Rejestracja potencjałów wywołanych (ERP) jest niewystarczająco wykorzystywana w neuronauce poznawczej, ponieważ techniki akwizycji danych nie są łatwo dostępne, a metoda ta często charakteryzuje się niską rozdzielczością przestrzenną. Aby sprzyjać szerszemu zastosowaniu ERP w neuronauce poznawczej, niniejszy artykuł szczegółowo opisuje kluczowe techniki związane z akwizycją danych ERP o wysokiej gęstości.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Rejestracja danych o wysokiej gęstości potencjałów wywołanych w neuronauce poznawczej
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest obecnie standardową metodą oceny funkcji mózgu w dziedzinie neuronauki poznawczej, częściowo ze względu na szeroką dostępność technik akwizycji i analizy danych fMRI. Ponieważ fMRI charakteryzuje się doskonałą rozdzielczością przestrzenną, lecz słabą rozdzielczością czasową, metoda ta może być wykorzystywana jedynie do identyfikacji lokalizacji przestrzennej aktywności mózgu związanej z określonym procesem poznawczym (nie dostarczając praktycznie żadnych informacji na temat przebiegu czasowego tej aktywności). Z kolei rejestracja potencjałów związanych z bodźcem (ERP), metoda stosowana znacznie rzadziej niż fMRI, oferuje doskonałą rozdzielczość czasową, co pozwala na śledzenie szybkich modulacji czasowych w aktywności neuronalnej. Niestety, ERP są niewystarczająco wykorzystywane w neuronauce poznawczej, ponieważ techniki akwizycji danych nie są powszechnie dostępne, a rejestracja ERP o niskiej gęstości elektrod wykazuje słabą rozdzielczość przestrzenną. W celu wspierania częstszego stosowania ERP w neuronauce poznawczej, niniejszy artykuł szczegółowo opisuje kluczowe techniki związane z akwizycją danych ERP o wysokiej gęstości. Co istotne, ERP o wysokiej gęstości dają nadzieję na uzyskanie doskonałej rozdzielczości czasowej i dobrej rozdzielczości przestrzennej (lub doskonałej rozdzielczości przestrzennej w przypadku połączenia z fMRI), co jest niezbędne do uchwycenia dynamiki czasowo-przestrzennej funkcji ludzkiego mózgu.
Protokół
I. Wprowadzenie
W dziedzinie neuronauki poznawczej funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) stał się standardową metodą analizy. Popularność fMRI wynika częściowo z łatwo dostępnych technik akwizycji i analizy danych, a także z łatwo interpretowalnych wyników, które wskazują obszary mózgu powiązane z danym procesem poznawczym. Jednak fMRI charakteryzuje się niską rozdzielczością czasową, przez co nie pozwala na śledzenie szybkiej dynamiki czasowej funkcjonującego mózgu. Jeśli neuronaukowcy poznawczy będą nadal polegać głównie na fMRI, uzyskany obraz funkcji mózgu będzie poważnie niepełny. Potencjały wywołane (ERPs) są stosowane znacznie rzadziej, mimo że metoda ta oferuje doskonałą rozdzielczość czasową. Celem niniejszego artykułu jest szczegółowe omówienie kluczowych technik stosowanych w akwizycji danych ERP o wysokiej gęstości. Mamy nadzieję, że informacje te przyczynią się do zwiększenia wykorzystania ERP w neuronauce poznawczej.
II. Ogólna konfiguracja sprzętu
Dane ERP są zazwyczaj mierzone w miejscu o niskim poziomie natężenia zewnętrznego pola elektromagnetycznego, aby zminimalizować zakłócenia sygnału neuronalnego. W celu ograniczenia takich interferencji ERP są często mierzone w ekranowanej komorze metalowej (tzn. klatce Faradaya), choć możliwe jest znalezienie nieekranowanego miejsca z akceptowalnym poziomem natężenia pola zewnętrznego (1 mg lub mniej, co można zmierzyć za pomocą miernika pola elektromagnetycznego). Każda elektroda jest podłączona do wzmacniacza, który z kolei łączy się z komputerem do akwizycji danych. Oddzielny komputer służy do prezentacji bodźców. Aby zminimalizować zakłócenia sygnału neuronalnego, wewnątrz ekranowanej komory lub w pobliżu miejsca rejestracji powinny znajdować się tylko niezbędne komponenty zasilane, takie jak wyświetlacz bodźców i klawiatura odpowiedzi (na przykład lampy mogą być używane do ułatwienia aplikacji elektrod, ale powinny być wyłączone podczas rejestracji). Przełącznik wideo może być wykorzystany do wyświetlania obrazu z komputera do akwizycji danych lub komputera do prezentacji bodźców na jednym monitorze. W przypadku użycia ekranowanej komory wszystkie kable mogą być prowadzone przez niewielki kanał w ścianie (o średnicy kilku cali) lub przez uchylone drzwi. Uczestnicy powinni siedzieć na wygodnym krześle z podłokietnikami i o takiej wysokości oparcia, która zapewnia wsparcie dla ramion, aby zminimalizować artefakty mięśni szyi, ale jednocześnie umożliwia dostęp do tylnych dolnych elektrod w celu późnej redukcji impedancji elektrod. Wykorzystujemy ekranowaną komorę (wyprodukowaną przez Global Partners in Shielding, Inc., Passaic, NJ) oraz 128-kanałowy system Quik-Cap/SynAmps2 NeuroScan (Compumedics USA, Charlotte, NC).
III. Zakładanie czepka i digitalizacja elektrod
Elektrody są zazwyczaj osadzone w czepku ze spandexu, co znacznie skraca czas aplikacji. Jednakże względne położenie elektrod w czepku jest stałe, co wyklucza możliwość zastosowania standardowych konfiguracji elektrod, takich jak system 10-201 lub jego wariant o większej gęstości, np. system 10-52, które są precyzyjnie pozycjonowane indywidualnie dla każdego uczestnika. Aby przedstawić końcowe wyniki w standardowym formacie, pozycjonujemy elektrodę Oz dla każdego uczestnika w przybliżonej lokalizacji wynikającej z systemu 10-5 (a następnie nazywamy wszystkie elektrody zgodnie z ich przybliżonymi pozycjami w systemie 10-5). Podczas zakładania czepka należy upewnić się, że zachowana jest symetria lewo-prawo, elektrody środkowe znajdują się nad linią środkową głowy, a najbardziej tylno-dolne elektrody są powyżej granicy czaszka-szyja, aby uniknąć artefaktów z mięśni szyi. Chociaż pasek podbródkowy odpowiednio utrzyma czepek na miejscu, przymocowanie bocznych pasków do specjalnie wykonanego pasa w pasie za pomocą rzepów może poprawić lateralny kontakt elektrod z głową. Można również zastosować elektrody w sąsiedztwie oczu w celu późniejszej eliminacji artefaktów związanych z ruchami gałek ocznych lub mruganiem.
Choć można racjonalnie założyć, że rozmieszczenie elektrod jest stosunkowo spójne u poszczególnych uczestników, różnice w rozmiarze głowy oraz sposobie założenia czepka z elektrodami będą powodować zmienność ich lokalizacji. Aby wyeliminować tę zmienność, położenie elektrod można zmierzyć dla każdego uczestnika. Używamy digitalizatora Polhemus FASTRAK (Colchester, VT), który składa się z nadajnika, trzech odbiorników montowanych na czepku za pomocą rzepów (w celu korekcji ruchów uczestnika) oraz rysika do rejestracji lokalizacji każdej elektrody (sprzęt ten jest kompatybilny z oprogramowaniem Neuroscan SCAN/3DSpaceDx, którego używamy do akwizycji danych). Niezależnie od zastosowanego modelu digitalizatora, powinien on zostać skonfigurowany zgodnie z określonymi wytycznymi, takimi jak unikanie bliskości dużych metalowych przedmiotów oraz rozdzielenie kabli nadajnika i odbiornika. Digitalizator należy skalibrować i sprawdzić pod kątem dokładności, a w razie potrzeby przenieść w inne miejsce, aż do uzyskania precyzyjnej lokalizacji przestrzennej.
IV. Redukcja impedancji elektrod
Po zdigitalizowaniu lokalizacji elektrod uczestnik powinien wygodnie usiąść w krześle do rejestracji. Niektórzy uczestnicy czują się bardziej komfortowo, gdy między ich ramionami a oparciem krzesła zostanie lekko włożony złożony ręcznik kąpielowy. Następnie czepek wieloelektrodowy należy podłączyć do wzmacniaczy. Impedancja każdej elektrody musi zostać zredukowana do poziomu poniżej ustalonego progu. Odbywa się to poprzez wstrzyknięcie żelu przewodzącego do każdego otworu elektrody, co umożliwi przepływ prądu między skórą głowy a znajdującą się nad nią elektrodą. Aby wyeliminować możliwość kontaminacji krzyżowej między uczestnikami, dla każdego z nich należy użyć nowej sterylnej strzykawki i igły z tępym końcem. Warto zaznaczyć, że choć 5 kΩ jest standardowym progiem impedancji, można zastosować nieco wyższy próg, jeśli natężenie otaczającego pola elektromagnetycznego jest bardzo niskie. Do pomiaru impedancji elektrod używamy oprogramowania NeuroScan SCAN, które w czasie rzeczywistym wyświetla poziom impedancji dla wszystkich elektrod za pomocą kolorów. Istnieje szereg technik, które mogą przyspieszyć proces redukcji impedancji, będący najbardziej czasochłonnym aspektem akwizycji danych ERP. Należy pamiętać, że celem jest ograniczenie aplikacji żelu do przestrzeni między skórą głowy a bezpośrednio znajdującą się nad nią elektrodą. Zaleca się, aby ręka dominująca kontrolowała strzykawkę i aplikację żelu, podczas gdy ręka niedominująca pełniła inne funkcje. Strzykawka wypełniona żelem przewodzącym może opierać się o głowę bez powodowania dyskomfortu u uczestnika, ale nigdy nie powinna być dociskana do głowy. Najpierw, w przypadku danej elektrody, często przydatne jest wykonanie strzykawką kilku okręgów, gdy ta opiera się o głowę, aby odsunąć przeszkadzające włosy. Następnie, lekko dociskając elektrodę niedominującą ręką, należy wstrzyknąć niewielką ilość żelu do skóry głowy, a potem wyciągnąć strzykawkę, kontynuując wstrzykiwanie żelu, aby stworzyć mostek żelowy między skórą głowy a elektrodą. Żel wystający z otworu elektrody należy wytrzeć chusteczką i wyrzucić. W niektórych przypadkach żel przewodzący połączy sąsiednie elektrody w taki sposób, że impedancje zostaną powiązane – zmniejsza to rozdzielczość przestrzenną, ale zazwyczaj nie stanowi większego problemu ze względu na dużą liczbę elektrod. Żel należy najpierw nałożyć na elektrody masy i referencyjne; jeśli impedancje pierwszej grupy elektrod pozostaną wysokie, żel należy ponownie nałożyć na te dwie elektrody. Ponieważ żel zazwyczaj z czasem staje się bardziej przewodzący, jedną ze strategii jest wstrzykiwanie żelu do elektrod w obrębie kwadrantu skóry głowy (np. prawego tylnego obszaru skóry głowy), aż wszystkie impedancje zaczną spadać, następnie wstrzykiwanie żelu do elektrod w kolejnym kwadrancie, aż wszystkie impedancje zaczną spadać, a potem cykliczne przechodzenie przez kwadranty i ponowne wstrzykiwanie żelu do elektrod o najwyższej impedancji. Należy podkreślić, że proces aplikacji żelu nigdy nie powinien powodować dyskomfortu u uczestnika, a uczestnik powinien zostać poinformowany, że ma zgłaszać każdy dyskomfort, aby można było przerwać odpowiednią czynność.
V. Rejestracja danych
Przed rozpoczęciem rejestracji należy zachęcić uczestników do przyjęcia wygodnej pozycji i rozluźnienia się, aby zminimalizować artefakty mięśni szyi oraz uniknąć ruchów głowy, które mogłyby spowodować kontakt tylnych elektrod z oparciem krzesła. Należy podkreślić uczestnikowi, że podczas rejestracji powinien pozostać stosunkowo nieruchomy, ponieważ znaczne przemieszczanie się krzesła (które zazwyczaj posiada metalową ramę) może generować zakłócenia elektromagnetyczne. Następnie uczestnik powinien otrzymać klawiaturę do udzielania odpowiedzi, a cały zbędny sprzęt znajdujący się w pobliżu uczestnika, taki jak lampy, powinien zostać usunięty lub wyłączony. Aby umożliwić późniejszą analizę zdarzeń (event-related analysis), początek każdego bodźca musi być sygnalizowany/wyzwalany przez komputer stymulujący oraz rejestrowany i przechowywany wraz z danymi elektrofizjologicznymi. Impulsy wyzwalające (triggery) wysyłamy przy każdym początku bodźca przez port równoległy za pomocą programów E-Prime (Psychology Software Tools, Inc., Pittsburgh, PA), które zawierają niestandardowe skrypty inicjalizacji portu InLine i skrypty wyzwalające, które są ogólnodostępne3; triggery te są odbierane i przechowywane przez oprogramowanie SCAN. Należy sprawdzić konfigurację pinów portu, aby upewnić się, że używane są poprawne wartości wyzwalaczy. Warto zaznaczyć, że większość ustawień filtrów górnoprzepustowych wzmacniacza jest dopuszczalna, ponieważ celem jest po prostu usunięcie komponentów o bardzo niskiej częstotliwości (takich jak składowa DC), które są nieistotne dla przejściowej odpowiedzi neuronalnej. Z kolei dopuszczalne ustawienia filtrów dolnoprzepustowych różnią się w zależności od środowiska rejestracji. W środowiskach z bardzo niskimi zakłóceniami elektromagnetycznymi można zastosować filtr dolnoprzepustowy z bardzo wysoką częstotliwością odcięcia (np. 200 Hz), co minimalizuje zniekształcenia odpowiedzi neuronalnej zawierającej wyższe częstotliwości. W środowiskach o wyższym poziomie zakłóceń można zastosować niższą częstotliwość odcięcia (np. 80 Hz) oraz filtr notch 60 Hz, tak aby w odpowiedzi elektrofizjologicznej dominował sygnał neuronalny. Należy pamiętać, że filtrowanie może być również przeprowadzane programowo po akwizycji danych, choć filtrowanie na etapie wzmacniacza często powoduje mniejsze zniekształcenia sygnału.
VI. Czyszczenie nasadki
Czapek wieloelektrodowy musi zostać dokładnie oczyszczony i zdezynfekowany niezwłocznie po zakończeniu rejestracji danych. Zaczynamy od namoczenia czapki w ciepłej wodzie przez 5-10 minut, a następnie płuczemy każdą elektrodę pod bieżącą wodą, aby całkowicie usunąć żel przewodzący. Do udrożnienia otworów w elektrodach można użyć tępego końca drewnianego patyczka higienicznego. Następnie namaczamy czapkę w kąpieli z ciepłej wody z mydłem (składającej się z 4 kwartów wody i 1-2 oz mydła Dial) przez 30 minut, aby upewnić się, że cały żel został usunięty, a następnie dokładnie płuczemy ją wodą. Aby uniknąć kontaminacji krzyżowej między uczestnikami, czapkę należy namoczyć przez 15-30 minut w odpowiedniej mieszaninie wody i środka dezynfekującego (np. 4 części wody na 1 część Envirocide), a następnie dokładnie wypłukać wodą. Podczas wieszania czapki do wyschnięcia należy umieścić ją symetrycznie i bez naprężeń, ponieważ może ona zachować w pewnym stopniu kształt z momentu schnięcia, co w przypadku deformacji może utrudnić późniejszą redukcję impedancji.
VII. Przegląd analizy
Wstępne przetwarzanie danych4 składa się z wielu etapów, w tym wykluczenia elektrod o słabym lub przerywanym kontakcie, usunięcia artefaktów mrugania, korekcji linii bazowej oraz dodatkowego filtrowania górno- lub dolnoprzepustowego. Po wstępnym przetwarzaniu następuje uśrednianie związane z zdarzeniem, a rozdzielczość przestrzenną można poprawić, przeprowadzając lokalizację źródeł ERP5. Do wstępnego przetwarzania, uśredniania związanego z zdarzeniem i lokalizacji źródeł wykorzystujemy oprogramowanie analityczne BESA (Gräfelfing, Niemcy) (BESA regularnie organizuje dwudniowe kursy analizy), natomiast dodatkowe analizy przeprowadzamy na wyeksportowanych plikach średnich związanych z zdarzeniem przy użyciu własnych skryptów napisanych w języku MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Praca ta była wspierana z grantu NSF nr BCS0745880.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Bibliografia
- Jasper, H. H. The ten-twenty electrode system of the International Federation. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 10, 371-375 (1958).
- Oostenveld, R., Praamstra, P. The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements. Clin. Neurophysiol. 112, 713-719 (2001).
- Trigger onset [Internet]. , Boston College Web. Available from: http://www2.bc.edu/~slotnics/scripts.htm (2010).
- Slotnick, S. D. Rapid retinotopic reactivation during spatial memory. Brain Res. 1268, 97-111 (2009).
- Handy, T. C. Source localization of ERP generators. In Event-Related Potentials: A Methods Handbook. , The MIT Press. Cambridge. 149-166 (2004).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
