Ten protokół opisuje, w jaki sposób zsynchronizowana elektroencefalografia, elektrokardiografia i zapisy behawioralne zostały przechwycone z diad niemowlęc-opiekun w warunkach domowych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten protokół opisuje, w jaki sposób zsynchronizowana elektroencefalografia, elektrokardiografia i zapisy behawioralne zostały przechwycone z diad niemowlęc-opiekun w warunkach domowych.
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.
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.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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
2. Przygotowania przed sesją
3. Przygotowanie eksperymentu w domu uczestnika

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
5. Aplikacja czujników EEG i ECG u niemowlęcia
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.

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.

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
8. Eksperyment nad interakcją rodzic-dziecko
9. Sprzątanie po zakończeniu eksperymentu
10. Zapewnienie jakości danych
11. Przetwarzanie danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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 st...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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 wr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie zgłasza się konfliktu interesów.
Praca została sfinansowana z Prezydenckiego Grantu Podoktorskiego z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang, który został przyznany VR.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 10 cc Luer Lock Tip strzykawka bez igły | Terumo Corporation | ||
| actiCAP slim 8-kanałowy zestaw elektrod (LiveAMP8) | Brain Products GmbH | ||
| Arduino Software (IDE) | Arduino | Arduino IDE 1.8.19 | Oprogramowanie służące do pisania kodu dla mikrokontrolera Arduino. Do wybranej jednostki mikrokontrolera można użyć alternatywnego oprogramowania do programowania. |
| Płytka Arduino Uno | Arduino | Służy do budowy obwodu skrzynki wyzwalającej. Można stosować alternatywne płytki mikrokontrolerów. | |
| Złącza BNC Złącza | BNC do łączenia różnych części zestawu skrzynki spustowej. | ||
| Przycisk BNC | Brain Products GmbH | BP-345-9000 | Przycisk spustowy BNC do wysyłania wyzwalaczy. |
| spustowy BNC do gniazda jack 2,5 mm (80 cm) | BNC Brain Products GmbH | BP-245-1200 | łączące 2 LiveAmps ze skrzynką spustową. |
| Analizator BrainVision Wersja 2.2.0.7383 | Oprogramowanie do analizy EEG | firmy Brain Products GmbH | |
| Licencja na rejestrator BrainVision z kluczem sprzętowym | Brain Products GmbH | S-BP-170-3000 | |
| Rejestrator BrainVision Wersja 1.23.0003 | Oprogramowanie do nagrywania EEG | firmy Brain Products GmbH | |
| Niestandardowa 8-kanałowa pasywna nasadka LiveAmp (czepki EEG dla niemowląt) | Brain Products GmbH | LC-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 3520 | laptopy, 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 bezprzewodowy | BrainProducts GmbH | BP-200-3020 Dwa | wzmacniacze 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 Fluid | Manfrotto | MT190X3 | Alternatywne statywy. |
| Oprogramowanie Matlab | Firma MathWorks, Inc. | R2023a | Można stosować alternatywne oprogramowanie do analizy i prezentacji. |
| Power bank (10000 mAh) | Philips | DLP6715NB/69 | Można używać alternatywnych power banków. |
| Surowe czepki EEG | EASYCAP GmbH | Dla dorosłych rozmiarów głowy 52, 54, 56, 58. Można stosować alternatywne czepki EEG. | |
| Rode Wireless Go II Pojedynczy zestaw | Rø de Mikrofony | Można używać alternatywnych mikrofonów. | |
| Kamera Sony FDR-AX700 Kamera | Sony | FDR-AX700 | Można używać alternatywnych kamer lub kamer internetowych. |
| Żel SuperVisc o wysokiej lepkości | EASYCAP GmbH | NS-7907 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.