Badanie poznania społecznego u niemowląt i dorosłych z wykorzystaniem gęstego układu elektrod elektroencefalografii (dEEG)

Podsumowanie

Elektroencefalografia z gęstą macierzą elektrod jest coraz częściej wykorzystywana do badania funkcji poznawczych w sferze społecznej u niemowląt i dorosłych. Przedstawiamy tutaj uznaną metodologię, która stanowi znaczące udoskonalenie konwencjonalnych metod badania EEG u niemowląt i dorosłych.

Streszczenie

Elektroencefalografia z gęstym układem elektrod (_dEEG), która stanowi nieinwazyjne narzędzie pomiaru aktywności mózgu i oferuje rozdzielczość czasową nieosiągalną dla żadnej innej obecnie dostępnej technologii obrazowania mózgu^1,2, jest coraz częściej wykorzystywana w badaniach nad funkcjonowaniem poznawczym w sferze społecznej u niemowląt i dorosłych. Choć _dEEG umożliwia badaczom analizę wzorców aktywności mózgu z niespotykaną dotąd czułością, konwencjonalne systemy rejestracji EEG nadal napotykają pewne ograniczenia, do których należą: 1) słaba rozdzielczość przestrzenna i lokalizacja źródła^3,4, 2) dyskomfort fizyczny badanych wynikający z konieczności indywidualnego przykładania licznych elektrod do powierzchni skóry głowy oraz 3) trudność dla badaczy związana z koniecznością opanowania wielu pakietów oprogramowania do gromadzenia i przetwarzania danych. Przedstawiamy tutaj przegląd ugruntowanej metodologii, która stanowi znaczącą poprawę w stosunku do konwencjonalnych metod badania EEG u niemowląt i dorosłych. Mimo że do wyznaczania pośrednich wskaźników lokalizacji źródła w celu poprawy rozdzielczości przestrzennej _dEEG można stosować kilka analitycznych technik programowych, HydroCel Geodesic Sensor Net (HCGSN) firmy Electrical Geodesics, Inc. (EGI) – gęsty układ czujników utrzymujący równe odległości między sąsiednimi elektrodami rejestrującymi na wszystkich powierzchniach skóry głowy – dodatkowo zwiększa rozdzielczość przestrzenną^4,5,6 w porównaniu ze standardowymi systemami _dEEG. Oparty na gąbkach system HCGSN może być szybko aplikowany bez konieczności ścierania naskórka, co czyni go idealnym do stosowania u dorosłych^7,8, dzieci^9,10,11 i niemowląt¹², zarówno w warunkach badawczych, jak i klinicznych^{4,5,6,13,14,15}. Cecha ta pozwala na znaczną oszczędność kosztów i czasu dzięki skróceniu średniego czasu zakładania siatki w porównaniu z innymi systemami _dEEG. Co więcej, HCGSN obejmuje zunifikowane, zintegrowane aplikacje programowe dla wszystkich etapów pracy z danymi, co znacznie upraszcza gromadzenie, przetwarzanie i analizę danych _dEEG.

HCGSN posiada elektrodę o niskim profilu, która po napełnieniu roztworem elektrolitu tworzy szczelne mikrośrodowisko i interfejs między elektrodą a skórą głowy. We wszystkich systemach Geodesic _dEEG czujniki EEG wykrywają zmiany napięcia pochodzące ze skóry głowy uczestnika, wraz z niewielką ilością szumów elektrycznych pochodzących z otoczenia pomieszczenia. Sygnały elektryczne ze wszystkich czujników sieci Geodesic są odbierane jednocześnie przez wzmacniacz, w którym są automatycznie przetwarzane, pakowane i przesyłane do komputera do akwizycji danych (DAC). Po odebraniu przez DAC, aktywność elektryczną skóry głowy można odizolować od artefaktów w celu analizy, korzystając z narzędzi filtrowania i detekcji artefaktów zawartych w oprogramowaniu EGI. Zazwyczaj z HCGSN można korzystać w sposób ciągły tylko do dwóch godzin, ponieważ roztwór elektrolitu z czasem wysycha, co stopniowo pogarsza jakość interfejsu między skórą głowy a elektrodą.

W Laboratorium Badań nad Relacją Rodzic-Niemowlę na Uniwersytecie w Toronto wykorzystujemy _dEEG do badania procesów poznawczych związanych z interakcjami społecznymi, w tym pamięci, emocji, celów, intencjonalności, antycypacji oraz funkcji wykonawczych u uczestników dorosłych i niemowląt.

Protokół

1. Przygotowanie układu eksperymentalnego

1. Przed przybyciem uczestnika do laboratorium należy upewnić się, że komponenty systemu Geodesic EEG System (GES) oraz komputer sterujący eksperymentem wraz z oprogramowaniem (Net Station) działają prawidłowo.
2. Należy usunąć z pomieszczenia eksperymentalnego wszystkie zbędne przedmioty, które mogłyby rozpraszać uwagę.
3. Pomieszczenie eksperymentalne należy przygotować zgodnie z konkretnym paradygmatem eksperymentalnym, który jest wdrażany. W tym przypadku stosuje się paradygmaty obejmujące zarówno zadania komputerowe realizowane za pomocą oprogramowania do prezentacji E-Prime, jak i różne paradygmaty interakcji rodzic-niemowlę oraz eksperymentator-niemowlę.
4. Należy upewnić się, że kamery wideo są naładowane, a następnie ustawić je pod kątami optymalnymi dla aktualnej konfiguracji eksperymentalnej.

2. Wymiana informacji

1. Po przybyciu uczestnika do laboratorium, należy opisać protokół aplikacji Geodesic Sensor Net i wyjaśnić przebieg eksperymentu.
2. Po upewnieniu się, że uczestnik dobrze rozumie protokół eksperymentalny, należy dopilnować, aby on lub ona (lub opiekun prawny) podpisała formularz zgody przed przystąpieniem do eksperymentu.
3. W badaniach EEG często przydatne jest uzyskanie od uczestnika określonych informacji, które mogą mieć wpływ na rejestrowaną aktywność elektryczną mózgu. Przykładowo, interesujące mogą być informacje o senności, ostatnim posiłku i ostatnim śnie. W laboratorium Haley takie informacje pozyskuje się poprzez wypełnienie zstandaryzowanych kwestionariuszy. Aby eksperyment przebiegał sprawnie, zaleca się obecność dwóch eksperymentatorów: jednego do przeprowadzenia kwestionariuszy oraz drugiego do wykonania przygotowań HCGSN opisanych poniżej.

3. Przygotowanie do zastosowania geodezyjnej sieci czujników HydroCel

1. Przygotować roztwór elektrolitu HydroCel Saline z wody destylowanej, chlorku potasu i szamponu dla niemowląt, upewniając się, że mieszanina została dokładnie wymieszana do całkowitego rozpuszczenia chlorku potasu w roztworze.
2. Za pomocą centymetra zmierzyć obwód głowy uczestnika, zapisując wynik w centymetrach.
3. Pobrać odpowiednio dobrany rozmiar HCGSN, tzn. taki, którego zakres obwodów głowy obejmuje zmierzony obwód głowy uczestnika.
4. Zanurzyć koniec czujnika HCGSN w roztworze elektrolitu i pozostawić do namoczenia na 5 minut, dbając o to, aby koniec z konektorem nie miał kontaktu z żadnymi cieczami. Zaleca się użycie minutnika lub stopera w celu zapewnienia dokładnego odmierzenia czasu.
5. Uruchomić oprogramowanie Net Station na komputerze sterującym i rozpocząć sesję kontrolną eksperymentu, aby umożliwić wykonanie pomiarów zera i wzmocnienia przed podłączeniem konektora HCGSN i rozpoczęciem gromadzenia danych.

4. Zakładanie geodezyjnej sieci sensorów HydroCel

Aby umożliwić poprawną i spójną analizę zebranych danych EEG, procedura zakładania siatki musi być ściśle zestandaryzowana. Standaryzację tę osiąga się poprzez dokonanie pomiarów głowy uczestnika (zgodnie z powyższym opisem), co zapewnia dokładne i powtarzalne rozmieszczenie elektrod u każdego uczestnika. Jeśli optymalne ułożenie siatki nie zostanie osiągnięte w pierwszej próbie, należy ją zdjąć i założyć ponownie.

1. Oczekując na zakończenie namaczania siatki sensorów w roztworze elektrolitu, wprowadź uczestnika do pomieszczenia eksperymentalnego i poproś go lub ją o zajęcie miejsca na krześle. Krzesło nie powinno posiadać kółek, aby uniknąć niepożądanych ruchów podczas zakładania siatki sensorów. W przypadku uczestnika będącego niemowlęciem, poproś opiekuna o zajęcie miejsca na krześle z niemowlęciem siedzącym prosto na kolanach, przy czym opiekun powinien trzymać dziecko za talię w taki sposób, aby cała głowa niemowlęcia była dostępna, a samo dziecko pozostawało w bezruchu.
2. Za pomocą taśmy mierniczej i markeru do porcelany zlokalizuj i zaznacz vertex, wykonując następujące pomiary:
   1. Od ucha do ucha przez szczyt głowy
   2. Od nasion do inion przez szczyt głowy
   Vertex można zidentyfikować jako punkt, w którym te dwa pomiary się przecinają.
3. Wyjmij siatkę sensorów z wiadra z elektrolitem i połóż ją na czystym, suchym ręczniku. Delikatnie osusz siatkę sensorów ręcznikiem, aby usunąć nadmiar roztworu elektrolitu.
4. Przekaż końcówkę z konektorem HCGSN uczestnikowi lub drugiemu eksperymentatorowi, aby trzymał ją podczas zakładania siatki.
5. Podnieś HCGSN, wkładając obie dłonie do wnętrza siatki. Trzymaj siatkę tak, aby kciuki były mocno (ale delikatnie) dociśnięte po obu stronach centralnej, najbardziej przedniej elektrody, a małe palce były mocno dociśnięte do opaski łączącej najbardziej tylny rząd elektrod. Uważaj, aby nie nadmiernie rozciągnąć siatki. Pozostałe sześć palców powinno luźno spoczywać wewnątrz siatki, aby jej środkowa część zwisała swobodnie.
6. Kucnij lub uklęknij tak, aby Twoje oczy znajdowały się na wysokości oczu uczestnika.
7. Naciągnij siatkę sensorów na głowę uczestnika, przesuwając ją od tyłu do przodu. Przy zakładaniu siatki sensorów niemowlęciu często przydatna jest obecność drugiego eksperymentatora, który będzie odwracał uwagę dziecka i minimalizował ruchy głowy.
8. Opuszkami palców delikatnie pociągnij za opaskę siatki i dopasuj ją tak, aby elektroda vertex znajdowała się w punkcie vertex wcześniej zaznaczonym markerem do porcelany. Zaciśnij paski przy uszach i pod brodą. Sprawdź położenie punktów orientacyjnych anatomii oraz symetrię siatki, aby upewnić się, że jest ona odpowiednio ułożona, i wprowadź niezbędne korekty.

5. Pomiar impedancji elektrod

EEG jest mierzone jako różnica potencjałów (napięcie) pomiędzy punktem odniesienia a punktem pomiarowym. Wysoka impedancja na styku skóry głowy i elektrody powoduje spadek mierzonego napięcia, tłumienie amplitudy sygnału oraz zwiększenie poziomu szumów. Choć w niektórych badaniach filtrowanie po akwizycji (np. w konwencjonalnych badaniach ERP) pozwala usunąć te szumy, wysoka impedancja zazwyczaj obniża wierność pozyskanych danych EEG. Dlatego ważne jest upewnienie się, że impedancje mieszczą się w dopuszczalnych specyfikacjach przed rozpoczęciem rejestracji danych EEG.

1. Włóż końcówkę złącza HCGSN do kabla interfejsu i przekręć dźwignię, aby zablokować go w miejscu. Włącz kamerę.
2. W pomieszczeniu sterowniczym otwórz nową sesję w programie Net Station, wprowadź dane uczestnika i kliknij Begin Session. Ponieważ sygnały wideo i _dEEG są zsynchronizowane, na ekranie powinien pojawić się podgląd wideo na żywo z pomieszczenia eksperymentalnego.
3. Wybierz menu rozwijane Panels, otwórz Impedance i kliknij przycisk Measure. Na ekranie pojawi się montaż matrycy czujników HCGSN. Przeciągnij okno na krawędź ekranu, aby wyświetliło się na monitorze w pomieszczeniu eksperymentalnym.
4. Za pomocą jednorazowej pipety odsuń włosy uczestnika tak, aby każda elektroda przylegała bezpośrednio do skóry głowy.
5. Monitoruj okno pomiaru impedancji wyświetlające montaż HCGSN na monitorze. Czujniki, które nie mają dobrego kontaktu ze skórą głowy, będą wyświetlane na czerwono. Zanotuj numery tych czujników elektrod. Użyj pipety i niewielkiej ilości wcześniej przygotowanego roztworu elektrolitu, aby poprawić impedancję tych czujników. Elektrody w montażu zmienią kolor na zielony w miarę poprawy ich impedancji.
6. Gdy impedancje będą satysfakcjonujące (tzn. gdy wszystkie elektrody w montażu będą zielone), kliknij przycisk Save & Close w oknie pomiaru impedancji w pomieszczeniu sterowniczym.
7. W programie Net Station otwórz Dense Waveform Display. Przejrzyj przebiegi fal i odnotuj wszystkie kanały, które wykazują szum o wysokiej amplitudzie wynikający ze słabego kontaktu ze skórą głowy.

6. Wykonywanie pomiarów bazowych

Przed rozpoczęciem paradygmatu eksperymentalnego należy wykonać pomiary bazowe _dEEG w celu zarejestrowania elektrycznej aktywności mózgu uczestnika w stanie spoczynku. Rejestracja bazowa w stanie spoczynku jest istotna w badaniach ciągłych _dEEG, ponieważ aktywność elektryczna mózgu charakteryzuje się wysokim stopniem zmienności między poszczególnymi uczestnikami. W konsekwencji większość badań ciągłych _dEEG musi wykorzystywać wewnątrzobiektowy schemat eksperymentalny, analizując różnice między każdym warunkiem eksperymentalnym a fazą bazową przed eksperymentem. W przypadku badań EEG potencjałów wywołanych faza bazowa może nie być konieczna.

1. Pozostaw uczestnika samotnie w pomieszczeniu eksperymentalnym i poinstruuj go, aby siedział spokojnie i ograniczył ruchy. W przypadku uczestników będących niemowlętami, rodzic/opiekun powinien pozostać w pomieszczeniu, a niemowlę powinno spokojnie siedzieć na jego kolanach. W laboratorium Haley odtwarzany jest film pt. Baby Mozart, będący połączeniem audiowizualnym muzyki klasycznej i kolorowych ruchomych wzorów, aby zapewnić spokój i bezruch niemowląt. Chociaż interaktywna faza bazowa nie zawsze jest idealna, może ona służyć jako faza przedbazowa w celu uspokojenia niemowlęcia przed wykonaniem pomiarów bazowych.
2. W programie Net Station kliknij przycisk Record, aby rozpocząć rejestrację obrazu wideo oraz danych przebiegów falowych. W oknie Dense Waveform Display można wprowadzać markery zdarzeń, aby powiązać zdarzenia behawioralne z aktywnością elektryczną w trakcie całego eksperymentu. Wprowadź marker zdarzenia „baseline” w wyświetlaczu przebiegów falowych.
3. Rejestruj pomiary bazowe przez ustandaryzowany okres czasu. W laboratorium Haley standardowa faza bazowa trwa 2 minuty.

7. Przeprowadzenie eksperymentu

W badaniach _dEEG niezbędna jest obecność co najmniej dwóch eksperymentatorów przez cały czas trwania badania. Jeden eksperymentator będzie odpowiedzialny za interakcję z uczestnikiem i realizację paradygmatu behawioralnego, natomiast drugi będzie monitorował Dense Waveform Display.

1. Wdrożyć paradygmat doświadczalny.
2. Przez cały czas trwania eksperymentu monitorować gęsty wyświetlacz przebiegów (Dense Waveform Display), aby ustalić, czy w którychkolwiek kanałach występują zwiększone poziomy szumów. Wzrost szumu może odzwierciedlać wzrost impedancji. Akceptowalne poziomy impedancji można przywrócić, stosując większą ilość roztworu elektrolitu. Należy to zrobić podczas przerwy w protokole doświadczalnym.

8. Debriefing uczestnika

1. Po zakończeniu eksperymentu ostrożnie poluzuj i zdejmij HCGSN z głowy uczestnika. Przepłucz, zdezynfekuj i osusz siatkę.
2. Podaj uczestnikowi ręcznik, aby mógł wytrzeć nadmiar roztworu elektrolitu.
3. Przekaż uczestnikowi pozostałe kwestionariusze, które muszą zostać wypełnione.

9. Analiza

To samo oprogramowanie EGI, którego użyto do pozyskania danych dEEG, służy również do ich analizy, co zapewnia płynne i łatwe przejście z etapu gromadzenia danych do ich analizy. Ponieważ HCGSN rejestruje również szumy elektryczne pochodzące z otoczenia, dane muszą zostać najpierw przefiltrowane i oczyszczone przed analizą. Wszystkie niezbędne narzędzia są zawarte w programie Net Station.

1. W programie Net Station kliknij i otwórz panel Waveform Tools. Przepuść plik z pozyskanymi danymi przez narzędzia do filtrowania i detekcji artefaktów po ustawieniu żądanych parametrów. Narzędzie do detekcji artefaktów identyfikuje skoki wynikające z mrugania lub ruchów gałek ocznych oraz wykrywa uszkodzone kanały. W wielu przypadkach konieczna może być dodatkowa ręczna edycja i usuwanie artefaktów (szczególnie podczas pracy z populacją niemowląt, w której nie można kontrolować mrugania i ruchów oczu).
2. Przeprowadź segmentację danych, aby oddzielić poszczególne warunki eksperymentalne na podstawie wstawionych markerów zdarzeń.
3. Zastosuj dowolną wybraną analizę. W laboratorium Haley stosuje się analizę częstotliwościową, aby zbadać, jak charakterystyczne częstotliwości aktywności mózgu różnią się między warunkami eksperymentalnymi i między różnymi obszarami mózgu. Spadek mocy fali może odzwierciedlać zwiększoną aktywność neuronów w danym obszarze.

10. Dane reprezentatywne

Rysunek 1. Surowe przebiegi EEG pokazujące fluktuacje zarejestrowanego napięcia (μv) w czasie (s), dla pojedynczej elektrody (elektroda 30). Przebiegi reprezentują dane zebrane podczas pierwszych 1000ms każdej z 3 faz eksperymentalnych: bazowej, demonstracji oraz natychmiastowego przypominania.

Rycina 2. Surowe dane zebrane z całej skóry głowy (montaż 128 elektrod) podczas trzech faz eksperymentalnych (linia bazowa, prezentacja, natychmiastowe przypomnienie) u uczestniczącego niemowlęcia. Dane przedstawiono w formie mapy topograficznej, która ilustruje różnice w powierzchniowej aktywności elektrycznej mózgu (μv) w różnych obszarach mózgu i fazach eksperymentalnych zadania z marionetką.

Dyskusja

Geodezyjna sieć czujników Hydrocel od firmy EGI stanowi nieinwazyjną i łatwą w zastosowaniu metodę pozyskiwania danych _dEEG zarówno od dorosłych, jak i niemowląt. Technologia ta łączy wysoką rozdzielczość czasową i przestrzenną ze zwiększoną mobilnością, co czyni ją idealną do zastosowania w złożonych paradygmatach behawioralnych w celu badania aktywności poznawczej, która może objawiać się jedynie subtelnymi zmianami w aktywności elektrycznej. Biorąc pod uwagę rosnące zainteresowanie badaniem rozwoju poznawczego niemowląt oraz względny niedobór technik obrazowania mózgu odpowiednich dla tej grupy populacyjnej, zastosowanie HCGSN prawdopodobnie wzrośnie, co pozwoli nam na głębsze zrozumienie procesów poznawczych u niemowląt.