Summary
Använda händelserelaterade EEG potentialer (ERP), vi undersöka effekterna av antipsykotiska läkemedel på onormala semantiska hjärnaktive hos friska individer med schizotypiska egenskaper. Vi använder ERP för att spåra tydliga förändringar i hjärnans aktivitet, sprider inblick i de kognitiva processer som är förknippade med semantisk kategorisering.
Abstract
Inom området för kognitiv neurovetenskap är funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) en populär metod för att visualisera hjärnans funktion. Detta är delvis på grund av dess utmärkta rumsupplösning, vilket gör det möjligt för forskarna att identifiera områden i hjärnan som förknippas med specifika kognitiva processer. Men i strävan att lokalisera hjärnfunktioner, är det relevant att notera att många kognitiva, sensoriska och motoriska processer har tids distinktioner som är absolut nödvändigt för att fånga, en aspekt som är kvar ouppfyllda av fMRI s suboptimal tidsupplösning. För att bättre förstå kognitiva processer är det således fördelaktigt att utnyttja händelserelaterade potentialen (ERP) inspelning som en metod för att samla in information om hjärnan. Några av dess fördelar är dess fantastiska tidsupplösning, vilket ger forskarna möjlighet att följa aktiviteten i hjärnan ner till millisekund. Det också direkt index både retande och hämmande postsynaptiska potentialergenom vilken de flesta hjärn beräkningar utförs. Detta sitter i kontrast till fMRI, som fångar ett index på metabolisk aktivitet. Vidare behöver icke-invasiv ERP metoden inte kräver en kontrast villkor: kan undersökas råa ERP vara för bara en experimentell skick, en skillnad från fMRI där kontrollförhållanden måste subtraheras från den experimentella tillstånd, vilket leder till osäkerhet associera observationer med experimentell eller kontrastförhållanden. Även om det är begränsad av dess dåliga rumsliga och subkortikala aktivitets upplösning, ERP inspelningar användbarhet, relativ kostnadseffektivitet, och tillhörande fördelar ger starka skäl för dess användning i kognitiv neurovetenskap för att spåra snabba tidsmässiga förändringar i neural aktivitet. I ett försök att främja ökad användning som ett forskningsavbildningsmetod, och för att säkerställa en korrekt och noggrann datainsamling, kommer denna artikel beskriva - inom ramen för ett paradigm med hjälp av semantisk kategorisering för att undersöka effekterna av antipsykotiskas och schizotypy på N400 - förfarandet och viktiga aspekter i samband med ERP datainsamling.
Introduction
Medan Neuroimaging framsteg har onekligen förstärkt vår förståelse av hjärnans funktioner, dessa förskott har en stor del statisk vikt vid att belysa strukturer i hjärnan. Detta lämnar sedan de dynamiska tids funktioner i hjärnan nätverk relativt höljd i dunkel, eftersom neuroradiologiska metoder som tar itu med dessa temporala aspekter, såsom fMRI och nära infraröd spektroskopi (NIRS), producerar tids resolutioner som är otillräckliga i förhållande till den av EEG. Det är därför relevant att bättre förstå och sysselsätter användningen av ERP inspelning, som kan producera stora mängder meningsfull information som annars skulle vara okänd. ERP inspelning är en icke-invasiv analytiska verktyg som gör kognitiva neuroforskare att spåra de snabba temporala modulationer av neural aktivitet som framkallas av kognitiva, sensoriska och motoriska processer. Det innebär att placera elektroder i hårbotten för att fånga de elektriska postsynaptiska svar stora neuronal populationer 2 till specifika händelser eller stimuli. ERP är elektroencefalografiska förändringar som är tids låst till sensoriska, motoriska eller kognitiva händelser, och tros representera summan av postsynaptiska potentialer som produceras under informationsbehandling 3. Dessa ERP vågformer kännetecknas av sin latens, amplitud, polaritet, och hårbotten fördelning, vilket ger ett rikt utbud av neurologisk uppgifter som kan stimulera ytterligare inblick i de neurala kopplingar som bidrar till kognition.
Målet med ERP inspelning och elektroencefalografi (EEG) är att få information om de grundläggande neurala processer som ingår i högre ordning, komplexa kognitiva operationer 4. ERP definieras av deras negativa eller positiva fluktuation, samt deras plats i hårbotten och den tid som de förekommer efter debuten av stimulans. Olika ERP har förknippats med olika aspekter avkognitiv bearbetning. Till exempel har vi tittat på N400 händelserelaterade hjärnpotential 5, en negativ vågform som framkallas 400 ms efter debuten av meningsfulla stimuli såsom ord 6, och som distribueras i hårbotten är känd för att bero på den semantiska kategori av dessa stimuli. Den N400 är ett index för semantiska aktive, och studier har visat att den har en större amplitud efter ord som aktiverar fler representationer, såsom konkreta ord (t ex., Banan) som aktiverar både visuella och verbala representationer, än för abstrakta ord (t.ex. , idé), som aktiverar endast verbala representationer 7,8. Forskning stöder även tanken att även milda symptom på schizofreni, enligt mätning med schizotypy skalor, är förknippade med onormalt överdriven semantisk aktivering av N400 9. Som sådana är vi undersöker huruvida antipsykotisk medicinering, vilket minskar schizofrena symptom presentation, normaliserar onormala seMantic aktiveringar av N400 i friska individer med höga nivåer av schizotypy. Här är fördelaktigt för att studera effekterna av antipsykotiska läkemedel på N400 användning av ERP-system i en semantisk kategorisering paradigm.
Som ERP inspelning är en icke-invasiv och relativt ekonomisk metod för att bedöma neural funktion, kan den tillämpas på ett brett spektrum av områden, vilket framgår av det betydande antalet ERP studier i kognitiv neurovetenskap, neurologi, neuropsyko och kognitiv psykologi . Dess mångsidighet gör det möjligt för utredarna att ställa relevanta frågeställningar om den relativa tidpunkten för neurala händelser i ett stort antal olika områden, bland annat språk, kognition, och studiet av olika psykiatriska sjukdomar 10 såsom schizofreni, bipolär affektiv sjukdom, depression och alkoholberoende störning erbjuder och det betydande fördelar jämfört med alternativa metoder för neuroradiologiska, såsom funktional magnetisk resonanstomografi (fMRI). Några av dessa inkluderar dess utmärkta tidsupplösning, vilket belyser hjärnans aktivitet ner till millisekund. ERP inspelning också direkt index excitatoriska postsynaptiska potentialer (EPSP) och inhibitoriska postsynaptiska potentialer (IPSPs) genom vilka många hjärn beräkningar utförs, något som fMRI inte gör. En annan fördel med ERP inspelning är att det ger möjlighet att skilja hämmande aktivitet (neuronala hyperpolarizations) från excitatoriska aktiviteten (neuronal depolarisation), medan det i fMRI, är större signalerna inte tydligt differentierade mellan dessa två. Vidare behöver ERP metoden inte kräver en kontrast villkor: kan undersökas råa ERP vara för bara en experimentell skick, en skillnad från fMRI där kontrollförhållanden måste subtraheras från den experimentella tillstånd, vilket leder till osäkerhet associera observationer med experimentella eller kontrastförhållanden. ERP inspelningar användbarhet, släktingkostnadseffektivitet och tillhörande fördelar ger starka skäl för användning av ERP-system i kognitiv neurovetenskap som ett sätt att spåra snabba tidsmässiga förändringar i neural aktivitet. Följt är en steg-för-steg-guide till grunderna i att köra en EEG experiment och spela in händelserelaterade potentialer.
Protocol
Detta protokoll följer de riktlinjer som fastställts av Douglas Institute Forskning och etikprövningsnämnd.
1. Patient Framställning
- När deltagaren kommer, förklarar experimentet och få en signatur på ett informerat samtycke formulär som har fått etikgodkännande från institutionernas Institutional Review Board.
- Gör en markering med den röda pennan på näsryggen (nasion), mellan ögonbrynen. Med hjälp av ett måttband, mät från nasion till nedre nacken, Inion. Urskilja denna plats genom att skjuta en hand upp halsen tills en bula på baksidan av deltagarens huvud känns.
- Ta 1/10 av mätningen mellan nasion och Inion och göra en markering upp nära hårfästet från nasion, var noga med att se till att dessa mått är i linje med näsan.
- Linda chefen Måttband (4 Color band) runt huvudet i höjd med märketgörs i steg 1.3. Bestäm cap storlek beroende på var den icke-färgade änden av bandet möter den färgade änden: Använd en blå mössa, om den korsar i det blå området, använd en blå-röd mössa, om den korsar mellan de blå och röda områden, etc.
2. Elektrodplacering
- Placera locket på deltagarens huvud. Rada upp de två elektroderna på framsidan av locket med ögonen. Sätt i de disponibla svamp diskar på frontelektrod (FP1 och FP2), för att hålla den elektro gelen sprids.
- Håll de två främre elektroder mot märket nära hårfästet och dra locket över huvudet. Se till att locket sitter tätt på deltagarnas huvudet.
- Placera öronelektroder har laddats in i deltagarens örsnibbar som referenselektroder. Rengör örsnibbar med alkohol. Med hjälp av en bomullstopp, spred EEG slip hud prepping gel på örsnibbar för att underlätta ledningsförmågan.
- Ta en spruta och fylla den med elektrolyt gel. Sedan, pressa gelen på örat elektroden. Placera försiktigt gel-fyllda öronelektrod på deltagarens örsnibbar.
- Fäst trådarna från locket och öronelektroderna till EEG-förstärkaren. Ställa in förstärkningen hos förstärkaren till 20.000. Fäst selen på locket med lockremmarna och se till att det är tätt håller locket på plats.
- Börja med att applicera elektrolyt gel jordelektroden, som finns i mitten främre av locket. Elektrolyt gel ökar den elektriska anslutningen mellan hårbotten och elektroden.
- Använd sprutan för att pressa elektrolyt gel i elektroden. Börja genom att sätta sprutan i elektroden och rock den fram och tillbaka tills den är i kontakt med hårbotten. Sedan, samtidigt pressa sprutan och dra upp, vilket skapar en vertikal kolonn av gel.
- Upprepa steg 2,7 för alla elektroderna.
- Skava på hårbotten under elektroderna med en trubbig nål. Gör detta samtidigt observing datorbildskärmen, som bör uppvisa en schematisk bild av elektroderna. Sikta på att repa hårbotten tills motsvarande elektrod på skärmen blir svart i färgen. Det rekommenderas att börja med öronelektroder, och sedan gå vidare till jordelektroder.
3. Elektroencefalografi EEG Experiment
- Läs instruktionerna för experimentet till motivet. Öppna EEG förvärv programvara på datorn.
- Observera vilande aktivitet av elektroderna. Felsök för "dåliga" elektroder, såsom platta linjesignaler, eller överdrivet aktiva signaler. Om det finns något, upprepar du steg 2,7 och 2,9 för att minimera impedansen.
strong> OBS: impedans, som mäts med en 30 Hz ström, bör hållas under 5 kW. - Börja spela in när elektrodsignalerna ser bra ut och det finns ingen platta linjesignaler eller alltför aktiva signaler. Leta efter någon myograms eller ögonrörelser, och se till att deltabyxa avstår från att blinka och spänna sina käken och pannan muskler, eftersom dessa kommer att producera för mycket buller i data. I vila, kan det finnas beta- och alfarytmer närvarande.
- Starta experimentet på den andra datorn. Tidpunkten för den experimentella designen är viktig. Observera noga att se till att experimentet programvara, till exempel E-Prime sänder "markörer" för att indikera stimulans debut. Detta är avgörande eftersom stimulans debut används ofta som en referenspunkt för en händelse i ERP paradigm.
- När experimentet är klar, se till att data har varit saved- denna process kommer att variera beroende på den programvara som används. Ta försiktigt bort locket, och hjälpa deltagaren med hårtvätt och torkning.
- Lossa locket och öronelektroder från förstärkaren, ta bort engångs svamp diskar och rengör mössa och öronelektroder under rinnande vatten med hjälp av en pinne eller slutet av en bomullspinne. Använd en mild tvål eller schampo, samt en tandborste för att försiktigt clöra gelén från elektroderna. Skölj noga. Medge att utrustningen lufttorka.
4. Data Processing
- För att få ERP komponenter från EEG, avgöra vilka epok kommer att studeras. Till exempel, för att beräkna N400 amplituden, använda de genomsnittliga spänningarna i 300-500 ms tidsfönster för beräkning.
- Innan genomsnitt EEG-epokerna, avvisa försök med alltför ögonrörelser eller förstärkare mättnader. Beroende på experimentet paradigm, kan det vara relevant att avvisa prövningar som motsvarar felaktiga svar.
- Efter medelvärdes, filtrera ERP och plotta data (se Animerad figur 1 för specifika instruktioner om databehandling med hjälp av Matlab, EEGLab och ERPLab).
Representative Results
Fem siffror har tagits med för att hjälpa forskarna att få optimal ERP inspelning Figur 1 visar ERP vågformer som erhållits efter avslutad detta protokoll. det utgör ett "bra" resultat på grund av dess exakta inspelning. Figur 2 på andra sidan, visar ERP vågformer som skulle känneteckna ett svaga genomförandet av protokollet, vilket resulterar i "dåliga" resultat, som främst identifierats i alltför brusiga signaler. Figur 3 visar de vanligaste problemen som kan uppstå i ERP inspelning som kan hindra ett korrekt datainsamling. Hög aktivitet kan tolkas på hög frekvens och stora amplituder i vågorna. Däremot en "flatline" indikerar en brist på aktivitet eller felaktig anslutning. Figurerna 4 och 5 visar de stora genomsnitten för de viktigaste resultaten av vår undersökning om effekterna av antipsykotiska läkemedel och schizotypy påden N400, mätt med användning av en semantisk kategorisering paradigm.
Figur 1. Bra resultat. Denna bild visar de genomsnittliga ERP vågformerna för ett ämne under alla prövningar efter ett framgångsrikt genomförande av tekniken, vilket resulterar i ingen platta linjer eller mycket buller. Observera att vågorna kommer att se lite annorlunda ut beroende på den experimentella paradigm används- uppgifter som är starkt beroende olika processer (kognitiva, sensoriska och motor) kommer att producera olika vågformer beroende på innehållet i uppgiften och den kompetens som krävs för uppgiften. Please klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. dåligt resultat. Denna bild visar de genomsnittliga ERP vågformerna för ett ämne under alla prövningar efter bristfällig teknik. Vågformerna visas här är fattiga på grund av buller, samt rak linje i FP2. Notera även bristen på igenkännbara ERP komponenter i EEG. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
. Figur 3. Vanliga problem Denna figur visar de vanligaste problemen som uppstår med denna teknik; nämligen ögonrörelser, muskelrörelser, eller mättnad. Observera att dessa problem kan uppstå i någon av kanalerna, så se till att kolla dem alla. Klicka här för att tävlawa större version av denna siffra.
Figur 4. Effekt av Schizotypy. Denna bild visar de stora genomsnittliga ERP i placebo skick. Röda linjer motsvarar deltagare med höga poäng på schizotyp personlighetsformulär. Svarta linjer motsvarar deltagare med låg schizotypy som bestäms av frågeformuläret.
Figur 5. Effekter av läkemedel i höga schizotypy individer. Denna bild visar den stora genomsnittliga ERP, där röda motsvarar medicinering (olanzapin) och svarta motsvarar placebo. Klicka här för att se en större versiom av denna figur.
Animerad figur 1. Denna siffra kan användas som vägledning för behandling av uppgifterna och få ERP.
Discussion
I vår undersökning av effekterna av antipsykotisk medicinering på N400, fann vi att i placebo skick, var främre N400s större hos individer med hög schizotypy än i individer med låg schizotypy. I medicinering villkoret var dock fronto-central N400s mindre, men bara i individer med hög schizotypy. Således var medicinering visats minska dessa stora fronto-central N400s i höga schizotypiska individer, vilket bekräftar tidigare forskning som visar mindre främre N400s hos schizofrena patienter som behandlas med antipsykotiska läkemedel, i förhållande till de patienter som fick placebo 11,12. Hos personer med låg schizotypy, sågs ingen effekt av medicinering. Dessa fynd erhölls med ett korrekt genomförande av protokollet, och tala om vikten av att samla in tydliga och exakta uppgifter.
För att garantera korrekta och giltiga resultat, finns det några viktiga punkter att tänka på. Tillfå en bra signal, är det viktigt att locket är tätt passform och placeras så att sagittal elektroder är exakt i mitten och att impedansen justeras. Ett lock som är för stor kan minska inspelningskvalitet, eftersom det kommer att bli mycket svårare att minska impedanser 13. Det är också viktigt att deltagarna förstår att de måste undvika alltför stora rörelser, blinkande, eller böja sina ansikte och käkmusklerna, eftersom dessa åtgärder kommer att införa förändringar i EEG-spår och eventuellt göra data tolkning mycket svår 14. Efter experimentet måste utrustningen rengöras ordentligt för att se till att elektroderna inte är blockerade med gel rester som kan påverka framtida signalsamling.
Om det finns problem i signalen, såsom buller eller platta linjer, kontrollera att se till att både mark- och referenselektroder är korrekt anslutna. Minska impedansen för dessa elektroder kan reducera brus, så omDet finns problem i anslutning, återigen tillämpa gel och åter skrapa hårbotten under elektroderna. Om det finns myograms, att motivet för att koppla av innan du fortsätter. Vid utformningen av experimentet, är det relevant för ERP inspelning som den experimentella designen står för tidsaspekter, till exempel hur länge stimulans presentation och korta tidsperioder som gör deltagaren att blinka.
Innan en EEG-experiment, är det viktigt att förstå de tillhörande begränsningar. Den relativt dåliga rumsliga upplösningen kan vara något att överväga, liksom svårigheten att med hjälp av EEG belysa subkortikala aktivitet. Bullret som infördes genom blinkningar och muskelaktivitet är också ofördelaktigt, och de neurala signaler som erhålls är fläckiga när de passerar genom cerebrospinalvätskan, hjärnhinnor, och skalle. Dessa begränsningar kan åtgärdas med alternativa neuroradiologiska metoder independently- såsom fMRI, NIRS & #8211; eller genom att kombinera EEG med dessa alternativa metoder. Emellertid, som tidigare nämnts, är dessa metoder också bära sina egna begränsningar. De erforderliga kontrastförhållanden och brist på baslinjen och polaritet i fMRI är typiska exempel. När det gäller alternativa hjärnavbildningstekniker, har ERP inspelning många advantages- mest synnerhet dess anmärkningsvärda tidsupplösning, vilket är i nivå med millisekunder. Det är också icke-invasiv och minimal obekvämt för deltagaren, och är inte förknippade med några betydande risker eller faror. ERP inspelning är ekonomiskt sunt, särskilt jämfört med andra neuroradiologiska tekniker såsom funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) och positronemissionstomografi (PET) 15. Det erbjuder en inblick i de neurala händelser i kognitiva, sensoriska och motoriska processer, och i framtiden, kan tillämpas för att undersöka förmedvetna processer.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Författarna vill tacka för den Hjärna och beteende Research Foundation för deras generösa stöd.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| EEG acquisition software (Scan 4.5) | Neuroscan | http://www.neuroscan.com/scan.cfm | |
| Digital EEG Amplifier (NuAmp) | Neuro Scan Labs | http://www.neuroscan.com/documents/AF573-01%20CURRY%20NuAmpsExpressPRESSD4.pdf | |
| 2 computers | |||
| Matlab | The MathWorks, Inc | http://www.mathworks.com/products/matlab/ | |
| EEGLab Matlab toolbox | http://sccn.ucsd.edu/eeglab/ | ||
| ERPLAB Toolbox | http://erpinfo.org/erplab | ||
| Stimulus generation software | E-Prime | ||
| ECI Electrode cap | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/caps/ | |
| Special Head Measuring Tape (4 Colour ribbon) | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| Disposable Sponge Disks | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| EEG Abrasive Skin Prepping Gel (Nuprep) | Weaver and Company | http://www.weaverandcompany.com/nuprep.html | |
| Body harness | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| Cap straps | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| Electro-gel | Electro-cap International, Inc | ||
| Blunt needle (BD Vacutainer PrecisionGlide Multiple Sample Needle) | Becton, Dickinson and Company | 367211; see http://www.bd.com/resource.aspx?IDX=7559 | |
| Syringe | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| 2 Ear Electrodes | Electro-cap International, Inc | http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/ | |
| Alcohol wipes | |||
| Red pencil | |||
| Cotton swabs | |||
| Facilities and supplies for participants to wash their hair after the experiment- sink, shampoo, comb, towels, hair dryer |
References
- Debruille, J. B., Rodier, M., Prevost, M., Lionnet, C., Molavi, S. Effects of a small dose of olanzapine on healthy subjects according to their schizotypy: an ERP study using a semantic categorization and an oddball task. Europeam Neuropsychopharmacology. 23 (5), 339-350 (2013).
- Bressler, S. L. The Handbook of Brain Theory and Neural Networks. Arbib, M. A. , MIT Press. Cambridge, MA. 412-415 (2002).
- Peterson, N. N., Schroeder, C. E., Arezzo, J. C. Neural generators of early cortical somatosensory evoked potentials in the awake monkey. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 96 (3), 248-260 (1995).
- Blackwood, D. H., Muir, W. J. Cognitive brain potentials and their application. The British Journal of Psychiatry Supplement. 9, 96-100 (1990).
- Debruille, J. B. The N400 potential could index a semantic inhibition. Brain Research Reviews. 56 (2), 472-477 (2007).
- Kutas, M., Hillyard, S. A.Event-Related Brain Potentials (ERPs) Elicited by Novel Stimuli during Sentence Processing. Annals of the New York Academy of Sciences. 425 (1), 236-241 (1984).
- Holcomb, P. J., Kounios, J., Anderson, J. E., West, W. C. Dual-coding, context-availability, and concreteness effects in sentence comprehension: an electrophysiological investigation. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 25, 721-742 (1999).
- Renoult, L., Brodeur, M. B., Debruille, J. B. Semantic processing of highly repeated concepts presented in single-word trials: electrophysiological and behavioral correlates. Biological Psychology. 84, 206-220 (2010).
- Prevost, M., et al. Schizotypal traits and N400 in healthy subjects. Psychophysiology. 47, 1047-1056 (2010).
- Sur, S., Sinha, V. K. Event-related potential: An overview. Industrial Psychiatry Journal. 18 (1), 70-73 (2009).
- Condray, R., Siegle, G. J., Cohen, J. D., van Kammen, D. P., Steinhauer, S. R. Automatic activation of the semantic network in schizophrenia: evidence from event-related brain potentials. Biological Psychiatry. 54, 1134-1148 (2003).
- Condray, R., Steinhauer, S. R., Cohen, J. D., van Kammen, D. P., Kasparek, A. Modulation of language processing in schizophrenia: effects of context and haloperidol on the event-related potential. Biological Psychiatry. 45, 1336-1355 (1999).
- Light, G. A., et al. Electroencephalography (EEG) and event-related potentials (ERPs) with human participants. Current Protocols in Neuroscience. , 21-24 (2010).
- Luck, S. J. An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , MIT Press. Cambridge, Mass. (2005).
- Luck, S. J. An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , 2nd edition, MIT Press. Cambridge, Mass. (2005).
