Elektroencefalografia (EEG)
EEG to nieinwazyjna technika, która może mierzyć aktywność mózgu. Aktywność neuronalna generuje sygnały elektryczne, które są rejestrowane przez elekt…
Elektroencefalografia lub EEG jest techniką elektrofizjologiczną powszechnie stosowaną przez naukowców zajmujących się poznaniem. Mózg stale generuje aktywność elektryczną, która może wystąpić spontanicznie lub gdy jest wywołana przez stymulację. EEG jest nieinwazyjną, przenośną i niedrogą techniką, która może wykrywać i określać ilościowo zmiany w aktywności mózgu, co czyni ją szczególnie przydatną w badaniach poznawczych. W tym filmie pokrótce wyjaśnimy, w jaki sposób generowane są sygnały EEG, jak EEG jest stosowane w badaniach kognitywnych, jaka jest standardowa metoda zapisu EEG i jakie są niektóre konkretne zastosowania.
Na początek przyjrzyjmy się, gdzie i jak generowane są sygnały EEG.
Sygnał EEG to aktywność elektryczna rejestrowana z powierzchni mózgu za pomocą elektrod umieszczonych na skórze głowy. Jest generowany głównie w najbardziej zewnętrznej warstwie - korze mózgowej - przez aktywowane neurony piramidowe, które są głównymi neuronami wyjściowymi kory. Neurony te odbierają i integrują sygnały synaptyczne z innych części mózgu, a ich zbiorowa aktywność odzwierciedla przetwarzanie informacji.
Warto zauważyć, że wzbudzenie przemieszcza dodatnio naładowane jony przez błonę i do neuronu, tworząc "ujście" prądu w regionie dendrytycznym, który jest neutralizowany przez ruch ładunku na zewnątrz wokół somy - "źródła" prądu. To doprowadza neuron do stanu "dipolowego", generując potencjał elektryczny i tworząc przepływy prądu między dendrytem wierzchołkowym a somą. Elektrody przechwytują sumę potencjałów wytwarzanych przez dużą liczbę tych "dipoli neuronalnych" działających synchronicznie.
Teraz, gdy znasz już fizjologię sygnałów EEG, omówmy, co mówią nam one o funkcjach poznawczych.
Normalne EEG wykazuje spontaniczne oscylacje. Ta aktywność rytmiczna składa się z kilku nakładających się na siebie podrytmów, które można zdemaskować za pomocą przekształceń matematycznych, takich jak transformata Fouriera. Korzystając z tej techniki, szeregi czasowe EEG są rozkładane na podrytmy składowe i wykreślane jako "widmo mocy". Każdy podrytm, w oparciu o jego częstotliwość, jest wykreślany zgodnie z jego "stężeniem" lub mocą sygnału w całkowitym zapisie EEG.
Częstotliwości rytmów mózgowych to: fala Delta, która jest najwolniejsza przy mniej niż 4 Hz; Fala theta, przy 4-7 Hz; Fala alfa przy 8-12 Hz; Fala beta przy 13-30 Hz; i fala gamma, najszybsza przy częstotliwości powyżej 30 Hz. Każdy rytm jest również skorelowany ze stanem behawioralnym: fale Delta i Theta obserwuje się w stanie snu, fale Alfa występują w stanie czuwania i zrelaksowania, a fale Beta i Gamma występują podczas aktywnego poznania.
Zmiana aktywności EEG służy do badania reakcji mózgu na stymulację podczas zadań poznawczych. Na przykład podczas eksperymentu poznawczego osoba badana może zostać poproszona o obejrzenie twarzy na ekranie komputera i rozróżnienie ich. Test jest powtarzany kilka razy. Kolejne odpowiedzi EEG są ograniczone w czasie do wystąpienia bodźca wzrokowego i uśrednione; Podnosi to poziom sygnału ponad szum tła. Średnia aktywność EEG wywołana przez określony bodziec jest znana jako potencjał związany ze zdarzeniem. lub ERP.
Szczyty na wykresie ERP odpowiadają skoordynowanej aktywności neuronalnej. W tym przypadku wcześniejszy szczyt odnosi się do bezpośredniej reakcji układu wzrokowego. Następnie, późniejszy szczyt zsynchronizowanej aktywności neuronalnej odnosi się do poznawczego przetwarzania bodźca.
Teraz, gdy dowiedziałeś się, w jaki sposób EEG jest wykorzystywane do badania funkcji poznawczych, przyjrzyjmy się, jak przeprowadza się eksperyment EEG.
Eksperymenty EEG wymagają, aby zbierane były tylko znaczące sygnały, ponieważ rzeczywiste potencjały korowe są bardzo małe. Aby wychwycić te sygnały, elektrody EEG są wykonane z materiałów o wysokiej przewodności, takich jak srebro i chlorek srebra, które są ułożone w nasadce zgodnie ze znormalizowanym systemem umieszczania 10-20. System ten zapewnia spójne pozycjonowanie elektrod, dzięki czemu eksperymenty są powtarzalne w czasie i obiektach. Elektrody są oznaczone zgodnie ze zidentyfikowanymi obszarami kory mózgowej i lokalizacją półkuli i są systematycznie rozdzielane z dokładnością do 10% lub 20% całkowitej odległości od przodu do tyłu lub od prawej do lewej czaszki.
Żel elektrolitowy stosuje się z elektrodami w celu zwiększenia przewodności. Sygnały aktywne są wzmacniane względem elektrody referencyjnej, a system jest uziemiony w celu zmniejszenia szumów. Ponadto sygnały są filtrowane w celu zebrania tylko tych, które mieszczą się w zakresie częstotliwości EEG. Artefakty wynikające z ruchów ciała, takie jak mruganie oczami, są zwykle monitorowane i odejmowane od danych.
Przed eksperymentem uczestnikowi wyjaśniane są procedury i uzyskuje się pisemną zgodę. Mierzony jest obwód głowy osoby badanej i wybierany jest odpowiedni rozmiar nasadki elektrody. Punkty orientacyjne do umieszczenia czapki są oznaczone i przestrzegane zgodnie z systemem umieszczania 10-20. Następnie żel przewodzący jest wstrzykiwany do każdego uchwytu elektrody, tworząc stos żelu na skórze głowy, tylko tyle, aby uniknąć zakłóceń między sąsiednimi elektrodami. Aktywne elektrody są następnie mocowane w uchwytach. Osoba badana jest teraz ustawiana do eksperymentu i przypomina mu się o zminimalizowaniu niepotrzebnych ruchów. Na koniec sprawdzany jest wyświetlacz EEG, aby upewnić się, że wszystko działa poprawnie.
Teraz, gdy nauczyłeś się już podstaw prowadzenia eksperymentu EEG, przyjrzyjmy się kilku konkretnym zastosowaniom tej techniki w badaniach poznawczych.
EEG służy do badania poznania społecznego u dorosłych i niemowląt. W tym przypadku eksperyment polega na pokazie kukiełki twarzą w twarz z niemowlęciem jako obiektem testu natychmiastowego zapamiętania i naśladowania. Dane zebrane z całej skóry głowy pokazują różnice w aktywności EEG w różnych eksperymentalnych punktach czasowych.
Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) to kolejna nieinwazyjna technika, która mierzy aktywność mózgu. Czułość fMRI na miejsce aktywacji można połączyć z czułością EEG na czas aktywacji. Razem techniki te umożliwiają mapowanie funkcjonalne na wyższym poziomie w celu zrozumienia takich procesów poznawczych, jak sen, świadomość, emocje, uczenie się i pamięć.
Wreszcie, EEG można połączyć z przezczaszkową stymulacją prądem stałym lub tDCS, techniką, która umożliwia stymulację mózgu w celu modulowania pobudliwości neuronów. tDCS ma potencjał w leczeniu zaburzeń neurologicznych, które wpływają na zdolności poznawcze, a EEG służy do monitorowania i optymalizacji efektów bezpośredniej stymulacji. Programy komputerowe uruchamiające automatyczne szybkie transformaty Fouriera służą do obserwacji zmian w widmie mocy EEG w czasie rzeczywistym.
Właśnie obejrzałeś film JoVE na temat EEG. W tym filmie omówiono, w jaki sposób generowane są sygnały EEG, w jaki sposób ta technika jest wykorzystywana do zrozumienia procesów poznawczych, podstawy przeprowadzania eksperymentu EEG i wreszcie niektóre konkretne zastosowania w badaniach kognitywnych. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Elektroencefalografia lub EEG jest techniką elektrofizjologiczną powszechnie stosowaną przez naukowców zajmujących się poznaniem. Mózg stale generuje aktywność elektryczną, która może wystąpić spontanicznie lub gdy jest wywołana przez stymulację. EEG jest nieinwazyjną, przenośną i niedrogą techniką, która może wykrywać i określać ilościowo zmiany w aktywności mózgu, co czyni ją szczególnie przydatną w badaniach poznawczych. W tym filmie pokrótce wyjaśnimy, w jaki sposób generowane są sygnały EEG, jak EEG jest stosowane w badaniach kognitywnych, jaka jest standardowa metoda zapisu EEG i jakie są niektóre konkretne zastosowania.
Na początek przyjrzyjmy się, gdzie i jak generowane są sygnały EEG.
Sygnał EEG to aktywność elektryczna rejestrowana z powierzchni mózgu za pomocą elektrod umieszczonych na skórze głowy. Jest generowany głównie w najbardziej zewnętrznej warstwie - korze mózgowej - przez aktywowane neurony piramidowe, które są głównymi neuronami wyjściowymi kory. Neurony te odbierają i integrują sygnały synaptyczne z innych części mózgu, a ich zbiorowa aktywność odzwierciedla przetwarzanie informacji.
Warto zauważyć, że wzbudzenie przemieszcza dodatnio naładowane jony przez błonę i do neuronu, tworząc "ujście" prądu w regionie dendrytycznym, który jest neutralizowany przez ruch ładunku na zewnątrz wokół somy - "źródła" prądu. To doprowadza neuron do stanu "dipolowego", generując potencjał elektryczny i tworząc przepływy prądu między dendrytem wierzchołkowym a somą. Elektrody przechwytują sumę potencjałów wytwarzanych przez dużą liczbę tych "dipoli neuronalnych" działających synchronicznie.
Teraz, gdy znasz już fizjologię sygnałów EEG, omówmy, co mówią nam one o funkcjach poznawczych.
Normalne EEG wykazuje spontaniczne oscylacje. Ta aktywność rytmiczna składa się z kilku nakładających się na siebie podrytmów, które można zdemaskować za pomocą przekształceń matematycznych, takich jak transformata Fouriera. Korzystając z tej techniki, szeregi czasowe EEG są rozkładane na podrytmy składowe i wykreślane jako "widmo mocy". Każdy podrytm, w oparciu o jego częstotliwość, jest wykreślany zgodnie z jego "stężeniem" lub mocą sygnału w całkowitym zapisie EEG.
Częstotliwości rytmów mózgowych to: fala Delta, która jest najwolniejsza przy mniej niż 4 Hz; Fala theta, przy 4-7 Hz; Fala alfa przy 8-12 Hz; Fala beta przy 13-30 Hz; i fala gamma, najszybsza przy częstotliwości powyżej 30 Hz. Każdy rytm jest również skorelowany ze stanem behawioralnym: fale Delta i Theta obserwuje się w stanie snu, fale Alfa występują w stanie czuwania i zrelaksowania, a fale Beta i Gamma występują podczas aktywnego poznania.
Zmiana aktywności EEG służy do badania reakcji mózgu na stymulację podczas zadań poznawczych. Na przykład podczas eksperymentu poznawczego osoba badana może zostać poproszona o obejrzenie twarzy na ekranie komputera i rozróżnienie ich. Test jest powtarzany kilka razy. Kolejne odpowiedzi EEG są ograniczone w czasie do wystąpienia bodźca wzrokowego i uśrednione; Podnosi to poziom sygnału ponad szum tła. Średnia aktywność EEG wywołana przez określony bodziec jest znana jako potencjał związany ze zdarzeniem. lub ERP.
Szczyty na wykresie ERP odpowiadają skoordynowanej aktywności neuronalnej. W tym przypadku wcześniejszy szczyt odnosi się do bezpośredniej reakcji układu wzrokowego. Następnie, późniejszy szczyt zsynchronizowanej aktywności neuronalnej odnosi się do poznawczego przetwarzania bodźca.
Teraz, gdy dowiedziałeś się, w jaki sposób EEG jest wykorzystywane do badania funkcji poznawczych, przyjrzyjmy się, jak przeprowadza się eksperyment EEG.
Eksperymenty EEG wymagają, aby zbierane były tylko znaczące sygnały, ponieważ rzeczywiste potencjały korowe są bardzo małe. Aby wychwycić te sygnały, elektrody EEG są wykonane z materiałów o wysokiej przewodności, takich jak srebro i chlorek srebra, które są ułożone w nasadce zgodnie ze znormalizowanym systemem umieszczania 10-20. System ten zapewnia spójne pozycjonowanie elektrod, dzięki czemu eksperymenty są powtarzalne w czasie i obiektach. Elektrody są oznaczone zgodnie ze zidentyfikowanymi obszarami kory mózgowej i lokalizacją półkuli i są systematycznie rozdzielane z dokładnością do 10% lub 20% całkowitej odległości od przodu do tyłu lub od prawej do lewej czaszki.
Żel elektrolitowy stosuje się z elektrodami w celu zwiększenia przewodności. Sygnały aktywne są wzmacniane względem elektrody referencyjnej, a system jest uziemiony w celu zmniejszenia szumów. Ponadto sygnały są filtrowane w celu zebrania tylko tych, które mieszczą się w zakresie częstotliwości EEG. Artefakty wynikające z ruchów ciała, takie jak mruganie oczami, są zwykle monitorowane i odejmowane od danych.
Przed eksperymentem uczestnikowi wyjaśniane są procedury i uzyskuje się pisemną zgodę. Mierzony jest obwód głowy osoby badanej i wybierany jest odpowiedni rozmiar nasadki elektrody. Punkty orientacyjne do umieszczenia czapki są oznaczone i przestrzegane zgodnie z systemem umieszczania 10-20. Następnie żel przewodzący jest wstrzykiwany do każdego uchwytu elektrody, tworząc stos żelu na skórze głowy, tylko tyle, aby uniknąć zakłóceń między sąsiednimi elektrodami. Aktywne elektrody są następnie mocowane w uchwytach. Osoba badana jest teraz ustawiana do eksperymentu i przypomina mu się o zminimalizowaniu niepotrzebnych ruchów. Na koniec sprawdzany jest wyświetlacz EEG, aby upewnić się, że wszystko działa poprawnie.
Teraz, gdy nauczyłeś się już podstaw prowadzenia eksperymentu EEG, przyjrzyjmy się kilku konkretnym zastosowaniom tej techniki w badaniach poznawczych.
EEG służy do badania poznania społecznego u dorosłych i niemowląt. W tym przypadku eksperyment polega na pokazie kukiełki twarzą w twarz z niemowlęciem jako obiektem testu natychmiastowego zapamiętania i naśladowania. Dane zebrane z całej skóry głowy pokazują różnice w aktywności EEG w różnych eksperymentalnych punktach czasowych.
Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) to kolejna nieinwazyjna technika, która mierzy aktywność mózgu. Czułość fMRI na miejsce aktywacji można połączyć z czułością EEG na czas aktywacji. Razem techniki te umożliwiają mapowanie funkcjonalne na wyższym poziomie w celu zrozumienia takich procesów poznawczych, jak sen, świadomość, emocje, uczenie się i pamięć.
Wreszcie, EEG można połączyć z przezczaszkową stymulacją prądem stałym lub tDCS, techniką, która umożliwia stymulację mózgu w celu modulowania pobudliwości neuronów. tDCS ma potencjał w leczeniu zaburzeń neurologicznych, które wpływają na zdolności poznawcze, a EEG służy do monitorowania i optymalizacji efektów bezpośredniej stymulacji. Programy komputerowe uruchamiające automatyczne szybkie transformaty Fouriera służą do obserwacji zmian w widmie mocy EEG w czasie rzeczywistym.
Właśnie obejrzałeś film JoVE na temat EEG. W tym filmie omówiono, w jaki sposób generowane są sygnały EEG, w jaki sposób ta technika jest wykorzystywana do zrozumienia procesów poznawczych, podstawy przeprowadzania eksperymentu EEG i wreszcie niektóre konkretne zastosowania w badaniach kognitywnych. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: How are EEG signals generated in the brain?
EEG signals originate from the cerebral cortex, the brain's outermost layer, primarily through activated pyramidal neurons. These neurons receive synaptic inputs and generate electrical activity as ions move across their membranes, creating dipoles. Electrodes on the scalp capture the combined electrical potentials from many synchronized neural dipoles, producing the measurable EEG signal.
Q2: What do different EEG frequency bands tell us about brain states?
EEG frequency bands correlate with specific behavioral states. Delta and Theta waves appear during sleep, Alpha waves occur when awake and relaxed, and Beta and Gamma waves emerge during active cognition. Using mathematical transformations like the Fourier transform, researchers decompose EEG signals into these frequency components to understand what cognitive processes the brain is performing.
Q3: What is an event-related potential and how is it measured?
An event-related potential (ERP) is the mean EEG activity evoked by a specific stimulus during cognitive tasks. Researchers time-lock EEG responses to stimulus onset and average multiple trials to raise signal levels above background noise. Peaks in the ERP graph represent coordinated neural activity, with earlier peaks reflecting direct sensory responses and later peaks indicating cognitive processing of the stimulus.
Q4: Why is the 10-20 placement system important for EEG experiments?
The 10-20 placement system standardizes electrode positioning on the scalp according to identified cortical areas and hemisphere locations, separated systematically within 10% or 20% of skull distance. This consistency ensures reproducible results across different subjects and time points, allowing researchers to compare EEG data reliably and identify meaningful differences in brain activity patterns.
Q5: How does EEG improve when combined with other neuroimaging techniques?
EEG's high temporal sensitivity to activation timing complements functional magnetic resonance imaging (fMRI), which offers superior spatial localization. Together, these techniques enable functional mapping at higher resolution to understand cognitive processes like sleep, consciousness, emotion, learning, and memory with both precise timing and location information.
Q6: What preparations are necessary before conducting an EEG experiment?
Before EEG recording, researchers explain procedures and obtain written consent. The subject's head circumference is measured to select the correct electrode cap size. Landmarks are marked according to the 10-20 system, conductive gel is applied to each electrode, and the subject is positioned and reminded to minimize unnecessary movements to reduce motion artifacts.
Q7: How can EEG be used to study social cognition in infants?
Researchers use EEG to measure brain activity during face-to-face puppet demonstrations with infants to test immediate recall and imitation. Data collected from the entire scalp reveal differences in EEG activity at various experimental time-points, providing insights into how infants process social information and develop social cognitive abilities.