku może być użyty do oczyszczenia otworów w elektrodach. Następnie zanurzamy nakrętkę w ciepłej kąpieli wodnej z mydłem (składającej się z 4 litrów wody i 1-2 uncji Dial) na 30 minut, aby upewnić się, że cały żel został usunięty, a następnie dokładnie spłukujemy wodą. Aby uniknąć zanieczyszczenia między uczestnikami, nakrętkę należy namoczyć przez 15-30 minut w odpowiedniej mieszance wody i środka dezynfekującego (np. 4 części wody na 1 część Envirocide), a następnie dokładnie spłukać wodą. Podczas wieszania nasadki do wyschnięcia należy ją umieścić symetrycznie i bez naprężeń, ponieważ może ona zachować pewien stopień swojej pozycji suszenia, co, jeśli jest nieregularne, może zmniejszyć łatwość późniejszej redukcji impedancji.
VII. Przegląd analizy
Wstępne przetwarzanie danych4 składa się z wielu etapów, w tym wykluczenia elektrod, które miały słaby lub przerywany kontakt, usunięcia artefaktów mrugania, korekcji linii bazowej i dodatkowego filtrowania górno- lub dolnoprzepustowego. Po wstępnym przetwarzaniu następuje uśrednianie związane ze zdarzeniami, a rozdzielczość przestrzenną można poprawić, przeprowadzając lokalizację źródła ERP5. Używamy oprogramowania analitycznego BESA (Gräfelfing, Niemcy) do wstępnego przetwarzania, uśredniania zdarzeń i lokalizacji źródeł (BESA regularnie oferuje dwudniowe kursy analizy), z dodatkową analizą przeprowadzaną na wyeksportowanych plikach średnich związanych ze zdarzeniami przy użyciu niestandardowych skryptów napisanych w MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie stwierdzono konfliktu interesów.
Ta praca była wspierana przez BCS0745880 grantów NSF.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie