Onderzoeken van Sociale cognitie in zuigelingen en volwassenen gebruik van elektro-Dichte Array ( _D EEG)

Summary

Dichte reeks electroencefalografie wordt steeds meer gebruikt om de sociale cognitieve functies bij kinderen en volwassenen te bestuderen. Hier presenteren wij een gevestigde methodiek die een significante verbetering ten opzichte van conventionele methoden voor het bestuderen van EEG bij kinderen en volwassenen vertegenwoordigt.

Abstract

Dichte serie elektro _(d EEG), die een niet-invasieve venster voor het meten van hersenactiviteit en een temporele resolutie onovertroffen door een andere huidige brain imaging-technologie biedt ^1,2, wordt steeds meer gebruikt in de studie van sociaal cognitief functioneren bij kinderen en volwassenen . Terwijl _d EEG stelt onderzoekers in staat hersenactiviteit patronen te onderzoeken met ongekende niveaus van gevoeligheid, conventionele EEG registratie systemen blijven verlenen voor bepaalde beperkingen, waaronder 1) het gezicht slecht ruimtelijke resolutie en bronlokalisatie ^3,4, 2) het fysieke ongemak voor de proefpersonen van duurzame de individuele toepassing van een groot aantal elektroden op het oppervlak van de hoofdhuid, en 3) de complexiteit voor de onderzoekers van het leren om meerdere softwarepakketten gebruiken voor het verzamelen en verwerken van gegevens. Hier presenteren wij een overzicht van een gevestigde methodiek die een significante verbetering ten opzichte van conventionele methoden voor het bestuderen van EEG bij kinderen en volwassenen vertegenwoordigt. Hoewel verscheidene analytische software technieken kunnen worden gebruikt om de indirecte indices van bronlokalisatie vast te stellen de ruimtelijke resolutie van _d EEG te verbeteren, de HydroCel Geodetische Sensor Net (HCGSN) door elektrische geodeten, Inc (EGI), een dichte zintuiglijke array die gelijke afstand houdt onder de aangrenzende registrerende elektroden op alle vlakken van de hoofdhuid, verder verbetert ruimtelijke resolutie ^4,5,6 in vergelijking met standaard _d EEG-systemen. De spons-gebaseerde HCGSN kan snel en zonder hoofdhuid schuren worden toegepast, waardoor het ideaal is voor gebruik bij volwassenen ^7,8, kinderen ^{9,10,11, 12} en zuigelingen, zowel in onderzoek en klinische ^{4,5,6,13,14 , 15} instellingen. Deze functie zorgt voor een aanzienlijke kosten en tijd besparen door het verlagen van de gemiddelde netto-applicatie de tijd in vergelijking met andere _d EEG-systemen. Bovendien is de HCGSN omvat verenigde, naadloze software-applicaties voor alle fasen van gegevens, sterk vereenvoudiging van de inzameling, verwerking en analyse van _d EEG data.

De HCGSN is voorzien van een low-profile elektrode voetstuk, die, gevuld met elektrolyt oplossing, zorgt voor een gesloten micro-omgeving en een elektrode-scalp interface. In alle Geodetische _d EEG-systemen, EEG sensoren detecteren veranderingen in de spanning uit de hoofdhuid van de deelnemer, samen met een kleine hoeveelheid elektrische ruis afkomstig van de room omgeving. Elektrische signalen van alle sensoren van de geodetische sensor net gelijktijdig ontvangen door de versterker, waar ze automatisch worden verwerkt, verpakt, en verzonden naar de data-acquisitie computer (DAC). Na ontvangst door de DAC, kan hoofdhuid elektrische activiteit worden geïsoleerd uit artefacten voor analyse met behulp van het filteren en het artefact detectie-instrumenten opgenomen in de EGI-software. Meestal kan de HCGSN continu worden gebruikt voor slechts tot twee uur, omdat de elektrolytoplossing droogt na verloop van tijd, geleidelijk verminderen van de kwaliteit van de hoofdhuid-elektrode interface.

In de moeder-Infant Research Lab aan de Universiteit van Toronto, maken we gebruik van _d EEG om sociale cognitieve processen zoals het geheugen, emotie, doelen, intentionaliteit, anticipatie, en executief functioneren in zowel volwassen en kind deelnemers te bestuderen.

Protocol

1. De voorbereiding van de experimentele opstelling

1. Voorafgaand aan de deelnemer aankomst op het lab, ervoor zorgen dat de Geodetische EEG System (GES) componenten en het experiment controle computer en de software (netto Station) goed werken.
2. Verwijder alle onnodige en mogelijk afleidende items uit het experiment ruimte.
3. Stel het experiment ruimte in overeenstemming met de specifieke experimentele paradigma worden uitgevoerd. Hier gebruiken we paradigma's, variërend van computer-gebaseerde taken toegediend via E-Prime presentatie software aan verschillende ouder-kind en experimentator-kind interactie paradigma's.
4. Zorg ervoor dat de video-camera's zijn opgeladen en leg de camera's op hoeken ideaal voor de huidige experimentele opstelling.

2. Uitwisselen van informatie

1. Bij aankomst van de deelnemer in het lab, beschrijven de Geodetische Sensor Net Application Protocol en leg het experiment.
2. Na ervoor te zorgen dat de deelnemer een goed begrip van de experimentele protocol is, ervoor zorgen dat hij of zij (of zijn of haar wettelijke voogd) een toestemmingsformulier ondertekent voordat u verder gaat met het experiment.
3. Voor de EEG-onderzoek, is het vaak handig om van de deelnemer bepaalde informatie die kan worden verwacht dat zij een invloed hebben op de opgenomen elektrische hersenactiviteit hebben. Zo kan informatie over slaperigheid, laatste maaltijd, en de laatste slaap van belang zijn. In het lab Haley, wordt deze informatie verkregen door het toedienen van gestandaardiseerde vragenlijsten. Om u te helpen het experiment te gaan in een tijdig, is het raadzaam om twee onderzoekers presenteren: een om de vragenlijsten te beheren, en een uit te voeren HCGSN voorbereidingen hieronder beschreven.

3. Voorbereidingen voor HydroCel Geodetische Sensor Net Application

1. Bereid de HydroCel Saline elektrolyt oplossing van gedestilleerd water, kaliumchloride, en baby shampoo, en zorg ervoor dat grondig roeren totdat alle kaliumchloride is opgelost in de oplossing.
2. Met behulp van een meetlint, het meten van de omtrek van het hoofd van de deelnemer, het opnemen van de meting in centimeters.
3. Haal de juiste maat HCGSN-dat wil zeggen, degene die het bereik van het hoofd omtrekken waarin de deelnemer hoofdomtrek valt omvat.
4. Dompel de sensor einde van de HCGSN in de elektrolyt-oplossing en laat deze weken voor 5 minuten, zorg ervoor dat de connector eind weg te houden van alle vloeistoffen. Het is raadzaam om een ​​timer of stopwatch gebruiken om nauwkeurige timing te garanderen.
5. Open de Net Station software op de besturingscomputer en beginnen een experimentele controle-sessie, zodat nul en krijgen de metingen die moeten worden genomen voordat u de HCGSN connector en het verzamelen van gegevens.

4. Het toepassen van de HydroCel Geodesic Sensor Net

Om ervoor te zorgen voor de geldige en consistente analyse van de verzamelde gegevens EEG, moet de netto-aanvraagprocedure in hoge mate gestandaardiseerd. Deze standaardisatie wordt bereikt door het nemen van metingen van het hoofd van de deelnemer (zoals hierboven beschreven) om de nauwkeurige en consistente plaatsing van de elektroden van de deelnemer aan de deelnemer te verzekeren. Als een optimale netto-positie is in eerste instantie niet bereikt, verwijdert u het net en opnieuw toe te passen.

1. Tijdens het wachten op de sensor net klaar onderdompelen in de elektrolyt-oplossing, begeleiden de deelnemer in het experiment kamer en instrueer hem of haar te gaan zitten op een stoel. De stoel moet worden zonder wielen om ongewenste bewegingen te vermijden tijdens de sensor net applicatie. In het geval van een kind deelnemer, hebben de baby's voogd op de stoel zitten met de baby rechtop zittend op zijn of haar schoot, houdt het kind door de taille, zodat het kind de gehele kop toegankelijk is en de baby blijft.
2. Met behulp van een meetlint en een porseleinen marker potlood, lokaliseren en markeren de top door het nemen van de volgende metingen:
   1. Oor tot oor over de bovenkant van het hoofd
   2. Nasion aan INION over de bovenkant van het hoofd
   De vertex kan worden geïdentificeerd als het punt waar deze twee metingen te steken.
3. Verwijder de sensor net uit de elektrolyt emmer en plaats deze op een schone, droge handdoek. Dep de sensor net met de handdoek om overtollig elektrolyt oplossing te verwijderen.
4. Geef de connector einde van de HCGSN aan de deelnemer of om een ​​tweede experimentator te houden tijdens de netto-applicatie.
5. Pak de HCGSN, waardoor beide handen in het interieur van het net. Houd het net zo dat je duimen stevig geduwd (maar voorzichtig) aan weerszijden van de centrale, meest frontale elektrode en je pink vingers stevig tegen de band de aansluiting van de meest achterste rij van de elektroden. Wees voorzichtig niet aan de netto-overbelasting. Uw resterende zes vingers moet los worden in het net, zodat het middelste gedeelte te vallen slap.
6. Crouch of zo knielen dat u op het oogniveau met de deelnemer.
7. Van achter naar voren, trek de sensor net boven het hoofd van de deelnemer. Het is vaak handig om een ​​tweede experimentator aanwezig te zijn bij de toepassing van de sensor net op een zuigeling deelnemer, voor het kind af te leiden en het hoofd beweging te minimaliseren.
8. Met behulp van je vingertoppen, trek voorzichtig aan de band van het net en aanpassen, zodat de hoekpunt elektrode zit op de vertex punt eerder gemarkeerde met de China marker potlood. Draai het oor en kin bandjes. Inspecteer de anatomische mijlpaal locaties en de netto symmetrie om te zien of het net goed geplaatst is, en de nodige aanpassingen aan te brengen.

5. Meetelektrode Impedanties

EEG wordt gemeten als het potentiaalverschil (spanning) tussen de verwezen site en de gemeten site. Hoge impedantie bij de hoofdhuid-elektrode-interface zorgt voor een daling van de gemeten spanning, verzwakking van het signaal amplitude, en een toename van de aanwezigheid van ruis. Terwijl de post-acquisitie filtering voor bepaalde onderzoeken (bv, conventionele ERP studies) kan ontdoen van deze ruis, hoge impedantie compromissen over het algemeen de trouw van de verworven EEG-gegevens. Het is daarom belangrijk om ervoor te zorgen impedanties zijn binnen de aanvaardbare specificaties alvorens te beginnen met EEG-gegevens vast te leggen.

1. Steek de stekker van de HCGSN in de interface-kabel en zet de hendel om het vast te zetten. Zet de camera aan.
2. In de controlekamer, open je een nieuwe sessie van de netto-Station, voert de deelnemer de informatie in en klik op Begin Session. Omdat de video-en _d EEG-signalen worden gesynchroniseerd, moet een live video feed van het experiment ruimte op het scherm verschijnen.
3. Selecteer het Panelen dropdown menu, open Impedantie, en klik op de knop Measure. Een montage van de HCGSN sensor array op het scherm verschijnen. Sleep het venster naar de rand van het beeldscherm, zodat het zich opent op de monitor in het experiment ruimte.
4. Met behulp van een disposable pipet, rake afgezien van de deelnemer het haar, zodat elke elektrode direct zit op de hoofdhuid van de deelnemer.
5. Raadpleeg de impedantie meting venster met de HCGSN montage op de monitor. Sensoren die niet goed contact maakt met de hoofdhuid wordt rood weergegeven. Noteer de elektrode sensor nummers. Gebruik de pipet en een kleine hoeveelheid van de reeds voorbereide elektrolyt oplossing om de impedantie van deze sensoren te verbeteren. Elektroden op de montage zal groen worden als hun impedantie is verbeterd.
6. Wanneer impedanties bevredigend zijn (dat wil zeggen, wanneer alle elektroden op de montage groen zijn), klikt u op de Save & Close-knop op de impedantie meting raam in de controlekamer.
7. In Net Station, opent de dichte Waveform Display. Blader door de golfvormen en noteer eventuele kanalen die met een hoge amplitude ruis als gevolg van slechte hoofdhuid contact.

6. Het nemen van Baseline Recordings

Voor het begin van de experimentele paradigma, enige baseline _d EEG-registraties van rust van de deelnemer elektrische hersenactiviteit. Rusten baseline opnames zijn belangrijk in het continue _d EEG-onderzoek, want er is een hoge mate van variabiliteit in elektrische hersenactiviteit van de deelnemer tot deelnemer. Als gevolg hiervan moeten de meeste continue _d EEG-onderzoek laat uitvoeren van een binnen-proefpersonen experimenteel ontwerp, het analyseren van de verschillen tussen de experimentele conditie en een pre-experiment baseline fase. Voor de event-related EEG-onderzoek kan een baseline-fase niet nodig.

1. Laat de deelnemer alleen in het experiment ruimte en instrueer hem of haar om rustig te zitten en het minimaliseren van bewegingen. Voor kinderen de deelnemers moet de ouder / voogd blijven in de kamer met het kind rustig zitten in zijn of haar schoot. In het lab Haley, is een film met de titel Baby Mozart, een audio-visuele combinatie van klassieke muziek en kleurrijke bewegende ontwerpen, gespeeld om ervoor te zorgen dat baby's blijven rustig en stil. Terwijl een interactieve baseline fase kan niet altijd ideaal zijn, kan het worden gebruikt als een pre-baseline fase voor het kind kalmeren voordat u baseline opnames.
2. In Net Station, klikt u op de knop Opnemen om het opnemen van video en golfvorm data te beginnen. Op de Dichte Golfvormscherm, kan event markers worden geplaatst om gedrags-events koppelen aan elektrische activiteit gedurende het experiment. Plaats een 'baseline' event marker op de golfvorm weer te geven.
3. Record baseline voor een gestandaardiseerde periode. In het lab Haley, de standaard baseline fase duurt 2 minuten.

7. Running het Experiment

In _d EEG-onderzoek, is het essentieel om ten minste twee onderzoekers aanwezig zijn gedurende het onderzoek. Een onderzoeker zal verantwoordelijk zijn voor interactie met de deelnemer en de uitvoering van de gedrags-paradigma, terwijl de tweede onderzoeker zal de Dense Waveform monitor.

1. Voeren de experimentele paradigm.
2. Monitor de Dichte Golfvormscherm gedurende het experiment om te bepalen of er kanalen zijn steeds meer lawaai weergegeven. Toenemende geluidsoverlast kan worden reflectie van toenemende impedanties. Acceptabel impedantie niveaus kunnen worden teruggewonnen door het gebruik van meer elektrolyt oplossing. Dit dient te gebeuren op een breuk in de experimentele protocol.

8. Debriefing van de Deelnemer

1. Wanneer het experiment voltooid is, voorzichtig los en verwijder de HCGSN van het hoofd van de deelnemer. Spoelen, desinfecteren, en droog het net.
2. Geef de deelnemer een handdoek met die af te vegen de overtollige elektrolyt-oplossing.
3. Geef de deelnemer eventuele resterende vragenlijsten die moeten worden ingevuld.

9. Analyse

Dezelfde EGI software die wordt gebruikt om gegevens te verzamelen Deeg wordt ook gebruikt om de gegevens te analyseren, die een vlotte en eenvoudige overgang van het verzamelen van gegevens voor data-analyse. Omdat de HCGSN ook pikt elektrische ruis afkomstig uit de omgeving, moeten de gegevens eerst worden gefilterd en gereinigd voordat het kan worden geanalyseerd. Alle benodigde gereedschappen zijn opgenomen in de netto Station.

1. In Net Station, klik op en open het Waveform deelvenster Gereedschappen. Voer het verkregen gegevens bestand via de filter-en artefact detectie-instrumenten na het instellen van de gewenste parameters. Het artefact detectie identificeert spikes die voortvloeit uit het oog knippert of oogbewegingen en detecteert slechte kanalen. In veel gevallen kan de extra hand-editing en artefact verwijdering nodig zijn (vooral bij het werken met baby bevolking, waarin je niet kan controleren ogen knippert en bewegingen).
2. Segment van de gegevens, zodat de verschillende experimentele condities apart, op basis van de ingebrachte event markers.
3. Van toepassing elke gewenste analyse. In het lab Haley, wordt de frequentie-analyse gebruikt om te analyseren hoe de karakteristieke frequenties van de hersenactiviteit varieert tussen experimentele condities en tussen de verschillende hersengebieden. Een afname van de golf de macht is potentieel een afspiegeling is van de verhoogde activiteit van neuronen in dat gebied.

10. Representatieve gegevens

Figuur 1. Raw EEG-golfvormen met de schommelingen in de opgenomen spanning (uV) in de tijd (s), op een enkele elektrode (elektrode 30). De golfvormen vertegenwoordigen gegevens verzameld tijdens de eerste 1000ms van elk van de drie experimentele fasen: baseline, demonstratie, en onmiddellijke herinneren.

Figuur 2. Ruwe gegevens verzameld uit de gehele hoofdhuid (128-elektrode montage) gedurende drie experimentele fasen (baseline, demonstratie, onmiddellijke recall) van een deelnemend kind. De gegevens worden gepresenteerd als een topografische kaart en illustreert de verschillen in het oppervlak-level hersenactiviteit elektrische activiteit (uV) over gebieden van de hersenen en de experimentele fase van de marionet taak.

Discussion

De Hydrocel Geodetische Sensor Net uit EGI is een niet-invasieve en eenvoudig toe te passen methode voor het verkrijgen van _d EEG-gegevens van zowel volwassenen als baby deelnemers. Deze technologie combineert een hoge temporele en ruimtelijke resolutie met een verhoogde kans voor de mobiliteit, waardoor hij ideaal voor gebruik in complexe gedrags-paradigma van cognitieve activiteiten die worden weerspiegeld alleen in subtiele veranderingen in de elektrische activiteit te onderzoeken. Gelet op toenemende belangstelling voor het onderzoek naar de ontwikkeling van baby cognitie en de relatieve schaarste van brain imaging technieken geschikt voor gebruik in de zuigeling bevolking, het gebruik van de HCGSN zal waarschijnlijk nog toenemen, wat leidt ons naar een dieper begrip van kind cognitie.