Événement lié à haute densité acquisition potentielle de données en neurosciences cognitives

Summary

Événement lié potentiels (ERP) l'enregistrement est sous-utilisées en neurosciences cognitives, car les techniques d'acquisition de données ne sont pas facilement disponibles, et cette méthode a souvent une mauvaise résolution spatiale. Pour favoriser l'utilisation accrue des ERP en neurosciences cognitives, les détails techniques présent article clés impliqués dans l'acquisition de données à haute densité d'ERP.

Abstract

Par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est actuellement la méthode standard d'évaluation des fonctions cérébrales dans le domaine des neurosciences cognitives, en partie parce que l'IRMf acquisition de données et des techniques d'analyse sont facilement disponibles. Parce que l'IRMf a une excellente résolution spatiale, mais pauvre résolution temporelle, cette méthode ne peut être utilisé pour identifier la localisation spatiale de l'activité cérébrale associée à un processus donné cognitives (et révèle pratiquement rien sur le cours du temps d'activité du cerveau). En revanche, le potentiel lié à l'événement (ERP) l'enregistrement, une méthode qui est utilisée beaucoup moins fréquemment que l'IRMf, a une excellente résolution temporelle et peuvent donc suivre rapidement modulations temporelles de l'activité neurale. Malheureusement, les ERP sont sous-utilisés en neurosciences cognitives, car les techniques d'acquisition de données ne sont pas aisément disponibles et à faible densité d'enregistrement ERP a une mauvaise résolution spatiale. Dans un effort pour favoriser l'utilisation accrue des ERP en neurosciences cognitives, les détails techniques présent article clés impliqués dans l'acquisition de données à haute densité d'ERP. Critique, les TEP haute densité offrent la promesse d'une excellente résolution temporelle et une bonne résolution spatiale (ou excellente résolution spatiale, si couplé avec l'IRMf), qui est nécessaire pour saisir la dynamique spatio-temporelle de la fonction du cerveau humain.

Protocol

I. Introduction

Dans le domaine de la neuroscience cognitive, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est devenue la méthode standard d'analyse. La popularité de l'IRMf découle en partie de l'acquisition de données facilement disponibles et les techniques d'analyse, en plus de résultats facilement interprétables qui mettent en évidence les régions du cerveau associées à un processus donné cognitives. Cependant, l'IRMf a une mauvaise résolution temporelle et ne peut donc pas suivre la dynamique rapide temporal du cerveau qui fonctionne. Si neuroscientifiques cognitifs continuer à utiliser principalement l'IRMf, l'image résultante de la fonction cérébrale sera sévèrement déficient. Les potentiels évoqués (ERP) sont utilisés beaucoup moins fréquemment, même si cette méthode offre une excellente résolution temporelle. Le but du présent article est de détailler les techniques clés impliqués dans l'acquisition de données à haute densité d'ERP. Il est à espérer que cette information sera de favoriser l'utilisation accrue des ERP en neurosciences cognitives.

II. Installation du matériel général

Données de l'ERP sont généralement mesurées dans un endroit avec un faible niveau de force de champ électromagnétique ambiant à minimiser les interférences avec le signal neural. Pour minimiser ces interférences, les ERP sont souvent mesurés dans une chambre métallique blindé (ie, une cage de Faraday), mais il peut être possible de trouver un endroit non protégé avec un niveau acceptable d'intensité du champ ambiant (1 mg ou moins, qui peut être mesurée à l'aide un compteur champ électromagnétique). Chaque électrode se connecte à un amplificateur qui à son tour se connecte à un ordinateur d'acquisition de données. Un ordinateur séparé est utilisé pour la présentation du stimulus. Pour minimiser les interférences avec le signal neuronal, que les composantes essentielles alimenté devraient être logés dans la chambre blindée ou à proximité du lieu d'enregistrement, tels que l'affichage de relance et le clavier de réponse (par exemple, les lampes peuvent être utilisées pour aider à l'application des électrodes, mais devrait être hors tension pendant l'enregistrement). Un commutateur vidéo peut être utilisé pour afficher soit l'ordinateur d'acquisition de données ou l'ordinateur présentation du stimulus sur un seul moniteur. Si une chambre blindé est utilisé, tous les câbles peuvent fonctionner à travers un petit conduit dans le mur (qui est à quelques centimètres de diamètre) ou une porte fissurée. Les participants doivent être assis dans une chaise confortable avec accoudoirs et d'une hauteur de retour qui offre un soutien d'épaule afin de minimiser artefact musculaire du cou, mais permet d'accéder à des électrodes postérieures inférieures pour la réduction de l'électrode impédance ultérieures. Nous utilisons une chambre blindée (construite par Global Partners in Blindage, Inc, Passaic, New Jersey) et un canal de 128 Quik-Cap/SynAmps ² Neuroscan système (Compumedics Etats-Unis, Charlotte, NC).

III. Placement Cap et la numérisation des électrodes

Les électrodes sont généralement intégrés dans un bouchon de spandex qui réduit considérablement le temps d'application. Toutefois, les emplacements d'électrode relative dans un bouchon sont fixés ce qui élimine la possibilité d'utiliser des configurations d'électrodes standard, telles que le système d'électrode de 10 à 20 ¹ ou un variant plus forte densité tels que le système 10-5 électrode ^2, qui sont positionnés avec précision sur les une base de chaque participant. Pour la présentation des résultats finaux dans un format standard, nous Oz électrode position pour chaque participant à l'emplacement approximatif dictée par le système d'électrode 10-5 (et puis l'étiquette de tous les électrodes en fonction de leurs positions approximative 10-5 système d'électrode). Lors de l'application de la PAC, s'assurer qu'il a symétrie gauche-droite, avec des électrodes placées sur la ligne médiane de la ligne médiane de la tête, et que la plupart des postéro-inférieure électrodes sont supérieurs à la limite du crâne-cou pour éviter des artefacts musculaires du cou. Alors que d'une jugulaire propre à maintenir le bouchon en position, attacher les sangles latérales d'une ceinture sur mesure au niveau de la taille en utilisant des attaches velcro peuvent améliorer le contact électrode latérale de la tête. Électrodes adjacentes pour les yeux peuvent également être appliquées pour l'élimination ultérieure des mouvements oculaires ou des artefacts clignoter.

Bien qu'il soit raisonnable de supposer que le placement des électrodes est relativement uniforme dans les participants, les différences de taille de la tête et le placement capuchon de l'électrode va produire la variabilité emplacement de l'électrode. Pour répondre à cette variabilité, les emplacements d'électrode peut être mesurée pour chaque participant. Nous utilisons un Polhemus FASTRAK numériseur (Colchester, VT) qui comprend un émetteur, trois récepteurs qui montent sur le bouchon à l'aide de velcro (pour corriger les mouvements participant), et un stylet pour l'enregistrement de chaque emplacement de l'électrode (ce matériel est compatible avec le balayage Neuroscan a / 3DSpaceDx logiciels que nous utilisons pour l'acquisition de données). Indépendamment de ce qui numériseur est utilisé, il doit être configuré selon les directives spécifiées, comme éviter la proximité de grands objets métalliques et en séparant l'émetteur et le récepteur des câbles. Le numériseur doit être calibré et testé pour la précision et doit être déplacé, si necessary, à un emplacement différent jusqu'à la localisation spatiale est exacte.

IV. Réduire Impédances électrode

Après les emplacements des électrodes sont numérisés, le participant doit s'asseoir confortablement dans le fauteuil d'enregistrement. Certains participants trouvent plus à l'aise quand une serviette pliée est légèrement coincée entre leurs épaules et la chaise en arrière. Ensuite, le bouchon multi-électrodes doit être branché sur les amplificateurs. L'impédance de chaque électrode doit être réduit de telle sorte qu'il est inférieur à un seuil prédéterminé. Cela se fait par injection d'un gel conducteur dans chaque ouverture d'électrodes, ce qui permettra le passage du courant entre le cuir chevelu et l'électrode sus-jacente. Pour éliminer la possibilité de contre-participant de contamination, une nouvelle seringue et une aiguille stériles bout émoussé doit être utilisé pour chaque participant. Il est à noter que bien que 5 k & Omegal est un seuil impédance standard, un seuil un peu plus élevé peut être utilisé si la force électromagnétique ambiant champ est très faible. Nous utilisons le logiciel Neuroscan SCAN pour mesurer l'impédance des électrodes, qui affiche le niveau de l'impédance par couleur pour toutes les électrodes en temps réel. Il ya un certain nombre de techniques qui peuvent être d'accélérer le processus de réduction de l'impédance, qui est l'aspect le plus de temps d'acquisition de données ERP. Il est important de garder à l'esprit que le but est de restreindre l'application du gel entre le cuir chevelu et l'électrode immédiatement sus-jacente. Il est recommandé que la main dominante de contrôle de la seringue et l'application du gel pendant que la main non dominante effectue d'autres fonctions. La seringue remplie de gel conducteur peut se reposer sur la tête sans aucun inconfort participant, mais ne doit jamais être pressé contre la tête. Tout d'abord, pour une électrode donnée, il est souvent utile de faire quelques cercles avec la seringue pendant qu'il repose contre la tête, pour passer les cheveux intervenir. Après cela, tout en appuyant légèrement sur l'électrode vers le bas avec la main non dominante, une petite quantité de gel doit être injecté au cuir chevelu, puis la seringue doit être retirée, tout en continuant à injecter un gel pour faire un pont entre le gel de cuir chevelu et les électrode. Gel qui dépasse de l'ouverture de l'électrode doit être essuyé avec un tissu et jeté. Dans certains cas, gel conducteur reliera électrodes adjacentes telles que les impédances seront liés - ce qui réduit la résolution spatiale, mais est généralement de préoccupation mineure car il ya un nombre élevé d'électrodes. Gel doit d'abord être appliqué à la masse et les électrodes de référence, et si la première série des impédances d'électrodes restent toutes gel élevée devrait être réappliqué à ces deux électrodes. Que le gel devient généralement plus conducteur au fil du temps, une stratégie consiste à injecter un gel dans les électrodes dans un quadrant du cuir chevelu (comme le cuir chevelu postérieure droite) jusqu'à ce que toutes les impédances commencent à diminuer, d'injecter un gel dans les électrodes dans le quadrant suivante jusqu'à ce que toutes les impédances commencent à diminuer , puis faire défiler les quadrants ré-injection de gel dans les électrodes haute impédance. Il convient de souligner que le processus de l'application du gel ne devrait jamais causer de l'inconfort des participants, et il devrait indiquer clairement au participant qu'ils devraient verbaliser toute gêne pour l'action correspondante peut être arrêtée.

V. Enregistrement des données

Avant l'enregistrement commence, les participants devraient être encouragés à entrer dans une position confortable et se détendre, afin de minimiser artefact musculaire du cou, et d'éviter les mouvements de tête qui pourraient produire de contact entre les électrodes postérieures et la chaise en arrière. Il convient de souligner au participant que pendant l'enregistrement, ils devraient rester relativement immobile, comme un mouvement significatif de la chaise (qui contient habituellement une armature métallique) peut créer des interférences électromagnétiques. Les participants devraient ensuite recevoir un clavier de réponse et de tous les équipements non essentiels à proximité du participant, comme des lumières, devrait être supprimé ou désactivé. Pour permettre ultérieures liées à l'événement d'analyse, l'apparition de chaque événement de relance doit être signalé / déclenché par l'ordinateur de relance et reçues et stockées avec les données électrophysiologiques. Nous envoyons ces impulsions déclenchent à chaque début du stimulus par le port parallèle via E-Prime programmes (Software Tools psychologie, Inc, Pittsburgh, PA), qui incluent le port d'initialisation personnalisée en ligne et déclencher des scripts qui sont disponibles gratuitement ^3, et les déclencheurs sont reçu et stocké par le logiciel de numérisation. Port de configuration brochage doit être référencé à s'assurer que les valeurs de déclenchement valables sont utilisées. De la pertinence, la plupart des amplificateurs haute-pass paramètres du filtre sont acceptables tant que l'objectif est simplement de supprimer des composants de très basse fréquence (comme DC) qui sont sans rapport avec la réponse transitoire de neurones. En revanche, acceptables passe-bas des paramètres de filtre varient en fonction de l'environnement d'enregistrement. Dans les environnements avec des interférences électromagnétiques très basse température ambiante d'un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure très élevée (comme 200 Hz) peut être utilisé, ce quih minimise la distorsion de la réponse neuronale qui ne contiennent des fréquences plus élevées. Dans les environnements avec des niveaux plus élevés d'interférence, une coupure de fréquence inférieure (par exemple 80 Hz) et une encoche 60 Hz filtre peut être utilisé tel que la réponse électrophysiologique est dominée par le signal neuronal. Notez que le filtrage peut également être réalisée dans le logiciel après les données sont acquises, bien que le filtrage à l'étage d'amplification produit souvent moins de distorsion du signal.

VI. Nettoyage du Cap

Le bouchon multi-électrodes doivent être soigneusement nettoyés et désinfectés immédiatement après l'enregistrement des données est terminée. Nous commençons par trempage le bouchon dans l'eau chaude pendant 5-10 minutes puis rincer chaque électrode avec un jet d'eau courante pour bien enlever tous les gel conducteur. L'extrémité émoussée d'un coton-tige bâton de bois peut être utilisé pour effacer les trous dans les électrodes. Ensuite, nous tremper le bouchon dans un bain d'eau tiède savonneuse (composé de 4 litres d'eau et 1-2 oz de Dial) pendant 30 minutes afin d'assurer tout le gel a été retiré, suivie d'un rinçage avec de l'eau. Pour éviter la contamination croisée des participants, le plafond doivent être trempées pendant 15-30 minutes dans une eau appropriée / désinfectant mélanger (comme les 4 parties d'eau pour 1 partie Envirocide) puis doivent être rincés abondamment à l'eau. Lorsque vous suspendez le bouchon à sécher, il doit être placé de façon symétrique et sans tension comme il peut conserver un certain degré de sa position de séchage, qui, si irréguliers peuvent réduire la facilité de la réduction de l'impédance ultérieures.

VII. Aperçu de l'analyse

Les données pré-traitement se compose de ^quatre étapes multiples, y compris l'exclusion des électrodes qui avait un mauvais contact ou intermittente, la suppression des artefacts clignotent, la correction de base et complémentaires filtrage passe-haut ou passe-bas. Pré-traitement est suivi par les événements liés moyenne, et la résolution spatiale peut être améliorée en effectuant la localisation de source ERP ^5. Nous utilisons le logiciel d'analyse BESA (Gräfelfing, Allemagne) pour une moyenne liée événement de pré-traitement, et la localisation de source (BESA offre régulièrement des cours de l'analyse de deux jours), avec une analyse complémentaire menée sur les exportations liées à l'événement des fichiers en utilisant la moyenne des scripts personnalisés écrits dans MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).