Untersuchung Social Cognition in Kinder und Erwachsene mit Dense Array Elektroenzephalographie ( _D EEG)

Summary

Dense Array Elektroenzephalographie wird zunehmend zu sozialen kognitiven Funktionen bei Säuglingen und Erwachsenen Studie verwendet. Hier präsentieren wir eine etablierte Methode, die eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Methoden zur Untersuchung von Säuglingen und Erwachsenen EEG darstellt.

Abstract

Dichte Anordnung der Elektroenzephalographie (EEG _d), die eine nicht-invasive Fenster zur Messung Hirnaktivität und einer zeitlichen Auflösung von keinem anderen aktuellen bildgebenden Technologie ^1,2 bietet, wird zunehmend in das Studium der sozialen kognitiven Fähigkeiten bei Kindern und Erwachsenen verwendet . Während _d EEG ist so dass die Forscher die Gehirnaktivität Muster mit bisher unerreichten Empfindlichkeit zu untersuchen, weiterhin konventionelle EEG-Aufzeichnung Systemen mit bestimmten Einschränkungen, einschließlich 1) Gesicht schlechten räumlichen Auflösung und Quelllokalisierung ^3,4, 2) die körperlichen Beschwerden für Testpersonen ertragen die individuelle Anwendung zahlreicher Elektroden an der Oberfläche der Kopfhaut, und 3) die Komplexität für die Forscher des Lernens, um mehrere Software-Pakete verwenden, um zu sammeln und zu verarbeiten. Hier präsentieren wir Ihnen einen Überblick über eine etablierte Methode, die eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Methoden zur Untersuchung von Säuglingen und Erwachsenen EEG darstellt. Obwohl mehrere analytische Software-Techniken können verwendet werden, um indirekte Indizes Quelllokalisierung einzurichten, um die räumliche Auflösung von _d EEG zu verbessern, die Hydrocele Geodesic Sensor Net (HCGSN) durch elektrische Geodäten, Inc. (EGI), ein dichtes sensorischen Array, das gleiche Abstände unterhält zwischen benachbarten Aufnahme Elektroden auf allen Oberflächen der Kopfhaut, eine weitere Verbesserung räumlicher Auflösung ^4,5,6 im Vergleich zu Standard _d EEG-Systeme. Der Schwamm-basierte HCGSN kann schnell und ohne Abrieb Kopfhaut aufgetragen werden, wodurch es ideal für den Einsatz bei Erwachsenen ^7,8, Kinder ^9,10,11 und Kleinkinder ^12, sowohl in der Forschung und der klinischen ^{4,5,6,13,14 , 15} Einstellungen. Diese Funktion ermöglicht eine beträchtliche Zeit-und Kosteneinsparungen durch die Verringerung der durchschnittlichen Netto-Anwendung im Vergleich zu anderen _d EEG-Systeme. Darüber hinaus enthält die HCGSN einheitliche, nahtlose Software-Applikationen für alle Phasen der Daten erheblich vereinfacht die Erhebung, Verarbeitung und Analyse von _d EEG-Daten.

Die HCGSN verfügt über eine Low-Profile-Elektrode Sockel, die, wenn sie mit Elektrolyt-Lösung gefüllt, schafft eine versiegelte Mikroumgebung und einer Elektrode-Kopfhaut-Schnittstelle. In allen Geodesic _d EEG-Systeme, erkennen EEG-Sensoren Änderungen der Spannung, die aus dem Teilnehmer der Kopfhaut, zusammen mit einer kleinen Menge von elektrischen Störungen, die aus dem Raumklima. Elektrische Signale von allen Sensoren der Geodesic sensor net werden gleichzeitig durch den Verstärker, wo sie automatisch verarbeitet, verpackt erhalten, und an die Datenerfassungs-Computer (DAC). Einmal durch den DAC erhalten haben, können Kopfhaut elektrische Aktivität von Artefakten für die Analyse unter Verwendung der Filter-und Artefakt-Erkennungs-Tools in der EGI-Software enthalten, isoliert werden. Typischerweise kann der HCGSN kontinuierlich für nur bis zu zwei Stunden verwendet werden, da der Elektrolyt-Lösung trocknet im Laufe der Zeit allmählich abnehmenden Qualität der Kopfhaut-Elektroden-Schnittstelle.

In der Eltern-Kind-Research Lab an der University of Toronto, sind wir mit _d EEG auf sozial-kognitive Prozesse wie Gedächtnis, Emotion, Ziele, Intentionalität, Antizipation und exekutive Funktionen bei Erwachsenen und Kind Teilnehmer studieren.

Protocol

1. Vorbereiten des Versuchsaufbaus

1. Vor der Teilnehmer der Ankunft im Labor, sicherzustellen, dass die geodätische EEG System (GES)-Komponenten und das Experiment steuern Computer und Software (Net Station) einwandfrei funktioniert.
2. Entfernen Sie alle nicht benötigten und möglicherweise störende Elemente aus dem Experiment Raum.
3. Der Versuchsaufbau Zimmer in Übereinstimmung mit den besonderen experimentellen Paradigma umgesetzt. Hier verwenden wir Paradigmen von computer-basierte Aufgaben via E-Prime Präsentations-Software, um verschiedene Eltern-Säuglings-und Experimentator-Kind-Interaktion Paradigmen verwaltet.
4. Stellen Sie sicher, dass die Videokameras geladen sind und ordnen Sie die Kameras im Winkel ideal für den aktuellen Versuchsaufbau.

2. Der Austausch von Informationen

1. Auf die Teilnehmer der Ankunft im Labor, beschreiben die Geodesic Sensor Net Application Protocol und erklären das Experiment.
2. Nachdem er sich vergewissert, dass der Teilnehmer ein gutes Verständnis der experimentellen Protokoll hat, stellen Sie sicher, dass er oder sie (oder seines gesetzlichen Vertreters) eine Einverständniserklärung unterzeichnet, bevor Sie mit dem Experiment.
3. Für EEG-Studien, ist es oft sinnvoll, von den Teilnehmer bestimmte Informationen, die voraussichtlich einen Einfluss auf das aufgenommene elektrische Aktivität des Gehirns haben kann zu erhalten. Zum Beispiel könnte Informationen über Benommenheit, letzte Mahlzeit, und letzten Schlaf von Interesse sein. Im Haley Labor werden diese Informationen durch die Gabe von standardisierten Fragebögen erhalten. Um das Experiment in einer fristgerechten Weise vorgehen, ist es ratsam, zwei Experimentatoren präsentieren: eine auf die Fragebögen zu verwalten, und eine für die Durchführung der HCGSN Vorbereitungen weiter unten beschrieben.

3. Vorbereitungen für die Hydrocele Geodesic Sensor Net Anwendung

1. Bereiten Sie die Hydrocele Saline Elektrolyt-Lösung von destilliertem Wasser, Kaliumchlorid und Baby-Shampoo, achten Sie darauf, gründlich verrühren, bis alle Kaliumchlorid in der Lösung gelöst ist.
2. Mit einem Maßband messen Sie den Umfang der Kopfgröße des Teilnehmers, die Aufnahme der Messung in Zentimetern.
3. Rufen Sie die entsprechend dimensionierten HCGSN, dh derjenige, der den Bereich der Kopfumfang, in denen die Teilnehmer Kopfumfang fällt umfasst.
4. Tauchen Sie den Sensor Ende des HCGSN in der Elektrolyt-Lösung und lassen Sie es für 5 Minuten einweichen, dass auf jeden Fall den Stecker Ende weg von allen Flüssigkeiten zu halten. Es ist ratsam, einen Timer oder Stoppuhr verwenden, um genaues Timing garantieren.
5. Öffnen Sie den Net Station Software auf dem Steuerrechner und beginnen eine experimentelle Kontrolle Sitzung zu ermöglichen Nullpunkt und Verstärkung Messungen vor dem Anschluss des HCGSN Stecker und Sammeln von Daten getroffen werden.

4. Die Anwendung der Hydrocele Geodesic Sensor Net

Um den für Sie gültigen und konsistente Analyse der gesammelten EEG Daten erlauben, muss das Netz Antragsverfahren werden hochgradig standardisiert. Eine solche Standardisierung ist durch Messungen von der Kopfgröße des Teilnehmers (wie oben beschrieben), um die genaue und konsistente Platzierung der Elektroden von Teilnehmer zu Teilnehmer zu gewährleisten erreicht. Wenn optimale net Positionierung ist zunächst nicht erreicht, entfernen Sie das Netz und erneut anwenden.

1. Während des Wartens auf den sensor net bis zum Ende Einweichen in der Elektrolyt-Lösung, führen die Teilnehmer in das Experiment Zimmer und überweisen Sie ihn auf einem Stuhl sitzen. Der Stuhl sollte ohne Räder werden um unerwünschte Bewegungen während der sensor net-Anwendung zu vermeiden. Im Falle eines Säuglings Teilnehmer haben die kindlichen Wächter auf dem Stuhl sitzen mit dem Kind sitzen aufrecht auf dem Schoß und hielt das Kind an der Taille, so dass das Kind die gesamte Kopf zugänglich ist und das Kind bleibt still.
2. Mit einem Maßband und ein China-Marker mit Bleistift, suchen und markieren die Spitze, indem sie die folgenden Messungen:
   1. Ohr zu Ohr über den Scheitel des Kopfes
   2. Nasion zu Inion über die Oberseite des Kopfes
   Der Scheitelpunkt kann als der Punkt identifiziert werden, an dem diese beiden Messungen zu überqueren.
3. Entfernen Sie die sensor net aus dem Elektrolyten Eimer und legen Sie es auf einem sauberen, trockenen Handtuch. Gently pat der sensor net mit dem Handtuch, um überschüssige Elektrolyt-Lösung zu entfernen.
4. Geben Sie den Stecker des HCGSN an den Teilnehmer oder zu einem zweiten Experimentator während der NET-Anwendung zu halten.
5. Nehmen Sie den HCGSN, beide Hände in das Innere des Netzes. Halten Sie das Netz, so dass Daumen fest (aber vorsichtig) auf beiden Seiten des zentralen, am meisten frontal Elektrode und dem kleinen Finger die Finger gedrückt werden fest an die Band verbindet die hintere Reihe von Elektroden geschoben. Achten Sie darauf, das Netz zu überlasten. Ihre restlichen sechs Finger sollten im Netz verlieren, damit der Mittelteil zu fallen schlaff.
6. Crouch oder knien, so dass Sie auf Augenhöhe sindEbene mit dem Teilnehmer.
7. Von hinten nach vorne, ziehen Sie den Sensor Netz über die Teilnehmer auf den Kopf. Es ist oft sinnvoll, eine zweite Versuchsleiter anwesend sind bei der Anwendung der sensor net auf ein Kleinkind Teilnehmer, um das Kind ablenken und zu minimieren Kopfbewegung.
8. Mit den Fingerspitzen, vorsichtig über die Bandbreite der im Netz und stellen Sie es so, dass die Vertex-Elektrode auf dem Scheitelpunkt zuvor mit dem China-Marker mit Bleistift markiert sitzt. Ziehen Sie die Ohr-und Kinnriemen. Überprüfen Sie anatomischen Landmarke Standorten und Netto-Symmetrie zu sehen, ob das Netz richtig positioniert ist, und die erforderlichen Anpassungen vornehmen.

5. Mess-Elektrodenimpedanzen

EEG ist als die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen den referenzierten Seiten und der gemessenen Stelle gemessen. Hohe Impedanz an der Kopfhaut-Elektroden-Schnittstelle führt zu einem Rückgang der gemessenen Spannung, Dämpfung der Signalamplitude und einen Anstieg in der Gegenwart von Rauschen. Während nach dem Erwerb Filterung in einigen Studien (z. B. herkömmliche ERP-Studien) loswerden kann dieses Rauschen, hohe Impedanz in der Regel Kompromisse die Treue der erworbenen EEG-Daten. Es ist daher darauf zu achten, Impedanzen sind innerhalb der tolerierbaren Spezifikationen vor Beginn der EEG-Daten aufzeichnen.

1. Stecken Sie den Stecker des HCGSN in das Interface-Kabel und schalten Sie den Hebel, um es zu fixieren. Schalten Sie die Kamera.
2. In der Leitwarte, eröffnen eine neue Sitzung in Net Station, geben Sie die Teilnehmer Informationen, und klicken Sie auf Start Session. Da die Video-und _d EEG-Signalen synchronisiert werden, sollte ein Live-Video-Feeds aus dem Experiment Platz auf dem Bildschirm erscheinen.
3. Wählen Sie die Panels Dropdown-Menü öffnen Impedanz, und klicken Sie auf die Schaltfläche Messen. Eine Montage des HCGSN Sensor-Array wird auf dem Bildschirm erscheinen. Ziehen Sie das Fenster an den Rand des Bildschirms, so dass es öffnet sich auf dem Monitor in das Experiment Raum.
4. Mit einer Einmal-Pipette, Rechen beiseite der Teilnehmer an den Haaren, so dass jede Elektrode direkt auf die Teilnehmer der Kopfhaut sitzen.
5. Lesen Sie die Impedanzmessung Fenster mit den HCGSN Montage auf dem Monitor. Sensoren, die nicht machen werden einen guten Kontakt mit der Kopfhaut wird rot. Notieren Sie sich die Elektroden-Sensor Zahlen. Verwenden Sie die Pipette und eine kleine Menge des bereits vorbereitet Elektrolyt-Lösung, um die Impedanz dieser Sensoren zu verbessern. Elektroden auf der Montage wird grün wie ihre Impedanz wird verbessert.
6. Wenn Impedanzen befriedigend (dh, wenn alle Elektroden auf die Montage grün sind), klicken Sie auf Speichern & Schließen-Schaltfläche auf der Impedanzmessung Fenster in der Leitwarte.
7. In Net Station, öffnen Sie das Dense Waveform Display. Blättern Sie durch die Kurven und beachten Sie alle Kanäle, die Anzeige mit hoher Amplitude Rauschen aufgrund der schlechten Kopfhaut berühren.

6. Unter Baseline Recordings

Vor Beginn der experimentellen Paradigma, nehmen Sie einige grundlegende _d EEG-Aufzeichnungen des Teilnehmers ruhenden elektrischen Aktivität des Gehirns. Ruhebasiswert Aufnahmen werden in kontinuierliche _d EEG-Studien wichtig, weil es ein hohes Maß an Variabilität in elektrische Aktivität des Gehirns von Teilnehmer zu Teilnehmer. Als Ergebnis müssen die meisten kontinuierlichen _d EEG-Studien implementieren within-subjects experimentelles Design, die Analyse der Unterschiede zwischen den einzelnen experimentellen Bedingungen und ein Pre-Experiment Baseline-Phase. Für Event-bezogenen EEG-Studien kann ein Baseline-Phase nicht notwendig sein.

1. Lassen Sie die Teilnehmer allein in dem Experiment Raum und weisen ihm oder ihr, still zu sitzen und zu minimieren Bewegung. Für Säuglings-Teilnehmer sollten die Eltern / Erziehungsberechtigten in den Raum mit dem Kind sitzen ruhig in seinem oder ihrem Schoß bleiben. Im Haley lab ist ein Film mit dem Titel Baby-Mozart, eine audio-visuelle Kombination aus klassischer Musik und bunten Bewegung entwickelt, gespielt, um sicherzustellen, dass Kinder ruhig und still bleiben. Während einer interaktiven Baseline-Phase ist nicht immer ideal, kann es als Vor-Baseline-Phase verwendet werden, um das Kind vor der Einnahme von Baseline-Aufnahmen zu beruhigen.
2. In Net Station, klicken Sie auf die Record-Taste, um die Aufnahme von Video und Signaldaten beginnen. Auf der Dense Waveform Display, kann Ereignismarker eingefügt werden, um Verhaltensänderungen Ereignisse um die elektrische Aktivität Link während des gesamten Experiments werden. Legen Sie eine "Baseline" Event-Marker auf der Wellenform-Anzeige.
3. Rekord Grundlage für eine standardisierte Zeitraum. Im Haley Labor, dauert die Standard-Baseline Phase 2 Minuten.

7. Das Ausführen des Experiment

In _d EEG-Studien, ist es wichtig, mindestens zwei Experimentatoren präsentieren während der Studie zu haben. Ein Experimentator ist verantwortlich für die Interaktion mit dem Teilnehmer und der Umsetzung der Behavioral-Paradigma, während die zweite Experimentator die Dense Waveform Display Monitor.

1. Umsetzung der experimentellen Abs.DIGM.
2. Überwachen Sie den Dense Waveform Display während des gesamten Versuchs zu bestimmen, ob alle Kanäle sind Anzeigen steigenden Geräuschpegel. Zunehmende Lärm kann reflektierend zunehmender Impedanzen. Acceptable Impedanz Ebenen können durch Verwendung von mehr Elektrolyt-Lösung zurückgewonnen werden. Dies sollte zu einem Bruch in der experimentellen Protokoll erfolgen.

8. Debriefing der Teilnehmer

1. Wenn das Experiment beendet ist, vorsichtig lösen und entfernen Sie die HCGSN von der Kopfgröße des Teilnehmers. Spülen, Desinfizieren und trocken im Netz.
2. Geben Sie die Teilnehmer ein Handtuch, mit dem abwischen, um überschüssiges Elektrolyt-Lösung.
3. Geben Sie dem Teilnehmer die verbleibenden Fragebögen, die ausgefüllt werden müssen.

9. Analyse

Das gleiche EGI-Software verwendet, um Daten zu erfassen Deeg wird auch benutzt, um die Daten zu analysieren, die einen reibungslosen und einfachen Übergang von der Datenerhebung bis zur Datenanalyse. Da die HCGSN nimmt auch elektrische Störungen aus der Umwelt, müssen die Daten zunächst gefiltert und gereinigt werden, bevor sie analysiert werden können. Alle notwendigen Werkzeuge sind in Net-Station enthalten.

1. In Net Station, klicken Sie auf und öffnen Sie die Waveform-Werkzeug aus. Führen Sie die erfassten Daten-Datei durch die Filterung und Artefakt-Erkennungs-Tools nach der Einstellung der gewünschten Parameter. Die Artefakt-Erkennung Tool identifiziert Spikes aus Auge blinkt oder Augenbewegungen und erkennt schlechten Kanälen. In vielen Fällen kann eine zusätzliche manuelle Bearbeitung und Artefakt Entfernung notwendig sein (besonders beim Arbeiten mit Kind Populationen, in denen du nicht kontrollieren kannst Auge blinkt und Bewegungen).
2. Segment die Daten, um so die verschiedenen experimentellen Bedingungen auf der Grundlage der eingesetzten Ereignismarker zu trennen.
3. Wenden Sie alle gewünschten Analysen. Im Haley Labor, ist die Frequenz-Analyse verwendet werden, um zu analysieren, wie charakteristische Frequenzen der Hirnaktivität variiert zwischen experimentellen Bedingungen und zwischen verschiedenen Hirnregionen. Eine Abnahme der Wellenenergie ist potentiell reflektiert die erhöhte Aktivität von Neuronen in dieser Region.

10. Repräsentative Daten

Abbildung 1. Raw EEG-Kurven zeigen die Schwankungen in aufgezeichneten Spannung (uV) über die Zeit (s), bei einer einzigen Elektrode (Elektrode 30). Die Wellenformen stellen Daten in den ersten 1000ms von jeweils 3 experimentellen Phasen gesammelt: baseline, Demonstration und sofortigen Abruf.

Abbildung 2. Raw Daten aus der gesamten Kopfhaut (128-Elektrode montage) während der drei experimentellen Phasen (baseline, Demonstration, sofortigen Abruf) eines teilnehmenden Kindes gesammelt. Die Daten werden als eine topographische Karte präsentiert und zeigt Unterschiede in der Oberfläche Ebene Gehirn elektrische Aktivität (uV) über Hirnregionen und experimentellen Phase der Puppe Aufgabe.

Discussion

Die Hydrocele Geodesic Sensor Net von EGI stellt eine nicht-invasive und einfach zu gelten Methode zur Gewinnung von _d EEG-Daten von Erwachsenen und Kind Teilnehmern. Diese Technologie kombiniert hohe zeitliche und räumliche Auflösung mit einer erhöhten Chance für Mobilität, wodurch es ideal für den Einsatz in komplexen Verhaltens-Paradigmen der kognitiven Aktivitäten, die nur in subtilen Veränderungen der elektrischen Aktivität niederschlagen können untersuchen. Angesichts des steigenden Interesses in der Untersuchung der Entwicklung des Säuglings Kognition und der relativen Knappheit der bildgebenden Verfahren für den Einsatz in der Säuglings-Bevölkerung, ist die Verwendung des HCGSN wahrscheinlich zunehmen, führt uns zu einem tieferen Verständnis des Säuglings Kognition.