Ad alta densità di eventi legati potenziale acquisizione dei dati in Neuroscienze Cognitive

Summary

Potenziali evento-correlati (ERP) di registrazione è sotto utilizzato in Neuroscienze Cognitive, perché le tecniche di acquisizione dei dati non sono facilmente disponibili e questo metodo è spesso scarsa risoluzione spaziale. Per favorire un maggior uso di ERP in Neuroscienze Cognitive, tecniche particolari presente articolo chiave coinvolti nella acquisizione ad alta densità di dati ERP.

Abstract

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è attualmente il metodo standard di valutazione delle funzioni cerebrali nel campo delle Neuroscienze Cognitive, in parte perché fMRI acquisizione dei dati e tecniche di analisi sono facilmente disponibili. Perché fMRI ha un'eccellente risoluzione spaziale, ma poveri risoluzione temporale, questo metodo può essere utilizzato solo per identificare la posizione spaziale di attività cerebrale associato ad un determinato processo cognitivo (e rivela praticamente nulla sulla durata di attività cerebrale). Al contrario, potenziali evento-correlati (ERP) di registrazione, un metodo che viene utilizzato molto meno frequentemente di risonanza magnetica funzionale, ha un'ottima risoluzione temporale, e quindi in grado di monitorare rapidamente modulazioni temporali di attività neurale. Purtroppo, ERP sono sotto utilizzati in Neuroscienze Cognitive, perché le tecniche di acquisizione dei dati non sono facilmente disponibili e bassa densità di registrazione ERP ha scarsa risoluzione spaziale. Nel tentativo di favorire un maggior uso di ERP in Neuroscienze Cognitive, tecniche particolari presente articolo chiave coinvolti nella acquisizione ad alta densità di dati ERP. Criticamente, ERP ad alta densità offrono la promessa di ottima risoluzione temporale e una buona risoluzione spaziale (o eccellente risoluzione spaziale, se accoppiato con fMRI), che è necessario per catturare la dinamica spazio-temporale del funzionamento del cervello umano.

Protocol

I. Introduzione

Nel campo delle Neuroscienze Cognitive, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è diventato il metodo standard di analisi. La popolarità di fMRI deriva in parte dalla acquisizione dati immediatamente disponibili e tecniche di analisi, oltre a risultati facilmente interpretabili che evidenziano le regioni del cervello associate a un determinato processo cognitivo. Tuttavia, la fMRI ha scarsa risoluzione temporale e quindi non in grado di monitorare le dinamiche rapido temporale del funzionamento del cervello. Se neuroscienziati cognitivi continuare ad utilizzare principalmente fMRI, l'immagine risultante delle funzioni cerebrali saranno gravemente carente. Potenziali evento-correlati (ERP) sono utilizzati meno di frequente, anche se questo metodo offre un'eccellente risoluzione temporale. Lo scopo del presente articolo è quello di dettaglio le tecniche chiave coinvolti ad alta densità di ERP di acquisizione dati. Si spera che queste informazioni favorire un maggior uso di ERP in Neuroscienze Cognitive.

II. Attrezzatura generale Setup

Dati ERP sono in genere misurata in un luogo con un basso livello di intensità del campo elettromagnetico ambientale per minimizzare le interferenze con il segnale neurale. Per ridurre al minimo tali interferenze, ERP sono spesso misurati in una camera in metallo schermato (cioè, una gabbia di Faraday), ma può essere possibile trovare una posizione non schermata con un accettabile livello di intensità di campo ambientale (1 mg o meno, che può essere misurata con un misuratore di campo elettromagnetico). Ogni elettrodo collegato ad un amplificatore che a sua volta si collega ad un computer di acquisizione dati. Un computer separato è utilizzato per la presentazione dello stimolo. Per ridurre al minimo le interferenze con il segnale neurale, solo i componenti essenziali alimentato dovrebbero essere alloggiati all'interno della camera schermata o in prossimità del luogo di registrazione, come il display stimolo e la risposta della tastiera (per esempio, le lampade possono essere utilizzate per aiutare a l'applicazione degli elettrodi, ma deve essere spento durante la registrazione). Un interruttore video può essere utilizzato per visualizzare sia l'acquisizione dei dati del computer o il computer presentazione stimolo su un singolo monitor. Se una camera schermata viene utilizzato, tutti i cavi possono essere eseguiti attraverso un condotto nel muro (che è a pochi centimetri di diametro) o una porta rotta. I partecipanti devono essere seduti in una comoda sedia con braccioli e un'altezza di nuovo che fornisce il supporto spalla per ridurre al minimo artefatto muscolare del collo, ma consente l'accesso al posteriore elettrodi inferiore per conseguente riduzione dell'impedenza dell'elettrodo. Noi usiamo una camera schermata (costruita dai partner globali in schermatura, Inc., Passaic, New Jersey) e un 128-canale Quik-Cap/SynAmps ² NeuroScan sistema (Compumedics USA, Charlotte, NC).

III. Cap di collocamento e Digitalizzazione elettrodi

Gli elettrodi sono solitamente incorporati in un berretto spandex che riduce significativamente il tempo di applicazione. Tuttavia, la posizione relativa degli elettrodi in un cappuccio sono fissi che elimina la possibilità di utilizzare configurazioni di elettrodi standard, come il sistema di elettrodi 10-20 ¹ o una variante di maggiore densità, come il sistema di elettrodi 10-5 ^2, che sono posizionate in base singolo partecipante. Per la presentazione dei risultati finali in un formato standard, elettrodo Oz posizione per ogni partecipante alla posizione approssimativa dettate dal sistema di elettrodi 10-5 (e poi etichetta tutti gli elettrodi secondo la loro posizione approssimativa 10-5 sistema di elettrodi). Quando si applica il tappo, assicurarsi che ha simmetria sinistra-destra, con elettrodi linea mediana posto sopra la linea mediana della testa, e che la maggior parte postero-inferiore elettrodi sono superiori al cranio-collo confine per evitare artefatti muscolari del collo. Mentre un sottogola in modo adeguato mantenere il tappo in posizione, fissare le cinghie laterali di una cintura su misura a livello della vita con chiusura in velcro laterale in grado di migliorare il contatto dell'elettrodo con la testa. Elettrodi adiacenti agli occhi può essere applicato anche per la successiva rimozione del movimento degli occhi o artefatti lampeggiare.

Anche se è ragionevole supporre che il posizionamento degli elettrodi è relativamente coerente tra i partecipanti, le differenze di dimensioni della testa e cappuccio posizionamento degli elettrodi produrrà posizione variabilità degli elettrodi. Per far fronte a tale variabilità, posizioni degli elettrodi può essere misurato per ogni partecipante. Usiamo un Polhemus Fastrak digitalizzatore (Colchester, VT) che include un trasmettitore, tre ricevitori che montare sul tappo con velcro (per correggere il movimento dei partecipanti), e uno stilo per la registrazione di ogni posizione degli elettrodi (questo hardware è compatibile con SCAN Neuroscan s / 3DSpaceDx software che usiamo per l'acquisizione dei dati). Indipendentemente da quale digitalizzatore è utilizzato, deve essere impostato secondo le linee guida specificate, come ad esempio evitare la vicinanza a grandi oggetti metallici che separa trasmettitore e ricevitore e cavi. Il digitalizzatore dovrebbe essere calibrato e testato per la precisione e deve essere spostato, se necessary, in una posizione diversa fino a quando la localizzazione spaziale è accurato.

IV. Ridurre Impedenze elettrodo

Dopo le posizioni degli elettrodi vengono digitalizzati, il partecipante deve sedersi comodamente sulla poltrona di registrazione. Alcuni partecipanti trovano più comodo quando un asciugamano piegato è leggermente nascosto tra le spalle e lo schienale della sedia. Poi, il multi-elettrodo tappo deve essere inserito nella amplificatori. L'impedenza di ciascun elettrodo deve essere ridotta in modo che sia sotto di una soglia predeterminata. Questo viene fatto iniettando un gel conducendo in ogni apertura elettrodo, che permetterà al flusso di corrente tra il cuoio capelluto e l'elettrodo sovrastante. Per eliminare la possibilità di cross-contaminazione partecipante, una nuova siringa sterile e aghi punta smussata deve essere utilizzato per ogni partecipante. È da notare che anche se 5 k & Omegal è una soglia impedenza standard, un po 'più alto della soglia può essere utilizzata se l'ambiente intensità del campo elettromagnetico è molto basso. Noi utilizziamo il software NeuroScan SCAN per misurare l'impedenza degli elettrodi, che visualizza il livello di impedenza di colore per tutti gli elettrodi in tempo reale. Ci sono una serie di tecniche che si possono accelerare il processo di riduzione dell'impedenza, che è l'aspetto più tempo di acquisizione dati ERP. E 'importante tenere a mente che l'obiettivo è quello di limitare l'applicazione del gel tra il cuoio capelluto e l'elettrodo immediatamente sovrastante. Si raccomanda che la mano dominante controllo la siringa e l'applicazione del gel, mentre la mano non dominante svolge altre funzioni. La siringa piena di gel conduttore può stare contro la testa senza alcun disagio partecipante, ma non dovrebbe mai essere premuto contro la testa. In primo luogo, per un elettrodo dato, è spesso utile per fare un paio di cerchi con la siringa mentre si riposa contro la testa, per spostare i capelli intervenire. Dopo questo, mentre premendo leggermente l'elettrodo verso il basso con la mano non dominante, una piccola quantità di gel deve essere iniettato al cuoio capelluto e poi la siringa deve essere tirato fuori, pur continuando a iniettare gel per fare un ponte tra il gel e il cuoio capelluto elettrodo. Gel che fuoriesce dall'apertura elettrodo deve essere cancellato con un fazzoletto e scartati. In alcuni casi, gel conduttore si collegherà elettrodi adiacenti in modo tale che impedenze saranno collegati - ciò riduce la risoluzione spaziale, ma di solito è di interesse minore in quanto vi sono un elevato numero di elettrodi. Gel deve prima essere applicato a terra ed elettrodi di riferimento, e se la prima serie di impedenze dell'elettrodo rimangono tutti in gel ad alta dovrebbe essere riapplicato a questi due elettrodi. Come gel di solito, diventa più conduttivo nel corso del tempo, una strategia è quella di iniettare in gel elettrodi all'interno di un quadrante del cuoio capelluto (come il cuoio capelluto posteriore destra) fino a quando tutte le impedenze cominciano a diminuire, iniettare gel elettrodi all'interno del quadrante successivo fino a che tutte le impedenze cominciano a diminuire , e poi scorrere i quadranti re-iniezione di gel nella elettrodi più alta impedenza. Va sottolineato che il processo di applicazione del gel non dovrebbe mai causare il disagio dei partecipanti, e dovrebbe chiarito al partecipante che devono verbalizzare il disturbo in modo che il corrispondente azione può essere fermato.

V. I dati di registrazione

Prima di registrare l'inizio, i partecipanti dovrebbero essere incoraggiati a entrare in una posizione comoda e rilassarsi, per ridurre al minimo artefatto muscolo del collo, ed evitare movimenti della testa che potrebbe produrre il contatto tra gli elettrodi posteriore e lo schienale della sedia. Va sottolineato al partecipante che durante la registrazione essi dovrebbero rimanere relativamente ancora, come movimento significativo della poltrona (che in genere contiene una struttura metallica) possono creare interferenze elettromagnetiche. I partecipanti dovranno poi ricevere una risposta della tastiera e di tutti gli apparecchi non essenziali in prossimità del partecipante, come luci, deve essere rimosso o disattivato. Per consentire per le successive analisi evento-correlati, l'inizio di ogni evento stimolo deve essere segnalato / innescato dal computer stimolo e ricevuti e memorizzati insieme ai dati elettrofisiologici. Mandiamo questi impulsi innescano ogni insorgenza stimolo tramite la porta parallela via E-Prime programmi (Software Tools Psicologia, Inc., Pittsburgh, PA), che comprendono di inizializzazione personalizzato InLine porta e innescare gli script che sono liberamente disponibili ^3, e gli inneschi sono ricevuti e memorizzati dal software di scansione. Port configurazione dei pin-out dovrebbe essere rapportata al garantire valori di soglia validi vengono utilizzati. Di pertinenza, la maggior parte amplificatore impostazioni del filtro passa-alto sono accettabili in quanto l'obiettivo è semplicemente quello di rimuovere i componenti di frequenza molto bassa (come la DC) che sono irrilevanti per la risposta ai transienti neurale. Al contrario, accettabile impostazioni del filtro passa-basso variano a seconda dell'ambiente di registrazione. In ambienti a bassissima interferenze elettromagnetiche ambiente, ad una filtro passa-basso con una frequenza di taglio molto elevata (ad esempio 200 Hz) può essere utilizzato, cheh minimizza la distorsione della risposta neurale che contiene le frequenze più alte. In ambienti con livelli più elevati di interferenza, una frequenza di taglio inferiore (come ad esempio 80 Hz) ed un 60 Hz filtro notch può essere utilizzato in modo tale che la risposta elettrofisiologica è dominato dal segnale neurale. Si noti che il filtraggio può anche essere condotta in software dopo i dati sono acquisiti, anche se il filtraggio allo stadio di amplificazione spesso produce meno distorsione del segnale.

VI. Pulizia del Cap

Il multi-elettrodo tappo deve essere accuratamente puliti e disinfettati immediatamente dopo la registrazione dei dati è stata completata. Si comincia immergendo il tappo in acqua tiepida per 5-10 minuti e poi risciacquare ogni elettrodo con un flusso di acqua corrente per eliminare completamente tutti i gel conduttore. La punta di un bastoncino di legno, cotone bastone può essere usato per cancellare i fori degli elettrodi. Poi abbiamo immergere il tappo in un bagno di acqua calda e sapone (composta da 4 litri di acqua e 1-2 ml di Dial) per 30 minuti per assicurare tutto il gel è stato rimosso, seguito da un risciacquo con acqua. Per evitare la contaminazione dei partecipanti, il tappo deve essere messo a bagno per 15-30 minuti in un apposito acqua / miscela disinfettante (ad esempio 4 parti di acqua e 1 Envirocide parte) e poi devono essere risciacquati abbondantemente con acqua. Quando appendere il tappo si asciughi, dovrebbe essere collocato simmetricamente e senza tensione come può conservare un certo grado di asciugare la sua posizione che, se irregolari possono ridurre la facilità di riduzione dell'impedenza successive.

VII. Analisi Panoramica

I dati di pre-elaborazione ⁴ consiste in più passaggi tra cui l'esclusione di elettrodi che hanno avuto contatti poveri o intermittente, la rimozione di manufatti lampeggiare, correzione al basale, e ulteriori filtri passa-alto o passa-basso. Pre-elaborazione è seguita da eventi legati media, e la risoluzione spaziale può essere migliorata conducendo localizzazione fonte ERP ^5. Usiamo il software di analisi BESA (Gräfelfing, Germania) per la pre-elaborazione, evento-correlati media, e la localizzazione fonte (BESA offre regolarmente corsi di due giorni di analisi), con ulteriori analisi condotte su esportati i file media event-correlate utilizzando script personalizzati scritti in MATLAB (The MathWorks, Natick, MA).