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-specifieke corticale visuele Evoked potentiële morfologische patronen

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

In dit artikel presenteren we een protocol voor het onderzoeken van differentiële corticale visuele Evoked potentiële morfologische patronen door stimulatie van ventrale en dorsale netwerken met behulp van high-density EEG. Visuele voorwerpen en bewegings stimulans paradigma's, met en zonder temporale jitter, worden beschreven. Visuele Evoked potentiële morfologische analyses worden ook geschetst.

Abstract

Dit artikel presenteert een methodologie voor de opname en analyse van corticale visuele Evoked mogelijkheden (cveps) in reactie op verschillende visuele stimuli met behulp van 128-kanaals high-density elektro encephalography (EEG). Het specifieke doel van de beschreven stimuli en analyses is om te onderzoeken of het haalbaar is om eerder gerapporteerde CVEP-morfologische patronen te repliceren die worden opgewekt door een schijnbare bewegings stimulans, ontworpen om gelijktijdig zowel ventrale als dorsale Central te stimuleren Visuele netwerken, met behulp van object-en bewegings stimuli, ontworpen om ventrale en dorsale visuele corticale netwerken afzonderlijk te stimuleren.  Vier visuele paradigma's worden gepresenteerd: 1. gerandomiseerde visuele objecten met consistente temporele presentatie. 2. gerandomiseerde visuele objecten met inconsistente tijdelijke presentatie (of jitter).  3. visuele beweging via een radiaal veld van coherente centrale stip beweging zonder jitter.  4. visuele beweging via een radiaal veld van coherente centrale stip beweging met jitter.  Deze vier paradigma's worden gepresenteerd in een pseudo-gerandomiseerde volgorde voor elke deelnemer.  Jitter wordt geïntroduceerd om te bekijken hoe mogelijke anticipatieve effecten de morfologie van de CVEP-reactie van het object-onset en de beweging-onset kunnen beïnvloeden.  EEG-gegevensanalyses worden gedetailleerd beschreven, met inbegrip van stappen van gegevensuitvoer uit en invoer naar signaal verwerkings platformen, slechte kanaal identificatie en-verwijdering, artefact afwijzing, middeling en categorisatie van gemiddelde morfologische patroon type op basis van latentie bereiken van component pieken. Representatieve gegevens tonen aan dat de methodologische aanpak inderdaad gevoelig is in het opwekken van differentieel object-onset en Motion-onset morfologische patronen en kan daarom nuttig zijn bij het aanpakken van het grotere onderzoek doel. Gezien de hoge temporele resolutie van EEG en de mogelijke toepassing van high-density EEG in bron lokalisatie analyses, is dit protocol ideaal voor het onderzoeken van afzonderlijke CVEP morfologische patronen en de onderliggende neurale mechanismen die deze differentiële reacties.

Introduction

Elektro-encefalografie (EEG) is een hulpmiddel dat een goedkope en niet-invasieve benadering biedt voor de studie van corticale verwerking, vooral in vergelijking met corticale beoordelingsmethoden zoals functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI), positron-emissie tomografie (PET) en diffusie tensor beeldvorming (DTI)1. EEG biedt ook een hoge temporele resolutie, die niet mogelijk is om te bereiken bij het gebruik van maatregelen zoals fMRI, PET of DTI2. Hoge temporele resolutie is van cruciaal belang bij het onderzoeken van centrale tijdelijke functie om milliseconde-precisie van neurofysiologisch mechanismen met betrekking tot de verwerking van specifieke input of gebeurtenissen te verkrijgen.  In het centrale visuele systeem zijn corticale visuele Evoked mogelijkheden (cveps) een populaire benadering in het bestuderen van tijdvergrendelde neurale processen in de hersenschors.  CVEP-responsen worden geregistreerd en gemiddeld over een aantal gebeurtenis proeven, resulterend in piek componenten (bijv. P1, N1, P2) die voortvloeien uit specifieke milliseconde intervallen. De timing en amplitude van deze piek neurale reacties kunnen informatie verschaffen over de corticale verwerkingssnelheid en rijping, evenals tekorten in corticale functie3,4,5.

CVEPs zijn specifiek voor het type visuele invoer dat aan de kijker wordt gepresenteerd. Met behulp van bepaalde stimuli in een cvep-paradigma is het mogelijk om de functie van verschillende visuele netwerken zoals de ventrale stroom te observeren, die betrokken zijn bij de verwerking van vorm en kleur, of parvocellular en magnocellular-input6,7, 8, en de dorsale stroom, die grotendeels beweging of magnocellular input9,10verwerkt. CVEPs die door deze netwerken zijn gegenereerd, zijn niet alleen nuttig bij het beter begrijpen van typische neurofysiologische mechanismen die onderliggend gedrag vertonen, maar ook in de gerichte behandeling van atypisch gedrag in klinische populaties. Uitgestelde CVEP-componenten in zowel de dorsale-als de ventrale netwerken zijn bijvoorbeeld gemeld bij kinderen met dyslexie, wat suggereert dat de visuele functie in beide netwerken moet worden gericht bij het ontwerpen van een interventieplan11.  Dus, CVEPs opgenomen via EEG bieden een krachtig klinisch instrument om zowel typische en atypische visuele processen te beoordelen.

In een recente studie werd een high-density EEG gebruikt om het schijnbare Motion-onset CVEPs bij typisch ontwikkelende kinderen te meten, met als doelvariabele CVEP-responsen en gerelateerde visuele corticale generatoren over ontwikkeling te onderzoeken. Deelnemers passief bekeken schijnbare bewegings stimuli12,13,14,15, die bestond uit zowel vormverandering en beweging, ontworpen om tegelijkertijd dorsale en ventrale stromen te stimuleren. Er werd vastgesteld dat ongeveer de helft van de kinderen reageerde met een CVEP golfvorm, of morfologie, bestaande uit drie pieken (P1-N1-P2, patroon A).  Deze morfologie is een klassieke CVEP reactie waargenomen in de literatuur. In tegenstelling, de andere helft van de kinderen gepresenteerd met een morfologisch patroon bestaande uit vijf pieken (P1-N1a-P2A-N1b-P2b, patroon B). Naar onze kennis zijn de robuuste voorvallen en vergelijking van deze morfologische patronen niet eerder besproken in de CVEP-literatuur bij kinderen of volwassen populaties, hoewel er variabele morfologie is waargenomen in zowel schijnbeweging als Motion-onset cveps14,16. Bovendien zouden deze morfologische verschillen niet blijken uit onderzoek met andere corticale functionele beoordelingsmethoden, zoals fMRI of PET, vanwege de geringe temporele oplossing van deze maatregelen.

Om de corticale generatoren van elke piek in cvep-patronen A en B te bepalen, werden bron lokalisatie analyses uitgevoerd, wat een statistische benadering is die wordt gebruikt om de meest waarschijnlijke corticale regio's die betrokken zijn bij de cvep-respons te schatten12,13 . Voor elke piek werden, ongeacht het morfologische patroon, primaire en hogere-orde visuele cortices geïdentificeerd als bronnen van het CVEP-signaal.  Zo blijkt dat het belangrijkste verschil ten grondslag van de CVEP-morfologie die wordt opgewekt door schijnbare beweging, is dat degenen met patroon B tijdens de verwerking extra keren de visuele corticale regio's activeren. Omdat dit soort patronen niet eerder in de literatuur zijn geïdentificeerd, blijft het doel van de extra visuele verwerking in die met CVEP patroon B onduidelijk.  Daarom is het volgende doel in deze onderzoekslijn om een beter begrip te krijgen van de oorzaak van de differentiële CVEP-morfologie en of dergelijke patronen betrekking kunnen hebben op visueel gedrag in zowel typische als klinische populaties.

De eerste stap in het begrijpen waarom sommige individuen een CVEP morfologie versus een ander kunnen aantonen, is om te bepalen of deze reacties intrinsiek of extrinsieke van aard zijn.  Met andere woorden, als een individu een patroon toont als reactie op een visuele stimulans, zullen ze dan reageren met een soortgelijk patroon voor alle stimuli?  Of is dit antwoord stimulus-afhankelijke, specifiek voor het visuele netwerk of netwerken geactiveerd?

Om deze vraag te beantwoorden, zijn twee passieve visuele paradigma's ontworpen, bedoeld om afzonderlijk specifieke visuele netwerken te activeren. De stimulans die in de eerste studie werd gepresenteerd, was bedoeld om zowel de dorsale als de ventrale stromen gelijktijdig te stimuleren; het was dus onbekend of een of beide netwerken betrokken waren bij het genereren van specifieke golfvorm morfologie. In de huidige methodologische benadering is het paradigma dat is ontworpen om de ventrale stroom te stimuleren, samengesteld uit sterk identificeerbare objecten in basis vormen van kwadraten en cirkels, waarbij het object-onset CVEPs wordt opgewekt. Het paradigma dat is ontworpen om de rugstroom te stimuleren, bestaat uit visuele bewegingen via een radiaal veld van coherente centrale dot-bewegings stippen met een vaste snelheid naar een fixatie punt, waarbij het Motion-onset CVEPs wordt opgewekt.

Een tweede vraag die ontstond als gevolg van de eerste studie was of differentiële VEP morfologie zou kunnen worden veroorzaakt door deelnemer anticipatie op aankomende stimuli13. Onderzoek heeft bijvoorbeeld aangetoond dat top-down corticale oscillerende activiteit die plaatsvindt voorafgaand aan een doelstimulus kan volgende cvep en gedragsmatige reacties te voorspellen tot op zekere hoogte17,18,19. Het schijnbare bewegings paradigma in de eerste studie gebruikte niet-gerandomiseerde frames van een radiale ster en cirkel met consistente Inter-stimulus intervallen (ISIs) van 600 MS. dit ontwerp kan de verwachting en voorspelling van de aanstaande stimulans hebben aangemoedigd, met resulterende oscillatoire activiteit die de daaropvolgende cvep morfologie12,13,19beïnvloedt.

Om dit probleem aan te pakken, zijn het visuele object en de bewegings paradigma's in het huidige protocol ontworpen met zowel consistente ISIs van dezelfde temporele waarde en willekeurige ISIs met verschillende temporele waarden (d.w.z. jitter).  Met deze benadering kan het mogelijk zijn om te bepalen hoe tijdelijke variatie de VEP-morfologie kan beïnvloeden binnen verschillende visuele netwerken. In totaal is het doel van het beschreven protocol om te bepalen of het visuele voorwerp en de bewegings stimuli gevoelig zouden zijn voor variaties in de CVEP-morfologie en of de temporele variatie van stimuli de kenmerken van de CVEP-respons zou beïnvloeden, inclusief piek latentie, amplitude en morfologie. Het doel van het huidige document is het bepalen van de haalbaarheid van de methodologische aanpak. Het is veronderstelde dat zowel visuele objecten als beweging variabele morfologie kunnen opwekken (dat wil zeggen, patronen A en B zullen worden waargenomen over onderwerpen in reactie op beide prikkels) en dat temporele variatie van invloed zou zijn op object-onset en Motion-onset CVEP-componenten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle hier beschreven methoden zijn goedgekeurd door de Institutional Review Board (IRB) for Human Research aan de University of Texas in Austin.

1. stimuli kenmerken

  1. Creëer object stimuli met open source afbeeldingen die beschikbaar zijn via de Bank van gestandaardiseerde stimuli (BOSS). Deze database bestaat uit gestandaardiseerde afbeeldingen die worden gebruikt in visuele cognitieve experimenten.  Download vier afbeeldingen (bijv. ball02, book01a, baksteen, button03) met een hoge mate van identificatie (boven 75%)20,21.
  2. Creëer bewegings stimuli met behulp van een aangepaste versie van het DotDemo script, dat beschikbaar is via de open source Psychtoolbox-3 set van functies bediend via MATLAB, evenals de film functie die beschikbaar is in MATLAB (Zie het aanvullende bestand).
    1. Configureer de parameters van het dot-veld op basis van de grootte van het presentatiescherm en de weergaveafstand.
    2. Voer 3600 in voor het aantal filmframes.
    3. Voer 80 (in cm) in voor de breedte van de monitor.
    4. Voer de punt snelheid in op 5 °/s.
    5. Voer een punt beperkte levenslange Fractie van 0,05.
    6. Voer 200 in voor het aantal puntjes.
    7. Voer de minimale straal van het veld in als 1 ° en maximaal 15 °.
    8. Voer 0,2 ° in voor de breedte van elke stip.
    9. Voer 0,35 ° in voor de straal van het fixatie punt.
    10. Geef op dat witte stippen worden gebruikt op een zwarte achtergrond.
    11. Exporteer de film in AVI-indeling.

2. visueel paradigma ontwerp

  1. Creëer paradigma's via stimulerings-presentatie software. Genereer fixatie kruisen met Courier nieuwe grootte 18 lettertype, vet, en gecentreerd op het presentatiescherm.
  2. Ontwerp het Visual object paradigma zonder temporele jitter (d.w.z. consistente ISI-waarden) door een zwarte fixatie Kruis te maken op een witte achtergrond die wordt gepresenteerd voor 500 MS, gevolgd door een van de vier objecten die in willekeurige volgorde worden weergegeven: bal, boek, baksteen of knop.
    1. Presenteer elk object voor 600 MS (Figuur 1a).  Toon alle objecten 75 keer, voor een totaal van 300 proeven en een paradigma duur van 5,5 min.
  3. Ontwerp het visuele object paradigma met temporele jitter om te bestaan uit dezelfde zwarte fixatie kruis op een witte achtergrond, getoond voor een periode van 500 of 1.000 MS en gevolgd door een van de vier objecten, blijvend voor 600 of 1000 ms (Figuur 1b).
    1. Maak vier proeven met behulp van stimulerings-presentatie software: een fixatie kruis met een duur van 500 MS, gevolgd door een object voor 600 MS; een fixatie kruis met een duur van 500 MS, gevolgd door een voorwerp voor 1.000 MS; een fixatie kruis met een duur van 1.000 MS, gevolgd door een voorwerp voor 600 MS; en een fixatie kruis met een duur van 1.000 MS gevolgd door een voorwerp voor 1.000 MS.
      1. Deze onderzoeken randomiseren. Presenteer elke proef 19 keer, culmineren in 304 proeven en resulterend in een kijktijd van ongeveer 7,85 minuten.
  4. Maak het visuele bewegings paradigma zonder temporele jitter door het genereren van een witte fixatie Kruis gecentreerd op een zwarte achtergrond, blijvend voor 500 MS, gevolgd door de visuele bewegings film, die wordt afgekapt om te presenteren voor ongeveer 1.000 MS (afbeelding 2a).
    1. Herhaal deze reeks in totaal 300 keer, voor een weergaveduur van ongeveer 7,5 min.
  5. Maak het visuele bewegings paradigma met tijdelijke jitter met behulp van dezelfde fixatie Kruis, blijvend voor intervallen van 500, 750 of 1.000 MS.
    1. Presenteer na elke fixatie Cross de visuele bewegings film met een duur van ongeveer 600 of 1.000 MS (Figuur 2b).
    2. Maak zes proeven: een fixatie kruis met een duur van 500 MS, gevolgd door een film voor 600 MS, een fixatie kruis met een duur van 750 MS, gevolgd door een film voor 600 MS, een fixatie kruis met een duur van 1.000 MS, gevolgd door een film voor 600 MS , een fixatie kruis met een duur van 500 MS gevolgd door een film voor 1000 MS, een fixatie kruis met een duur van 750 MS gevolgd door een film voor 1.000 MS en een fixatie kruis met een duur van 1.000 MS gevolgd door een film voor 1.000 MS.
      1. Randomiseren van deze proeven, met elk 50 keer weergegeven.  Presenteer een totaal van 300 proeven, voor een kijk periode van ongeveer 7,75 min.

3. toestemming van de deelnemer, Case geschiedenis en Vision screening

  1. Begroet de deelnemer bij aankomst. Geïnformeerde toestemming te verkrijgen door de deelnemer een toestemming te presenteren voor deelname aan onderzoeksformulier. Leg het toestemmingsformulier uit aan de deelnemer en beantwoord eventuele vragen die zich voordoen.
  2. Laat de deelnemer een formulier voor aanvraaggeschiedenis invullen dat informatie bevat over moedertaal, rechtshandigheid, gehoor status, visie status en andere diagnoses die de deelnemer kan hebben (bijvoorbeeld psychologisch en neurologisch). Deelnemers die gehoorverlies en/of neurologische diagnoses melden, zoals traumatisch hersenletsel, uit te sluiten.  Alle andere deelnemers opnemen.
  3. Escort de deelnemer uit het lab om een Vision screening te voltooien met behulp van een snellen-grafiek om de gezichtsscherpte te bepalen. Laat de deelnemer op 20 meter afstand van de grafiek staan en begin met het bedekken van zijn of haar linker oog om de gezichtsscherpte van het oog te bepalen, en schakel vervolgens de ogen in om de gezichtsscherpte van het linkeroog te bepalen. Bereken de gezichtsscherpte op basis van de kleinste tekstregel die de deelnemer ten minste één meer dan de helft van het totale aantal letters kan herhalen.
    Opmerking: Als de deelnemer bijvoorbeeld 5 van de 8 letters op de 20/20-lijn herhaalt, wordt de gezichtsscherpte als 20/20 in dat oog berekend.
  4. Begeleiden van de deelnemer in de EEG opnameruimte. Laat de deelnemer zitten in de aangewezen stoel in het midden van een dubbelwandige, magnetisch afgeschermde, geluiddichte cabine.

4. voorbereiding EEG

  1. Meet de hoofd omtrek van de deelnemer in centimeters en selecteer de juiste EEG-netgrootte. Meet en markeer het middelpunt van de hoofdhuid (halverwege tussen nasion/INION en rechter-en linkermastoids) voor de plaatsing van de referentie-elektrode.
  2. Bereid een oplossing van warm water (1 L) vermengd met baby shampoo (5 mL) en kaliumchloride (11 g/10 CC), die de elektrische geleiding tussen de elektroden en de hoofdhuid verhoogt, wat leidt tot lagere spannings belemmeringen en een verhoogde signaal-ruis verhouding.
  3. Plaats het EEG net in de oplossing. Laat het net 5 minuten in de oplossing weken voordat u het op de hoofdhuid van de deelnemer plaatst.
  4. Schakel de stimulus-presentatie computer en de EEG-acquisitie computer in.
  5. Plaats een handdoek of ander absorberend materiaal rond de nek van de deelnemer om te voorkomen dat de oplossing op zijn of haar kleren druipt.
  6. Sluit het EEG net aan op de versterker. Instrueer de deelnemer om zijn of haar ogen te sluiten bij het aanbrengen op het EEG-net om te voorkomen dat de oplossing in zijn of haar ogen druipt.
  7. Pak het EEG-net stevig vast met beide handen en verdeel het op zijn plaats op het hoofd van de deelnemer. Zorg ervoor dat het net symmetrisch op de hoofdhuid wordt geplaatst, met de referentie-elektrode op het middenlijn punt van de hoofdhuid dat werd gemeten. Draai de kin en de oculaire netlijnen vast om een veilige verbinding tussen de hoofdhuid en elektroden te garanderen. Vraag de deelnemer of hij of zij comfortabel is en of er iets aangepast moet worden.
  8. Controleer de juiste elektrode impedantie waarden, met een gemiddeld streefcijfer van 10 kΩ.
  9. Om de impedantie waarden na de plaatsing van het elektrode-net te verlagen, gebruikt u een pipet van 1 mL om de kaliumchloride oplossing op de hoofdhuid/elektroden met een hoge impedantie toe te passen. Dit proces voort te zetten totdat adequate belemmeringen waarden over de elektroden worden bereikt.

5. EEG-opname

  1. Instrueer de deelnemer zich te concentreren op de visuele stimuli die op de monitor zullen verschijnen. De kijkafstand is ongeveer 65 inch.
  2. Gebruik een willekeurige nummer generator om de volgorde van de presentatie voor de vier visuele paradigma's te bepalen.
  3. Beginnen met de visuele taken en EEG-opname.
  4. Controleer de EEG-opname indien nodig. Als lopende EEG hoge myogene of 60 Hz activiteit vertoont, Pauzeer het experiment om de connectiviteit van de elektrode-hoofdhuid opnieuw te controleren.
  5. Herhaal stap 5,3 en 5,4 voor het Visual object paradigm, het visuele object met het temporale jitter-paradigma, het visuele bewegings paradigma en de visuele beweging met temporele jitter-paradigma.
  6. Aan het einde van het experiment, Instrueer de deelnemer om zijn of haar ogen te sluiten om te voorkomen dat de oplossing zijn of haar ogen in te voeren bij het verwijderen van het net. Begin met het losmaken van de kin en de oculaire netto lijnen, verwijder dan het net door zachtjes trekken van de kin riem omhoog en over het hoofd van de deelnemer, zorg ervoor om langzaam te trekken om ervoor te zorgen dat het net niet zal raken in het haar van de deelnemer.
  7. Koppel het EEG-net los van de versterker. Begin het desinfectieproces door de EEG dop in en uit een emmer gevuld met water te plaatsen en onder een kraan te spoelen. Maak vervolgens de desinfecterende oplossing door ongeveer 2 liter water aan de desinfecterende emmer toe te voegen en 15 ml ontsmettingsmiddel met het water te mengen.
  8. Dompel het sensor uiteinde van het net onder in het ontsmettingsmiddel. Stel een timer in voor 10 min; voor de eerste 2 min, dompel het net voortdurend op en neer. Laat het net weken voor de rest van de 10 min.
  9. Verwijder EEG net uit desinfecterende oplossing. Plaats het EEG-net in en uit de elektrode emmer gevuld met water en onder stromend water om af te spoelen. Vier keer herhalen.  Laat het net naar de lucht drogen.

6. EEG-analyses

  1. Exporteer EEG-bestanden voor analyses in MATLAB via de EEGLAB Toolbox met behulp van een 1 Hz high-pass filter, segmentatie rond elke proef (of gebeurtenis) van 100 MS pre-stimulus en 500 MS post-stimulus perioden.
  2. Importeer gegevens met de EEGLAB Toolbox.
    1. Kies de optie bestand in het vervolgkeuzemenu en klik op gegevens importeren.  Selecteer met behulp van EEGLAB-functies en plugins in het menu.  Klik vervolgens op het juiste export bestandsformaat.
  3. Wijs kanaal locaties opnieuw toe op basis van het type elektrode montage dat wordt gebruikt door bewerken in het vervolgkeuzemenu te kiezen en kanaal locatieste selecteren.  Klik op locs opzoeken en selecteer de ellipsen om het pad van het elektrode montage bestand van belang te lokaliseren.
  4. Wijs pre-en post-stimulus tijden toe aan de begin-en eindtijden van het tijdperk. Voer een waarde van-0,1 s in de Begintijd vak.
  5. Basislijn-correcte gegevens volgens het interval van de pre-stimulus.
  6. Identificeer en verwijder slechte kanalen met behulp van waarschijnlijkheid bij een Z-score drempel van 2,5.
    1. Controleer de geslaagde identificatie en verwijdering van slechte kanalen door alle elektroden te plotten. Verwijder handmatig kanalen met gemiddelde spannings amplitudes buiten het bereik van +/-30 μV.
  7. Voer artefact afwijzing uit door waarden in te voeren van-100 μV en + 100 μV.
    Opmerking:     deze methode is effectief bij het verwijderen van oogactiviteit opgenomen bij oculaire elektroden (126, 127). Het kan echter nodig zijn om handmatig proefversies te verwijderen met artefact die zich voordoen bij een kleine spannings amplitude (d.w.z. binnen het +/-100 μV-bereik) voor bepaalde deelnemers.
    1. Neem nota van kanalen die slecht waren voor hele segmenten (d.w.z. met spanningen buiten het +/-100 μV-bereik) en rood gemarkeerd. Verwijder deze slechte kanalen handmatig als ze 60% of meer van de geweigerde proefversies vormen. Herhaal deze stap zo vaak als nodig is.
    2. Volg de stappen voor het verwijderen van artefacten zoals eerder beschreven. Zorg ervoor dat minimaal 100 veegt worden geaccepteerd. Verwijder proefversies die zijn gemarkeerd voor afwijzing.
  8. Plot kanaal 75 (equivalent aan oz), of het kanaal (s) van belang, om morfologische patronen te categoriseren. Voordat u dit kanaal plotten, zorg ervoor dat het uitvoeren van pre-stimulus basislijn correctie.
  9. Kies patroon A als CVEP morfologie wordt gekenmerkt door een grote positieve piek bij ongeveer 100-115 MS (P1), gevolgd door een negatieve piek bij ongeveer 140-180 MS (N1) en een positieve piek bij ongeveer 165-240 MS (P2).
  10. Kies patroon B als de morfologie CVEP wordt gekenmerkt door een grote positieve piek bij ongeveer 100-115 MS (P1), gevolgd door een negatieve piek bij ongeveer 140-180 MS (N1a), een positieve piek bij ongeveer 180-240 MS (P2A), dan een negatieve piek bij ongeveer 230-280 MS (N1b) en positieve piek bij ongeveer 260-350 MS (P2b).
  11. Voeg afzonderlijke gegevenssets samen volgens het morfologische patroon dat visueel wordt waargenomen om een groeps gemiddelde te maken. Naam en sla het nieuwe samengevoegde dataset-bestand op.
  12. Bekijk toegevoegde bestanden als een gemiddelde door de kanaal (en) van belang te plotten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 3 en Figuur 4 tonen het representatieve object-onset en Motion-onset cvep resultaten van vijf deelnemers, van 19-24 jaar oud, die passief elk visueel paradigma bekeken. Dit ontwerp toegestaan observatie van CVEP reacties opgewekt door visuele objecten (met en zonder jitter) en visuele beweging (met en zonder jitter) zowel binnen als tussen onderwerpen volgens elke voorwaarde.  Deelnemer CVEPs werden gegroepeerd volgens het morfologische patroon opgewekt door visuele stimuli en Grand-averaged om een gemiddeld CVEP-patroon te creëren.  In de objecten zonder temporele jitter voorwaarde (Figuur 3), twee deelnemers bleken te presenteren met patroon A, terwijl drie gepresenteerd met patroon B (Figuur 3a).  Evenzo, in de objecten met tijdelijke jitter voorwaarde (Figuur 3b), twee onderwerpen gepresenteerd met patroon A en drie met patroon B.  Interessant, twee onderwerpen gepresenteerd met een ander patroon als gevolg van het jitter paradigma (dat wil zeggen, een onderwerp presenteren met patroon A in de geen jitter voorwaarde gepresenteerd met patroon B in de jitter voorwaarde, en een onderwerp presenteren met patroon B in de geen jitter voorwaarde gepresenteerd met patroon A in de voorwaarde jitter).  Het kan ook worden waargenomen dat jitter beïnvloedt amplitude en latentie in elk object-onset CVEP patroon (figuur 3c,D).

Voor de bewegings toestand (Figuur 4) toonden twee proefpersonen patroon een morfologie en drie proefpersonen met patroon B.  Echter, in tegenstelling tot het object-onset CVEPs, bewegingstonset CVEP morfologische patronen voor elke deelnemer waren consistent over jitter voorwaarde.  Bovendien toont het groeps gemiddelde van het patroon B geen duidelijk bewijs van de meerdere piek componenten die doorgaans aanwezig zijn.  Dit gebrek aan differentiële morfologie trad op in beide bewegings paradigma's zonder en met temporele jitter (figuur 4a,B). Net als bij het paradigma van het object lijkt jitter in het bewegings paradigma de CVEP-karakteristieken van de beweging te beïnvloeden in beide morfologische patronen (figuur 4c,D).

Figure 1
Figuur 1 : Voorbeeld van visuele object stimuli paradigma's zonder en met temporele jitter. A) zonder temporele jitter: een fixatie Kruis wordt gepresenteerd voor 500 MS, gevolgd door een gerandomiseerde presentatie van een van de vier objecten uit de Boss-database (knop, boek, bal, baksteen).  Elke object presentatie is 600 MS in duur. (B) met temporele jitter: een fixatie Kruis wordt gepresenteerd voor 500 of 1.000 MS, waarden die zijn gerandomiseerd in verschillende proeven, en vervolgens een van de vier objecten uit de Boss-database (knop, boek, bal, baksteen).  Elk object wordt weergegeven voor gerandomiseerde waarden van 600 of 1000 MS. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2 : Voorbeeld van visuele bewegings stimuli paradigma's zonder en met temporele jitter. A) zonder temporele jitter: een fixatie Kruis wordt gepresenteerd voor 500 MS, gevolgd door een visuele bewegings film van een radiaal veld van stippen naar binnen gericht naar een centraal fixatie punt (aangeduid met witte pijlen) voor 1.000 MS. (B) met temporele jitter: a fixatie Kruis wordt gepresenteerd voor 500, 750 of 1.000 MS, waarden die worden gerandomiseerd in verschillende tests. Een visuele bewegende film wordt vervolgens weergegeven voor 600 of 1.000 MS, waarden die zijn willekeurig in verschillende proeven. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3 . Representatieve object-onset CVEP gegevens zonder en met temporele jitter. A) het patroon van een morfologie (D.w.z. een P1-N1-P2-respons) werd waargenomen in twee deelnemers (effen zwarte lijn) als reactie op het object paradigma zonder jitter.  Patroon B morfologie (d.w.z. een P1-N1a-P2A-N1b-P2b-respons) werd waargenomen bij 3 deelnemers (onderbroken rode lijn) als reactie op het object paradigma zonder jitter.  Amplitude in micro volt wordt afgebeeld op de verticale as en tijd in milliseconden op de horizontale as. (B) patroon een morfologie werd gevonden in twee deelnemers (effen zwarte lijn) opgewekt door het object paradigma met jitter.  Patroon B morfologie werd gevonden in 3 deelnemers (rode stippellijn) opgewekt door het object paradigma met jitter. (C) patroon een morfologie vergelijking in dezelfde drie deelnemers in reactie op het object paradigma zonder jitter (effen zwarte lijn) en het object paradigma met jitter (rode onderbroken lijn). (D) patroon B morfologie vergelijking in dezelfde twee deelnemers als opgewekt door het object paradigma zonder jitter (effen zwarte lijn) en het object paradigma met jitter (rode onderbroken lijn). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4 . Representatieve Motion-onset CVEP gegevens zonder en met temporele jitter. A) het patroon van een morfologie (d.w.z. een P1-N1-P2-respons) werd waargenomen in twee deelnemers (effen zwarte lijn) als reactie op het bewegings paradigma zonder jitter.  Patroon B morfologie (d.w.z. een P1-N1a-P2A-N1b-P2b-respons) werd individueel waargenomen in 3 deelnemers (onderbroken rode lijn) als reactie op het bewegings paradigma zonder jitter. Houd er echter rekening mee dat de typische patroon B-morfologie niet wordt waargenomen in het grote gemiddelde van de CVEP-groep.  Amplitude in micro volt wordt afgebeeld op de verticale as en tijd in milliseconden op de horizontale as. (B) patroon een morfologie werd gevonden in twee deelnemers (effen zwarte lijn) opgewekt door het bewegings paradigma met jitter.  Patroon B morfologie werd individueel gevonden in 3 deelnemers (rode stippellijn) opgewekt door het bewegings paradigma met jitter. Nogmaals, het patroon B morfologie is niet zichtbaar in de CVEP Grand Average. (C) patroon een morfologie vergelijking in dezelfde drie deelnemers in reactie op het bewegings paradigma zonder jitter (effen zwarte lijn) en het bewegings paradigma met jitter (rode onderbroken lijn). (D) patroon B-morfologie vergelijking in dezelfde twee deelnemers als opgewekt door het bewegings paradigma zonder jitter (effen zwarte lijn) en het bewegings paradigma met jitter (rode onderbroken lijn). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Aanvullend bestand: Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het doel van dit methodologisch verslag was het evalueren van de haalbaarheid bij het opnemen van differentiële CVEP-morfologie door gebruik te maken van visuele object-en bewegings stimuli die specifiek zijn ontworpen om ventrale en rugstromen in passieve kijktaken afzonderlijk te stimuleren6 ,7,8, zowel met als zonder variatie van ISIs (jitter)19. Voorwaarden niet bedoeld waren om rechtstreeks te worden vergeleken, veeleer werden waarnemingen gedaan of variabele CVEP-morfologie aanwezig was in beide omstandigheden, en of temporele jitter binnen die aandoening de morfologie beïnvloede. De CVEP-responsen van object-onset en Motion-onset werden geregistreerd en tijdvergrendeld tot het begin van visuele voorwerpen en bewegings stimuli, gepresenteerd in vier paradigma's, via 128-kanaals high-density EEG. Vijf jonge volwassenen namen deel aan passieve weergave van elk visueel paradigma, en resulterende CVEP-responsen werden visueel gecategoriseerd, subjectief, volgens CVEP patroon A (P1-N1-P2) morfologie en CVEP patroon B (P1-N1a-P2A-N1b-P2b) morfologie, een methode gebruikt in eerder onderzoek waarop deze aanpak is gebaseerd op12,13.

Representatieve gegevens suggereren dat de beschreven visuele stimuli gevoelig zijn voor differentiële CVEP-morfologie. Bovendien, jitter lijkt te beïnvloeden specifieke kenmerken van de CVEP reactie, zoals latentie en amplitude, in plaats van de algemene morfologie van de golfvorm. Er kunnen geen verdere conclusies worden getrokken vanwege de geringe steekproefomvang en het ontbreken van statistische vergelijkingen.  Daarom tonen deze gegevens aan dat het experimentele ontwerp nuttig kan zijn in de studie van variabele CVEP-morfologie en geassocieerd visueel gedrag. Toekomstig onderzoek is gepland om zich te concentreren op het aanzienlijk vergroten van het aantal deelnemers om te controleren of CVEP-patronen die worden opgewekt door een verscheidenheid aan stimuli een intrinsiek of extrinsieke fenomeen zijn en of bepaalde visuele corticale netwerken meer betrokken kunnen zijn dan anderen in het genereren van specifieke morfologie. Toekomstige studies zullen ook tijdelijke variatie in visuele paradigma's omvatten voor verdere beoordeling van mogelijke anticipatieve effecten op CVEP-responsen, waaronder grotere variabiliteit in jitter-waarden, omdat de beperkte jitter-intervallen in de huidige benadering zijn opgenomen kan de voorspelbaarheid niet volledig elimineren.  Ten slotte zullen bron lokalisatie analyses op CVEP-piek componenten worden uitgevoerd voor kwalitatieve informatie over visuele corticale netwerken die betrokken zijn bij de morfologische patronen van de generatie CVEP, inclusief verificatie dat de gepresenteerde stimuli de beoogde visuele netwerken.

Hoewel de beschreven methoden een effectieve benadering van het onderzoek naar de morfologie van het object en het begin van de beweging zijn, moeten kritische stappen worden genoteerd.  Bij het maken van visuele stimuli is het bijvoorbeeld belangrijk dat factoren zoals luminantie consistent en gecontroleerd zijn, omdat deze wijzigingen in lagere volgorde van invloed kunnen zijn op de CVEP-kenmerken22. Bij EEG-voorbereiding is het noodzakelijk dat er nauwlettend wordt gelet op de waarden van de elektrode impedantie. De high-density EEG systeem gebruikt in de huidige studie is een hoge-impedantie systeem, wat betekent dat EEG activiteit met succes kan worden opgenomen met elektrode impedantie waarden van maximaal 50 kΩ. In ons laboratorium willen we deze waarden echter behouden onder de 20 kΩ en idealiter rond de 10 kΩ. Lagere impedantie waarden hebben een grote invloed op de algehele kwaliteit van de opname en resulteren in snellere analyses en een hoger aantal geaccepteerde proeven.  Daarnaast is het belangrijk om de status van het onderwerp te bewaken, vooral omdat deze paradigma's passief van aard zijn. Het kan een uitdaging zijn voor sommige deelnemers om alert te blijven, wat resulteert in Alfa-oscillaties en oculaire artefact die de opname kunnen besmetten. In EEG-analyses is het essentieel om slechte elektrode kanalen te verwijderen voordat het artefact wordt afgekeurd om ervoor te zorgen dat het maximale aantal proefversies in het gemiddelde wordt geaccepteerd. Hoe groter het aantal proeven, hoe beter de signaal-ruis verhouding van de CVEP-respons. Bovendien zijn een groot aantal proeven nodig voor bron lokalisatie analyses. In ons laboratorium is een minimum van 100 geaccepteerde proeven typisch voor visuele studies12,13,22. De EEG analysemethode beschreven in deze studie kan ook worden aangepast naar goeddunken van de onderzoeker. Er zijn veel benaderingen voor een succesvolle EEG-analyse, en de verstrekte is ontwikkeld in ons laboratorium. Andere benaderingen die nuttig kunnen zijn kunnen worden beoordeeld door middel van verschillende tutorials verstrekt door de makers van de EEGLAB Toolbox.

Hoewel EEG-methodologie heeft beperkingen, specifiek in ruimtelijke resolutie voor Imaging doeleinden2, de voordelen van een lage kosten, niet-invasieve aanpak, en hoge temporele resolutie maken dit een ideaal instrument voor het onderzoek van CVEP morfologische Patronen. De latentie en amplitude van de specifieke piek componenten die de CVEP-golfvorm vormen, zijn bijvoorbeeld niet identificeerbaar met behulp van een andere benadering, behalve mogelijk met magnetoencephalography (MEG).  Bovendien, bron lokalisatie analyses, die mogelijk zijn met high-density EEG-opnames, hebben tot een dusdanig niveau gebracht dat de schatting van de locatie van de corticale Generator is aanvaard in een veelheid van studies12,13, 23,24,25,26. Als ruimtelijke lokalisatie een zorg voor de onderzoeker blijft, kan een multimodale aanpak worden gebruikt om de temporele resolutie van EEG te combineren met de ruimtelijke resolutie van andere maatregelen, zoals fMRI27. Het is belangrijk dat in elk paradigma een grote hoeveelheid proeven wordt verzameld voor toekomstige bron lokalisatie analyses, waarvoor een hoge EEG signaal-ruis verhouding vereist is voor een accurate schatting van de corticale generatoren12,13, 23.

Over het algemeen is het beschreven protocol nuttig en effectief voor de observatie en studie van CVEP morfologische patronen. Soortgelijke methodologieën zijn gepresenteerd in de literatuur14,15,28,29, maar hebben zich niet geconcentreerd op de categorisatie van reacties van groeps deelnemers volgens de morfologie, zoals beschreven in de sectie EEG-analyses. Toekomstig onderzoek kan baat hebben bij het onderzoeken van de morfologie van cvep nauwer, omdat uit afzonderlijke visuele processen is gebleken dat specifieke patronen12,13ten grondslag liggen. Terwijl extra werk nodig is om te verduidelijken of CVEP-morfologie die wordt opgewekt door verschillende stimuli en onderliggende visuele functie gerelateerd is aan visueel gedrag, bieden de experimentele paradigma's en EEG-analyses die in dit pilot-onderzoek worden besproken een eerste punt van waaruit u de elementaire visuele corticale processen beter begrijpt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd gesteund door de Universiteit van Texas in Austin Moody College of Communication Grant Preparation Award en de University of Texas bij Austin Office van de vice president van Research Special Research Grant.

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

Neuroscience probleem 147 elektrofysiologische verschijnselen elektrofysiologische processen evoked potentials fysiologische processen elektrofysiologische processen neurale geleiding verschijnselen en processen fysiologische verschijnselen visuele Evoked potentials morfologische patronen ventrale stroom dorsale stroom high-density EEG EEGLAB
Stimulus-specifieke corticale visuele Evoked potentiële morfologische patronen
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