Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Stimulus-specifikke kortikale visuelle fremkaldte potentielle morfologiske mønstre

Published: May 12, 2019 doi: 10.3791/59146
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 1,2
1Department of Communication Sciences and Disorders, The University of Texas at Austin, 2Central Sensory Processes Laboratory, The University of Texas at Austin

Summary

I dette papir præsenterer vi en protokol til at undersøge differentiale kortikale visuelle fremkaldte potentielle morfologiske mønstre gennem stimulering af ventrale og dorsale netværk ved hjælp af high-density EEG. Visuelle objekter og motion stimulus paradigmer, med og uden tidsmæssig jitter, er beskrevet. Visuelle fremkaldte potentielle morfologiske analyser er også skitseret.

Abstract

Dette papir præsenterer en metode til registrering og analyse af kortikale visuelle fremkaldte potentialer (CVEPs) som reaktion på forskellige visuelle stimuli ved hjælp af 128-kanals high-density elektro encephalography (EEG). Det specifikke formål med de beskrevne stimuli og analyser er at undersøge, om det er muligt at replikere tidligere rapporterede CVEP morfologiske mønstre fremkaldt af en tilsyneladende motion stimulus, designet til samtidigt at stimulere både ventrale og dorsale central visuelle netværk, ved hjælp af objekt og motion stimuli designet til separat stimulere ventrale og dorsale visuelle kortikale netværk.  Fire visuelle paradigmer præsenteres: 1. randomiserede visuelle objekter med konsekvent tidsmæssig præsentation. 2. randomiserede visuelle objekter med inkonsistent tidsmæssig præsentation (eller jitter).  3. visuel bevægelse via et radial felt af sammenhængende central dot bevægelse uden jitter.  4. visuel bevægelse via et radial felt af sammenhængende central dot bevægelse med jitter.  Disse fire paradigmer præsenteres i en pseudo-randomiseret rækkefølge for hver deltager.  Jitter er indført for at se, hvordan mulige forudselige virkninger kan påvirke morfologien af den objekt-debut og motion-debut CVEP respons.  EEG-dataanalyser er beskrevet i detaljer, herunder trin af dataeksport fra og import til signal behandlings platforme, dårlig kanal identifikation og-fjernelse, artefakt afvisning, gennemsnit og kategorisering af gennemsnits CVEP morfologiske mønster type baseret på latenstid intervaller af komponent toppe. Repræsentative data viser, at den metodologiske tilgang faktisk er følsom med hensyn til at fremkalde differentiale objekt debut-og bevægelses udbrud af CVEP morfologiske mønstre og kan derfor være nyttig i forbindelse med håndteringen af det større forskningsmål. I betragtning af den høje tidsmæssige opløsning af EEG og den mulige anvendelse af high-density EEG i kilde lokaliserings analyser, denne protokol er ideel til undersøgelse af særskilte CVEP morfologiske mønstre og de underliggende neurale mekanismer, der genererer disse differentierede svar.

Introduction

Elektro encephalography (EEG) er et værktøj, der tilbyder en billig og ikke-invasiv tilgang til studiet af kortikal behandling, især i forhold til kortikale vurderingsmetoder såsom funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI), Positron emission tomografi (PET) og diffusion tensor Imaging (DTI)1. EEG giver også høj tidsmæssig opløsning, hvilket ikke er muligt at opnå, når du bruger foranstaltninger som fMRI, PET eller DTI2. Høj tidsmæssig opløsning er afgørende, når man undersøger centrale tidsmæssige funktion for at opnå millisekund-præcision af neuro fysiologiske mekanismer i forbindelse med behandling af specifikke input eller begivenheder.  I det centrale visuelle system, kortikale visuelle fremkaldte potentialer (CVEPs) er en populær tilgang til at studere tid-låste neurale processer i hjernebarken.  CVEP-responser registreres og gennemsnitligt over en række hændelses forsøg, hvilket resulterer i spidsbelastnings komponenter (f. eks. P1, N1, P2), der opstår med specifikke intervaller på millisekunder. Timing og amplitude af disse peak neurale svar kan give oplysninger om kortikale behandling hastighed og modning, samt underskud i kortikale funktion3,4,5.

CVEPs er specifikke for den type visuelle input, der præsenteres for fremviseren. Ved hjælp af visse stimuli i et cvep paradigme, er det muligt at observere funktionen af særskilte visuelle netværk såsom ventrale strøm, involveret i behandling form og farve, eller parvocellulære og magnocellular indgang6,7, 8, og dorsale strømmen, som stort set behandler bevægelse eller magnocellular indgang9,10. CVEPs genereret af disse netværk har været nyttige ikke kun i bedre forståelse typiske neurophysiologic mekanismer underliggende adfærd, men også i målrettet behandling af atypiske adfærd i kliniske populationer. For eksempel er forsinkede CVEP-komponenter i både dorsale og ventrale-netværk blevet rapporteret hos børn med ordblindhed, hvilket tyder på, at visuel funktion i begge disse netværk bør målrettes, når der udformes en interventionsplan11.  Således, CVEPs indspillet via EEG tilbyde en kraftfuld klinisk værktøj til at vurdere både typiske og atypiske visuelle processer.

I en nylig undersøgelse, high-density EEG blev brugt til at måle den tilsyneladende bevægelse-debut CVEPs i typisk at udvikle børn, med det formål at undersøge variable CVEP svar og relaterede visuelle kortikale generatorer på tværs af udvikling. Deltagerne passivt set tilsyneladende bevægelse stimuli12,13,14,15, som bestod af både formforandring og bevægelse, designet til samtidig stimulere dorsale og ventrale vandløb. Det konstateredes, at ca. halvdelen af børnene reagerede med en CVEP bølgeform form, eller morfologi, bestående af tre toppe (P1-N1-P2, mønster A).  Denne morfologi er en klassisk CVEP respons observeret i hele litteraturen. I modsætning hertil, den anden halvdel af børnene præsenteret med en morfologiske mønster består af fem toppe (P1-N1a-P2a-N1b-P2b, mønster B). Til vores viden, er den robuste forekomst og sammenligning af disse morfologiske mønstre ikke tidligere blevet drøftet i CVEP litteratur i enten børn eller voksne populationer, selv om variabel morfologi er blevet bemærket i både tilsyneladende-motion og bevægelses debut cveps14,16. Desuden ville disse morfologiske forskelle ikke have været synlige i forskningen ved hjælp af andre kortikale funktionelle vurderingsmetoder, såsom fMRI eller PET, på grund af den lave tidsmæssige opløsning af disse foranstaltninger.

For at bestemme de kortikale generatorer af hver top i cvep mønstre A og B, er der foretaget kilde lokaliserings analyser, som er en statistisk tilgang, der anvendes til at anslå de mest sandsynlige kortikale regioner involveret i cvep-respons12,13 . For hver top, uanset den morfologiske mønster, primære og højere rækkefølge visuelle corticer blev identificeret som kilder til cvep signal.  Det fremgår således, at den væsentligste forskel underliggende CVEP morfologi fremkaldt af tilsyneladende bevægelse er, at dem med mønster B aktivere visuelle kortikale regioner yderligere gange under behandlingen. Da disse typer af mønstre ikke tidligere er blevet identificeret i litteraturen, er formålet med den ekstra visuelle behandling i dem med CVEP mønster B fortsat uklart.  Derfor er det næste mål i denne forsknings linje at få en bedre forståelse af årsagen til differentialcvep morfologien, og om sådanne mønstre kan relatere til visuel adfærd i både typiske og kliniske populationer.

Det første skridt i forståelsen af, hvorfor nogle individer kan demonstrere en cvep morfologi versus en anden er at afgøre, om disse svar er iboende eller ydre i naturen.  Med andre ord, hvis en person demonstrerer et mønster som reaktion på en visuel stimulus, vil de reagere med et lignende mønster til alle stimuli?  Eller er denne respons stimulus-afhængig, specifik for det visuelle netværk eller netværk aktiveret?

For at besvare dette spørgsmål, to passive visuelle paradigmer blev designet, beregnet til separat aktivere specifikke visuelle netværk. Stimuleringen præsenteret i den indledende undersøgelse var designet til at stimulere både dorsale og ventrale vandløb samtidig; Det var således ukendt, om et eller begge netværk var involveret i generering af specifik bølgeform morfologi. I den nuværende metodologiske tilgang er det paradigme, der er designet til at stimulere ventrale strømmen, sammensat af meget identificerbare objekter i grundlæggende former af firkanter og cirkler, som fremkalder objekt debut CVEPs. Det paradigme, der er designet til at stimulere rygstrømmen, består af visuel bevægelse via et radial felt af sammenhængende central dot-bevægelses prikker ved en fast hastighed mod et fikserings punkt, der fremkalder bevægelses debut CVEPs.

Et andet spørgsmål, der opstod som følge af den indledende undersøgelse var, om differentiale VEP morfologi kunne skyldes deltageren forventning om kommende stimuli13. For eksempel, forskning har vist, at top-down kortikale oscillatoriske aktivitet, der opstår forud for en Target stimulus kan forudsige efterfølgende cvep og adfærdsmæssige svar til en vis grad17,18,19. Den tilsyneladende motion paradigme i den første undersøgelse ansat ikke-randomiserede rammer af en radial stjerne og cirkel med konsekvente Inter-stimulus intervaller (ISIs) af 600 MS. Dette design kan have tilskyndet til forventning og forudsigelse af den kommende stimulus, med resulterende oscillatoriske aktivitet, der påvirker efterfølgende cvep morfologi12,13,19.

For at løse dette problem er det visuelle objekt og bevægelses paradigmer i den nuværende protokol designet med både konsekvent ISIs af samme tidsmæssige værdi og randomiseret ISIs med forskellige tidsmæssige værdier (dvs. jitter).  Ved hjælp af denne fremgangsmåde kan det være muligt at bestemme, hvordan tidsmæssig variation kan påvirke VEP morfologi inden for særskilte visuelle netværk. I alt er formålet med den beskrevne protokol at afgøre, om det visuelle objekt og bevægelses stimuli vil være følsomme over for variationer i CVEP morfologi, og om den tidsmæssige variation af stimuli præsentationen vil påvirke egenskaberne af CVEP respons, herunder spids ventetid, amplitude og morfologi. Med henblik på det nuværende papir er målet at fastslå gennemførligheden af den metodologiske tilgang. Det er en hypotese, at både visuelle objekter og bevægelse kan fremkalde variabel morfologi (dvs. mønstre A og B vil blive observeret på tværs af som reaktion på begge stimuli), og at tidsmæssige variation ville påvirke objekt-debut og motion-debut CVEP komponenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle metoder, der er beskrevet her, er blevet godkendt af den institutionelle revisions bestyrelse (IRB) for human Research på University of Texas i Austin.

1. stimuli egenskaber

  1. Opret objekt stimuli ved hjælp af open source-billeder tilgængelige via Bank of standardiserede stimuli (BOSS). Denne database består af standardiserede billeder, der anvendes i visuelle kognitive eksperimenter.  Download fire billeder (f. eks. ball02, book01a, Brick, button03) med en høj identifikations hastighed (over 75%)20,21.
  2. Opret bevægelses stimuli ved hjælp af en modificeret version af DotDemo-scriptet, som er tilgængeligt via open source Psychtoolbox-3 sæt funktioner, der drives via MATLAB, samt den film funktion, der er tilgængelig i MATLAB (se den supplerende fil).
    1. Konfigurer dot-feltparametrene i forhold til størrelsen på præsentationsskærmen og visnings afstanden.
    2. Angiv 3600 for antallet af film rammer.
    3. Indtast 80 (i cm) for skærmens bredde.
    4. Indtast prik hastigheden ved 5 °/s.
    5. Indtast en punktummet begrænset levetid brøkdel af 0,05.
    6. Angiv 200 for antallet af prikker.
    7. Indtast den mindste radius for feltet kanalen som 1 ° og maksimum som 15 °.
    8. Indtast 0,2 ° for bredden af hver prik.
    9. Indtast 0,35 ° for radius af fikserings punktet.
    10. Angiv, at hvide prikker bruges på en sort baggrund.
    11. Eksporter filmen i. avi-format.

2. visuelt paradigme design

  1. Opret paradigmer via stimulus-præsentation software. Generer fiksering krydser med Courier ny størrelse 18 skrifttype, fed, og centreret på præsentationsskærmen.
  2. Design den visuelle objekt paradigme uden tidsmæssig jitter (dvs., konsekvente ISI værdier) ved at skabe en sort fiksering kors på en hvid baggrund præsenteret for 500 MS, efterfulgt af en af fire objekter præsenteret i randomiseret rækkefølge: bold, bog, mursten, eller knap.
    1. Præsenterer hvert objekt for 600 MS (figur 1a).  Vis alle objekter 75 gange, for i alt 300 forsøg og et paradigme varighed på 5,5 min.
  3. Design det visuelle objekt paradigme med temporale jitter at bestå af den samme sorte fiksering kors på en hvid baggrund, vist for en periode på 500 eller 1.000 MS og efterfulgt af en af de fire objekter, varig for 600 eller 1000 ms (figur 1b).
    1. Opret fire forsøg ved hjælp af stimulus-præsentationssoftware: en fikserings Kors med en varighed på 500 MS, efterfulgt af et objekt for 600 MS; et fikserings Kors med en varighed på 500 MS, efterfulgt af et objekt for 1.000 MS; et fikserings Kors med en varighed på 1.000 MS, efterfulgt af et objekt for 600 MS; og et fikserings Kors med en varighed på 1.000 MS efterfulgt af et objekt for 1.000 MS.
      1. Randomiserer disse forsøg. Præsentere hvert forsøg 19 gange, kulminerende i 304 forsøg og resulterer i en visning tid på ca 7,85 minutter.
  4. Opret den visuelle motion paradigme uden temporale jitter ved at generere en hvid fiksering Kors centreret på en sort baggrund, varig for 500 MS, efterfulgt af den visuelle motion film, som er afkortet til stede for ca 1.000 MS (figur 2a).
    1. Gentag denne sekvens i alt 300 gange, for en visning varighed på ca 7,5 min.
  5. Opret det visuelle bevægelses paradigme med temporale jitter ved hjælp af samme fikserings Kors, varig for intervaller på 500, 750 eller 1.000 MS.
    1. Efter hvert fikserings Kors præsenterer du den visuelle motion film med en varighed på ca. 600 eller 1.000 MS (figur 2b).
    2. Opret seks forsøg: et fikserings Kors med en varighed på 500 MS, efterfulgt af en film for 600 MS, et fikserings Kors med en varighed på 750 MS, efterfulgt af en film for 600 MS, et fikserings Kors med en varighed på 1.000 MS, efterfulgt af en film for 600 MS , et fikserings Kors med en varighed på 500 MS efterfulgt af en film for 1000 ms, et fikserings Kors med en varighed på 750 MS efterfulgt af en film for 1.000 MS og et fikserings Kors med en varighed på 1.000 MS efterfulgt af en film for 1.000 MS.
      1. Randomize disse forsøg, med hver vist 50 gange.  I alt 300 forsøg, for en Visningsperiode på ca. 7,75 min.

3. deltagernes samtykke, Sagshistorik og vision screening

  1. Hils deltageren ved ankomsten. Indhente informeret samtykke ved at præsentere deltageren med samtykke til deltagelse i forsknings form. Forklar samtykkeformularen til deltageren, og Besvar eventuelle spørgsmål, der måtte opstå.
  2. Har deltageren udfylde en sagshistorik formular, der indeholder oplysninger om modersmål, handthed, høre status, syns status og andre diagnoser, som deltageren kan have (f. eks. psykologisk og neurologisk). Ekskluder deltagere, som rapporterer høretab og/eller neurologiske diagnoser, såsom traumatisk hjerneskade.  Medtag alle andre deltagere.
  3. Eskortere deltageren ud af laboratoriet for at gennemføre en vision-screening ved hjælp af et Snellen-diagram for at bestemme synsskarphed. Få deltageren til at stå 20 meter væk fra diagrammet og begynde med at dække hans eller hendes venstre øje for at bestemme højre øjen synsskarphed, og derefter skifte øjne til at bestemme venstre øje synsskarphed. Beregn synsskarphed baseret på den mindste tekstlinje, som deltageren kan gentage mindst én mere end halvdelen af det samlede antal bogstaver.
    Bemærk: Hvis deltageren for eksempel gentager 5 af de 8 bogstaver på 20/20-linjen, beregnes synsskarphed som 20/20 i det pågældende øje.
  4. Eskortere deltageren ind i EEG-optagelsesrummet. Har deltageren sidder i den udpegede stol i midten af en dobbeltvægget magnetisk afskærmet lydisoleret kabine.

4. EEG-præparat

  1. Mål hovedomkredsen af deltageren i centimeter og vælg den relevante EEG netto størrelse. Måle og markere midtpunktet af hovedbunden (midtvejs mellem nasion/inion og højre og venstre mastoids) for placeringen af reference elektroden.
  2. Forbered en opløsning af varmt vand (1 L) blandet med baby shampoo (5 mL) og kaliumchlorid (11 g/10 CC), hvilket øger den elektriske ledning mellem elektroderne og hovedbunden, hvilket fører til lavere spændings impedanser og et øget signal-støj-forhold.
  3. Placer EEG-nettet i opløsningen. Lad nettet suge i opløsningen i 5 minutter, før det placeres på deltagerens hovedbund.
  4. Tænd for stimulus-præsentation computer og EEG erhvervelse computer.
  5. Anbring et håndklæde eller andet absorberende materiale omkring deltagerens nakke for at forhindre, at opløsningen drypper på hans eller hendes tøj.
  6. Tilslut EEG-nettet til forstærkeren. Instruer deltageren i at lukke hans eller hendes øjne, når du lægger på EEG-nettet for at forhindre, at opløsningen drypper ind i hans eller hendes øjne.
  7. Tag godt fat i EEG-nettet med begge hænder, og spænd det på plads på deltagerens hoved. Sørg for, at nettet er placeret symmetrisk på hovedbunden, med reference elektroden i hovedbunden midtlinje punkt, der blev målt. Stram Hagen og okulære netlinjer for at sikre en sikker forbindelse mellem hovedbunden og elektroderne. Spørg deltageren, hvis han eller hun er komfortabel, og hvis noget skal justeres.
  8. Kontroller for de korrekte elektrode impedans værdier, med et gennemsnitligt mål på 10 kΩ.
  9. For at reducere impedans værdierne efter placeringen af elektrode nettet skal du bruge en 1 mL pipette til at anvende kaliumchloridopløsningen på hovedbunden/elektroderne, der har en høj impedans. Fortsætte denne proces, indtil der opnås tilstrækkelige impedanser værdier på tværs af elektroderne.

5. EEG-optagelse

  1. Instruer deltageren i at fokusere på de visuelle stimuli, der vises på skærmen. Visnings afstanden er ca. 65 tommer.
  2. Brug en pseudo tilfældige nummer generator til at bestemme rækkefølgen af præsentationen for de fire visuelle paradigmer.
  3. Begynd de visuelle opgaver og EEG-optagelsen.
  4. Overvåg EEG-optagelsen, hvis det er nødvendigt. Hvis igangværende EEG viser høj myogen eller 60 Hz aktivitet, skal du sætte eksperimentet på pause for at kontrollere forbindelsen til elektrodehoved bunden igen.
  5. Gentag trin 5,3 og 5,4 for det visuelle objekt paradigme, det visuelle objekt med det tidsmæssige jitter-paradigme, det visuelle bevægelses paradigme og den visuelle bevægelse med Temporal jitter-paradigme.
  6. Ved afslutningen af forsøget, instruere deltageren til at lukke hans eller hendes øjne for at forhindre, at løsningen kommer ind i hans eller hendes øjne, når du fjerner nettet. Begynd med at løsne Hagen og okulære net linjer, og fjern derefter nettet ved forsigtigt at trække hage remmen op og over deltagerens hoved, og sørg for at trække langsomt for at sikre, at nettet ikke vil blive filtret i deltagerens hår.
  7. Frakobl EEG-nettet fra forstærkeren. Begynd desinficerings processen ved at placere EEG-hætten ind og ud af en spand fyldt med vand og skylning under en hane. Derefter skal du oprette desinfektions opløsningen ved at tilsætte ca. 2 liter vand til desinfektions spanden og blande 15 ml desinfektionsmiddel sammen med vandet.
  8. Sænk sensorens ende af nettet i desinfektionsmidlet. Indstil en timer i 10 min; for de første 2 min, hele tiden kaste nettet op og ned. Lad netto iblødsætning for resten af de 10 min.
  9. Fjern EEG-nettet fra desinficerings opløsningen. Placer EEG-nettet i og ud af elektrode spanden fyldt med vand og under rindende vand for at skylle. Gentag fire gange.  Lad nettet lufttørre.

6. EEG-analyser

  1. Eksporter EEG-filer til analyser i MATLAB via EEGLAB Toolbox ved hjælp af et 1 Hz High-Pass Filter, segmentering omkring hvert forsøg (eller begivenhed) af 100 MS pre-stimulus og 500 MS post-stimulus perioder.
  2. Importér data ved hjælp af EEGLAB-værktøjskassen.
    1. Vælg indstillingen fil i rullemenuen, og klik på Importér data.  Vælg med EEGLAB-funktioner og plugins i menuen.  Næste Klik på den relevante eksportfilformat.
  3. Tildel kanal placeringer igen baseret på den type elektrode montage, der bruges, ved at vælge Rediger i rullemenuen og vælge kanal placeringer.  Klik på slå locs op , og vælg ellipserne for at finde stien til elektrode montage filen af interesse.
  4. Tildel tider før og efter stimulus til epochs start-og sluttidspunkter. Angiv en værdi på-0,1 s i feltet Start tidspunkt .
  5. Baseline-korrekte data i henhold til præ-stimulus-intervallet.
  6. Identificer og fjern beskadigede kanaler ved hjælp af sandsynlighed ved en Z-score-tærskel på 2,5.
    1. Bekræft vellykket identifikation og fjernelse af dårlige kanaler ved at plotte alle elektroderne. Fjern manuelt kanaler med gennemsnitlig spændings amplitude uden for intervallet +/-30 μV.
  7. Udfør artefakt afvisning ved at indtaste værdier på-100 μV og + 100 μV.
    Bemærk:     denne metode er effektiv til fjernelse af okulær aktivitet registreret ved okulære elektroder (126, 127). Det kan dog være nødvendigt manuelt at fjerne forsøg med artefakt, der forekommer ved mindre spændings amplitude (dvs. inden for +/-100 μV-intervallet) for visse deltagere.
    1. Vær opmærksom på kanaler, der var dårlige for hele segmenter (dvs. med spændinger uden for +/-100 μV området) og fremhævet med rødt. Fjern disse dårlige kanaler manuelt, hvis de udgør 60% eller mere af de afviste forsøg. Gentag dette trin så mange gange som nødvendigt.
    2. Følg trinnene til fjernelse af artefakt som beskrevet ovenfor. Sørg for, at mindst 100 fejer accepteres. Fjern forsøg, som er markeret til afvisning.
  8. Plot Channel 75 (svarende til Oz), eller kanalen (r) af interesse, at kategorisere morfologiske mønstre. Før du plotte denne kanal, skal du sørge for at udføre pre-stimulus baseline korrektion.
  9. Vælg mønster A, hvis CVEP morfologi er karakteriseret ved en stor positiv spids ved ca. 100-115 MS (P1), efterfulgt af en negativ spids ved ca. 140-180 MS (N1) og en positiv top ved ca. 165-240 MS (P2).
  10. Vælg mønster B, hvis CVEP morfologi er karakteriseret ved en stor positiv top ved ca. 100-115 MS (P1), efterfulgt af en negativ top ved ca. 140-180 MS (N1a), en positiv top ved ca. 180-240 MS (P2a), derefter en negativ spids ved ca. 230-280 MS (N1b) og positiv top ved ca. 260-350 MS (P2b).
  11. Tilføj individuelle datasæt sammen i henhold til det morfologiske mønster, der visuelt observeres for at oprette et gruppe gennemsnit. Navngiv og Gem den nyligt flettede datasætfil.
  12. Se vedhæftede filer som et gennemsnit ved at afbilde de (t) kanal (r) af interesse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 og figur 4 viser de repræsentative objekt-debut og motion-debut cvep resultater af fem deltagere, i alderen 19-24 år, der passivt set hvert visuelt paradigme. Dette design tillod observation af CVEP svar fremkaldt af visuelle objekter (med og uden jitter) og visuel bevægelse (med og uden jitter) både inden for og på tværs af i henhold til hver betingelse.  Deltagere CVEPs blev grupperet efter det morfologiske mønster fremkaldt af visuelle stimuli og Grand-gennemsnit for at skabe en middel CVEP mønster.  I objekterne med ingen tidsmæssig jitter tilstand (figur 3), to deltagere blev fundet at præsentere med mønster A, mens tre præsenteret med mønster B (figur 3a).  Tilsvarende i objekterne med Temporal jitter tilstand (figur 3b), to emner præsenteret med mønster A og tre med mønster B.  Interessant, to emner præsenteret med et andet mønster som følge af jitter paradigme (dvs. et emne, der præsenterer med mønster A i No jitter tilstand præsenteret med mønster B i jitter tilstand, og et emne, der præsenterer med mønster B i ingen jitter tilstand præsenteret med mønster A i jitter tilstand).  Det kan også bemærkes, at jitter påvirker amplitude og ventetid i hver objekt-debut CVEP mønster (figur 3c,D).

For bevægelses betingelsen (figur 4) viste to mønster en morfologi og tre emner præsenteret med mønster B.  I modsætning til den objekt-debut CVEPs, motion-debut CVEP morfologiske mønstre for hver deltager var konsekvent på tværs af jitter tilstand.  Desuden viser mønster B-gruppens gennemsnit ingen klare beviser for de mange peak komponenter, der typisk er til stede.  Denne mangel på differentialmorfologi forekom i begge bevægelses paradigmer uden og med temporale jitter (figur 4a,B). Svarende til objektets paradigme, jitter i motion paradigme synes at påvirke motion-debut CVEP egenskaber i både morfologiske mønstre (figur 4c,D).

Figure 1
Figur 1 : Eksempel på visuelle objekt stimuli paradigmer uden og med temporale jitter. (A) uden tidsmæssig jitter: en fikserings Kors præsenteres for 500 MS, efterfulgt af en randomiseret præsentation af en af fire objekter fra boss database (knap, bog, bold, mursten).  Hver objekt præsentation er 600 MS i varighed. (B) med temporale jitter: en fikserings Kors præsenteres for 500 eller 1.000 MS, værdier, der er randomiseret på tværs af forsøg, og derefter en af fire objekter fra boss database (knap, bog, bold, mursten).  Hvert objekt er præsenteret for randomiserede værdier af 600 eller 1000 ms. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Eksempel på visuelle bevægelses stimuli paradigmer uden og med temporale jitter. A) uden tidsmæssig jitter: et fikserings Kors præsenteres for 500 MS, efterfulgt af en visuel film af et radial felt af prikker, der bevæger sig indad mod et centralt fikserings punkt (betegnet med hvide pile) for 1.000 MS.B) med tidsmæssig jitter: en fikserings kors er præsenteret for 500, 750, eller 1.000 MS, værdier, der er randomiseret på tværs af forsøg. En visuel motion film præsenteres derefter for enten 600 eller 1.000 MS, værdier, der er randomiseret på tværs af forsøg. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 . Repræsentative objekt indsættende CVEP-data uden og med temporale jitter. (A) mønster a morfologi (dvs. en P1-N1-P2 respons) blev observeret i to deltagere (solid Black Line) som reaktion på objektet paradigme uden jitter.  Mønster B morfologi (dvs. en P1-N1a-P2a-N1b-P2b respons) blev observeret i 3 deltagere (stiplede røde linje) som reaktion på objektet paradigme uden jitter.  Amplitude i mikrovolt er afbildet på den lodrette akse og tid i millisekunder på den vandrette akse. (B) mønster en morfologi blev fundet i to deltagere (solid Black Line) fremkaldt af objekt paradigmet med jitter.  Pattern B morfology blev fundet i 3 deltagere (rød stiplet linje) fremkaldt af objekt paradigmet med jitter. (C) mønster en morfologi sammenligning i de samme tre deltagere som reaktion på objektet paradigme uden jitter (solid Black Line) og objekt paradigme med jitter (rød stiplede linje). (D) mønster B morfologi sammenligning i de samme to deltagere som fremkaldt af objektet paradigme uden jitter (solid Black Line) og objekt paradigme med jitter (rød stiplede linje). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 . Repræsentative bevægelses fremtrædende CVEP-data uden og med temporale jitter. A) mønster en morfologi (dvs. et P1-N1-P2-respons) blev observeret hos to deltagere (solid Black Line) som reaktion på bevægelses paradigmet uden jitter.  Mønster B morfologi (dvs. en P1-N1a-P2a-N1b-P2b respons) blev observeret individuelt i 3 deltagere (stiplede røde linje) som reaktion på bevægelses paradigme uden jitter. Bemærk dog, den typiske mønster B morfologi er ikke observeret i CVEP gruppe Grand gennemsnit.  Amplitude i mikrovolt er afbildet på den lodrette akse og tid i millisekunder på den vandrette akse. (B) mønster en morfologi blev fundet i to deltagere (solid Black Line) fremkaldt af motion paradigme med jitter.  Mønster B morfologi blev fundet individuelt i 3 deltagere (rød stiplede linje) fremkaldt af motion paradigme med jitter. Igen, mønsteret B morfologi er ikke synlig i CVEP store gennemsnit. (C) mønster en morfologi sammenligning i de samme tre deltagere som svar på motion paradigme uden jitter (solid Black Line) og motion paradigme med jitter (rød stiplede linje). (D) mønster B morfologi sammenligning i de samme to deltagere som fremkaldt af motion paradigme uden jitter (solid Black Line) og motion paradigme med jitter (rød stiplede linje). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende fil: Venligst klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Formålet med denne metodologiske rapport var at evaluere gennemførligheden af at registrere differentialcvep morfologi ved hjælp af visuelle objekter og bevægelses stimuli specielt designet til separat stimulering af ventrale og dorsale vandløb i passive visnings opgaver6 ,7,8, både med og uden variation af ISIs (jitter)19. Betingelserne var ikke beregnet til at blive direkte sammenlignet, snarere blev der fremsat bemærkninger om, hvorvidt variabel CVEP morfologi var til stede i begge tilstande, og om tidsmæssig jitter inden for denne tilstand påvirkede morfologi. Objekt-debut og motion-debut CVEP respons blev indspillet og tid-låst til udbrud af visuelle objekt og motion stimuli, præsenteret i fire paradigmer, via 128-kanal high-density EEG. Fem unge voksne deltog i passiv visning af hvert visuelt paradigme, og resulterende CVEP responser blev visuelt kategoriseret, subjektivt, ifølge CVEP mønster A (P1-N1-P2) morfologi og CVEP mønster B (P1-N1a-P2a-N1b-P2b) morfologi, en metode anvendes i tidligere forskning, som denne fremgangsmåde er baseret på12,13.

Repræsentative data tyder på, at de beskrevne visuelle stimuli er følsomme over for differentiel CVEP morfologi. Desuden, jitter synes at påvirke specifikke karakteristika af CVEP respons, såsom latency og amplitude, snarere end den samlede morfologi af bølgeform. Der kan ikke drages yderligere konklusioner på grund af den lille stikprøvestørrelse og manglen på statistiske sammenligninger.  Derfor viser disse data, at det eksperimentelle design kan være nyttigt i studiet af variabel CVEP morfologi og tilhørende visuel adfærd. Fremtidig forskning er planlagt til at fokusere på betydeligt at udvide antallet af deltagere til at kontrollere, om cvep mønstre fremkaldt af en række stimuli er et iboende eller ydre fænomen, og om visse visuelle kortikale netværk kan være mere involveret end andre i at generere specifik morfologi. Fremtidige undersøgelser vil også omfatte tidsmæssig variation i visuelle paradigmer for yderligere vurdering af mulige foregribende virkninger på CVEP-responser, herunder større variation i jitter-værdier, da de begrænsede intervaller for jitter, der indgår i den nuværende tilgang kan ikke helt eliminere forudsigelighed.  Endelig vil der blive udført analyser af kilde lokalisering på CVEP peak-komponenter for kvalitative oplysninger om visuelle kortikale netværk, der er involveret i genereringen af CVEP morfologiske mønstre, herunder verifikation af, at de præsenterede stimuli aktiverer tilsigtede visuelle netværk.

Selv om de beskrevne metoder viser en effektiv tilgang til undersøgelse af objekt debut og motion-debut CVEP morfologi, skal kritiske trin bemærkes.  For eksempel, i visuelle stimuli skabelse, er det vigtigt, at faktorer som luminans være konsekvent og kontrolleret for, da disse lavere Ordreændringer kan påvirke CVEP egenskaber22. I EEG-præparatet er det bydende nødvendigt, at der fokuseres nøje på elektrode impedans værdier. Den high-density EEG system, der anvendes i den nuværende undersøgelse er et højt impedans system, hvilket betyder, at EEG aktivitet kan registreres med succes med elektrode impedans værdier på op til 50 kΩ. Men i vores laboratorium, vi sigter mod at opretholde disse værdier under 20 kΩ, og ideelt omkring 10 kΩ. Lavere impedans værdier påvirker i høj grad den samlede kvalitet af optagelsen og resulterer i hurtigere analyser og et højere antal accepterede forsøg.  Desuden er det vigtigt at overvåge emnet tilstand, især da disse paradigmer er passive i naturen. Det kan være en udfordring for nogle deltagere at forblive opmærksomme, hvilket resulterer i alfa svingninger og okulær artefakt, der kan forurere optagelsen. I EEG-analyser er det vigtigt at fjerne dårlige elektrode kanaler før artefakt afvisning for at sikre, at det maksimale antal forsøg accepteres i gennemsnittet. Jo større antal forsøg, jo bedre er signal-støj-forholdet i CVEP-responset. Desuden er et stort antal forsøg nødvendige for kilde lokaliserings analyser. I vores laboratorium er et minimum af 100 accepterede forsøg typisk for visuelle undersøgelser12,13,22. Den EEG-analysemetode, der er beskrevet i dette studie, kan også ændres efter forskeres skøn. Der er mange tilgange til en vellykket EEG analyse, og den ene er blevet udviklet i vores laboratorium. Andre tilgange, der kan være nyttige kan gennemgås gennem forskellige tutorials, der leveres af skaberne af EEGLAB Toolbox.

Mens EEG-metoden har begrænsninger, specielt i rumlig opløsning til billedbehandlings formål2, er fordelene ved en lav pris, ikke-invasiv tilgang og høj tidsmæssig opløsning et ideelt redskab til undersøgelse af CVEP morfologiske Mønstre. For eksempel ville ventetid og amplitude af de specifikke spids komponenter, som udgør CVEP-bølgeformen, ikke kunne identificeres ved hjælp af en anden tilgang, undtagen eventuelt med magnetoencephalography (MEG).  Desuden har analyser af kilde lokalisering, som er mulige med EEG-optagelser med høj densitet, fremskreden til et sådant niveau, at estimering af den kortikale generator placering er blevet accepteret i en lang række undersøgelser12,13, 23,24,25,26. Hvis rumlig lokalisering fortsat er et problem for forskeren, kan en multimodal tilgang anvendes til at kombinere den tidsmæssige opløsning af EEG med den rumlige opløsning af andre foranstaltninger, såsom fMRI27. Det er vigtigt, at der indsamles en stor mængde forsøg i hvert paradigme til fremtidig analyse af kilde lokalisering, som kræver et højt EEG-signal-støj-forhold for at opnå nøjagtig estimering af kortikale generatorer12,13, 23.

Samlet set er den beskrevne protokol nyttig og effektiv til observation og undersøgelse af CVEP morfologiske mønstre. Lignende metoder er blevet præsenteret i litteraturen14,15,28,29, men har ikke fokuseret på kategoriseringen af gruppe deltageres svar i henhold til morfologi, som beskrevet i afsnittet EEG-analyser. Fremtidig forskning kan drage fordel af at undersøge cvep morfologi nøjere, da særskilte visuelle processer har vist sig at ligge under specifikke mønstre12,13. Mens yderligere arbejde er nødvendigt for at afklare, om CVEP morfologi fremkaldt af forskellige stimuli og underliggende visuelle funktion er relateret til visuel adfærd, de eksperimentelle paradigmer og EEG analyser drøftet i denne pilotundersøgelse giver et første punkt til bedre at forstå grundlæggende visuelle kortikale processer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet af University of Texas på Austin Moody College of Communication Grant forberedelse Award og University of Texas på Austin kontor for Vice President for forskning særlige forskningstilskud.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
E-Prime 2.0 Psychology Software Tools, Inc Used in data acquisition
Net Amps 400 Electrical Geodesics, Inc Used in data acquisition
Net Station Acquisition V5.2.0.2 Electrical Geodesics, Inc Used in data acqusition
iMac (27 inch) Apple Used in data acquisition
Optiplex 7020 Computer Dell Stimulus computer
HydroCel GSN EEG net Electrical Geodesics, Inc Used in data acqusition
1 mL pipette Electrical Geodesics, Inc Used to lower impedances
Johnson's Baby Shampoo Johnson & Johnson Used in impedance solution
Potassium Chloride (dry) Electrical Geodesics, Inc Used in impedance solution
Control III Disinfectant Germicide Control III Used in disinfectant solution
32 inch LCD monitor  Vizio Used to present stimuli
Matlab (R2016b) MathWorks Used in data analysis
EEGlab v14.1.2 Swartz Center for Computational Neuroscience, University of California, San Diego https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php Used in data analysis
BOSS Database Bank of Standardized Stimuli https://sites.google.com/site/bosstimuli/ Used in generation of visual object stimuli 
Psychtoolbox-3 Psychophysics Toolbox Version 3 (PTB-3) http://psychtoolbox.org/ Used in generation of visual motion stimuli

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lascano, A. M., Lalive, P. H., Hardmeier, M., Fuhr, P., Seeck, M. Clinical evoked potentials in neurology: A review of techniques and indications. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 88 (8), 688-696 (2017).
  2. Mehta, R. K., Parasuraman, R. Neuroergonomics: A review of applications to physical and cognitive work. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 889 (2013).
  3. Kuba, M., Kubova, Z., Kremlacek, J., Langrova, J. Motion-onset VEPs: Characteristics, methods, and diagnostic use. Vision Research. 47 (2), 189-202 (2007).
  4. Tobimatsu, S., Celesia, G. G. Studies of human visual pathophysiology with visual evoked potentials. Clinical Neurophysiology. 117 (7), 1414-1433 (2006).
  5. Tremblay, E., et al. Delayed early primary visual pathway development in premature infants: High density electrophysiological evidence. PLoS One. 9 (9), e107992 (2014).
  6. Allison, T., Puce, A., Spencer, D. D., McCarthy, G. Electrophysiological studies of human face perception. I: Potentials generated in occipitotemporal cortex by face and non-face stimuli. Cerebral Cortex. 9, 415-430 (1999).
  7. Grill-Spector, K. The neural basis of object perception. Current Opinions in Neurobiology. 13, 159-166 (2003).
  8. Mitchell, T. V., Neville, H. J. Asynchronies in the development of electrophysiological responses to motion and color. Journal of Cognitive Neuroscience. 16, 1363-1374 (2004).
  9. Armstrong, B. A., Neville, H. J., Hillyard, S. A., Mitchell, T. V. Auditory deprivation affects processing of motion, but not color. Cognitive Brain Research. 14, 422-434 (2002).
  10. Donner, T. H., Siegel, M., Oostenveld, R., Fries, P., Bauer, M., Engel, A. K. Population activity in the human dorsal pathway predicts the accuracy of visual motion detection. Journal of Neurophysiology. 98, 345-359 (2007).
  11. Bonfiglio, L., et al. Defective chromatic and achromatic visual pathways in developmental dyslexia: Cues for an integrated intervention programme. Restorative Neurology and Neuroscience. 35 (1), 11-24 (2017).
  12. Campbell, J., Sharma, A. Visual cross-modal re-organization in children with cochlear implants. PLoS ONE. 11 (1), e0147793-e0147718 (2016).
  13. Campbell, J., Sharma, A. Distinct visual evoked potential morphological patterns for apparent motion processing in school-aged children. Frontiers in Human Neuroscience. 10 (71), 277 (2016).
  14. Doucet, M. E., Gosselin, F., Lassonde, M., Guillemot, J. P., Lepore, F. Development of visual-evoked potentials to radially modulated concentric patterns. Neuroreport. 16 (6), 1753-1756 (2005).
  15. Doucet, M. E., Bergeron, F., Lassonde, M., Ferron, P., Lepore, F. Cross-modal reorganization and speech perception in cochlear implant users. Brain. 129 (12), 3376-3383 (2006).
  16. Kubova, Z., et al. Difficulties of motion-onset VEP interpretation in school-age children. Documenta Ophthalmologica. 128, 121-129 (2014).
  17. Gould, I. C., Rushworth, M. F., Nobre, A. C. Indexing the graded allocation of visuospatial attention using anticipatory alpha oscillations. Journal of Neurophysiology. 105, 1318-1326 (2011).
  18. Hanslmayr, S., Aslan, A., Staudigl, T., Klimesch, W., Hermann, C. S., Bauml, K. H. Prestimulus oscillations predict visual perception performance between and within subjects. Neuroimage. 37, 1465-1543 (2007).
  19. Toosi, T., Tousi, E. K., Esteky, H. Learning temporal context shapes prestimulus alpha oscillations and improves visual discrimination performance. Journal of Neurophysiology. 118 (2), 771-777 (2017).
  20. Brodeur, M. B., Dionne-Dostie, E., Montreuil, T., Lepage, M. The Bank of Standardized Stimuli (BOSS), a new set of 480 normative photos of objects to be used as visual stimuli in cognitive research. PLoS One. 5 (5), e10773 (2010).
  21. Brodeur, M. B., et al. The Bank of Standardized Stimuli (BOSS): Comparison between French and English norms. Behavior Research Methods. 44, 961-970 (2012).
  22. Suttle, C., Harding, G. Morphology of transient VEPs to luminance and chromatic pattern onset and offset. Vision Research. 39 (8), 1577-1584 (1999).
  23. Campbell, J., Sharma, A. Cross-modal re-organization in adults with early stage hearing loss. PLoS One. 9 (2), e90594 (2014).
  24. Campbell, J., Sharma, A. Compensatory changes in cortical resource allocation in adults with hearing loss. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 71 (2013).
  25. Debener, S., Hine, J., Bleeck, S., Eyles, J. Source localization of auditory evoked potentials after cochlear implantation. Psychophysiology. 45 (1), 20-24 (2008).
  26. Gilley, P. M., Sharma, A., Dorman, M. F. Cortical reorganization in children with cochlear implants. Brain Research. 1239, 56-65 (2008).
  27. Neuner, I., Arruba, J., Felder, J., Shah, N. J. Simultaneous EEG-fMRI acquisition at low, high and ultra-high magnetic fields up to 9.4 T: Perspectives and challenges. Neuroimage. 15 (102), 71-79 (2014).
  28. Schulte-Korne, G., Bartling, J., Deimel, W., Remschmidt, H. Visual evoked potential elicited by coherently moving dots in dyslexic children. Neuroscience Letters. 357 (3), 207-210 (2004).
  29. Zhang, R., Hu, Z., Roberson, D., Zhang, L., Li, H., Liu, Q. Neural processes underlying the “same”- “different” judgment of two simultaneously presented objects—an EEG study. PLoS One. 8 (12), e81737 (2013).

Tags

Neurovidenskab elektrofysiologiske fænomener elektrofysiologiske processer fremkaldte potentialer fysiologiske processer elektrofysiologiske processer neurale ledning fænomener og processer fysiologiske fænomener visuelle Evoked potentialer morfologiske mønstre ventral strøm dorsal strøm high-density EEG EEGLAB
Stimulus-specifikke kortikale visuelle fremkaldte potentielle morfologiske mønstre
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Campbell, J., Nielsen, M., LaBrec,… More

Campbell, J., Nielsen, M., LaBrec, A., Bean, C. Stimulus-specific Cortical Visual Evoked Potential Morphological Patterns. J. Vis. Exp. (147), e59146, doi:10.3791/59146 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter