Электроэнцефалография (ЭЭГ)
ЭЭГ — это неинвазивный метод, который может измерять активность мозга. Нейронная активность генерирует электрические сигналы, которые регистрируются э…
Электроэнцефалография, или ЭЭГ, является электрофизиологическим методом, обычно используемым исследователями, изучающими когнитивные способности. Мозг постоянно генерирует электрическую активность, которая может возникать спонтанно или при стимуляции. ЭЭГ — это неинвазивный, портативный и недорогой метод, который может обнаруживать и количественно оценивать изменения в активности мозга, что делает его особенно полезным для когнитивных исследований. В этом видео мы кратко объясним, как генерируются сигналы ЭЭГ, как применяется ЭЭГ в когнитивных исследованиях, стандартный метод записи ЭЭГ и некоторые конкретные приложения.
Для начала давайте рассмотрим, где и как генерируются сигналы ЭЭГ.
Сигнал ЭЭГ представляет собой электрическую активность, регистрируемую с поверхности мозга с помощью электродов, размещенных на коже головы. Он генерируется в основном в самом внешнем слое — коре головного мозга — активированными пирамидальными нейронами, которые являются основными выходными нейронами коры головного мозга. Эти нейроны получают и интегрируют синаптические входные данные от других частей мозга, а их коллективная активность отражает обработку информации.
Примечательно, что возбуждение перемещает положительно заряженные ионы через мембрану в нейрон, создавая «сток» тока в дендритной области, который нейтрализуется внешним движением заряда вокруг сомы — «источника» тока. Это приводит нейрон в «дипольное» состояние, генерируя электрический потенциал и создавая потоки тока между апикальным дендритом и сомой. Электроды улавливают сумму потенциалов, создаваемых большим числом этих «нейронных диполей», действующих синхронно.
Теперь, когда вы знакомы с физиологией, стоящей за сигналами ЭЭГ, давайте обсудим, что они говорят нам о когнитивных функциях.
Нормальная ЭЭГ проявляет спонтанные колебания. Эта ритмическая активность состоит из нескольких перекрывающихся субритмов, которые могут быть выявлены с помощью математических преобразований, таких как преобразование Фурье. Используя эту технику, временные ряды ЭЭГ разлагаются на составляющие субритмы и строятся в виде «энергетического спектра». Каждый субритм, основанный на его частоте, строится в соответствии с его «концентрацией» или мощностью сигнала в общей записи ЭЭГ.
Частоты ритмов мозга: дельта-волна, которая является самой медленной и составляет менее 4 Гц; Тета-волна, с частотой 4-7 Гц; Альфа-волна, на частоте 8-12 Гц; Бета-волна на частоте 13-30 Гц; и гамма-волна, самая быстрая с частотой более 30 Гц. Каждый ритм также коррелирует с поведенческим состоянием: дельта- и тета-волны наблюдаются в спящем состоянии, альфа-волны — в бодрствующем и расслабленном состоянии, а бета- и гамма-волны — во время активного познания.
Изменение активности ЭЭГ используется для исследования реакции мозга на стимуляцию во время выполнения когнитивных задач. Например, во время когнитивного эксперимента испытуемого могут попросить посмотреть на лица на экране компьютера и различить их. Тест повторяется несколько раз. Последующие реакции ЭЭГ привязаны по времени к началу зрительного стимула и усредняются; Это повышает уровень сигнала над фоновым шумом. Средняя активность ЭЭГ, вызванная конкретным стимулом, известна как потенциал, связанный с событием. или ERP.
Пики на графике ERP соответствуют скоординированной нейронной активности. В данном случае более ранний пик связан с прямой реакцией зрительной системы. Затем, более поздний пик синхронизированной нейронной активности связан с когнитивной обработкой стимула.
Теперь, когда вы узнали, как ЭЭГ используется для изучения когнитивных функций, давайте рассмотрим, как проводится эксперимент с ЭЭГ.
Эксперименты на ЭЭГ требуют, чтобы собирались только значимые сигналы, потому что фактические потенциалы коры головного мозга очень малы. Чтобы улавливать эти сигналы, электроды ЭЭГ изготавливаются из высокопроводящих материалов, таких как серебро и хлорид серебра, которые расположены в колпачке в соответствии со стандартизированной системой размещения 10-20. Эта система обеспечивает постоянное расположение электродов, что позволяет воспроизводить эксперименты во времени и на разных объектах. Электроды обозначаются в соответствии с идентифицированными областями коры головного мозга и расположением полусфер и систематически разделяются с точностью до 10% или 20% от общего расстояния черепа спереди назад или справа налево.
Электролитный гель используется с электродами для повышения проводимости. Активные сигналы усиливаются относительно электрода сравнения, а система заземляется для снижения шума. Кроме того, сигналы фильтруются для сбора только тех сигналов, которые попадают в диапазон частот ЭЭГ. Артефакты от движений тела, такие как моргание глаз, обычно отслеживаются и вычитаются из данных.
Перед началом эксперимента участнику разъясняются процедуры и получается письменное согласие. Измеряется окружность головы испытуемого и подбирается соответствующий размер электродного колпачка. Ориентиры для размещения кепки обозначаются и прослеживаются по системе размещения 10-20. Далее проводящий гель вводится внутрь каждого держателя электродов, образуя стек геля на коже головы, ровно настолько, чтобы избежать помех между соседними электродами. Затем активные электроды закрепляются в держателях. Теперь испытуемый находится в положении для эксперимента, и ему напоминают о необходимости свести к минимуму ненужные движения. Наконец, проверяется дисплей ЭЭГ, чтобы убедиться, что все работает правильно.
Теперь, когда вы изучили основы проведения эксперимента с ЭЭГ, давайте рассмотрим некоторые конкретные применения этой техники в когнитивных исследованиях.
ЭЭГ используется для изучения социального познания у взрослых и младенцев. В данном случае эксперимент включает в себя демонстрацию куклы лицом к лицу с младенцем в качестве объекта теста, немедленного вспоминания и подражания. Данные, собранные со всей кожи головы, показывают различия в активности ЭЭГ в различные экспериментальные моменты времени.
Функциональная магнитно-резонансная томография, или фМРТ, является еще одним неинвазивным методом, который измеряет активность мозга. Чувствительность фМРТ к месту активации может сочетаться с чувствительностью ЭЭГ к срокам активации. Вместе эти методы позволяют составить функциональное картирование на более высоком уровне, чтобы понять такие когнитивные процессы, как сон, сознание, эмоции, обучение и память.
Наконец, ЭЭГ можно сочетать с транскраниальной стимуляцией постоянным током, или tDCS, методом, который позволяет стимуляции мозга модулировать возбудимость нейронов. tDCS обладает потенциалом для лечения неврологических расстройств, влияющих на когнитивные способности, а ЭЭГ используется для мониторинга и оптимизации эффектов прямой стимуляции. Программы, выполняющие автоматические быстрые преобразования Фурье, используются для наблюдения за изменениями спектра мощности ЭЭГ в режиме реального времени.
Вы только что посмотрели видео JoVE о ЭЭГ. В этом видео рассказывалось о том, как генерируются сигналы ЭЭГ, как эта техника используется для понимания познания, об основах проведения эксперимента на ЭЭГ и, наконец, о некоторых конкретных приложениях в когнитивных исследованиях. Как всегда, спасибо за просмотр!
Электроэнцефалография, или ЭЭГ, является электрофизиологическим методом, обычно используемым исследователями, изучающими когнитивные способности. Мозг постоянно генерирует электрическую активность, которая может возникать спонтанно или при стимуляции. ЭЭГ — это неинвазивный, портативный и недорогой метод, который может обнаруживать и количественно оценивать изменения в активности мозга, что делает его особенно полезным для когнитивных исследований. В этом видео мы кратко объясним, как генерируются сигналы ЭЭГ, как применяется ЭЭГ в когнитивных исследованиях, стандартный метод записи ЭЭГ и некоторые конкретные приложения.
Для начала давайте рассмотрим, где и как генерируются сигналы ЭЭГ.
Сигнал ЭЭГ представляет собой электрическую активность, регистрируемую с поверхности мозга с помощью электродов, размещенных на коже головы. Он генерируется в основном в самом внешнем слое — коре головного мозга — активированными пирамидальными нейронами, которые являются основными выходными нейронами коры головного мозга. Эти нейроны получают и интегрируют синаптические входные данные от других частей мозга, а их коллективная активность отражает обработку информации.
Примечательно, что возбуждение перемещает положительно заряженные ионы через мембрану в нейрон, создавая «сток» тока в дендритной области, который нейтрализуется внешним движением заряда вокруг сомы — «источника» тока. Это приводит нейрон в «дипольное» состояние, генерируя электрический потенциал и создавая потоки тока между апикальным дендритом и сомой. Электроды улавливают сумму потенциалов, создаваемых большим числом этих «нейронных диполей», действующих синхронно.
Теперь, когда вы знакомы с физиологией, стоящей за сигналами ЭЭГ, давайте обсудим, что они говорят нам о когнитивных функциях.
Нормальная ЭЭГ проявляет спонтанные колебания. Эта ритмическая активность состоит из нескольких перекрывающихся субритмов, которые могут быть выявлены с помощью математических преобразований, таких как преобразование Фурье. Используя эту технику, временные ряды ЭЭГ разлагаются на составляющие субритмы и строятся в виде «энергетического спектра». Каждый субритм, основанный на его частоте, строится в соответствии с его «концентрацией» или мощностью сигнала в общей записи ЭЭГ.
Частоты ритмов мозга: дельта-волна, которая является самой медленной и составляет менее 4 Гц; Тета-волна, с частотой 4-7 Гц; Альфа-волна, на частоте 8-12 Гц; Бета-волна на частоте 13-30 Гц; и гамма-волна, самая быстрая с частотой более 30 Гц. Каждый ритм также коррелирует с поведенческим состоянием: дельта- и тета-волны наблюдаются в спящем состоянии, альфа-волны — в бодрствующем и расслабленном состоянии, а бета- и гамма-волны — во время активного познания.
Изменение активности ЭЭГ используется для исследования реакции мозга на стимуляцию во время выполнения когнитивных задач. Например, во время когнитивного эксперимента испытуемого могут попросить посмотреть на лица на экране компьютера и различить их. Тест повторяется несколько раз. Последующие реакции ЭЭГ привязаны по времени к началу зрительного стимула и усредняются; Это повышает уровень сигнала над фоновым шумом. Средняя активность ЭЭГ, вызванная конкретным стимулом, известна как потенциал, связанный с событием. или ERP.
Пики на графике ERP соответствуют скоординированной нейронной активности. В данном случае более ранний пик связан с прямой реакцией зрительной системы. Затем, более поздний пик синхронизированной нейронной активности связан с когнитивной обработкой стимула.
Теперь, когда вы узнали, как ЭЭГ используется для изучения когнитивных функций, давайте рассмотрим, как проводится эксперимент с ЭЭГ.
Эксперименты на ЭЭГ требуют, чтобы собирались только значимые сигналы, потому что фактические потенциалы коры головного мозга очень малы. Чтобы улавливать эти сигналы, электроды ЭЭГ изготавливаются из высокопроводящих материалов, таких как серебро и хлорид серебра, которые расположены в колпачке в соответствии со стандартизированной системой размещения 10-20. Эта система обеспечивает постоянное расположение электродов, что позволяет воспроизводить эксперименты во времени и на разных объектах. Электроды обозначаются в соответствии с идентифицированными областями коры головного мозга и расположением полусфер и систематически разделяются с точностью до 10% или 20% от общего расстояния черепа спереди назад или справа налево.
Электролитный гель используется с электродами для повышения проводимости. Активные сигналы усиливаются относительно электрода сравнения, а система заземляется для снижения шума. Кроме того, сигналы фильтруются для сбора только тех сигналов, которые попадают в диапазон частот ЭЭГ. Артефакты от движений тела, такие как моргание глаз, обычно отслеживаются и вычитаются из данных.
Перед началом эксперимента участнику разъясняются процедуры и получается письменное согласие. Измеряется окружность головы испытуемого и подбирается соответствующий размер электродного колпачка. Ориентиры для размещения кепки обозначаются и прослеживаются по системе размещения 10-20. Далее проводящий гель вводится внутрь каждого держателя электродов, образуя стек геля на коже головы, ровно настолько, чтобы избежать помех между соседними электродами. Затем активные электроды закрепляются в держателях. Теперь испытуемый находится в положении для эксперимента, и ему напоминают о необходимости свести к минимуму ненужные движения. Наконец, проверяется дисплей ЭЭГ, чтобы убедиться, что все работает правильно.
Теперь, когда вы изучили основы проведения эксперимента с ЭЭГ, давайте рассмотрим некоторые конкретные применения этой техники в когнитивных исследованиях.
ЭЭГ используется для изучения социального познания у взрослых и младенцев. В данном случае эксперимент включает в себя демонстрацию куклы лицом к лицу с младенцем в качестве объекта теста, немедленного вспоминания и подражания. Данные, собранные со всей кожи головы, показывают различия в активности ЭЭГ в различные экспериментальные моменты времени.
Функциональная магнитно-резонансная томография, или фМРТ, является еще одним неинвазивным методом, который измеряет активность мозга. Чувствительность фМРТ к месту активации может сочетаться с чувствительностью ЭЭГ к срокам активации. Вместе эти методы позволяют составить функциональное картирование на более высоком уровне, чтобы понять такие когнитивные процессы, как сон, сознание, эмоции, обучение и память.
Наконец, ЭЭГ можно сочетать с транскраниальной стимуляцией постоянным током, или tDCS, методом, который позволяет стимуляции мозга модулировать возбудимость нейронов. tDCS обладает потенциалом для лечения неврологических расстройств, влияющих на когнитивные способности, а ЭЭГ используется для мониторинга и оптимизации эффектов прямой стимуляции. Программы, выполняющие автоматические быстрые преобразования Фурье, используются для наблюдения за изменениями спектра мощности ЭЭГ в режиме реального времени.
Вы только что посмотрели видео JoVE о ЭЭГ. В этом видео рассказывалось о том, как генерируются сигналы ЭЭГ, как эта техника используется для понимания познания, об основах проведения эксперимента на ЭЭГ и, наконец, о некоторых конкретных приложениях в когнитивных исследованиях. Как всегда, спасибо за просмотр!
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.