High Density Event-gerelateerde Mogelijke data-acquisitie in Cognitive Neuroscience

Summary

Event-related potential (ERP) opname wordt onderbenut in Cognitive Neuroscience, omdat de data acquisitie technieken zijn niet direct beschikbaar en deze methode heeft vaak een slechte ruimtelijke resolutie. Ter bevordering van het toegenomen gebruik van ERP in Cognitive Neuroscience, dit artikel de belangrijkste details technieken die in hoge dichtheid ERP-data-acquisitie.

Abstract

Functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) is momenteel de standaard methode voor het evalueren van de hersenfunctie op het gebied van Cognitive Neuroscience, deels omdat fMRI data-acquisitie en analyse technieken zijn direct beschikbaar. Omdat fMRI heeft een uitstekende ruimtelijke resolutie, maar een slechte temporele resolutie, kan deze methode alleen worden gebruikt om de ruimtelijke ligging van de hersenactiviteit geassocieerd met een bepaalde cognitief proces (en onthult vrijwel niets over het tijdsverloop van de hersenactiviteit) te identificeren. Daarentegen, event-related potential (ERP) opname, een methode die veel minder vaak dan fMRI gebruikt, heeft een uitstekende temporele resolutie en kan dus een snelle tijdelijke modulaties track in neurale activiteit. Helaas zijn ERP's onderbenut in Cognitive Neuroscience, omdat de data acquisitie technieken zijn niet direct beschikbaar en lage dichtheid ERP-opname is een slechte ruimtelijke resolutie. In een poging om het toegenomen gebruik van ERP in Cognitive Neuroscience, dit artikel de belangrijkste details technieken die in hoge dichtheid ERP-data-acquisitie te bevorderen. Kritisch, hoge dichtheid ERP's bieden de belofte van uitstekende temporele resolutie en een goede ruimtelijke resolutie (of uitstekende ruimtelijke resolutie als in combinatie met fMRI), wat nodig is om de ruimtelijk-temporele dynamiek van de menselijke hersenfunctie te vangen.

Protocol

I. Inleiding

Op het gebied van Cognitive Neuroscience, functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) is uitgegroeid tot de standaard methode van analyse. De populariteit van fMRI stamt voor een deel uit gemakkelijk beschikbare data-acquisitie-en analysetechnieken in aanvulling op eenvoudig interpreteerbare resultaten die de gebieden van de hersenen geassocieerd met een bepaald cognitief proces markeren. Echter, fMRI heeft een slechte temporele resolutie en kan dus niet volgen van de snelle temporele dynamiek van de werking van de hersenen. Als Cognitieve Neurowetenschappers nog steeds hoofdzakelijk gebruik van fMRI, zal het resulterende beeld van de werking van de hersenen worden ernstig tekort. Event-related potentials (ERP's) zijn veel minder vaak gebruikt, hoewel deze methode biedt een uitstekende temporele resolutie. Het doel van dit artikel is voor het detail van de belangrijkste technieken die in hoge dichtheid ERP-data-acquisitie. Het is te hopen dat deze informatie zal het toegenomen gebruik van ERP in Cognitive Neuroscience te bevorderen.

II. General Equipment Setup

ERP-gegevens worden meestal gemeten in een locatie met een laag niveau van omringende elektromagnetische veldsterkte om interferentie te minimaliseren van de neurale signaal. Om dergelijke interferentie te minimaliseren, worden ERP's vaak gemeten in een afgeschermde metalen kamer (dat wil zeggen, een kooi van Faraday), maar het kan mogelijk zijn om een ​​niet-afgeschermde locatie te vinden met een aanvaardbaar niveau van het omgevingslicht veldsterkte (1 mg of minder, die kan worden gemeten met behulp van een elektromagnetisch veld meter). Elke elektrode wordt aangesloten op een versterker die op zijn beurt aangesloten op een data acquisitie computer. Een aparte computer wordt gebruikt voor stimulus presentatie. Weinig mogelijk hinder van de neurale signalen, alleen essentiële aangedreven componenten moeten worden gehuisvest in de afgeschermde kamer of in de buurt van de opname locatie, zoals de stimulus display en het toetsenbord respons (bijvoorbeeld, kunnen lampen worden gebruikt om te helpen bij elektrode toepassing, maar moet worden uitgeschakeld tijdens het opnemen). Een video schakelaar kan worden gebruikt om de data-acquisitie computer of de stimulus presentatie computer op een monitor. Als er een afgeschermde kamer wordt gebruikt, kan alle kabels lopen door een kleine buis in de muur (dat is een paar centimeter in diameter) of een gebarsten deur. De deelnemers moeten zitten in een comfortabele stoel met armleuningen en een back hoogte die schouder ondersteuning biedt aan een minimum te beperken nekspier artefact, maar biedt toegang tot posterior inferieur elektroden voor latere elektrode impedantie reductie. We maken gebruik van een afgeschermde kamer (gebouwd door Global Partners in Afscherming, Inc, Passaic, New Jersey) en een 128-kanaal Quik-Cap/SynAmps ² NeuroScan systeem (Compumedics USA, Charlotte, NC).

III. Cap Plaatsing en elektrode Digitalisering

Elektroden zijn meestal ingebed in een spandex dop die aanzienlijk vermindert de toepassing tijd. Echter, de relatieve elektrode locaties in een dop vast, die elimineert de mogelijkheid van het gebruik van standaard elektrode configuraties, zoals de 10-20 elektrode systeem ¹ of een hogere dichtheid variant, zoals de 10-5 elektrode systeem ^2, die juist zijn geplaatst op een individuele deelnemer basis. Voor de presentatie van de eindresultaten in een standaard formaat, we positie elektrode Oz voor elke deelnemer op de geschatte locatie ingegeven door de 10-5 elektrode systeem (en dan het etiket alle van de elektroden op basis van hun geschatte 10-5 elektrode systeem posities). Bij de toepassing van de dop, zorgen heeft het links-rechts symmetrie, met een middellijn elektroden geplaatst over de middellijn van het hoofd, en dat de meest posterior-inferieur elektroden zijn superieur aan de schedel-nek grens aan nek spieren artefact te vermijden. Terwijl een kinband zal adequaat handhaven van de kap op zijn plaats, kan de bevestiging van de zijde banden om een ​​op maat gemaakte gordel op heuphoogte met behulp van klittenbandsluitingen verbeteren zijwaartse elektrode contact met het hoofd. Elektroden grenzend aan de ogen kan ook worden toegepast ter verwijdering van eye-movement of knipperen artefacten.

Hoewel het redelijk te veronderstellen dat elektrode plaatsing is relatief consistent deelnemers zullen verschillen in het hoofd van grootte en plaatsing van elektroden pet te produceren elektrode locatie variabiliteit. Om een ​​dergelijke variabiliteit, kan elektrode locaties worden gemeten voor elke deelnemer. We maken gebruik van een Polhemus Fastrak digitizer (Colchester, VT) die een zender, drie ontvangers die te monteren op de kap met behulp van klittenband (om te corrigeren voor deelnemers beweging), en een stylus voor het opnemen van elke elektrode locatie (deze hardware is compatibel met de SCAN Neuroscan's / includes 3DSpaceDx software die wij gebruiken voor data-acquisitie). Ongeacht welke digitizer wordt gebruikt, moet deze worden ingesteld op basis van de aangegeven richtlijnen, zoals het vermijden van de nabijheid van grote metalen objecten en het scheiden van zender en ontvanger kabels. De digitizer moet worden gekalibreerd en getest op nauwkeurigheid en moet worden verplaatst, als necessary, naar een andere locatie tot de ruimtelijke lokalisatie accuraat is.

IV. Het verminderen van Electrode Impedanties

Nadat de elektrode locaties zijn gedigitaliseerd, moet de deelnemer comfortabel zitten in de opname stoel. Sommige deelnemers vinden het prettiger wanneer een opgevouwen handdoek is licht verscholen tussen de schouders en de stoel weer terug. Daarna moet de multi-elektrode kap worden aangesloten op de versterkers. De impedantie van elke elektrode moet zodanig dat het lager is dan een vooraf bepaalde drempel worden verlaagd. Dit wordt gedaan door het injecteren van een geleidende gel in elke elektrode opening, waardoor stroom tussen de hoofdhuid en de bovenliggende elektrode. Om de mogelijkheid van cross-deelnemer besmetting, een nieuwe steriele spuit en naald stompe punt moet worden gebruikt voor elke deelnemer. Het is opvallend dat, hoewel 5 K & Omegal is een standaard impedantie drempel, een iets hogere drempel kan worden gebruikt als de omringende elektromagnetische veldsterkte is zeer laag. Wij gebruiken de NeuroScan SCAN software elektrode impedantie, die impedantie niveau wordt door de kleur voor alle elektroden in real-time te meten. Er zijn een aantal van de technieken die kunnen worden versneld de impedantie vermindering proces, dat is het meest tijdrovende aspect van de ERP-data-acquisitie. Het is belangrijk om in gedachten te houden dat het doel is te beperken gel toepassing tussen de hoofdhuid en de direct bovenliggende elektrode. Het wordt aanbevolen dat de dominante hand de spuit en de toepassing van de gel controle, terwijl de niet-dominante hand voert andere functies. De injectiespuit gevuld met het uitvoeren van gel kan tegen de hoofdsteun met geen enkele deelnemer ongemak, maar mag nooit worden gedrukt tegen het hoofd. De eerste, voor een bepaalde elektrode, is het vaak handig om een ​​paar rondjes te maken met de spuit, terwijl hij tegen het hoofd te bewegen de tussenliggende haar. Na deze, terwijl licht indrukken van de elektrode naar beneden met de niet-dominante hand, moet een kleine hoeveelheid gel geïnjecteerd worden op de hoofdhuid en vervolgens de spuit moet worden uitgetrokken en moet de gel inspuiten met een gel brug te slaan tussen de hoofdhuid en het merk elektrode. Gel die uitsteekt van de elektrode opening zou moeten worden geveegd met een tissue en weggegooid. In sommige gevallen zal het uitvoeren van gel verbinding aangrenzende elektroden zodanig dat impedanties zal worden gekoppeld - dit vermindert ruimtelijke resolutie, maar is meestal van minder belang, aangezien er een groot aantal elektroden. Gel moet eerst worden toegepast op de grond en referentie-elektroden, en als de eerste reeks electrode impedanties alle hoog blijven gel moet opnieuw worden toegepast op deze twee elektroden. Als gel wordt meestal meer geleidend loop van de tijd, een strategie is om gel inspuiten in elektroden in een hoofdhuid kwadrant (zoals het recht achterste hoofdhuid) totdat alle impedanties beginnen te dalen, gel inspuiten in elektroden in de komende kwadrant totdat alle impedanties beginnen te dalen , en dan fietsen door de kwadranten re-gel geïnjecteerd in de hoogste impedantie elektroden. Het moet worden benadrukt dat het aanbrengen van de gel-proces nooit de deelnemer ongemak veroorzaken, en moet duidelijk gemaakt aan de deelnemer dat zij enig ongemak verwoorden, zodat de bijbehorende actie kan worden gestopt.

V. Gegevensregistratie

Voordat u de opname begint, moeten de deelnemers worden gestimuleerd om in een comfortabele positie en ontspannen, nekspier artefact te minimaliseren, en vermijd hoofdbewegingen dat het contact tussen de elektroden en de achterste stoel terug zou kunnen produceren. Dient te worden benadrukt aan de deelnemer die tijdens de opname zij relatief nog steeds, als belangrijke beweging van de stoel (die meestal een metalen frame bevat) kunnen elektromagnetische storingen te creëren. Deelnemers moeten krijgen dan een reactie toetsenbord en alle niet-essentiële apparatuur in de buurt van de deelnemer, zoals lampen, moeten worden verwijderd of uitgeschakeld. Toe te staan ​​voor latere event-related analyse, moet het begin van elke stimulus evenement worden gesignaleerd / veroorzaakt door de stimulus computer en ontvangen en opgeslagen samen met de elektrofysiologische gegevens. We sturen deze gang pulsen bij elke stimulus begin via de parallelle poort via E-Prime programma's (Psychologie Software Tools, Inc, Pittsburgh, PA), die op maat InLine poort initialisatie en trigger scripts die vrij beschikbaar zijn ³ omvatten, en de triggers zijn ontvangen en opgeslagen door de SCAN-software. Poort configuratie pin-outs moet worden betrokken om ervoor te zorgen geldige drempelwaarden worden gebruikt. Die van belang zijn, de meeste versterker high-pass filter instellingen zijn aanvaardbaar als het doel is gewoon om te verwijderen zeer lage frequentie componenten (zoals DC) die irrelevant zijn voor de voorbijgaande neurale respons. In tegenstelling, variëren acceptabele low-pass filter instellingen, afhankelijk van de opname-omgeving. In omgevingen met een zeer lage omgevingstemperaturen elektromagnetische interferentie een low-pass filter met een zeer hoge frequentie cutoff (zoals 200 Hz) kan gebruikt worden, dieh minimaliseert vervorming van de neurale reactie die bevat hogere frequenties. In omgevingen met hogere niveaus van interferentie, een lagere frequentie cutoff (zoals 80 Hz) en een 60 Hz notch filter kan worden gebruikt zodanig dat de elektrofysiologische reactie wordt gedomineerd door de neurale signaal. Merk op dat filtering ook kan worden uitgevoerd in de software nadat de gegevens zijn verkregen, hoewel filtering van de versterker fase vaak produceert minder vervorming van het signaal.

VI. Reiniging van de Cap

De multi-elektrode cap moet grondig worden gereinigd en gedesinfecteerd onmiddellijk na het opnemen van gegevens is voltooid. We beginnen met de kap weken in warm water gedurende 5-10 minuten en dan spoelen elke elektrode met een stromend water stroom grondig verwijderen van alle de geleidende gel. Het stompe uiteinde van een houten stok wattenstaafje kan worden gebruikt om de gaten duidelijk in de elektroden. Dan gaan we genieten van de kap in een sopje warm water bad (bestaande uit 4 liter water en 1-2 oz van Dial) gedurende 30 minuten om te zorgen dat alle van de gel is verwijderd, gevolgd door grondig spoelen met water. Om te voorkomen dat cross-contaminatie deelnemer, moet de dop worden geweekt gedurende 15-30 minuten in een geschikt water / desinfecterend middel mix (zoals de 4 delen water op 1 deel Envirocide) en dan moet grondig worden gespoeld met water. Wanneer opknoping van de dop te drogen, moet het symmetrisch en zonder spanning worden geplaatst als het kan een zekere mate van haar drogen positie, die, als onregelmatig kan het gemak van de latere impedantie reductie te verminderen. Bewaren

VII. Analyse Overzicht

Data pre-processing ⁴ bestaat uit meerdere stappen waaronder uitsluiting van elektroden die slechte of intermitterende contact gehad, het verwijderen van blink artefacten, baseline correctie, en extra high-pass of low-pass filter. Pre-processing wordt gevolgd door event-related gemiddeld, en de ruimtelijke resolutie kan worden verbeterd door het uitvoeren van ERP bronlokalisatie ^5. Wij gebruiken de Besa analyse software (Gräfelfing, Duitsland) voor pre-processing, event-related gemiddeld, en de bron lokalisatie (Besa biedt regelmatig twee-daagse cursussen analyse), met aanvullende analyse uitgevoerd op de uitgevoerde event-related gemiddelde bestanden met behulp van geschreven aangepaste scripts in MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).