Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Гиперсканирование ЭЭГ на дому для социального взаимодействия между младенцем и воспитателем

2.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/66655

⸱

31 мая 2024 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

В этом протоколе описывается, как синхронизированная электроэнцефалография, электрокардиография и поведенческие записи были собраны из диад младенца-воспитателя в домашних условиях.

Аннотация

Предыдущие исследования гиперсканирования, которые одновременно записывали активность мозга воспитателей и детей, в основном проводились в пределах лаборатории, что ограничивало возможность обобщения результатов в реальных условиях. Здесь предлагается комплексный протокол для захвата синхронизированной электроэнцефалографии (ЭЭГ), электрокардиографии (ЭКГ) и поведенческих записей из диад младенца-воспитателя во время выполнения различных интерактивных задач в домашних условиях. Этот протокол демонстрирует, как синхронизировать различные потоки данных и сообщать о показателях хранения данных ЭЭГ и проверках качества. Кроме того, обсуждаются критические вопросы и возможные решения, связанные с экспериментальной установкой, задачами и сбором данных в домашних условиях. Протокол не ограничивается диадами «младенец-воспитатель», но может быть применен к различным диадическим констелляциям. В целом, мы демонстрируем гибкость установок гиперсканирования ЭЭГ, которые позволяют проводить эксперименты за пределами лаборатории, чтобы зафиксировать активность мозга участников в более экологически обоснованных условиях окружающей среды. Тем не менее, движение и другие типы артефактов все еще ограничивают экспериментальные задачи, которые могут быть выполнены в домашних условиях.

Введение

С помощью одновременной записи мозговой активности двух или более взаимодействующих субъектов, также известной как гиперсканирование, стало возможным выяснить нейронную основу социальных взаимодействий в их сложной, двунаправленной и быстро развивающейся динамике. Этот метод сместил акцент с изучения индивидуумов в изолированных, строго контролируемых условиях на изучение более натуралистических взаимодействий, таких как взаимодействие родителей и детей во время свободной игры 2,3, решение головоломок 4 и кооперативные компьютерные игры 5,6. Эти исследования показывают, что активность мозга синхронизируется во время социальных взаимодействий, т.е. демонстрирует временное сходство, явление, называемое межличностной нейронной синхронией (INS). Тем не менее, подавляющее большинство исследований гиперсканирования было ограничено лабораторными условиями. Хотя это позволяет улучшить экспериментальный контроль, это может произойти за счет потери некоторой экологической обоснованности. Поведение, наблюдаемое в лаборатории, может не отражать типичное повседневное интерактивное поведение участников из-за незнакомой и искусственной обстановки ихарактера поставленных задач.

Последние достижения в области мобильных устройств нейровизуализации, такие как электроэнцефалография (ЭЭГ) или функциональная спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне (fNIRS), смягчают эти проблемы, устраняя требование о том, чтобы участники оставались физически подключенными к записывающему компьютеру. Таким образом, они позволяют измерять активность мозга участников во время их свободного взаимодействия в классе или дома 8,9. Преимущество ЭЭГ по сравнению с другими методами нейровизуализации, такими как fNIRS, заключается в том, что она имеет отличное временное разрешение, что делает ее особенно подходящей для исследования быстро развивающейсясоциальной динамики. Тем не менее, это связано с оговоркой, что сигнал ЭЭГ очень уязвим к движению и другим физиологическим и нефизиологическим артефактам.

Несмотря на это, в первых исследованиях были успешно реализованы установки гиперсканирования ЭЭГ в реалистичных средах и условиях. Например, Dikker et al.12 измеряли сигнал ЭЭГ группы студентов, когда они занимались различными видами деятельности в классе, включая посещение лекций, просмотр видео и участие в групповых дискуссиях. В этом исследовании, наряду с другими исследованиями 8,9, преимущественно использовались сухие электроды ЭЭГ для облегчения процесса проведения измерений в нелабораторных условиях. По сравнению с мокрыми электродами, которые требуют нанесения проводящего геля или пасты, сухие электроды имеют заметные преимущества с точки зрения удобства использования. Было показано, что они демонстрируют производительность, сопоставимую с влажными электродами во взрослой популяции и стационарных условиях; Однако их производительность может снизиться в сценариях, связанных с движением, из-за повышенных уровней импеданса13.

В данной работе мы представляем рабочий протокол для захвата синхронизированных записей с семиканальной жидкостной гелевой ЭЭГ-системы низкой плотности с электрокардиографией (ЭКГ) в одном отведении, подключенной к тому же беспроводному усилителю (частота дискретизации: 500 Гц) диад младенца-воспитателя в домашних условиях. В то время как активные электроды использовались для взрослых, пассивные электроды использовались вместо этого для младенцев, поскольку последние обычно имеют форму кольцевых электродов, тем самым облегчая процесс нанесения геля. Кроме того, записи ЭЭГ-ЭКГ были синхронизированы с тремя камерами и микрофонами, чтобы зафиксировать поведение участников под разными углами. В исследовании дети в возрасте 8-12 месяцев и их опекуны выполняли задание по чтению и игре, в то время как их ЭЭГ, ЭКГ и поведение записывались. Чтобы свести к минимуму влияние чрезмерного движения на качество сигнала ЭЭГ, задания проводились в настольной обстановке (например, с использованием кухонного стола и детского стульчика для кормления), требуя, чтобы участники оставались на своих местах на протяжении всего задания на взаимодействие. Воспитателям были предоставлены три соответствующие возрасту книги и настольные игрушки (оснащенные присосками для предотвращения их падения). Им было поручено читать своему ребенку в течение примерно 5 минут, после чего последовала 10-минутная игровая сессия с игрушками.

В этом протоколе подробно описаны методы сбора синхронизированных данных ЭЭГ-ЭКГ, видео и аудио во время чтения и воспроизведения. Общая процедура, однако, не специфична для данного исследовательского плана, но подходит для различных популяций (например, диады родитель-ребенок, диады друзей) и экспериментальных задач. Будет представлен метод синхронизации разных потоков данных. Кроме того, будет описан базовый конвейер предварительной обработки ЭЭГ на основе Dikker et al.12, а также будут представлены показатели хранения данных ЭЭГ и показатели контроля качества. Поскольку конкретные аналитические решения зависят от множества факторов (таких как дизайн задачи, исследовательские вопросы, монтаж ЭЭГ), гиперсканирующий анализ ЭЭГ не будет подробно описан, а вместо этого читатель будет отсылаться к существующим рекомендациям и инструментариям (например, 14 для рекомендаций;15,16 для наборов инструментов для анализа гиперсканирования). Наконец, в протоколе обсуждаются проблемы и потенциальные решения для гиперсканирования ЭЭГ-ЭКГ в домашних условиях и других реальных условиях.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Описанный протокол был одобрен Советом по институциональному обзору (IRB) Наньянского технологического университета в Сингапуре. Информированное согласие было получено от всех взрослых участников и от родителей от имени их младенцев.

1. Соображения по оборудованию и пространству на домашних сеансах

  1. Приготовьтесь к различным условиям влажности и температуры в зависимости от страны и сезона. В условиях с высокой температурой и уровнем влажности убедитесь в достаточном потоке воздуха и по возможности включите кондиционер дома.
  2. Держитесь на расстоянии от передатчиков Wi-Fi, оборудования Bluetooth (например, мобильных телефонов, клавиатуры, мыши и т. д.) и микроволновых печей, так как находящиеся поблизости машины, работающие в том же диапазоне частот, могут создавать помехи. Кроме того, старайтесь держать экспериментальную установку подальше от зарядных устройств в доме, так как это может вызвать значительный шум линии электропередач в данных. Обратите внимание, что нахождение рядом стоящих или потолочных вентиляторов на высоких скоростях может привести к раскачиванию кабелей ЭЭГ и привести к образованию механических артефактов.
  3. Подготовьте благоприятное место для проведения эксперимента в доме участника. Убедитесь, что в зоне тестирования достаточно свободного места для размещения одного воспитателя и одного младенца на стульчике для кормления, сидящих вокруг стола, а также трех камер на штативах. По возможности уберите со стола все предметы, чтобы уменьшить количество отвлекающих факторов.
  4. Убедитесь, что в тестовой зоне достаточно яркости, чтобы видеокамеры могли запечатлеть выражение лица участника. Если столы расположены близко к окнам, не располагайте видеокамеры лицом к окну, чтобы избежать бликов от объектива.

2. Подготовка к сеансу

  1. Сообщите участникам, что для измерения ЭЭГ взрослые должны вымыть голову за день до сеанса, не нанося средства для волос. Спросите, могут ли они воздержаться от нанесения макияжа в день сеанса ЭЭГ.
  2. Убедитесь, что все записывающее оборудование (микрофоны и видеокамеры), ноутбуки, усилители и внешний аккумулятор, используемый триггерной коробкой, были заряжены за день до сеанса. Убедитесь, что все оборудование полностью заряжено за несколько часов до сеанса. Носите с собой зарядные устройства или, желательно, портативные внешние аккумуляторы на случай непредвиденных случаев низкого уровня заряда батареи в оборудовании.
  3. Упакуйте все необходимые формы и записывающее оборудование для сеанса.

3. Подготовка к эксперименту дома у участника

  1. Гелеобразующий препарат для ЭЭГ
    1. При работе с гелем надевайте перчатки. Наполните гелем четыре шприца, два шприца с тупым наконечником для пассивных электродов и два шприца с более тонким наконечником для активных электродов.
    2. Подготовьте два квадратных куска малярного скотча для электродов ЭКГ для младенцев и взрослых.
  2. Подготовка звукозаписывающей аппаратуры
    1. Снимайте перчатки при работе с электронным оборудованием.
    2. Включите все ноутбуки и прикрепите ключи ЭЭГ к соответствующим ноутбукам. Убедитесь, что программное обеспечение для записи ЭЭГ работает.
    3. Подключите усилители для взрослых и младенцев к программному обеспечению для записи ЭЭГ на соответствующих ноутбуках через беспроводное соединение.
    4. Проверьте и убедитесь, что оба усилителя (взрослый и младенческий) имеют одинаковые настройки триггерного порта, т. е. создается ли маркер запуска на восходящем (высокоактивном) или нисходящем фронте (низкоактивном) входного импульса.
    5. Установите три видеокамеры на каждый штатив. Убедитесь, что на каждой видеокамере запечатлены лицо, осуществляющее уход, младенец, а также лицо, осуществляющее уход, и младенец (комбинированный вид) соответственно (см. рис. 1). Перед началом сеанса убедитесь, что углы видеокамеры могут постоянно захватывать лица участников, учитывая, что воспитатель часто опускается к глазу младенца во время взаимодействия.
  3. Поставьте стульчик для кормления младенца и стул воспитателя на краю стола так, чтобы они были обращены друг к другу под углом, под которым видеокамеры могут улавливать их мимику (см. рисунок 1). Если на столе недостаточно места, поставьте стульчик для кормления ребенка и стул для воспитателя рядом друг с другом под прямым углом.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Вид сверху вниз на установку. (1) Видеокамера, обращенная к младенцу. (2) Видеокамера комбинированного обзора. (3) Видеокамера, обращенная к лицу, осуществляющему уход. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

4. Применение датчика ЭЭГ и ЭКГ для лица, осуществляющего уход

  1. Надежное крепление усилителя к колпачку ЭЭГ
    1. Для лица, осуществляющего уход, используйте задний карман ЭЭГ-колпачка для хранения усилителя, чтобы уменьшить движение кабеля и шум ЭЭГ. Прежде чем надевать колпачок на участника, убедитесь, что усилитель надежно хранится и прикреплен к разъему.
    2. Убедитесь, что во время работы с усилителем нет контакта с водой (т. е. снимите перчатки, если они пропитаны гелем).
  2. Попросите ухаживающее за больным лицо снять очки, маску или серьги. Если волосы собраны в пучок, попросите их снять резинку для волос, чтобы они были распущены.
  3. В перчатках и с разрешения лица, осуществляющего уход, очистите лоб спиртовыми тампонами (70 % изопропилового спирта (IPA)).
  4. С обеих сторон головы лица, осуществляющего уход, разделите волосы в самой верхней точке уха, чтобы ухо было полностью видно, следуя естественным линиям разделения волос.
  5. Измерьте окружность головы ухаживающего за больным лица, поместив измерительную ленту вокруг четырех опорных точек на голове: над носом (уровень бровей), над гребнем подростка (самая высокая точка на затылке) и между левым и правым козелком (кончиками ушей).
  6. Растяните шапочку для ЭЭГ изнутри жестом, похожим на корону, и начните надевать шапочку со лба ухаживающего за больным лица к затылку. Не отпуская кепку, сдвиньте руки вниз, чтобы удержать ремни, потяните их вниз к подбородку и застегните концы крючка и липучки. Отрегулируйте ремни в соответствии с комфортом участника.
    1. Убедитесь, что любая челка или пряди волос на лице участника удалены с лица, чтобы предотвратить дискомфорт или затруднение зрения.
    2. Аккуратно разгладьте колпачок, чтобы электроды плотно соприкасались с кожей головы. Следите за тем, чтобы на шапочке не было складок.
  7. Поместите измерительную ленту на электроды по средней линии и измерьте расстояние между назионом и инионом. Убедитесь, что электрод Cz международной системы 10-20 находится в середине измерения. Используйте метод сжатия и отпускания, чтобы при необходимости смещать положение колпачка вперед и назад.
  8. Измерьте расстояние между левым и правым козелком, чтобы убедиться, что Cz-электрод соответствует средней точке измерения, и при необходимости отрегулируйте.
  9. Аппликация геля для ЭЭГ и ЭКГ
    1. Начните с нанесения геля на электроды сравнения и заземления. Приступайте к гелеобразованию оставшихся электродов. Начните с электродов сзади, потому что может потребоваться больше времени, чтобы импеданс уменьшился до приемлемого диапазона (обычно < 25 кОм), поскольку у взрослых обычно больше волос сзади.
    2. При нанесении геля на лицо, осуществляющее уход, используйте шприц с более длинным и тонким наконечником. Вставьте кончик шприца в отверстие электрода и разделите волосы по нижнему изгибу шприца. Распыляйте небольшое количество геля по мере вытягивания шприца. Если между кожей головы и электродом имеется большой зазор, сильно надавите на электрод, чтобы обеспечить контакт.
    3. Используйте свет в качестве ориентира по импедансу, если данная настройка активного электрода позволяет это сделать. Кроме того, обратитесь к показаниям импеданса в программном обеспечении для записи ЭЭГ, чтобы определить, какие электроды требуют улучшения контакта.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Электроды с низким импедансом и хорошим качеством сигнала (обеспечиваемым проверкой на артефакты перед началом сеанса) будут окрашены в зеленый цвет на колпачке и/или на монтаже ЭЭГ. Если импеданс для электрода высокий, повторите усилие для отделения волос и хорошо переместите гель в электроде до точки четкого контакта с кожей головы.
    4. Обратите внимание, что шапочка обычно не идеально подходит для каждой головы, а вогнутые участки головы могут вызвать естественный зазор между электродом и кожей головы. Если импеданс остается высоким, нанесите небольшую горку геля, чтобы обеспечить гелевый мост между электродом и кожей головы. Будьте осторожны и не перемещайте гель в сторону после этого, чтобы избежать зацепления с соседними электродами под колпачком.
    5. Будьте осторожны, чтобы не переполнить лунки гелем, чтобы предотвратить перемычки через соседние электроды над крышкой.
    6. Как только все электроды ЭЭГ получат низкое сопротивление, очистите мягкую область под левой ключицей участника с помощью спиртовых салфеток и начните прикреплять электрод ЭКГ.
      1. Прикрепите круговую ленту к нижней части электрода ЭКГ и нанесите достаточное количество геля, чтобы покрыть лунку электрода.
      2. Приложите электрод к мягкому участку под левой ключицей. Наклейте белую малярную ленту на верхнюю часть датчика.

5. Применение датчика ЭЭГ и ЭКГ для младенца

  1. Попросите воспитателя помочь ребенку надеть жилет, который предоставляются экспериментаторами, с задним карманом, в котором позже будет храниться усилитель.
  2. С разрешения ухаживающего лица очистите лоб спиртовыми салфетками. Измерьте окружность головы младенца, поместив измерительную ленту вокруг четырех опорных точек.
  3. Если младенец находится в явно хорошем настроении и с удовольствием играет в одиночестве или с воспитателем, продолжайте надевать шапочку для ЭЭГ. Проконсультируйтесь с воспитателем о настроении ребенка и его предрасположенности к головным уборам. Приготовьте сухой корм или игрушки, чтобы занять руки ребенка перед укупоркой, если это согласовано с родителем. Кроме того, положите младенца на колени к воспитателю, чтобы он чувствовал себя комфортно во время процесса гелеобразования.
  4. Наденьте шапочку на голову младенца тем же растягивающим движением, как у макушки, и закрепите концы крючка и петли под подбородком. Пусть второй экспериментатор или воспитатель подскажет младенцу посмотреть вверх с помощью погремушки, чтобы ему было легче застегнуть концы крючка и петли.
    1. Убедитесь, что любая челка или выбившиеся волоски на лице младенца аккуратно заправлены под шапочку, чтобы предотвратить дискомфорт или затруднение зрения.
    2. Аккуратно разгладьте колпачок, чтобы электроды плотно соприкасались с кожей головы. Следите за тем, чтобы на шапочке не было складок.
  5. Используйте измерительную ленту, чтобы убедиться, что колпачок расположен правильно, так, чтобы Cz-электрод находился в средней или верхней точке головки, и при необходимости используйте метод сжатия и отпускания для регулировки (см. шаг 4.7).
  6. Надежно закрепите усилитель на крышке. После подключения отобразите показания импеданса.
  7. Поместите подключенный усилитель в карман в задней части жилета младенца.
  8. Аппликация геля для ЭЭГ и ЭКГ
    1. Начните с нанесения геля на электроды сравнения и заземления. Приступайте к гелеобразованию оставшихся электродов, начиная с тыльной стороны.
      Примечание: Младенцы могут быть немного беспокойными, когда экспериментаторы прикасаются к их голове, или от ощущения охлаждения геля. В этом случае дайте воспитателю некоторое время, чтобы успокоить ребенка, прежде чем продолжить. Второй экспериментатор может отвлечь ребенка (например, выдувая мыльные пузыри, используя игрушки или давая немного еды).
    2. Заполните все отверстия электродов гелем, а затем продолжайте использовать ватные кончики для разделения волос мягкими движениями слева направо, если вы используете пассивные электроды (как здесь); обратитесь к монтажу в программном обеспечении для записи ЭЭГ, чтобы проверить импеданс во время гелеобразования.
    3. Убедитесь, что все электроды демонстрируют низкое сопротивление в программном обеспечении для записи ЭЭГ, обычно < 50 кОм, поскольку младенцы менее толерантны к процессу гелеобразования по сравнению со взрослыми.
    4. Очистите мягкую область под левой ключицей ребенка детскими салфетками и прикрепите ЭКГ ниже левой ключицы младенца, следуя той же процедуре, что и ЭКГ взрослого.

6. Создание триггер-бокса для мультимодальной синхронизации данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку различные потоки данных датчиков (т.е. ЭЭГ, ЭКГ, видео и аудио) начинают записываться в разные моменты времени во время сеанса, их необходимо вручную синхронизировать для создания единой временной шкалы событий. Таким образом, необходимо общее событие, которое может быть зафиксировано как видеокамерой (т.е. светодиодным светом), так и усилителем (т.е. цифровым или аналоговым сигналом). Для этого используется собственный триггерный блок синхронизации, который может быть построен с помощью простой программы микроконтроллера, как описано ниже.

  1. Для сборки триггерной коробки используйте плату разработки микроконтроллера, светодиод, разъем BNC, внешний аккумулятор, цифровое входное устройство (т. е. кнопку) и электрический импульсный/сигнальный выход (т. е. пусковые провода), которые подключаются к триггерному порту усилителя (см. рис. 2B).
    1. Подключите гнездовой разъем BNC к кнопке, которая служит входом (например, входной контакт: 8), а светодиодный индикатор и электрический импульсный сигнал выступают в качестве выхода (например, выходной контакт: 12; см. рис. 2A).
    2. Подключите разъем BNC к двум усилителям с помощью кабелей с электрическим проводом диаметром 2,5 мм, создавая однобитные триггеры, отмечающие образцы в записи ЭЭГ-ЭКГ, когда она считывает цифровой сигнал TTL с кнопки (см. рис. 2C).
  2. Настройте параметры триггерного порта усилителей для взрослого и младенца идентичным образом, чтобы обеспечить точную и точную синхронизацию ЭЭГ-ЭЭГ.
    1. Спроектируйте систему запуска таким образом, чтобы маркеры запуска создавались в обеих записях усилителя при отпускании кнопки триггера (после нажатия), а не при ее нажатии.
    2. Определите текущее состояние триггерного порта в усилителях. Если изначально значение равно 0 или LOW, установите порт в положение low-active, чтобы при отпускании кнопки отображался маркер. В качестве альтернативы, если начальное состояние порта равно 1 или HIGH, установите порт в положение High-active, чтобы при отпускании кнопки выдавался маркер (см. рис. 3).

figure-protocol-2
Рисунок 2: Построение триггерного блока. (A) Принципиальная схема микроконтроллера для триггерного блока; (В) Внутренние части встроенной спусковой коробки; (C) Пусковая коробка, подключенная к усилителям ЭЭГ-ЭКГ для взрослого и младенца, кнопке триггера и внешнему аккумулятору. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-3
Рисунок 3: Высокие активные и низкие активные настройки триггерных портов. В зависимости от начального состояния контакта триггера (0 или 1) настройка триггерного порта (High Active, HA или Low Active, LA) выбирается таким образом, чтобы маркер создавался в конце импульса (когда кнопка запуска отпускается). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

7. Синхронизация потоков датчиков

  1. Чтобы упростить синхронизацию, подключите микрофонный приемник к соответствующей видеокамере, тем самым автоматически синхронизируя видео (видеокамеру) со звуком (микрофон).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку микрофоны подключены к видеокамерам, а электроды ЭЭГ и ЭКГ поступают от набора электродов ЭЭГ, подключенных к тому же усилителю, эти потоки данных автоматически синхронизируются.
  2. Прикрепите соответствующий передатчик микрофона к воротнику верхней части тела воспитателя и к жилет младенца.
  3. Начните запись с видеокамеры для всех трех видеокамер после того, как убедитесь, что их местоположение может улавливать светодиодный световой сигнал от триггерной коробки в комнате.
  4. Начните запись ЭЭГ на ноутбуке и усилителе (версия с SD-картой) как для младенца, так и для лица, осуществляющего уход. Чтобы облегчить синхронизацию после сеанса, сначала запустите камеры, а затем датчики ЭЭГ по порядку взрослый-младенец, поскольку ЭЭГ младенца является ведущим датчиком, с которым синхронизируются все остальные датчики (чтобы избежать отрицательных смещений видео-ЭЭГ).
  5. Плотно прикрепите оба усилителя к пусковой коробке с помощью разъема 2,5 мм, чтобы избежать паразитных маркеров (рис. 2C).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Маркер триггера должен быть виден на непрерывном потоке ЭЭГ, так как разъем подключен к усилителю.
  6. Синхронизируйте потоки данных с помощью триггерного окна.
    1. Выполняйте длительные нажатия кнопок, так как разница во внешнем виде маркера между двумя конфигурациями (начало и конец нажатия кнопки) заметна только при значительном увеличении продолжительности нажатия (не менее 1 - 2 с).
    2. Выполняйте несколько длинных нажатий для создания нескольких триггеров, чтобы повысить точность и надежность расчетных смещений между датчиками и облегчить апостериорную синхронизацию в ситуациях, когда некоторые триггеры не регистрируются некоторыми датчиками.
    3. Проверьте все камеры, чтобы убедиться, что светодиодный сигнал от триггер-бокса виден на записях, и проверьте, есть ли одновременные маркеры, отображаемые в текущих записях ЭЭГ на ноутбуке.
  7. Извлеките усилители из пусковой коробки и убедитесь, что усилители надежно прикреплены к соответствующим колпачкам ЭЭГ.
  8. Выполняйте эту процедуру синхронизации в начале и в конце экспериментального сеанса, особенно если веб-камеры используются для мониторинга пропущенных видеокадров, что приводит к смещению синхронизации.

8. Эксперимент по взаимодействию родителей и младенцев

  1. Прежде чем приступить к задаче по взаимодействию между родителями и младенцем, уберите со стола все оборудование, чтобы устранить потенциальные отвлекающие факторы для экспериментов по взаимодействию воспитателя и младенца.
  2. Проведите экспериментальные задания.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Задания были выбраны таким образом, чтобы подчеркнуть натуралистическое взаимодействие между диадой с минимальными инструкциями или участием экспериментатора (например, читать вместе с ребенком в течение 5 минут, как вы обычно делаете дома). Продолжительность задания зависит от комфорта участников и ограничений оборудования, например, от срока службы батареи усилителя.
  3. Если возможно, убедитесь, что все экспериментаторы скрыты от глаз ребенка на протяжении всего эксперимента, чтобы не отвлекать внимание. Один из экспериментаторов должен оставаться поблизости с записывающими ноутбуками, чтобы иметь возможность вмешаться в случае возникновения каких-либо проблем с потоковой передачей с датчиков. Убедитесь, что записывающие ноутбуки находятся в непосредственной близости от усилителей (< 10 м), чтобы избежать потери сэмплов из-за ухудшения беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth).

9. Расчистка в конце эксперимента

  1. Остановите запись на видеокамеры и программное обеспечение для записи ЭЭГ на ноутбуке и усилителе. Выключите усилитель и отсоедините его от колпачка.
  2. Снятие ЭЭГ-колпачков
    1. Аккуратно снимите ленты и электроды для ЭКГ, начиная с лица, осуществляющего уход, или попросите лицо, осуществляющее уход, удалить ЭКГ младенца, если это необходимо. Поскольку кожа младенца чувствительна, используйте детские салфетки или теплую воду, чтобы намочить ленту для более легкого удаления.
    2. Начните с удаления концов колпачка с крючком и петлей, затем снимите колпачок назад и выверните его наизнанку. С помощью детских салфеток смойте остатки геля с головы младенца и снимите шапочку воспитателя.
    3. Сообщите лицу, осуществляющему уход, о том, что излишки геля легко смываются в душе.
  3. Подготовка к транспортировке
    1. Поместите колпачок для ЭЭГ вместе с электродами ЭЭГ и ЭКГ в полиэтиленовый пакет. Следите за тем, чтобы гель на колпачке не соприкасался с разветвителем колпачка. Во время транспортировки храните провода и коробку разветвителя в структурированной коробке.
    2. Чтобы предотвратить механические повреждения во время транспортировки, упакуйте усилитель в мягкую коробку, чтобы свести к минимуму вибрацию.
  4. Очистка после крышки в лаборатории
    1. Как можно скорее начните чистку шапочек ЭЭГ.
    2. Положите шапочки ЭЭГ в ванну для чистки и проложите провода сухими тряпками подальше от источника воды. Следите за тем, чтобы коробка делителя не соприкасалась с водой.
    3. Налейте в ванну примерно 1 л воды и добавьте 10 мл дезинфицирующих средств на основе альдегида. Дайте колпачку постоять в растворе в течение 10 минут. Не держите колпачок в растворе слишком долго и не наносите слишком много дезинфицирующего средства, так как это со временем ускорит порчу колпачков.
    4. Через 10 минут с помощью зубной щетки смойте остатки геля с электродов под проточной водой. Будьте особенно осторожны при очистке активных электродов, так как в каждый электрод встроена небольшая электронная схема.
    5. Тщательно промойте колпачок водой, чтобы удалить дезинфицирующий раствор.
    6. Используя сухую ткань, промокните кепку насухо и вставьте сухую ткань внутрь кепки, чтобы впитать остатки влаги. Закройте концы «Крючок и липучка», чтобы сухая ткань оставалась внутри кепки.
    7. Повесьте колпачок сушиться и убедитесь, что влажные концы колпачка не соприкасаются с разъемами. Чтобы добиться этого, поместите колпачок в более низкое положение, чем коробка разветвителя и разъемы во время подвешивания.
  5. Экономия данных
    1. Убедитесь, что данные с SD-карт видеокамер, усилителей и записи с ноутбука экспортированы и сохранены на сайте хранения данных.

10. Контроль качества данных

  1. Видео-аудио данные
    1. Убедитесь, что звук включен, что во время выполнения задач обзор не был закрыт и что маркеры захвачены.
  2. Данные ЭЭГ-ЭКГ
    1. Убедитесь, что запись на SD-карту присутствует и не повреждена. Проверьте, зафиксированы ли маркеры на обеих записях ЭЭГ.
    2. Проверьте на наличие технических неисправностей, т.е. отключения усилителя и электрических или механических помех в сигнале ЭЭГ/ЭКГ.

11. Обработка данных

  1. Синхронизация мультисенсорных записей
    1. Импортируйте видео с видеокамеры, осуществляющей уход за ребенком, а также видео с видеокамеры комбинированного просмотра в программное обеспечение для редактирования видео.
    2. Просмотрите видео, чтобы отметить конкретные кадры, в которых каждый светодиодный триггерный индикатор появляется первым. Продолжайте просматривать видео и добавьте еще один маркер на конкретном кадре, в котором светодиодный индикатор полностью исчезает для каждого триггера.
    3. Выполните эти действия для всех трех видео. После этого запишите номера кадров маркеров из всех видео в таблицу.
    4. Откройте файлы маркеров ЭЭГ с SD-карты усилителя для младенца и взрослого. Запишите информацию о образце маркера в таблицу.
    5. Поскольку видео записывается в кадрах в секунду (FPS, например, 25 FPS), а ЭЭГ-ЭКГ записывается в выборках в секунду (например, 500 Гц), преобразуйте количество кадров и выборок в общую единицу измерения, такую как миллисекунды (мс), чтобы иметь возможность создать единую временную шкалу.
    6. Для каждого датчика (видео и физиологических записей) рассчитайте время между срабатыванием, называемое здесь межтриггерными интервалами (ITI), путем вычитания временной метки мс для каждой пары последовательных маркеров.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на то, что время запуска датчиков записи различается, ITI в мс для одного и того же набора триггеров на разных датчиках (видео и ЭЭГ) все равно должны совпадать. Поэтому, чтобы проверить это, рассчитайте разницу в каждом ITI (ITI Lag) между каждым датчиком и мастер-ЭЭГ.
    7. Проверьте качество видео-ЭЭГ ITI Lags. Поскольку частота дискретизации/FPS различается между двумя сенсорами, как правило, ЭЭГ имеет гораздо более высокую частоту дискретизации, чем видео, что допускает ошибку с допуском ± 1 видеокадр (в данном случае 40 мс) для рассчитанных задержек ITI ЭЭГ-видео.
    8. Проверьте качество взрослой ЭЭГ - младенческая ЭЭГ ITI Lags. Поскольку они имеют одинаковую частоту дискретизации, допустим допуск погрешности ± 1 образца ЭЭГ (в данном случае 2 мс).
    9. После завершения этих проверок рассчитайте смещения между каждым датчиком и временной шкалой ведущего датчика (в данном случае ЭЭГ у младенцев).
    10. Вычтите мс временную метку каждого триггерного маркера мастер-ЭЭГ из соответствующих маркеров каждого датчика (видео, ЭЭГ у взрослых). Это дает N смещений [датчик - мастер ЭЭГ] (N = количество триггеров) для каждого датчика.
    11. Для каждого датчика рассчитайте среднее значение этих смещений и округлите их в большую сторону, чтобы получить окончательное число смещения по отношению к мастер-ЭЭГ. Используйте эти числа смещения, чтобы обрезать видео и данные ЭЭГ, чтобы они начинались одновременно с основной ЭЭГ.
  2. Простое кодирование видео
    1. Чтобы определить различные этапы эксперимента в видеороликах (например, начало и окончание экспериментальных заданий или прерывания), запишите конкретные временные метки в кадрах с помощью программного обеспечения для редактирования видео.
  3. Предварительная обработка ЭЭГ
    1. Разрежьте файлы ЭЭГ взрослых и младенцев в начале и в конце задания.
    2. Выявление и удаление плохих каналов
      1. Запишите все каналы, которые выглядят постоянно зашумленными или не содержат сигнала на протяжении всей или большей части записи задачи.
        ПРИМЕЧАНИЕ: При записи с низкой плотностью цель состоит в том, чтобы сохранить как можно больше каналов. Таким образом, для каналов, которые являются плохими только в течение коротких периодов времени, предпочтительнее удалить поврежденный сегмент данных на более позднем этапе анализа, а не сам канал.
      2. Построение графика и визуальный анализ спектральной плотности мощности (PSD) для определения внешних каналов.
    3. Чтобы удалить медленные (в течение 2 с) линейные тренды, отфильтруйте данные по верхним частотам с помощью фильтра высоких частот Basic FIR с частотой среза 0,5 Гц.
    4. Для удаления высокочастотного шума от миогенных и внешних источников необходимо отфильтровать данные с помощью фильтра нижних частот Basic FIR с частотой среза 35 Гц.
    5. Сегментируйте данные на последовательные, не перекрывающиеся эпохи по 1 с.
    6. Автоматически отбраковывайте все сегменты с минимальным значением ниже -100 мкВ (для взрослых) и -150 (для младенцев) и/или максимальным значением выше +100 мкВ (для взрослых) и +150 (для младенцев).
    7. Визуально осмотрите все сегменты, которые не были исключены в разделе 11.3.6. Вручную отбраковывайте все сегменты, содержащие артефакты. Если допустим только один сегмент 1s, расположенный между отклоненными сегментами, удалите весь период, чтобы ни один сегмент 1s не сохранялся.
    8. Для ИНС / диадического анализа анализируйте только принятые сегменты, которые являются общими для взрослых и младенцев. Удаляя все сегменты взрослого человека, которые отторгаются у младенца и наоборот, убедитесь, что временные ряды ЭЭГ взрослого и младенца остаются идеально выровненными.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В этом исследовании приняли участие дети в возрасте от 8 до 12 месяцев, как правило, развивающиеся, а также их мать и/или бабушка, которые говорили дома на английском или английском и втором языке. 7-электродная ЭЭГ и ЭКГ в одном отведении взрослых и младенцев, а также видео- и аудиозаписи с трех камер и микрофонов регистрировались одновременно во время выполнения заданий. Нейронная активность измерялась над F3, F4, C3, Cz, C4, P3 и P4 по международной системе 10-20. Различные потоки данных были выровнены по времени и об...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В этом протоколе мы проводим измерения в домах участников, где младенцы и воспитатели могут чувствовать себя более комфортно, а их поведение может быть более репрезентативным для их взаимодействия в реальной жизни, в отличие от лабораторных условий, тем самым повышая экологическую валидность. Кроме того, запись в домашних условиях может облегчить нагрузку на участников, например, в отношении времени в пути, и, таким образом, может сделать определенные группы участников более доступными. Однако, на...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Не следует заявлять о конфликте интересов.

Благодарности

Работа была профинансирована за счет президентского гранта на постдокторскую стипендию от Наньянского технологического университета, который был присужден VR.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Шприц Luer Lock Tip объемом 10 куб. см без иглыTerumo Corporation
actiCAP slim 8-канальный набор электродов (LiveAMP8)Brain Products GmbH
Программное обеспечение Arduino Software (IDE)ArduinoArduino IDE 1.8.19Программное обеспечение, используемое для написания кода для микроконтроллера Arduino. Для сопровождения выбранного микроконтроллерного блока может быть использовано альтернативное программное обеспечение.
Плата Arduino UnoArduinoиспользуется для сборки схемы спусковой коробки. Можно использовать альтернативные платы микроконтроллеров.
РазъемыРазъемы BNC для подключения различных частей системы пусковой коробки.
BNC Кнопка Brain Products GmbHBP-345-9000BNC кнопка спускового крючка для отправки триггеров.
Трос спускового крючка BNC на разъем 2,5 мм (80 см)Кабели Brain Products GmbHBP-245-1200BNC, соединяющие 2 усилителя LiveAmp с триггерной коробкой.
BrainVision Analyzer Версия 2.2.0.7383Программное обеспечение для анализа ЭЭГ BrainProducts GmbH
Лицензия на регистратор BrainVision с ключомBrain Products GmbHS-BP-170-3000
Рекордер BrainVision версии 1.23.0003Программное обеспечение для записи ЭЭГBrain Products GmbH
Пользовательский 8-канальный колпачок LiveAmp Cap пассивный (детские шапочки для ЭЭГ)Brain Products GmbHLC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 Для младенцев размеры головы 44, 46, 48 . Можно использовать альтернативные колпачки для ЭЭГ.
Ноутбуки Dell Latitude 3520 DellДва ноутбука, один для записи ЭЭГ у взрослых и один для записи ЭЭГ у младенцев. Можно использовать альтернативные компьютеры.
для ирригации зубов
LiveAmp 8-канальный беспроводной усилительBrainProducts GmbHBP-200-3020Два LiveAmp, один для взрослой ЭЭГ и один для младенческой ЭЭГ. Можно использовать альтернативный усилитель.
Штатив Manfrotto MT190X3 с видеоголовкой 128RC Micro Fluid Video HeadМожно использовать штативыManfrottoMT190X3
Программное обеспечение MatlabКомпания MathWorks, Inc.R2023aМожно использовать альтернативное программное обеспечение для анализа и презентации.
Внешний аккумулятор (10000 мАч)Можно использовать альтернативные внешние аккумуляторыPhilipsDLP6715NB/69
Необработанные шапочки ЭЭГEASYCAP GmbHдля взрослых размеров головы 52, 54, 56, 58. Можно использовать альтернативные колпачки для ЭЭГ.
Rode Wireless Go II Single SetRø МикрофоныМожно использовать альтернативные микрофоны.
Sony FDR-AX700 КамкордерSonyFDR-AX700Можно использовать альтернативные видеокамеры или веб-камеры.
SuperVisc Высоковязкий гель EASYCAP GmbHNS-7907
BNC ..Шприцы Alternate..

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Взаимодействие младенца и опекунасинхронная запись ЭЭГдиадическое социальное взаимодействиеповеденческая записьмультимодальная синхронизацияподготовка ЭЭГ-шлемаэлектрокардиография ЭКГэкологическая валидность
Гиперсканирование ЭЭГ на дому для социального взаимодействия между младенцем и воспитателем
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.