High Density Event-Related Potential Data Acquisition in Cognitive Neuroscience

Summary

Event-Related Potentials (ERP)-Aufnahme ist unter in Cognitive Neuroscience verwendet werden, da die Datenerfassung Techniken nicht leicht verfügbar sind und diese Methode hat oft schlechte räumliche Auflösung. Zur Förderung der verstärkten Nutzung von ERP in Cognitive Neuroscience, der vorliegende Artikel Details wichtigsten Techniken in hoher Dichte ERP Datenerfassung beteiligt.

Abstract

Funktionelle Kernspintomographie (fMRI) ist derzeit der Standard-Methode zur Bewertung Hirnfunktion im Bereich der Cognitive Neuroscience, zum Teil weil fMRI Datenerfassungs-und Analyse-Techniken leicht verfügbar sind. Da fMRI hat hervorragende räumliche Auflösung, aber schlechte zeitliche Auflösung, kann diese Methode nur verwendet werden, um die räumliche Lage der Hirnaktivität mit einer bestimmten kognitiven Prozess (und zeigt so gut wie nichts über den zeitlichen Verlauf der Aktivität des Gehirns) assoziiert zu identifizieren. Im Gegensatz dazu ereignisbezogene Potential (ERP)-Aufnahme, eine Methode, die viel weniger häufig als fMRI verwendet wird, verfügt über exzellente zeitliche Auflösung und somit eine schnelle zeitliche Modulationen in neuronale Aktivität zu verfolgen. Leider sind ERPs unter in Cognitive Neuroscience verwendet werden, da die Datenerfassung Techniken nicht leicht verfügbar sind und eine geringe Dichte ERP Aufnahme hat eine schlechte räumliche Auflösung. In dem Bemühen, den verstärkten Einsatz von ERP in Cognitive Neuroscience, der vorliegende Artikel Details wichtigsten Techniken in hoher Dichte ERP Datenerfassung beteiligt zu fördern. Entscheidend ist, bieten eine hohe Dichte EKPs das Versprechen von hervorragender zeitlicher Auflösung und eine gute räumliche Auflösung (oder sehr gute räumliche Auflösung, wenn sie mit fMRI gekoppelt), die erforderlich sind, um die räumlich-zeitliche Dynamik der Funktion des menschlichen Gehirns zu erfassen.

Protocol

I. Einleitung

Im Bereich der Cognitive Neuroscience, der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) hat sich zum Standard-Methode der Analyse. Die Popularität von fMRI stammt zum Teil aus leicht erhältlichen Datenerfassungs-und Analyse-Techniken zusätzlich zu leicht interpretierbare Ergebnisse, dass die Hirnregionen mit einer bestimmten kognitiven Prozess zugeordnet Highlight. Allerdings hat fMRI schlechte zeitliche Auflösung und kann daher nicht verfolgen die rasche zeitliche Dynamik der Funktionsweise des Gehirns. Wenn kognitive Neurowissenschaftler in erster Linie nutzen fMRI fortsetzen, wird das resultierende Bild der Funktion des Gehirns werden stark defizitär. Event-Potentiale (EKP) sind viel seltener, obwohl diese Methode bietet hervorragende zeitliche Auflösung verwendet. Der Zweck des vorliegenden Artikels ist es, detailliert die wichtigsten Techniken in hoher Dichte ERP Datenerfassung beteiligt. Es ist zu hoffen, dass diese Informationen dem verstärkten Einsatz von ERP in Cognitive Neuroscience fördern.

II. Allgemeine Ausrüstung Setup-

ERP-Daten sind in der Regel an einem Ort mit einer niedrigen Umgebungstemperatur elektromagnetischen Feldstärke, um Interferenzen mit der neuronale Signal zu minimieren gemessen. Zur Minimierung solcher Störungen sind ERPs oft in einem abgeschirmten Metallgehäuse Kammer (dh ein Faraday-Käfig) gemessen, aber es kann möglich sein, eine ungeschirmte Lage mit einem akzeptablen Niveau der Umgebungstemperatur Feldstärke (1 mg oder weniger, was gemessen werden kann, finden ein elektromagnetisches Feld m). Jede Elektrode eine Verbindung zu einem Verstärker, der wiederum eine Verbindung zu einem Datenerfassung Computer. Ein separater Computer für Stimulus-Präsentation verwendet. Zur Minimierung der Eingriffe in das neuronale Signal, nur wesentlich angetrieben Komponenten innerhalb des abgeschirmten Kammer oder in der Nähe der Aufnahmeort, wie der Reiz-Display und die Antwort Tastatur (z. B. sollte untergebracht werden können Lampen verwendet werden, um in Elektrode Anwendung zu unterstützen, sollte aber während der Aufnahme powered). Ein Video Switch kann verwendet werden, um entweder die Datenerfassung Computer oder der Stimulus-Präsentation Computer auf einem einzigen Monitor angezeigt werden. Wenn einer abgeschirmten Kammer verwendet wird, kann alle Kabel durch einen kleinen Kanal in der Wand (das ist ein paar Zentimeter im Durchmesser) oder eine rissige Tür laufen. Die Teilnehmer sollten in einem bequemen Stuhl mit Armlehnen und einer Rückenhöhe, dass Schulter-Unterstützung bietet, um Nackenmuskulatur Artefakt zu minimieren sitzen, sondern ermöglicht den Zugriff auf hinteren unteren Elektroden für nachfolgende Elektrodenimpedanz Reduktion. Wir verwenden einen abgeschirmten Raum (erbaut von Global Partners in Abschirmung, Inc., Passaic, NJ) und einem 128-Kanal-Quik-Cap/SynAmps ² Neuroscan System (Compumedics USA, Charlotte, NC).

III. Cap Placement und Electrode Digitalisierung

Die Elektroden sind in der Regel in einer Spandex Kappe, die erheblich reduziert Einwirkzeit eingebettet. Allerdings sind die relativen Elektrode Standorten in eine Kappe befestigt, die eliminiert die Möglichkeit der Verwendung von Standard-Elektroden-Konfigurationen, wie die 10-20 Elektrodensystem ¹ oder eine höhere Dichte Variante wie die 5.10 Elektrodensystem ^2, die genau auf positioniert sind einen einzelnen Teilnehmer Grundlage. Für die Präsentation der Endergebnisse in einem Standardformat, diktierte positionieren wir Elektrode Oz für jeden Teilnehmer an den ungefähren Standort des 10-5 Elektrodensystem (und dann Etikett alle Elektroden entsprechend ihrer ungefähren 10-5 Elektrodensystem Positionen). Bei der Anwendung der Kappe, sicher hat es links-rechts-Symmetrie, mit Mittellinie Elektroden über der Mittellinie des Kopfes platziert, und dass die meisten posterior-inferior Elektroden sind besser als der Schädel-Hals-Grenze zu Nackenmuskulatur Artefakt zu vermeiden. Während ein Kinnriemen angemessen halten wird die Kappe in Position, können Anbringen der Seitenbänder um eine maßgeschneiderte Gürtel in Hüfthöhe mit Klettverschlüssen zu verbessern seitlichen Elektrode Kontakt mit dem Kopf. Elektroden neben den Augen auch für die anschließende Entfernung von Augen-Bewegung oder Blinken Artefakte angewendet werden.

Obwohl es vernünftig ist anzunehmen, dass die Platzierung der Elektroden ist relativ konsistent über die Teilnehmer, werden die Unterschiede in Kopfgröße und Elektrodenkappe Platzierung produzieren Elektrode Lage Variabilität. Um diese Variabilität kann Elektrode Standorten für jeden Teilnehmer gemessen werden. Wir verwenden eine Polhemus FASTRAK Digitizer (Colchester, VT), die einen Sender, drei Empfängern, die auf die Kappe mit Klettverschluss (für Teilnehmer Bewegung richtig) montiert, und ein Stift für die Aufnahme jeder Elektrode Lage (diese Hardware ist kompatibel mit Neuroscan die SCAN / includes 3DSpaceDx Software, die wir für die Datenerfassung zu verwenden). Unabhängig davon, welche Digitizer verwendet wird, sollte es Setup nach dem vorgegebenen Richtlinien, wie zB die Vermeidung der Nähe von großen metallischen Gegenständen und Trennen Sender und Empfänger zu verlegen. Der Digitizer ist kalibriert und auf ihre Richtigkeit geprüft werden und sollte verschoben werden, wenn necessary, an einen anderen Ort, bis die räumliche Lokalisierung korrekt ist.

IV. Reduzierung Elektrodenimpedanzen

Nach der Elektrode Standorten digitalisiert sind, sollten die Teilnehmer bequem sitzen in der Aufnahme Stuhl. Einige Teilnehmer finden es bequemer, wenn ein gefaltetes Handtuch ist leicht zwischen die Schultern und die Stuhllehne versteckt. Dann sollte die Multi-Elektroden-Kappe in den Verstärker angeschlossen werden. Die Impedanz der einzelnen Elektroden müssen, dass sie unterhalb einer vorgegebenen Schwelle gesenkt werden. Dies wird durch das Einspritzen einer leitenden Gel in jede Elektrode Öffnung, die es erlauben Strom zwischen der Kopfhaut und der darüber liegenden Elektrode fließen Wille geschehe. Um die Möglichkeit von Cross-Kontamination Teilnehmer, eine neue sterile Spritze und stumpfe Spitze Nadel muss für jeden Teilnehmer verwendet werden. Es ist bemerkenswert, dass, obwohl 5 k & Omegal ist ein Standard-Impedanz-Schwelle, eine etwas höhere Schwelle eingesetzt werden können, wenn die Umgebungstemperatur elektromagnetischen Feldstärke ist sehr gering sein. Wir nutzen die Neuroscan SCAN Software Elektrodenimpedanz, die Impedanz-Ebene zeigt nach Farbe für alle Elektroden in Echtzeit zu messen. Es gibt eine Reihe von Techniken, die Beschleunigung der Impedanz Reduktion, die die meiste Zeit in Anspruch Aspekt der ERP Datenerfassung kann. Es ist wichtig zu bedenken, dass das Ziel der Anwendung des Gels zwischen der Kopfhaut und der unmittelbar darüber liegenden Elektrode beschränken ist. Es wird empfohlen, dass die dominante Hand die Spritze und Anwendung des Gels zu steuern, während die nicht-dominante Hand führt andere Funktionen. Die Spritze mit der Durchführung von Gel kann gegen den Kopf mit keiner der Teilnehmer Beschwerden Rest gefüllt, sollte aber nie gegen den Kopf gedrückt werden. Erstens, für eine bestimmte Elektrode ist es oft nützlich, ein paar Kreise mit der Spritze zu machen, während es gegen den Kopfstützen, die dazwischen liegenden Haare zu bewegen. Nach diesem, während leichtes Andrücken der Elektrode nach unten mit der nicht dominanten Hand, sollte eine kleine Menge des Gels auf die Kopfhaut injiziert werden und dann die Spritze sollte herausgezogen werden, während weiterhin Gel zu injizieren, um ein Gel Brücke zwischen der Kopfhaut und die machen Elektrode. Gel, dass ragt aus der Elektrode Eröffnung off sollte mit einem Tuch abgewischt werden und verworfen. In einigen Fällen wird die Durchführung Gel verbinden benachbarten Elektroden, so dass Impedanzen verbunden werden - das reduziert räumliche Auflösung, sondern ist in der Regel von geringer Bedeutung, da es eine hohe Anzahl von Elektroden werden. Gel sollte zuerst auf den Boden und Referenz-Elektroden angelegt werden, und wenn der erste Satz von Elektrodenimpedanzen alle hoch bleiben Gel sollte auf diese beiden Elektroden erneut angewendet werden. Als Gel-Regel wird immer leitend im Laufe der Zeit, ist eine Strategie, um Gel in Elektroden innerhalb einer Kopfhaut Quadranten (wie z. B. den rechten hinteren Kopfhaut) zu injizieren, bis alle Impedanzen zu verringern, injizieren Gel in Elektroden innerhalb der nächsten Quadranten, bis alle Impedanzen zu verringern beginnen beginnen , und dann radeln durch die Quadranten re-injiziert Gel in die höchste Impedanz Elektroden. Es sollte hervorgehoben werden, dass das Gel Bewerbung sollte nie der Teilnehmer Unbehagen, und es sollte deutlich gemacht, die Teilnehmer, dass sie irgendwelche Beschwerden zu verbalisieren, so dass die entsprechende Aktion gestoppt werden kann.

V. Datenaufzeichnung

Vor der Aufnahme beginnt, sollten die Teilnehmer ermutigt werden, in eine komfortable Position zu bringen und zu entspannen, Nacken-Muskulatur Artefakt zu minimieren und zu vermeiden Kopfbewegungen, dass der Kontakt zwischen den hinteren Elektroden und die Rückenlehne zu produzieren könnten. Es sollte dem Teilnehmer betont werden, dass während der Aufnahme sollten sie relativ ruhig bleiben, da wesentliche Bewegung des Stuhls (in der Regel enthält ein Metallrahmen) können elektromagnetische Störungen verursachen. Die Teilnehmer sollten dann eine Antwort erhalten Tastatur und alle nicht benötigten Geräte in der Nähe der Teilnehmer, wie Lampen, sollten entfernt oder deaktiviert. Um für die nachfolgende Veranstaltung im Zusammenhang mit Analysen, muss der Beginn eines jeden Reiz Ereignis signalisiert / durch den Reiz Computer ausgelöst werden und empfangen und zusammen mit den elektrophysiologischen Daten gespeichert. Wir senden diese Triggerimpulse bei jedem Beginn des Stimulus über den parallelen Anschluss via E-Prime-Programme (Psychologie Software Tools, Inc., Pittsburgh, PA), dass benutzerdefinierte InLine-Port-Initialisierung und Trigger-Skripte, die frei verfügbar sind ³ enthalten, und die Auslöser sind empfangen und gespeichert durch die Scan-Software. Port-Konfiguration Pin-Outs sollte verwiesen, um sicherzustellen, gültigen Trigger-Werte verwendet werden. Von Bedeutung sind die meisten Verstärker High-Pass Filter-Einstellungen akzeptabel, da die Ziel ist es einfach zu sehr niedrigen Frequenz Komponenten (wie DC), die irrelevant für die transiente neuronale Reaktion zu entfernen. Im Gegensatz dazu variieren akzeptable Low-Pass-Filter-Einstellungen auf dem Recording-Umgebung abhängig. In Umgebungen mit sehr niedrigen Umgebungstemperaturen elektromagnetische Störungen ein Low-Pass-Filter mit einer sehr hohen Grenzfrequenz (z. B. 200 Hz) verwendet werden können, dieh minimiert Verzerrungen der neuronalen Antwort, die enthalten höhere Frequenzen hat. In Umgebungen mit höheren Störpegel, eine niedrigere Grenzfrequenz (zB 80 Hz) und ein 60 Hz Notch-Filter kann verwendet werden, so dass die elektrophysiologische Reaktion durch das neuronale Signal dominiert wird. Beachten Sie, dass die Filterung auch in der Software durchgeführt werden, nachdem die Daten erfasst, obwohl Filterung am Verstärkerstufe erzeugt oft weniger Signalverzerrung.

VI. Reinigung des Cap

Die Multi-Elektroden-Kappe muss gründlich gereinigt und desinfiziert werden sofort nach Datenerfassung abgeschlossen ist. Wir beginnen mit Einweichen der Kappe in warmem Wasser für 5-10 Minuten und dann spülen jede Elektrode mit einem laufenden Wasserstrahl gründlich entfernen Sie alle leitenden Gel. Das stumpfe Ende eines Holzstab Wattestäbchen kann verwendet werden, um die Löcher in den Elektroden deutlich werden. Dann werden wir genießen die Kappe in eine seifige warmen Wasserbad (bestehend aus 4 Liter Wasser und 1-2 Unzen Dial) für 30 Minuten, um sicherzustellen, dass alle das Gel entfernt wurde, gefolgt von gründlichem Ausspülen mit Wasser. Zur Vermeidung von Cross-Kontamination Teilnehmer muss die Kappe für 15-30 Minuten in einem geeigneten Wasser / Desinfektionsmittel mischen (z. B. 4 Teile Wasser zu 1 Teil Envirocide) einweichen und dann gründlich mit Wasser abgespült werden. Wenn Aufhängen der Kappe, um zu trocknen, sollte sie symmetrisch und ohne Spannung gesetzt werden, da sie einen gewissen Grad an dessen Trocknung Position, die, wenn unregelmäßige die Leichtigkeit der nachfolgenden Impedanz Reduzierung reduzieren können. Kann behalten

VII. Analysis Overview

Daten-Vorverarbeitung ⁴ besteht aus mehreren Schritten, einschließlich Ausschluss von Elektroden, die arm oder Wackelkontakt hatte, die Entfernung von blink Artefakte, Baseline-Korrektur und zusätzliche High-Pass oder Tiefpassfilterung. Pre-Processing wird von Event-bezogenen durchschnittlich gefolgt, und die räumliche Auflösung kann durch die Durchführung ERP Quelllokalisierung ⁵ verbessert werden. Wir nutzen die BESA-Analyse-Software (Gräfelfing, Deutschland) für Pre-Processing-, Event-Mittelung und Quelllokalisierung (BEG bietet regelmäßig zweitägige Analyse Kurse), mit zusätzlichen Analyse exportiert Event-bezogene durchschnittliche Dateien mit benutzerdefinierten Skripts geschrieben durchgeführt in MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).