Artykuł metodologiczny

Hiperskanowanie EEG w domu w interakcjach społecznych między niemowlęciem a opiekunem

2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66655

⸱

31 maja 2024

 ,  ,  ,  , 
1Department of Psychology, School of Social Sciences, Nanyang Technological University, 2Department of Pediatrics, University of Cambridge, 3Child Neuropsychology Section, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy, Medical Faculty, RWTH Aachen University

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół opisuje, w jaki sposób zsynchronizowana elektroencefalografia, elektrokardiografia i zapisy behawioralne zostały przechwycone z diad niemowlęc-opiekun w warunkach domowych.

Streszczenie

Wcześniejsze badania hiperskaningowe, które rejestrują aktywność mózgu opiekunów i dzieci, były przede wszystkim prowadzone w granicach laboratorium, co ogranicza możliwość uogólnienia wyników do rzeczywistych warunków. W tym miejscu zaproponowano kompleksowy protokół przechwytywania zsynchronizowanej elektroencefalografii (EEG), elektrokardiografii (EKG) i zapisów behawioralnych z diad niemowlę-opiekun podczas różnych interaktywnych zadań w domu. Protokół ten pokazuje, jak synchronizować różne strumienie danych i raportować wskaźniki retencji danych EEG i kontrole jakości. Ponadto omówiono krytyczne problemy i możliwe rozwiązania w odniesieniu do konfiguracji eksperymentalnej, zadań i gromadzenia danych w warunkach domowych. Protokół nie ogranicza się do diad niemowlę-opiekun, ale może być stosowany do różnych konstelacji diadycznych. Ogólnie rzecz biorąc, wykazujemy elastyczność ustawień hiperskanowania EEG, które pozwalają na przeprowadzanie eksperymentów poza laboratorium w celu uchwycenia aktywności mózgu uczestników w bardziej ekologicznych warunkach środowiskowych. Jednak ruch i inne rodzaje artefaktów nadal ograniczają zadania eksperymentalne, które można wykonać w warunkach domowych.

Wprowadzenie

Dzięki jednoczesnemu rejestrowaniu aktywności mózgu dwóch lub więcej podmiotów wchodzących w interakcje, znanym również jako hiperskanowanie, możliwe stało się wyjaśnienie neuronalnych podstaw interakcji społecznych w ich złożonej, dwukierunkowej i szybkiej dynamice1. Technika ta przeniosła punkt ciężkości z badania osób w odizolowanych, ściśle kontrolowanych warunkach na badanie bardziej naturalistycznych interakcji, takich jak interakcje rodzic-dziecko podczas swobodnej zabawy2,3, rozwiązywanie zagadek4 oraz kooperacyjne gry komputerowe5,6. Badania te pokazują, że czynności mózgu synchronizują się podczas interakcji społecznych, tj. wykazują podobieństwa czasowe, zjawisko określane jako interpersonalna synchronizacja neuronalna (INS). Jednak zdecydowana większość badań hiperskaningowych została ograniczona do warunków laboratoryjnych. Chociaż pozwala to na lepszą kontrolę eksperymentalną, może się to odbyć kosztem utraty części wartości ekologicznej. Zachowania zaobserwowane w laboratorium mogą nie być reprezentatywne dla typowych codziennych interaktywnych zachowań uczestników ze względu na nieznane i sztuczne otoczenie oraz charakter nałożonych zadań7.

Ostatnie osiągnięcia w mobilnych urządzeniach do neuroobrazowania, takich jak elektroencefalografia (EEG) czy funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS), łagodzą te problemy, usuwając wymóg fizycznego połączenia uczestników z komputerem rejestrującym. W ten sposób pozwalają nam mierzyć aktywność mózgu uczestników podczas swobodnej interakcji w klasie lub w swoich domach8,9. Zaletą EEG w porównaniu z innymi technikami neuroobrazowania, takimi jak fNIRS, jest to, że ma doskonałą rozdzielczość czasową, co czyni je szczególnie odpowiednim do badania szybko zmieniającej się dynamiki społecznej10. Wiąże się to jednak z zastrzeżeniem, że sygnał EEG jest bardzo wrażliwy na ruch i inne fizjologiczne i niefizjologiczne artefakty11.

Pomimo tego, pierwsze badania z powodzeniem wdrożyły ustawienia hiperskanowania EEG w realistycznych środowiskach i warunkach. Na przykład Dikker i in.12 zmierzyli sygnał EEG grupy studentów podczas różnych zajęć w klasie, w tym uczęszczania na wykłady, oglądania filmów i uczestniczenia w dyskusjach grupowych. To badanie, wraz z innymi badaniami8,9, wykorzystywało głównie suche elektrody EEG, aby ułatwić proces przeprowadzania pomiarów w warunkach nielaboratoryjnych. W porównaniu z elektrodami mokrymi, które wymagają nałożenia przewodzącego żelu lub pasty, elektrody suche oferują znaczące korzyści pod względem użyteczności. Wykazano, że wykazują one porównywalną wydajność do elektrod mokrych w populacjach dorosłych i w warunkach stacjonarnych; Jednak ich wydajność może spaść w scenariuszach związanych z ruchem ze względu na zwiększone poziomy impedancji13.

Tutaj prezentujemy działający protokół przechwytywania zsynchronizowanych zapisów z siedmiokanałowego systemu EEG z płynnym żelem o niskiej gęstości z pojedynczym odprowadzeniem elektrokardiografii (EKG) podłączonym do tego samego bezprzewodowego wzmacniacza (częstotliwość próbkowania: 500 Hz) diad niemowlę-opiekun w warunkach domowych. Podczas gdy elektrody aktywne były używane u dorosłych, elektrody pasywne były używane zamiast tego u niemowląt, ponieważ te ostatnie zwykle występują w postaci elektrod pierścieniowych, ułatwiając w ten sposób proces nakładania żelu. Dodatkowo zapisy EEG-EKG zostały zsynchronizowane z trzema kamerami i mikrofonami, aby uchwycić zachowania uczestników pod różnymi kątami. W badaniu 8-12-miesięczne niemowlęta i ich opiekunowie angażowali się w zadanie czytania i zabawy, podczas gdy rejestrowano ich EEG, EKG i zachowania. Aby zminimalizować wpływ nadmiernego ruchu na jakość sygnału EEG, zadania przeprowadzono w ustawieniu stołowym (np. z wykorzystaniem stołu kuchennego i krzesełka do karmienia dla niemowląt), wymagając od uczestników pozostania w pozycji siedzącej przez cały czas trwania zadania interakcji. Opiekunowie zostali wyposażeni w trzy dostosowane do wieku książeczki oraz zabawki stołowe (wyposażone w przyssawki zapobiegające upadkowi). Zostali poinstruowani, aby czytać dziecku przez około 5 minut, a następnie przez 10 minut bawić się zabawkami.

Ten protokół szczegółowo opisuje metody zbierania zsynchronizowanych danych EEG-EKG, wideo i audio podczas zadań czytania i zabawy. Ogólna procedura nie jest jednak specyficzna dla tego projektu badawczego, ale jest odpowiednia dla różnych populacji (np. diady rodzic-dziecko, diady przyjaciele) i zadań eksperymentalnych. Przedstawiona zostanie metoda synchronizacji różnych strumieni danych. Ponadto nakreślony zostanie podstawowy potok wstępnego przetwarzania EEG oparty na Dikker et al.12, a także zostaną przedstawione wskaźniki retencji danych EEG i wskaźniki kontroli jakości. Ponieważ konkretne wybory analityczne zależą od wielu czynników (takich jak projekt zadania, pytania badawcze, montaż EEG), analiza hiperskaningowo-EEG nie będzie bardziej szczegółowa, ale zamiast tego czytelnik zostanie odesłany do istniejących wytycznych i zestawów narzędzi (np. 14 dla wytycznych;15,16 dla narzędzi do analizy hiperskanowania). Na koniec w protokole omówiono wyzwania i potencjalne rozwiązania dotyczące hiperskanowania EEG-EKG w domu i innych warunkach rzeczywistych.

Protokół

Opisany protokół został zatwierdzony przez Instytucjonalną Komisję Rewizyjną (IRB) Nanyang Technological University w Singapurze. Świadoma zgoda została uzyskana od wszystkich dorosłych uczestników oraz od rodziców w imieniu ich niemowląt.

1. Rozważania dotyczące sprzętu i przestrzeni podczas sesji domowych

  1. Należy przygotować się na zmienne warunki wilgotności i temperatury, zależne od kraju i pory roku. W środowiskach o wysokiej temperaturze i wilgotności należy zapewnić odpowiedni przepływ powietrza i, jeśli to możliwe, włączyć domową klimatyzację.
  2. Należy zachować odległość od nadajników WiFi, urządzeń Bluetooth (np. telefonów komórkowych, klawiatur, myszy itp.) oraz kuchenek mikrofalowych, ponieważ znajdujące się w pobliżu urządzenia pracujące w tym samym pasmie częstotliwości mogą powodować zakłócenia. Ponadto należy starać się trzymać stanowisko eksperymentalne z dala od ładowarek do urządzeń w domu, gdyż może to spowodować znaczne szumy w liniach zasilających w danych. Należy pamiętać, że znajdujące się w pobliżu wentylatory stojące lub sufitowe pracujące z dużą prędkością mogą powodować kołysanie się kabli EEG i przyczyniać się do powstawania artefaktów mechanicznych.
  3. Należy przygotować odpowiednią przestrzeń do przeprowadzenia eksperymentu w domu uczestnika. Należy upewnić się, że obszar testowy dysponuje wystarczającą wolną przestrzenią, aby pomieścić jednego opiekuna i jedno niemowlę w krzesełku do karmienia siedzące przy stole, a także trzy kamery na statywach. Jeśli to możliwe, należy uprzątnąć wszystkie przedmioty ze stołu, aby zredukować potencjalne rozpraszacze.
  4. Należy zapewnić odpowiednie oświetlenie w obszarze testowym, aby kamery mogły uchwycić ekspresje uczestników. Jeśli stoły znajdują się blisko okien, nie należy ustawiać kamer przodem do okna, aby uniknąć odblasków w obiektywie.

2. Przygotowania przed sesją

  1. Poinformuj uczestników, że w celu przeprowadzenia pomiaru EEG dorośli są zobowiązani do umycia włosów w dniu poprzedzającym sesję, bez stosowania produktów do stylizacji. Poproś, aby w dniu sesji EEG zrezygnowali z makijażu.
  2. Upewnij się, że cały sprzęt rejestrujący (mikrofony i kamery), laptopy, wzmacniacze oraz power bank używany przez moduł triggera są naładowane w dniu poprzedzającym sesję. Sprawdź, czy cały sprzęt jest w pełni naładowany na kilka godzin przed sesją. Zabierz ze sobą ładowarki lub, co preferowane, przenośne power banki na wypadek nieoczekiwanego niskiego poziomu naładowania baterii w urządzeniach.
  3. Spakuj wszystkie niezbędne formularze oraz sprzęt rejestrujący na sesję.

3. Przygotowanie eksperymentu w domu uczestnika

  1. Przygotowanie żelu do EEG
    1. Podczas pracy z żelem należy założyć rękawiczki. Napełnić cztery strzykawki żelem: dwie strzykawki z tępą końcówką do elektrod pasywnych oraz dwie strzykawki z cieńszą końcówką do elektrod aktywnych.
    2. Przygotować dwa kwadratowe kawałki taśmy maskującej dla niemowlęcych i dorosłych elektrod EKG.
  2. Przygotowanie sprzętu rejestrującego
    1. Zdjąć rękawiczki podczas obsługi sprzętu elektronicznego.
    2. Włączyć wszystkie laptopy i podłączyć dongle EEG do odpowiednich komputerów. Upewnić się, że oprogramowanie do rejestracji EEG jest uruchomione.
    3. Połączyć wzmacniacze dla dorosłych i niemowląt z oprogramowaniem do rejestracji EEG na odpowiednich laptopach za pomocą połączenia bezprzewodowego.
    4. Sprawdzić i upewnić się, że oba wzmacniacze (dla dorosłych i niemowląt) mają takie same ustawienia portu wyzwalającego, tzn. czy marker wyzwalający jest generowany na zboczu wznoszącym (high-active) czy opadającym (low-active) impulsu wejściowego.
    5. Zamontować trzy kamery na statywach. Upewnić się, że każda kamera rejestruje odpowiednio: opiekuna, niemowlę oraz jednocześnie opiekuna i niemowlę (widok wspólny) (patrz Rycina 1). Przed rozpoczęciem sesji należy upewnić się, że kąty ustawienia kamer pozwalają na stałe rejestrowanie twarzy uczestników, biorąc pod uwagę, że opiekun często pochyla się do poziomu oczu niemowlęcia podczas interakcji.
  3. Ustawić wysokie krzesełko dla niemowlęcia i krzesło dla opiekuna przy krawędzi stołu w taki sposób, aby stali naprzeciw siebie pod kątem umożliwiającym kamerom uchwycenie ich mimiki (patrz Rycina 1). Jeśli na stole brakuje miejsca, ustawić krzesełko dla niemowlęcia i krzesło dla opiekuna obok siebie pod kątem prostym.

Schemat konfiguracji EEG/EKG opiekuna i niemowlęcia; obejmuje laptopy, sensory, analizę danych w neuronauce.
Rysunek 1: Widok z góry konfiguracji. (1) Kamera skierowana na niemowlę. (2) Kamera widoku połączonego. (3) Kamera skierowana na opiekuna. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

4. Aplikacja czujników EEG i ECG dla opiekuna

  1. Bezpieczne mocowanie wzmacniacza do czepek EEG
    1. W przypadku opiekuna należy umieścić wzmacniacz w tylnej kieszeni czepka EEG, aby ograniczyć ruchy kabli i szumy EEG. Przed założeniem czepka uczestnikowi należy upewnić się, że wzmacniacz został bezpiecznie umieszczony i podłączony do złącza.
    2. Należy upewnić się, że podczas obsługi wzmacniacza nie dochodzi do kontaktu z wodą (np. należy zdjąć rękawiczki, jeśli są nasączone żelem).
  2. Poprosić opiekuna o zdjęcie okularów, maseczki lub kolczyków. Jeśli włosy są związane, poprosić o zdjęcie opaski, aby włosy były rozpuszczone.
  3. Mając na dłoniach rękawiczki i za zgodą opiekuna, oczyścić czoło za pomocą gazików nasączonych alkoholem (70 % izopropanolu (IPA)).
  4. Po obu stronach głowy opiekuna rozdzielić włosy w najwyższym punkcie ucha, postępując zgodnie z naturalnymi liniami przedziałków, aby ucho było w pełni widoczne.
  5. Zmierzyć obwód głowy opiekuna, prowadząc centymetr krawiecki przez cztery punkty referencyjne na głowie: nasion (na wysokości brwi), nad grzebieniem inion (najwyższy punkt z tyłu głowy) oraz pomiędzy lewym a prawym tragusem (końcówki uszu).
  6. Rozciągnąć czepek EEG od wewnątrz gestem dłoni przypominającym koronę i zacząć zakładać czepek od czoła opiekuna w kierunku tyłu głowy. Nie puszczając czepka, przesunąć dłonie w dół, aby chwycić paski, pociągnąć je w stronę brody i zapiąć rzepy. Dostosować paski do komfortu uczestnika.
    1. Upewnić się, że grzywka lub pasma włosów na twarzy uczestnika zostały odsunięte, aby zapobiec dyskomfortowi lub utrudnieniu widoczności.
    2. Delikatnie wygładzić czepek, aby elektrody przylegały ściśle do skóry głowy. Upewnić się, że na czepku nie ma zmarszczek.
  7. Przełożyć centymetr krawiecki nad elektrodami w linii środkowej i zmierzyć odległość między nasion a inion. Upewnić się, że elektroda Cz systemu międzynarodowego 10-20 znajduje się w połowie zmierzonego dystansu. W razie potrzeby użyć metody ściskania i puszczania, aby przesunąć pozycję czepka w przód i w tył.
  8. Zmierzyć odległość między lewym a prawym tragusem, aby upewnić się, że elektroda Cz odpowiada punktowi środkowemu pomiaru, i w razie potrzeby skorygować położenie.
  9. Aplikacja żelu do EEG i EKG
    1. Zacząć od nałożenia żelu na elektrody referencyjne i uziemiające. Następnie nałożyć żel na pozostałe elektrody. Zacząć od elektrod z tyłu, ponieważ redukcja impedancji do akceptowalnego zakresu (zazwyczaj < 25 kΩ) może trwać dłużej, gdyż dorośli zazwyczaj mają gęstsze owłosienie z tyłu głowy.
    2. Podczas nakładania żelu opiekunowi użyć strzykawki z dłuższą i cieńszą końcówką. Wprowadzić końcówkę strzykawki do otworu elektrody i rozdzielić włosy dolną krawędzią strzykawki. Wtryskiwać niewielkie ilości żelu podczas wyciągania strzykawki. Jeśli między skórą głowy a elektrodą występuje duża przerwa, mocno docisnąć elektrodę, aby zapewnić kontakt.
    3. Jeśli konfiguracja aktywnych elektrod na to pozwala, użyć światła jako pomocniczego wskaźnika impedancji. Alternatywnie, sprawdzić odczyty impedancji w oprogramowaniu do zapisu EEG, aby zidentyfikować elektrody wymagające poprawy kontaktu.
      UWAGA: Elektrody o niskiej impedancji i dobrej jakości sygnału (potwierdzonej poprzez sprawdzenie artefaktów przed rozpoczęciem sesji) będą oznaczone kolorem zielonym na czepku i/lub w montażu EEG. Jeśli impedancja elektrody jest wysoka, ponownie spróbować rozdzielić włosy i przesunąć żel w gnieździe elektrody do punktu wyraźnego kontaktu ze skórą głowy.
    4. Należy pamiętać, że czepek zazwyczaj nie pasuje idealnie do każdej głowy, a wklęsłe obszary głowy mogą powodować naturalną przerwę między elektrodą a skórą. Jeśli impedancja pozostaje wysoka, nałożyć niewielki kopczyk żelu, aby utworzyć mostek żelowy między elektrodą a skórą głowy. Należy uważać, aby po tym zabiegu nie przesuwać żelu na boki, by uniknąć połączenia z sąsiednimi elektrodami pod czepkiem.
    5. Należy uważać, aby nie przepełnić gniazd żelem, co zapobiegnie tworzeniu się mostków między sąsiednimi elektrodami również nad czepkiem.
    6. Gdy wszystkie elektrody EEG osiągną niską impedancję, oczyścić miękki obszar pod lewą obojczykiem uczestnika za pomocą chusteczek nasączonych alkoholem i przystąpić do mocowania elektrody EKG.
      1. Przykleić okrągłą taśmę do spodu elektrody EKG i nałożyć wystarczającą ilość żelu, aby wypełnić gniazdo elektrody.
      2. Przymocować elektrodę do miękkiego obszaru pod lewą obojczykiem. Na górze sensora nakleić białą taśmę maskującą.

5. Aplikacja czujników EEG i ECG u niemowlęcia

  1. Poproś opiekuna o pomoc w założeniu niemowlęciu kamizelki (zapewnionej przez eksperymentatorów) z kieszenią na plecach, w której później zostanie umieszczony wzmacniacz.
  2. Za zgodą opiekuna oczyść czoło za pomocą chusteczek nasączonych alkoholem. Zmierz obwód głowy niemowlęcia, kładąc taśmę mierniczą wokół czterech punktów odniesienia.
  3. Jeśli niemowlę jest w wyraźnie dobrym nastroju i chętnie bawi się samo lub z opiekunem, przejdź do zakładania czepek EEG. Skonsultuj z opiekunem nastrój niemowlęcia i jego predyspozycje do noszenia nakryć głowy. Jeśli rodzic wyrazi zgodę, przygotuj suchy pokarm lub zabawki, aby zająć ręce niemowlęcia przed założeniem czepka. Dodatkowo posadź niemowlę na kolanach opiekuna, aby czuło się komfortowo podczas procesu nakładania żelu.
  4. Załóż czepek na głowę niemowlęcia, stosując ten sam rozciągający ruch przypominający nakładanie korony, a następnie zapięcie rzepy pod brodą. Poproś drugiego eksperymentatora lub opiekuna, aby zachęcił niemowlę do spojrzenia w górę za pomocą grzechotki, co ułatwi zapięcie rzepów.
    1. Upewnij się, że grzywka lub odstające włosy na twarzy niemowlęcia są starannie schowane pod czepkiem, aby zapobiec dyskomfortowi lub zasłanianiu widoczności.
    2. Delikatnie wygładź czepek, aby upewnić się, że elektrody przylegają ściśle do skóry głowy. Upewnij się, że na czepku nie ma żadnych zagnieceń.
  5. Użyj taśmy mierniczej, aby upewnić się, że czepek jest ustawiony prawidłowo, z elektrodą Cz w punkcie środkowym lub na szczycie głowy; w razie potrzeby zastosuj metodę ściskania i puszczania w celu korekty (patrz krok 4.7).
  6. Mocno przymocuj wzmacniacz do czepka. Po podłączeniu wyświetl odczyty impedancji.
  7. Umieść podłączony wzmacniacz w kieszeni z tyłu kamizelki niemowlęcia.
  8. Aplikacja żelu EEG i ECG
    1. Zacznij od nałożenia żelu na elektrody referencyjne i uziemiające. Następnie przejdź do żelowania pozostałych elektrod, zaczynając od tyłu.
      UWAGA: Niemowlęta mogą być nieco niespokojne z powodu dotykania ich głowy przez eksperymentatorów lub chłodnego odczucia żelu. W takim przypadku daj opiekunowi czas na uspokojenie niemowlęcia przed kontynuacją. Drugi eksperymentator może odwrócić uwagę niemowlęcia (np. puszczając bańki mydlane, używając zabawek lub podając pokarm).
    2. Wypełnij wszystkie otwory elektrod żelem, a następnie użyj patyczków bawełnianych do rozdzielania włosów delikatnym ruchem z lewej do prawej, jeśli używasz elektrod pasywnych (jak w tym przypadku); monitoruj impedancję w oprogramowaniu do zapisu EEG podczas żelowania.
    3. Upewnij się, że wszystkie elektrody wykazują niską impedancję w oprogramowaniu do zapisu EEG, zazwyczaj < 50 kΩ, ponieważ niemowlęta są mniej tolerancyjne na proces żelowania niż dorośli.
    4. Oczyść miękki obszar pod lewą obojczykiem niemowlęcia za pomocą chusteczek dla niemowląt i przymocuj elektrodę ECG poniżej lewej obojczyka, postępując zgodnie z tą samą procedurą co w przypadku ECG u dorosłych.

6. Tworzenie skrzynki wyzwalającej do synchronizacji danych wielomodalnych

UWAGA: Ponieważ strumienie danych z różnych czujników (tj. EEG, ECG, wideo i audio) będą rozpoczynać nagrywanie w różnych punktach czasowych podczas sesji, muszą zostać ręcznie zsynchronizowane w celu stworzenia jednej osi czasu zdarzeń. W związku z tym wymagane jest wspólne zdarzenie, które może zostać zarejestrowane zarówno przez kamcorder (np. światło LED), jak i przez wzmacniacz (np. sygnał cyfrowy lub analogowy). Aby to osiągnąć, stosuje się własnoręcznie wykonane pudełko wyzwalające synchronizację, które można zbudować przy użyciu prostego programu dla jednostki mikrokontrolera, zgodnie ze szczegółami opisanymi poniżej.

  1. Aby zbudować moduł wyzwalający, należy użyć płytki rozwojowej mikrokontrolera, diody LED, złącza BNC, powerbanku, cyfrowego urządzenia wejściowego (np. przycisku) oraz wyjścia impulsów/sygnałów elektrycznych (np. przewodów wyzwalających), które są podłączone do portu wyzwalającego wzmacniacza (patrz Rycina 2B).
    1. Podłącz żeńskie złącze BNC do przycisku, który pełni funkcję wejścia (np. pin wejściowy: 8), natomiast dioda LED i sygnał impulsu elektrycznego pełnią funkcję wyjścia (np. pin wyjściowy: 12; patrz Rycina 2A).
    2. Podłącz złącze BNC do dwóch wzmacniaczy za pomocą przewodów elektrycznych 2,5 mm, co pozwoli na generowanie jednobitowych znaczników wyzwalających, które oznakują próbki w zapisie EEG-ECG w momencie odczytania cyfrowego sygnału TTL z przycisku (patrz Rycina 2C).
  2. Skonfiguruj ustawienia portu wyzwalającego w obu wzmacniaczach (dla osoby dorosłej i niemowlęcia) w identyczny sposób, aby zapewnić ścisłą i precyzyjną synchronizację EEG-EEG.
    1. Zaprojektuj system wyzwalania tak, aby znaczniki były generowane w zapisach obu wzmacniaczy w momencie zwolnienia przycisku wyzwalającego (po jego naciśnięciu), a nie w momencie jego naciskania.
    2. Zidentyfikuj aktualny stan portu wyzwalającego we wzmacniaczach. Jeśli stan początkowy wynosi 0 lub LOW, ustaw port na aktywny nisko (low-active), aby wygenerować znacznik po zwolnieniu przycisku. Alternatywnie, jeśli stan początkowy portu wynosi 1 lub HIGH, ustaw port na aktywny wysoko (high-active), aby wygenerować znacznik po zwolnieniu przycisku (patrz Rycina 3).

Konfiguracja mikrokontrolera i schemat; obejmuje diagram połączeń, niestandardowy obwód oraz zmontowane urządzenie.
Rysunek 2: Budowa modułu wyzwalającego (Trigger Box). (A) Schemat obwodu mikrokontrolera dla modułu wyzwalającego; (B) Wnętrze zbudowanego modułu wyzwalającego; (C) Moduł wyzwalający podłączony do wzmacniaczy EEG-ECG dla dorosłych i niemowląt, przycisku wyzwalającego oraz powerbanku. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat portu wyzwalającego pokazujący markery aktywne stanem wysokim i niskim; stany początkowe 0 i 1.
Rysunek 3: Ustawienia portu wyzwalającego dla aktywacji stanem wysokim i niskim. W zależności od stanu początkowego pinu wyzwalającego (0 lub 1), wybiera się ustawienie portu wyzwalającego (aktywny stan wysoki, HA lub aktywny stan niski, LA) w taki sposób, aby marker został wygenerowany na końcu impulsu (po zwolnieniu przycisku wyzwalającego). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

7. Synchronizacja strumieni danych z czujników

  1. Aby ułatwić synchronizację, podłącz odbiornik mikrofonu do odpowiedniej kamery, co automatycznie zsynchronizuje obraz (kamera) z dźwiękiem (mikrofon).
    UWAGA: Ponieważ mikrofony są przymocowane do kamer, a elektrody EEG i ECG pochodzą z zestawu gałęzi elektrod EEG podłączonego do tego samego wzmacniacza, strumienie danych te są automatycznie presynchronizowane.
  2. Przymocuj odpowiednie nadajniki mikrofonów do kołnierzyka ubrania opiekuna oraz do kamizelki niemowlęcia.
  3. Uruchom nagrywanie we wszystkich trzech kamerach po upewnieniu się, że ich ustawienie pozwala na zarejestrowanie sygnału świetlnego LED z Trigger Box w pomieszczeniu.
  4. Uruchom zapis EEG na laptopie i we wzmacniaczach (wersja z kartą SD) zarówno dla niemowlęcia, jak i opiekuna. Aby ułatwić synchronizację po sesji, najpierw uruchom kamery, a następnie czujniki EEG w kolejności: dorosły-niemowlę, ponieważ EEG niemowlęcia jest czujnikiem nadrzędnym (Master), do którego synchronizowane są wszystkie pozostałe czujniki (aby uniknąć ujemnych przesunięć wideo-EEG).
  5. Podłącz oba wzmacniacze do zestawu Trigger Box, używając wtyczki jack 2.5 mm; należy zrobić to ciasno, aby uniknąć fałszywych markerów (Ryc. 2C).
    UWAGA: Po podłączeniu wtyczki jack do wzmacniacza w ciągłym strumieniu EEG powinien pojawić się marker wyzwalający.
  6. Zsynchronizuj strumienie danych za pomocą Trigger Box.
    1. Wykonuj długie naciśnięcia przycisku, ponieważ różnica w pojawianiu się markerów między dwiema konfiguracjami (początek i koniec naciśnięcia przycisku) jest zauważalna tylko wtedy, gdy naciśnięcia są odpowiednio długie (co najmniej 1 - 2 s).
    2. Wykonaj kilka długich naciśnięć, aby wygenerować wiele wyzwalaczy, co zwiększy dokładność i niezawodność szacowanych przesunięć między czujnikami oraz ułatwi synchronizację post-hoc w sytuacjach, gdy niektóre wyzwalacze nie zostaną zarejestrowane przez część czujników.
    3. Sprawdź wszystkie kamery, aby zweryfikować, czy sygnał LED z Trigger Box jest widoczny w nagraniach, oraz sprawdź, czy w bieżących zapisach EEG na laptopie wyświetlane są jednoczesne markery.
  7. Odłącz wzmacniacze od zestawu Trigger Box i upewnij się, że wzmacniacze są bezpiecznie przymocowane do odpowiednich czapek EEG.
  8. Wykonaj tę procedurę synchronizacji na początku i na końcu sesji eksperymentalnej, szczególnie jeśli używane są kamery internetowe do monitorowania pominiętych klatek wideo, co powoduje dryft synchronizacji.

8. Eksperyment nad interakcją rodzic-dziecko

  1. Przed rozpoczęciem zadania polegającego na interakcji rodzica z dzieckiem, należy usunąć cały sprzęt ze stołu, aby wyeliminować potencjalne czynniki rozpraszające podczas eksperymentów nad interakcją opiekuna z niemowlęciem.
  2. Przeprowadzić zadania eksperymentalne.
    UWAGA: Zadania zostały dobrane tak, aby podkreślić naturalne interakcje w diadzie przy minimalnych instrukcjach lub zaangażowaniu eksperymentatora (np. czytaj z dzieckiem przez 5 min tak, jak zazwyczaj robisz to w domu). Długość zadania zależy od komfortu uczestników oraz ograniczeń sprzętowych, np. czasu pracy baterii wzmacniacza.
  3. Jeśli to możliwe, należy zapewnić, aby wszyscy eksperymentatorzy pozostali poza zasięgiem wzroku niemowlęcia przez cały czas trwania eksperymentu, aby uniknąć rozproszenia uwagi. Jeden eksperymentator powinien znajdować się w pobliżu laptopów rejestrujących, aby móc interweniować w przypadku wystąpienia problemów z przesyłaniem danych z czujników. Należy upewnić się, że laptopy rejestrujące znajdują się w bliskiej odległości od wzmacniaczy (< 10 m), aby uniknąć utraty próbek z powodu degradacji sygnału bezprzewodowego (Wi-Fi, Bluetooth).

9. Sprzątanie po zakończeniu eksperymentu

  1. Zatrzymaj nagrywanie na kamerach oraz zapis EEG w oprogramowaniu na laptopie i wzmacniaczu. Wyłącz wzmacniacz i odłącz go od czepek.
  2. Zdejmowanie czepek EEG
    1. Ostrożnie zdejmij taśmy i elektrody ECG, zaczynając od opiekuna, lub poproś opiekuna o zdjęcie ECG z niemowlęcia, jeśli jest to konieczne. Ponieważ skóra niemowlęcia jest wrażliwa, użyj chusteczek dla niemowląt lub ciepłej wody, aby zwilżyć taśmę i ułatwić jej usunięcie.
    2. Zacznij od odpięcia rzepów czepka, następnie zdejmij czepek, przesuwając go do tyłu i wywijając na drugą stronę. Użyj chusteczek dla niemowląt, aby oczyścić głowę niemowlęcia z resztek żelu, a następnie zdejmij czepek z opiekuna.
    3. Poinformuj opiekuna, że nadmiar żelu łatwo zmywa się pod prysznicem.
  3. Przygotowanie do transportu
    1. Umieść czepek EEG wraz z elektrodami EEG i ECG w plastikowej torbie. Upewnij się, że żel na czepku nie ma kontaktu ze skrzynką rozdzielczą (splitter box) czepka. Podczas transportu przechowuj przewody i skrzynkę rozdzielczą w sztywnej skrzynce.
    2. Aby zapobiec uszkodzeniom mechanicznym podczas transportu, zapakuj wzmacniacz w wyściełane pudełko, aby zminimalizować wibracje.
  4. Czyszczenie czepek w laboratorium
    1. Rozpocznij czyszczenie czepek EEG tak szybko, jak to możliwe.
    2. Włóż czepek EEG do kuwety do mycia, a przewody oddziel od źródła wody za pomocą suchych ściereczek. Upewnij się, że skrzynka rozdzielcza nie ma kontaktu z wodą.
    3. Wlej do kuwety około 1 L wody i dodaj 10 mL środków dezynfekcyjnych na bazie aldehydu. Pozostaw czepek w roztworze na 10 min. Nie pozostawiaj czepka w roztworze zbyt długo i nie dodawaj zbyt dużej ilości środka dezynfekującego, ponieważ przyspieszy to niszczenie czepek w czasie.
    4. Po 10 min użyj szczoteczki do zębów, aby usunąć resztki żelu z elektrod pod bieżącą wodą. Zachowaj szczególną ostrożność podczas czyszczenia elektrod aktywnych, ponieważ każda z nich posiada wbudowane małe obwody elektroniczne.
    5. Dokładnie wypłucz czepek wodą, aby usunąć roztwór dezynfekujący.
    6. Za pomocą suchej ściereczki osusz czepek i włóż do środka suchą szmatkę, aby wchłonęła pozostałą wilgoć. Zapnij rzepy, aby zatrzymać suchą szmatkę wewnątrz czepka.
    7. Zawieś czepek do wyschnięcia, upewniając się, że mokre końce czepka nie stykają się z złączami. Aby to osiągnąć, podczas wieszania umieść czepek niżej niż skrzynkę rozdzielczą i złącza.
  5. Zapisywanie danych
    1. Upewnij się, że dane z kart SD kamer i wzmacniaczy oraz nagrania z laptopa zostały wyeksportowane i zapisane kopii zapasowej w miejscu przechowywania danych.

10. Zapewnienie jakości danych

  1. Dane wideo-audio
    1. Sprawdzić, czy dźwięk jest włączony, czy podczas zadań nic nie zasłaniało widoku oraz czy znaczniki zostały zarejestrowane.
  2. Dane EEG-EKG
    1. Upewnić się, że nagranie na karcie SD jest obecne i nie jest uszkodzone. Sprawdzić, czy znaczniki zostały zarejestrowane na obu nagraniach EEG.
    2. Sprawdzić występowanie błędów technicznych, tj. rozłączenia wzmacniacza oraz zakłóceń elektrycznych lub mechanicznych w sygnale EEG / EKG.

11. Przetwarzanie danych

  1. Synchronizacja zapisów z wielu czujników
    1. Zaimportuj nagrania wideo z kamkorderów przedstawiające opiekuna, niemowlę oraz widok łączony do oprogramowania do edycji wideo.
    2. Przejrzyj nagranie, aby zaznaczyć konkretne klatki, w których po raz pierwszy pojawia się światło każdego wyzwalacza LED. Kontynuuj przeglądanie wideo i dodaj kolejny znacznik w konkretnej klatce, w której światło LED całkowicie znika dla każdego wyzwalacza.
    3. Wykonaj te kroki dla wszystkich trzech filmów. Po zakończeniu zapisz numery klatek znaczników ze wszystkich filmów w arkuszu kalkulacyjnym.
    4. Otwórz pliki znaczników EEG z karty SD wzmacniacza dla niemowlęcia i osoby dorosłej. Zapisz informacje o próbkach znaczników w arkuszu kalkulacyjnym.
    5. Ponieważ wideo jest rejestrowane w klatkach na sekundę (FPS, np. 25 FPS), a EEG-ECG w próbkach na sekundę (np. 500 Hz), przelicz numery klatek i próbek na wspólną jednostkę miary, taką jak milisekundy (ms), aby móc utworzyć jedną oś czasu.
    6. Dla każdego czujnika (nagrania wideo i fizjologiczne) oblicz czas pomiędzy wyzwalaczami, nazywany tutaj odstępami międzywyzwalaczowymi (inter-trigger intervals, ITI), odejmując znacznik czasu w ms dla każdej pary następujących po sobie znaczników.
      UWAGA: Chociaż czasy rozpoczęcia pracy czujników rejestrujących są różne, ITI w ms dla tego samego zestawu wyzwalaczy w różnych czujnikach (wideo i EEG) powinny być zgodne. Aby to zweryfikować, oblicz różnicę w każdym ITI (ITI Lag) pomiędzy każdym czujnikiem a głównym zapisem EEG.
    7. Sprawdź jakość wartości ITI Lags dla wideo-EEG. Ponieważ częstotliwość próbkowania/FPS różni się w zależności od czujnika (zazwyczaj EEG ma znacznie wyższą częstotliwość próbkowania niż wideo), dopuszczalny błąd dla obliczonych wartości ITI lags EEG-wideo wynosi ± 1 klatka wideo (tutaj 40 ms).
    8. Sprawdź jakość wartości ITI Lags dla EEG dorosłego – EEG niemowlęcia. Ponieważ mają one taką samą częstotliwość próbkowania, dopuszczalny błąd wynosi ± 1 próbka EEG (tutaj 2 ms).
    9. Po zakończeniu tych kontroli oblicz przesunięcia (offsets) pomiędzy każdym czujnikiem a osią czasu czujnika głównego (w tym przypadku EEG niemowlęcia).
    10. Odejmij znacznik czasu w ms każdego znacznika wyzwalacza z głównego EEG od odpowiednich znaczników każdego czujnika (wideo, EEG dorosłego). Daje to N przesunięć [czujnik – główne EEG] (N = liczba wyzwalaczy) dla każdego czujnika.
    11. Dla każdego czujnika oblicz średnią z tych przesunięć i zaokrąglij je, aby uzyskać końcową wartość przesunięcia względem głównego EEG. Użyj tych wartości przesunięcia, aby przyciąć dane wideo i EEG tak, aby rozpoczynały się w tym samym czasie co główne EEG.
  2. Proste kodowanie wideo
    1. Aby zidentyfikować różne etapy eksperymentu w filmach (np. początek i koniec zadań eksperymentalnych lub przerwy), zanotuj konkretne znaczniki czasu w klatkach za pomocą oprogramowania do edycji wideo.
  3. Preprocessing EEG
    1. Przytnij pliki EEG dorosłych i niemowląt na początku i na końcu zadania.
    2. Zidentyfikuj i usuń uszkodzone kanały
      1. Zanotuj wszystkie kanały, które wyglądają na stale zaszumione lub nie zawierają sygnału przez cały czas trwania lub większość nagrania zadania.
        UWAGA: W przypadku rejestracji o niskiej gęstości celem jest zachowanie jak największej liczby kanałów. Dlatego w przypadku kanałów, które są uszkodzone tylko przez krótkie okresy czasu, preferowane jest usunięcie uszkodzonego segmentu danych na późniejszym etapie analizy, a nie całego kanału.
      2. Wykreśl i wizualnie sprawdź gęstość widmową mocy (Power Spectral Density, PSD), aby zidentyfikować kanały odstające.
    3. Aby usunąć wolne (powyżej 2 s) trendy liniowe, przefiltruj dane górnoprzepustowo, używając podstawowego filtra FIR górnoprzepustowego z częstotliwością odcięcia 0.5 Hz.
    4. Aby usunąć szum wysokoczęstotliwościowy z źródeł miogennych i zewnętrznych, przefiltruj dane dolnoprzepustowo, używając podstawowego filtra FIR dolnoprzepustowego z częstotliwością odcięcia 35 Hz.
    5. Podziel dane na następujące po sobie, niezakładające się epoki o długości 1 s.
    6. Automatycznie odrzuć wszystkie segmenty, w których wartość minimalna jest poniżej -100 µV (dla dorosłych) i -150 µV (dla niemowląt) i/lub wartość maksymalna powyżej +100 µV (dla dorosłych) i +150 µV (dla niemowląt).
    7. Wizualnie sprawdź wszystkie segmenty, które nie zostały wykluczone w punkcie 11.3.6. Ręcznie odrzuć wszystkie segmenty zawierające artefakty. Jeśli pomiędzy odrzuconymi segmentami znajduje się tylko pojedynczy akceptowalny segment 1 s, usuń cały ten okres, aby nie zachować pojedynczych segmentów 1 s.
    8. W przypadku analizy INS / dyadycznej analizuj tylko akceptowalne segmenty wspólne dla dorosłych i niemowląt. Usuwając wszystkie segmenty dorosłego, które zostały odrzucone u niemowlęcia i odwrotnie, zapewnij idealne wyrównanie szeregów czasowych EEG dorosłego i niemowlęcia.

Wyniki

Uczestnikami objętymi niniejszym badaniem były typowo rozwijające się niemowlęta w wieku od 8 do 12 miesięcy oraz ich matki i/lub babcie, które w domu posługiwały się językiem angielskim lub językiem angielskim i drugim językiem. Podczas wykonywania zadań jednocześnie rejestrowano 7-elektrodowe EEG oraz jednokanałowe EKG dorosłych i niemowląt, a także nagrania wideo i audio z trzech kamer i mikrofonów. Aktywność neuronalną mierzono w obszarach F3, F4, C3, Cz, C4, P3 i P4 zgodnie z międzynarodowym systemem 10-20. Różne strumienie danych zostały zsynchronizowane czasowo i przycięte na początku oraz na końcu eksperymentu w taki sposób, aby wszystkie nagrania rozpoczynały się w punkcie czasowym t = 0 (Rysunek 4).

Badanie interakcji opiekuna z niemowlęciem; porównanie danych EKG/EEG, analiza wykresu szeregów czasowych, konfiguracja eksperymentu.
Rycina 4: Synchronizacja strumieni danych. Trzy kamery (widok niemowlęcia, widok łączny oraz widok opiekuna), surowe dane EKG opiekuna i niemowlęcia, a także surowe dane EEG opiekuna i niemowlęcia są zsynchronizowane z tą samą osią czasu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wskaźniki retencji danych EEG oraz metryki jakości dla pierwszych 5 diad z zestawu danych, obejmującego łącznie 10 uczestników, przedstawiono w Tabeli 1. Po odrzuceniu kanałów z błędami (Rysunek 5), segmenty danych zawierające artefakty zostały odrzucone przy użyciu zautomatyzowanego progu napięcia, a następnie poddano wizualnej inspekcji pozostałe segmenty (Rysunek 6). Wyniki wykazały, że zapisy EEG miały średnią długość M = 562.96 s (SD ± 148.94 s). Z tej ilości, po automatycznym i manualnym odrzuceniu, zaakceptowano M = 34.30% (SD ± 13.00%) danych osób dorosłych oraz M = 46.32% (SD ± 16.63%) danych niemowląt. Przy uwzględnieniu wyłącznie dopasowanych danych dorosłych i niemowląt, wskaźnik retencji spadł do M = 20.58% (SD ± 9.51%), co pozostawiło M = 215.00 s (SD ± 117.54 s) dopasowanych danych z zadania. Ponadto, z powodu stale niskiej jakości danych, wykluczono łącznie od 0 do 2 kanałów na diadę.

Przetwarzanie sygnału EEG, wykres logarytmicznej gęstości widmowej mocy, analiza częstotliwości, porównanie danych.
Rysunek 5: Identyfikacja uszkodzonych kanałów. Przebieg danych EEG niemowlęcia oraz wykres gęstości widmowej mocy (PSD) dla 7 kanałów EEG, w których zaobserwowano albo linię płaską w kanale Cz (A: przebieg danych, B: wykres PSD), albo nadmierny szum w kanale F3 (C: przebieg danych, D: wykres PSD). Wykrywanie uszkodzonych kanałów zostało przeprowadzone w programie EEGLAB17. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykresy analizy sygnału EEG A-B, wizualizujące aktywność mózgu; analiza danych, badania neurologiczne.
Rysunek 6: Usuwanie artefaktów. Epoki z artefaktami były usuwane automatycznie zgodnie z (A>) progiem odrzucania, a następnie (B>) poprzez manualne usuwanie w drodze inspekcji wizualnej. Wyróżniona część wykresu przedstawia segmenty odrzucone odpowiednio zgodnie z progiem odrzucania (A) lub w wyniku manualnego usunięcia (B). Dane zostały zwizualizowane w programie EEGLAB17. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

DorosłyDzieckoDobrany
IdentyfikatorDługość nagrania (s)Uszkodzone kanały% zaakceptowanych epokKanały wadliwe% zaakceptowanych epokKanały uszkodzone% zaakceptowanych epok (dopasowanych)
1898ND35.7Błąd: brak tekstu źródłowego do przetłumaczenia. Proszę podać tekst w języku angielskim.25.2Wygląda na to, że wiadomość została przerwana. Proszę o przesłanie tekstu źródłowego w języku angielskim, który mam przetłumaczyć na język polski zgodnie z wytycznymi.15.3
21234Brak danych38.2Cz, F361.8Cz, F321.2
31088F3, F452.4F3, F463.1F3, F436.7
4873ND27.9P334.6P312.8
5975ND17.2Brak danych47.0ND16.9

Tabela 1. Raport jakości danych EEG dla 5 diad podczas zadań eksperymentalnych.

Dyskusja

W tym protokole przeprowadzamy pomiary w domach uczestników, w których niemowlęta i opiekunowie mogą czuć się bardziej komfortowo, a ich zachowania mogą być bardziej reprezentatywne dla ich rzeczywistych interakcji w przeciwieństwie do warunków laboratoryjnych, zwiększając w ten sposób ważność ekologiczną7. Co więcej, nagrania w środowisku domowym mogą odciążyć uczestników, np. w odniesieniu do czasu podróży, a tym samym mogą sprawić, że niektóre grupy uczestników będą bardziej dostępne. Jednak wraz z tymi zaletami, naturalistyczne zapisy hiperskanowania EEG w rzeczywistych kontekstach stwarzają własny zestaw wyzwań i ograniczeń w odniesieniu do projektu i protokołu eksperymentalnego, a także artefaktów danych. Poniżej omówiono wyzwania i możliwe rozwiązania dla nagrań domowych.

Środowisko naturalistyczne może wprowadzać zestaw zmiennych zakłócających, takich jak przestrzeń, temperatura i przerwy, które mogą różnić się między grupami uczestników w domu, ale pozostają stałe w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Protokół hiperskanowania EEG wymaga dużej ilości sprzętu technicznego, np. kilku kamer, mikrofonów i laptopów nagrywających, dlatego czasami problemem może być brak wystarczającej ilości miejsca w domach uczestników. Badacze muszą być świadomi, aby nie rozstawiać sprzętu przypadkowo lub w otoczeniu bałaganu. Na przykład ważne jest, aby pamiętać, aby nie ustawiać urządzeń na stołach z jedzeniem lub napojami i upewnić się, że statywy do aparatów nie blokują drogi w wąskich przestrzeniach. Jednym ze sposobów zapobiegania problemom z przestrzenią jest wcześniejsza wizyta w domu uczestnika, aby odpowiednio zaplanować z wyprzedzeniem wszelkie ograniczenia przestrzenne. Pomocne jest również wysyłanie przypomnień do uczestników, aby oczyścili wymagane miejsce z przedmiotów. Aparaty fotograficzne i statywy powinny być umieszczone jak najbardziej z dala od miejsca, w którym niemowlę siedzi podczas sesji. Przede wszystkim należy wziąć pod uwagę bezpieczeństwo wszystkich stron na wszystkich etapach konfiguracji. Innym czynnikiem, z którym naukowcy mogą się zetknąć w warunkach naturalistycznych, są zmienne temperatury. W Singapurze, gdzie temperatury są wysokie przez cały dzień i rok, w danych EEG mogą wystąpić artefakty potu, które można lepiej kontrolować w środowisku laboratoryjnym za pomocą odpowiedniej klimatyzacji. Używanie wentylatorów do chłodzenia uczestników wprowadza również inne artefakty wynikające z bliskości urządzeń elektrycznych, a nawiewane powietrze może poruszać włosami uczestników, a także przewodami EEG, co skutkuje słabą jakością danych. Idealnie byłoby, gdyby podczas sesji korzystała z klimatyzacji, ponieważ zapewni ona uczestnikom chłód. Jeśli jednak nie jest to możliwe, można zamiast tego użyć wentylatora górnego lub stojącego, upewniając się, że nie jest on umieszczony zbyt blisko uczestników, aby uniknąć tworzenia szumów w danych EEG. Inną alternatywą byłoby zaplanowanie sesji w chłodniejszej porze dnia, jeśli to możliwe, aby uniknąć artefaktów potu. Wreszcie, badacze muszą również uważać, ponieważ przerwy mogą wystąpić w naturalistycznym otoczeniu, zwłaszcza jeśli sesja odbywa się w domach uczestników. W pobliżu mogą znajdować się członkowie rodziny, co może spowodować naruszenie prywatności podczas filmowania sesji w pokoju wspólnym, obok którego mogą przechodzić. Może to również rozpraszać uwagę niemowlęcia, aby widzieć innych opiekunów lub członków rodziny podczas zadania, co może zniekształcać pomiary EEG. Najlepiej byłoby przypomnieć uczestnikom, że aby sesja przebiegła bez zakłóceń, idealnie byłoby, gdyby inni członkowie rodziny przebywali w innym pomieszczeniu. Badacze mogą również starać się przeprowadzić sesję tak efektywnie, jak to możliwe, aby nie przeszkadzać zbytnio pozostałym domownikom. Wreszcie, badacze muszą upewnić się, że wszystkie dane zostały zebrane i że niezbędne elementy zostały wypełnione przed opuszczeniem domu uczestnika. Posiadanie przejrzystej i zorganizowanej listy kontrolnej dokumentów i elementów do wykonania może pomóc uniknąć pominięcia ważnych kroków, a także pomóc w ich sprawnym i terminowym wykonaniu.

Oprócz zmiennych zakłócających występujących w środowisku naturalistycznym, istnieją również pewne aspekty protokołu, które będą musiały być dostosowywane do każdej sesji w naturalnym otoczeniu, które w przeciwnym razie są kontrolowane w środowisku laboratoryjnym. Standaryzacja nie będzie możliwa w przypadku niektórych aspektów, takich jak kąty kamery i oświetlenie. Kluczowe znaczenie ma elastyczność w konfiguracji przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości i porównywalnych danych. Kąty kamery mogą zmieniać się w zależności od domu każdego uczestnika w wyniku różnic w układzie i przestrzeni, co może utrudnić późniejsze adnotacje do filmów dla określonych wydarzeń i wskaźników behawioralnych. Podobnie oświetlenie będzie się również różnić w każdym domu, co może wpłynąć na jakość obrazu. Badacze mogą być odpowiednio przygotowani, tworząc ogólny zestaw standardów, które można dostosować, takich jak upewnienie się, że uczestnicy nie siedzą przy głównym źródle światła i wiedzą, jakie kąty kamery należy traktować priorytetowo. Innym zmiennym czynnikiem byłyby meble dostępne do użycia podczas każdej sesji. Ponieważ badacze najprawdopodobniej nie mogą przynieść mebli do domów uczestników, będą musieli polegać na meblach, które uczestnicy już posiadają. Z tego powodu różne używane meble mogą zmienić fizyczną dynamikę między opiekunem a niemowlęciem. Na przykład różnego rodzaju krzesełka dla dzieci zmienią wysokość i pozycję, w której niemowlę siedzi podczas zadania. Może to wpłynąć na sposób, w jaki opiekun wchodzi w interakcję z dzieckiem, a także wpływać na dane EEG ze względu na potencjalne artefakty ruchu mięśni lub inne czynniki. Na etapie wstępnego przetwarzania analizy danych naukowcy mogą być w stanie zidentyfikować artefakty EEG spowodowane określonymi ruchami, szukając wskazówek w zsynchronizowanych filmach. Co więcej, posiadanie ogólnego pojęcia o tym, jakiego rodzaju zachowania będą obserwowane lub analizowane, może pomóc w zapewnieniu, że niezbędne dane zostaną zebrane pomimo różnej dynamiki fizycznej.

Kolejna implikacja naturalistycznego układu eksperymentów EEG w środowisku domowym dotyczy jakości i użyteczności danych z czujników fizjologicznych. Zapisy EEG są podatne na zakłócenia artefaktów ze źródeł środowiskowych (niefizjologicznych, takich jak szumlinii18) i fizjologicznych (ocznych, potowych, miogenicznych)19. Chociaż bezprzewodowe EEG jest na ogół mniej podatne na zakłócenia sieciowe, urządzenia elektryczne w domu, np. wentylatory, ekrany telewizyjne i klimatyzacja, będą wprowadzać artefakty szumu. Z drugiej strony, artefakty ruchu są jeszcze bardziej widoczne w otoczeniu naturalistycznym i przyczyniają się do mniejszej retencji danych11,20, zmniejszenia stosunku sygnału do szumu21 i podatności na analizę danych w interpretacji11. Dyadic EEG i EEG niemowląt stanowią dodatkowe wyzwanie w przechowywaniu danych ze względu na krótszy czas trwania zapisu, mniej stereotypowe prezentacje artefaktów, a w przypadku hiperskanowania konieczność dopasowania w czasieczystych, możliwych do analizy segmentów 14,22,23. Łagodzenie tych czynników opiera się na przemyślanym projekcie eksperymentu i dobrze skalibrowanej konfiguracji eksperymentalnej22. Chociaż kompozycje EEG o dużej gęstości pozwalają na pewne techniki korekcji artefaktów i zwiększania danych, takie jak usuwanie kanonicznych składowych analizy składowych (ICA), nie jest to zalecane w przypadku konfiguracji o niskiej gęstości. Natomiast poleganie na ręcznej adnotacji artefaktów i usuwaniu dotkniętych kanałów i segmentów EEG prowadzi do większej utraty danych. Proponowany protokół może być również wykonywany z większą liczbą kanałów EEG, ale kosztem dłuższego czasu przygotowania. Te zalety krótszego czasu akwizycji w porównaniu z bogatszymi danymi EEG muszą być starannie wyważone względem siebie. W tym miejscu podawane jest realistyczne oszacowanie wskaźników retencji danych z naturalistycznych nagrań domowych, zgodnie z surowymi standardami jakości przy użyciu kombinacji automatycznego etykietowania skoków napięcia i ręcznego odrzucania artefaktów. Chociaż wskaźniki retencji były niskie (M = 34% dla dorosłych i M = 46% dla niemowląt), mieszczą się w zakresie wyjątków dla naturalistycznych zapisów EEG dla niemowląt i dorosłych, np. dla porównania, Dikker i wsp.12 zgłosili wskaźnik retencji wynoszący 38% podczas zadania dyskusyjnego w EEG dorosłych przy użyciu suchych elektrod. Ilość czystych danych odzyskanych z paradygmatu może zostać wykorzystana w dalszych analizach, takich jak analizy połączeń oparte na czasie i częstotliwości. Alternatywne, półautomatyczne potoki do korekcji artefaktów zapisów EEG o niskiej gęstości (np. HAPPILEE24), choć poza zakresem niniejszego artykułu, mogą pomóc w usuwaniu artefaktów bez użycia ICA, a tym samym znacznie zmniejszyć utratę danych.

Aby zapewnić wysoką jakość EEG, ale możliwe do zebrania dane, naukowcy będą musieli rozważyć, w jaki sposób naturalistyczne otoczenie wpływa na zadania wybrane do sesji eksperymentalnej. Na przykład wybór zadań może opierać się na tym, co powszechnie można znaleźć w domach uczestników, takich jak stół jadalny, krzesła, krzesełka dla dzieci, mata do zabawy itp. Pozwoliłoby to na mniej nieporęczny sprzęt lub meble, które trzeba transportować tam i z powrotem, a także skróciłoby czas konfiguracji i czyszczenia. W tym eksperymencie wykorzystano książki i zabawki, które nadają się do zabawy na stole, co pozwoliło opiekunowi i dziecku utrzymać naturalistyczną dynamikę zabawy, jednocześnie ograniczając swobodny ruch, dzięki czemu artefakty EEG ruchu mięśni mogą zostać zredukowane. W rezultacie, w obecnym protokole, zabawki zostały wybrane w oparciu o to, co odzwierciedlałoby naturalne interakcje. Na przykład zabawki z ssaniem, które można ustawić w pozycji stacjonarnej, aby opiekun i dziecko mogli się z nimi zaangażować na stole, mają tę zaletę, że nie mogą spaść ze stołu, co może powodować artefakty ruchu, gdy opiekun próbuje je podnieść. Naukowcy muszą również uważać na czas przygotowania i sprzątania, aby zmniejszyć obciążenie uczestników.

Chociaż decyzja o przeprowadzeniu pomiarów hiperskanowania EEG w środowisku naturalistycznym ma wiele zalet dla bardziej ekologicznie ważnych danych, naukowcy powinni zdawać sobie sprawę z ograniczeń i wyzwań, które mogą wynikać z projektu eksperymentalnego i wdrożyć wystarczające kroki, aby w jak największym stopniu złagodzić skutki. Naukowcy muszą dążyć do osiągnięcia równowagi między projektem ekologicznym a kontrolą eksperymentalną podczas optymalizacji paradygmatu i planowania wizyt. Jak opisano powyżej, potrzebna jest pewna elastyczność w odniesieniu do konfiguracji eksperymentu, która jednak wprowadza większą zmienność między uczestnikami. Chociaż jest to niepożądane z perspektywy eksperymentalnej, może bardziej odzwierciedlać rzeczywiste środowisko uczestników. Dodatkowo, naturalistyczna konfiguracja może wprowadzić więcej i inne rodzaje artefaktów do danych EEG, jak omówiono powyżej. Można je do pewnego stopnia złagodzić za pomocą odpowiednich technik wstępnego przetwarzania i analizy EEG, ale generalnie mogą prowadzić do większych strat i niższej jakości danych. Co więcej, używany sprzęt, w szczególności aparaty fotograficzne i statywy, ma tę wadę, że jest stosunkowo nieporęczny i ciężki, co utrudnia transport i mniej nadaje się do ograniczonych przestrzeni. Wreszcie, system mokrych elektrod wymaga dodatkowych materiałów eksperymentalnych (np. żelu, strzykawek, rękawiczek, chusteczek) i dłuższego czasu przygotowania. Eksperymentatorzy muszą być bardzo ostrożni, aby nie pozostawić bałaganu w domach uczestników, np. nie zabrudzić części mebli, i wyjaśnić z wyprzedzeniem, że istnieje ryzyko, że niemowlę może to zrobić. Suche elektrody mogą być dobrą alternatywą, aby obejść te problemy i zaoszczędzić czas konfiguracji. Tak więc w przypadku nagrań hiperskanowania w większych grupach (np. w salach lekcyjnych) może to być metoda z wyboru (np. patrz 12). W związku z tym, udoskonalając i dostosowując ten protokół do zaistniałych okoliczności, ma on potencjał do zastosowania w wielu różnych typach środowisk naturalistycznych, takich jak szkoły i miejsca pracy, w celu uchwycenia większej różnorodności danych hiperskanujących i behawioralnych.

Oświadczenia

Nie zgłasza się konfliktu interesów.

Podziękowania

Praca została sfinansowana z Prezydenckiego Grantu Podoktorskiego z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang, który został przyznany VR.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
10 cc Luer Lock Tip strzykawka bez igłyTerumo Corporation
actiCAP slim 8-kanałowy zestaw elektrod (LiveAMP8)Brain Products GmbH
Arduino Software (IDE)ArduinoArduino IDE 1.8.19Oprogramowanie służące do pisania kodu dla mikrokontrolera Arduino. Do wybranej jednostki mikrokontrolera można użyć alternatywnego oprogramowania do programowania. 
Płytka Arduino UnoArduinoSłuży do budowy obwodu skrzynki wyzwalającej. Można stosować alternatywne płytki mikrokontrolerów.
Złącza BNC ZłączaBNC do łączenia różnych części zestawu skrzynki spustowej.
Przycisk BNC Brain Products GmbHBP-345-9000Przycisk spustowy BNC do wysyłania wyzwalaczy.
spustowy BNC do gniazda jack 2,5 mm (80 cm) BNC Brain Products GmbHBP-245-1200łączące 2 LiveAmps ze skrzynką spustową.
Analizator BrainVision Wersja 2.2.0.7383Oprogramowanie do analizy EEGfirmy Brain Products GmbH
Licencja na rejestrator BrainVision z kluczem sprzętowymBrain Products GmbHS-BP-170-3000
Rejestrator BrainVision Wersja 1.23.0003Oprogramowanie do nagrywania EEGfirmy Brain Products GmbH
Niestandardowa 8-kanałowa pasywna nasadka LiveAmp (czepki EEG dla niemowląt)Brain Products GmbHLC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 Dla niemowląt o rozmiarach głowy 44, 46, 48 . Można stosować alternatywne czepki EEG.
Dell Latitude 3520laptopy, jeden do zapisu EEG dla dorosłych i jeden do zapisu EEG dla niemowląt. Można korzystać z komputerów alternatywnych.
do irygacji zębów
LiveAmp 8-kanałowy wzmacniacz bezprzewodowyBrainProducts GmbHBP-200-3020 Dwawzmacniacze LiveAmp, jeden do EEG dla dorosłych i jeden dla niemowląt. Alternatywny amplifier może być używany.
Można używać statywu Manfrotto MT190X3 z głowicą wideo 128RC Micro FluidManfrottoMT190X3Alternatywne statywy.
Oprogramowanie MatlabFirma MathWorks, Inc.R2023aMożna stosować alternatywne oprogramowanie do analizy i prezentacji.
Power bank (10000 mAh)PhilipsDLP6715NB/69Można używać alternatywnych power banków.
Surowe czepki EEGEASYCAP GmbHDla dorosłych rozmiarów głowy 52, 54, 56, 58. Można stosować alternatywne czepki EEG.
Rode Wireless Go II Pojedynczy zestawRø de MikrofonyMożna używać alternatywnych mikrofonów.
Kamera Sony FDR-AX700 KameraSonyFDR-AX700Można używać alternatywnych kamer lub kamer internetowych.
Żel SuperVisc o wysokiej lepkości EASYCAP GmbHNS-7907
..Notebooki Dwa Strzykawki

Bibliografia

  1. Hari, R., Henriksson, L., Malinen, S., Parkkonen, L. Centrality of social interaction in human brain function. Neuron. 88 (1), 181-193 (2015).
  2. Endevelt-Shapira, Y., Djalovski, A., Dumas, G., Feldman, R. Maternal chemosignals enhance infant-adult brain-to-brain synchrony. Sci Adv. 7 (50), eabg6867 (2021).
  3. Santamaria, L., et al. Emotional valence modulates the topology of the parent-infant inter-brain network. NeuroImage. 207, 116341(2020).
  4. Nguyen, T., et al. The effects of interaction quality on neural synchrony during mother-child problem solving. Cortex. 124, 235-249 (2020).
  5. Reindl, V., Gerloff, C., Scharke, W., Konrad, K. Brain-to-brain synchrony in parent-child dyads and the relationship with emotion regulation revealed by fNIRS-based hyperscanning. NeuroImage. 178, 493-502 (2018).
  6. Reindl, V., et al. Conducting hyperscanning experiments with functional near-infrared spectroscopy. J Vis Exp. (143), e58807(2019).
  7. Gardner, F. Methodological issues in the direct observation of parent-child interaction: Do observational findings reflect the natural behavior of participants. Clin Child Fam Psychol Rev. 3, 185-198 (2000).
  8. Xu, J., Zhong, B. Review on portable EEG technology in educational research. Comput Hum Behav. 81, 340-349 (2018).
  9. Troller-Renfree, S. V., et al. Feasibility of assessing brain activity using mobile, in-home collection of electroencephalography: methods and analysis. Dev Psychobiol. 63 (6), e22128(2021).
  10. Bögels, S., Levinson, S. C. The brain behind the response: Insights into turn-taking in conversation from neuroimaging. Res Lang Soc. 50 (1), 71-89 (2017).
  11. Georgieva, S., et al. Toward the understanding of topographical and spectral signatures of infant movement artifacts in naturalistic EEG. Front Neurosci. 14, 452947(2020).
  12. Dikker, S., et al. Brain-to-brain synchrony tracks real-world dynamic group interactions in the classroom. Curr Biol. 27 (9), 1375-1380 (2017).
  13. Oliveira, A. S., Bryan, R. S., Hairston, W. D., Peter, K., Daniel, P. F. Proposing metrics for benchmarking novel EEG technologies towards real-world measurements. Front Hum Neurosci. 10, 188(2016).
  14. Turk, E., Endevelt-Shapira, Y., Feldman, R., vanden Heuvel, M. I., Levy, J. Brains in sync: Practical guideline for parent-infant EEG during natural interaction. Front Psychol. 13, 833112(2022).
  15. Kayhan, E., et al. A dual EEG pipeline for developmental hyperscanning studies. Dev Cogn Neurosci. 54, 101104(2022).
  16. Ayrolles, A., et al. HyPyP: a Hyperscanning Python pipeline for inter-brain connectivity analysis. Soc Cogn Affect Neurosci. 16 (1-2), 72-83 (2021).
  17. Delorme, S., Makeig, S. EEGLAB: an open-source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics. J Neurosci Meth. 134, 9-21 (2004).
  18. Nathan, K., Contreras-Vidal, J. L. Negligible motion artifacts in scalp electroencephalography (EEG) during treadmill walking. Front Hum Neurosci. 9, 708(2016).
  19. Stone, D. B., Tamburro, G., Fiedler, P., Haueisen, J., Comani, S. Automatic removal of physiological artifacts in EEG: The optimized fingerprint method for sports science applications. Front Hum Neurosci. 12, 96(2018).
  20. Noreika, V., Georgieva, S., Wass, S., Leong, V. 14 challenges and their solutions for conducting social neuroscience and longitudinal EEG research with infants. Infant Behav Dev. 58, 101393(2020).
  21. Ng, B., Reh, R. K., Mostafavi, S. A practical guide to applying machine learning to infant EEG data. Dev Cogn Neurosci. 54, 101096(2022).
  22. vander Velde, B., Junge, C. Limiting data loss in infant EEG: putting hunches to the test. Dev Cogn Neurosci. 45, 100809(2020).
  23. Bell, M. A., Cuevas, K. Using EEG to study cognitive development: Issues and practices. J Cogn Dev. 13 (3), 281-294 (2012).
  24. Lopez, K. L., et al. HAPPILEE: HAPPE in low electrode electroencephalography, a standardized pre-processing software for lower density recordings. NeuroImage. 260, 119390(2022).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Interakcja opiekuna z niemowlęciemzsynchronizowany zapis EEGdyadyczna interakcja społecznazapisy behawioralnesynchronizacja multimodalnaprzygotowanie czepek EEGelektrokardiografia ECGtrafność ekologiczna
Hiperskanowanie EEG w domu w interakcjach społecznych między niemowlęciem a opiekunem
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.