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 i oprogramowanie sterujące eksperymentem (Net Station) działają prawidłowo.
2. Należy usunąć z pomieszczenia eksperymentalnego wszystkie niepotrzebne i potencjalnie rozpraszające przedmioty.
3. Pomieszczenie eksperymentalne należy przygotować zgodnie z konkretnym paradygmatem badawczym, który jest wdrażany. W tym przypadku stosuje się paradygmaty obejmujące zarówno zadania komputerowe realizowane za pomocą oprogramowania prezentacyjnego 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 oraz wyjaśnić przebieg eksperymentu.
2. Po upewnieniu się, że uczestnik dobrze rozumie protokół eksperymentalny, należy dopilnować, aby on lub ona (lub jego lub jej 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, istotne mogą być informacje o senności, ostatnim posiłku i ostatnim śnie. W laboratorium Haley takie informacje uzyskuje się poprzez przeprowadzenie ustandaryzowanych kwestionariuszy. Aby zapewnić sprawny przebieg eksperymentu, zaleca się obecność dwóch eksperymentatorów: jednego do przeprowadzenia kwestionariuszy i drugiego do wykonania przygotowań HCGSN szczegółowo opisanych poniżej.

3. Przygotowanie do zastosowania geodezyjnej sieci czujników HydroCel

1. Przygotować elektrolitowy roztwór HydroCel Saline z wody destylowanej, chlorku potasu i szamponu dla dzieci, pamiętając o dokładnym mieszaniu aż do całkowitego rozpuszczenia chlorku potasu w roztworze.
2. Za pomocą centymetra zmierzyć obwód głowy uczestnika, zapisując wynik w centymetrach.
3. Wybrać odpowiedni rozmiar HCGSN, czyli taki, który obejmuje zakres obwodów głowy, w który mieści się obwód głowy uczestnika.
4. Zanurzyć końcówkę sensoryczną HCGSN w roztworze elektrolitu i pozostawić do namoczenia na 5 minut, dbając o to, aby końcówka z złączem nie miała 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 złącza HCGSN i rozpoczęciem zbierania danych.

4. Nakładanie geodezyjnej sieci czujników HydroCel

W celu umożliwienia poprawnej i spójnej analizy zgromadzonych danych EEG, procedura zakładania siatki musi być ściśle wystandaryzowana. Standaryzację tę osiąga się poprzez dokonanie pomiarów głowy uczestnika (zgodnie z opisem powyżej), aby zapewnić dokładne i powtarzalne rozmieszczenie elektrod u każdego z uczestników. Jeśli początkowo nie uda się uzyskać optymalnego ułożenia siatki, należy ją zdjąć i założyć ponownie.

1. Podczas oczekiwania na zakończenie namaczania siatki sensorów w roztworze elektrolitu, zaprowadź uczestnika do pomieszczenia eksperymentalnego i poproś go 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 i trzymającym je za talię w taki sposób, aby cała głowa niemowlęcia była dostępna, a samo dziecko pozostawało w bezruchu.
2. Za pomocą taśmy mierniczej i pisaka do porcelany zlokalizuj i zaznacz vertex, wykonując następujące pomiary:
   1. od ucha do ucha przez górną część głowy
   2. od nasion do inion przez górną część 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 koniec z konektorem HCGSN uczestnikowi lub drugiemu eksperymentatorowi do trzymania 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. Należy uważać, aby nie nadmiernie rozciągać siatki. Pozostałe sześć palców powinno luźno spoczywać wewnątrz siatki, aby jej środkowa część mogła swobodnie opadać.
6. Kucnij lub uklęknij tak, aby znajdować się na wysokości wzroku uczestnika.
7. Naciągnij siatkę sensorów na głowę uczestnika, przesuwając ją od tyłu do przodu. Podczas zakładania siatki sensorów niemowlęciu często pomocna jest obecność drugiego eksperymentatora, który odwróci uwagę dziecka i zminimalizuje ruchy głowy.
8. Używając opuszków palców, delikatnie pociągnij za opaskę siatki i dopasuj ją tak, aby elektroda vertex znajdowała się w punkcie vertex wcześniej zaznaczonym pisakiem do porcelany. Zaciśnij paski przy uszach i podbródku. Sprawdź położenie punktów anatomicznych oraz symetrię siatki, aby upewnić się, że jest ona prawidłowo rozmieszczona, i wprowadź niezbędne korekty.

5. Pomiar impedancji elektrod

EEG mierzy się jako różnicę potencjałów (napięcie) między punktem odniesienia a punktem pomiarowym. Wysoka impedancja na styku skóry głowy i elektrody powoduje spadek zmierzonego napięcia, tłumienie amplitudy sygnału oraz zwiększenie poziomu szumów. Chociaż filtrowanie po akwizycji w niektórych badaniach (np. konwencjonalnych badaniach ERP) pozwala wyeliminować 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. Wepnij koniec złącza HCGSN do kabla interfejsu i przekręć dźwignię, aby go zablokować. Włącz kamerę.
2. W pokoju sterowania 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 pokoju eksperymentalnego.
3. Wybierz menu rozwijane Panels, otwórz Impedance i kliknij przycisk Measure. Na ekranie pojawi się montaż macierzy czujników HCGSN. Przeciągnij okno na krawędź ekranu, aby wyświetliło się na monitorze w pokoju eksperymentalnym.
4. Za pomocą jednorazowej pipety odsuń włosy uczestnika tak, aby każda elektroda przylegała bezpośrednio do skóry głowy.
5. Odwołaj się do okna pomiaru impedancji wyświetlającego montaż HCGSN na monitorze. Czujniki, które nie mają dobrego kontaktu ze skórą głowy, będą wyświetlone na czerwono. Zanotuj numery tych elektrod. Użyj pipety i niewielkiej ilości wcześniej przygotowanego roztworu elektrolitu, aby poprawić impedancję tych czujników. Elektrody na montażu będą zmieniać kolor na zielony w miarę poprawy ich impedancji.
6. Gdy impedancje będą satysfakcjonujące (tzn. gdy wszystkie elektrody na montażu będą zielone), kliknij przycisk Save & Close w oknie pomiaru impedancji w pokoju sterowania.
7. W programie Net Station otwórz widok Dense Waveform Display. Przejrzyj przebiegi fal i zanotuj wszystkie kanały, które wykazują szum o wysokiej amplitudzie z powodu słabego kontaktu ze skórą głowy.

6. Rejestracja pomiarów bazowych

Przed rozpoczęciem paradygmatu eksperymentalnego należy zarejestrować bazowe pomiary _dEEG spoczynkowej aktywności elektrycznej mózgu uczestnika. Rejestracje bazowe w stanie spoczynku są istotne w badaniach ciągłego _dEEG, ponieważ aktywność elektryczna mózgu wykazuje wysoki stopień zmienności między poszczególnymi uczestnikami. W związku z tym większość badań z wykorzystaniem ciągłego _dEEG musi opierać się na wewnątrzobiektowym schemacie eksperymentalnym, analizując różnice między każdym warunkiem eksperymentalnym a fazą bazową przed eksperymentem. W przypadku badań EEG związanych z konkretnymi zdarzeniami faza bazowa może nie być konieczna.

1. Pozostaw uczestnika samego w pomieszczeniu eksperymentalnym i poleć mu, aby siedział spokojnie i ograniczył ruchy. W przypadku niemowląt rodzic lub opiekun powinien pozostać w pomieszczeniu, a dziecko powinno siedzieć spokojnie na jego kolanach. W laboratorium Haley odtwarzany jest film zatytułowany Baby Mozart, stanowiący audiowizualne połączenie muzyki klasycznej i kolorowych ruchomych wzorów, aby zapewnić spokój i bezruch niemowląt. Choć interaktywna faza bazowa nie zawsze jest idealnym rozwiązaniem, może ona służyć jako faza przedbazowa w celu uspokojenia niemowlęcia przed dokonaniem pomiarów bazowych.
2. W programie Net Station kliknij przycisk Record, aby rozpocząć rejestrację wideo oraz danych przebiegu fali. Na ekranie Dense Waveform Display można wprowadzać znaczniki zdarzeń, aby powiązać zdarzenia behawioralne z aktywnością elektryczną w trakcie całego eksperymentu. Wprowadź znacznik zdarzenia „baseline” na wyświetlaczu przebiegu fali.
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. Wdróż paradygmat eksperymentalny.
2. Monitoruj gęsty wyświetlacz przebiegów (Dense Waveform Display) przez cały czas trwania eksperymentu, aby sprawdzić, czy w którymkolwiek z kanałów nie występują zwiększone poziomy szumów. Wzrost szumów może odzwierciedlać wzrost impedancji. Właściwe poziomy impedancji można przywrócić, stosując większą ilość roztworu elektrolitu. Należy to zrobić podczas przerwy w protokole eksperymentalnym.

8. Odprawa 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 należy wypełnić.

9. Analiza

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

1. W programie Net Station kliknij i otwórz panel Waveform Tools. Przetwórz nabyty plik danych za pomocą narzędzi do filtrowania i wykrywania artefaktów po ustawieniu wybranych parametrów. Narzędzie do wykrywania 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 (zwłaszcza podczas pracy z niemowlętami, w przypadku których nie można kontrolować mrugania i ruchów oczu).
2. Przeprowadź segmentację danych w celu oddzielenia poszczególnych warunków eksperymentalnych 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 potencjalnie odzwierciedlać zwiększoną aktywność neuronów w danym obszarze.

10. Reprezentatywne dane

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: stanu bazowego, prezentacji oraz natychmiastowego przypominania.

Rysunek 2. Surowe dane zebrane z całej skóry głowy (montaż 128 elektrod) podczas trzech faz eksperymentalnych (bazowej, demonstracyjnej i natychmiastowego przypominania) u biorącego udział w badaniu niemowlęcia. Dane przedstawiono w formie mapy topograficznej, która ilustruje różnice w powierzchniowej aktywności elektrycznej mózgu (μv) w poszczególnych obszarach mózgu oraz w 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.