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-specifika kortikala visuella framkallat potentiella morfologiska mönster

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 detta dokument presenterar vi ett protokoll för att undersöka differential kortikala visuella framkallat potentiella morfologiska mönster genom stimulering av ventrala och dorsala nätverk med hög densitet EEG. Visuellt objekt och rörelse stimulans paradigm, med och utan temporala jitter, beskrivs. Visuella frammanade potentiella morfologiska analyser beskrivs också.

Abstract

Detta dokument presenterar en metod för inspelning och analys av kortikala visuella framkallade potentialer (CVEPs) som svar på olika visuella stimuli med 128-kanals hög densitet elektroencefalografi (EEG). Det specifika syftet med de beskrivna stimuli och analyser är att undersöka om det är möjligt att replikera tidigare rapporterade CVEP morfologiska mönster framkallade av en skenbar rörelse stimulans, utformad för att samtidigt stimulera både ventrala och dorsala Central visuella nätverk, med hjälp av objekt och rörelse stimuli för att separat stimulera ventrala och dorsala visuella kortikala nätverk.  Fyra visuella paradigm presenteras: 1. randomiserade visuella objekt med konsekvent tidsmässiga presentation. 2. randomiserade visuella objekt med inkonsekvent tidsmässig presentation (eller jitter).  3. visuell rörelse via ett radiellt fält av sammanhängande central punkt rörelse utan jitter.  4. visuell rörelse via ett radiellt fält av sammanhängande central punkt rörelse med jitter.  Dessa fyra paradigm presenteras i en pseudo-randomiserad ordning för varje deltagare.  Jitter introduceras för att se hur möjliga för utseende-relaterade effekter kan påverka morfologin av objekt-debut och rörelse-debut CVEP svar.  EEG-dataanalyser beskrivs i detalj, inklusive steg för dataexport från och import till signalbearbetningsplattformar, felaktig kanal identifiering och borttagning, artefakt avslag, medelvärdes-och kategorisering av genomsnittlig CVEP-morfologisk mönster typ baserat på latens intervall för komponent toppar. Representativa uppgifter visar att metodiskt förhållningssätt verkligen är känsligt för att framkalla differential objekt debut och rörelse-debut CVEP morfologiska mönster och kan därför vara till nytta för att ta itu med det större forsknings målet. Med tanke på den höga temporala upplösningen av EEG och den möjliga tillämpningen av högdensitetseeg i käll lokaliserings analyser är detta protokoll idealiskt för utredning av distinkta CVEP-morfologiska mönster och underliggande Neurala mekanismer som genererar dessa differentiella reaktioner.

Introduction

Elektroencefalografi (EEG) är ett verktyg som erbjuder en billig och icke-invasiv metod för att studera kortikal bearbetning, särskilt i jämförelse med kortikala bedömningsmetoder såsom funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), positron emission tomografi (PET) och diffusion tensor imaging (DTI)1. EEG ger också hög temporala upplösning, vilket inte är möjligt att uppnå när man använder åtgärder som fMRI, PET, eller DTI2. Hög temporal upplösning är kritisk när man undersöker Central temporal funktion för att få millisekundprecision av neurofysiologisk mekanismer relaterade till behandling av specifika indata eller händelser.  I det centrala visuella systemet, kortikala visuella framkallade potentialer (CVEPs) är ett populärt sätt att studera tidslåsta neurala processer i hjärnbarken.  CVEP-Svaren registreras och beräknas i genomsnitt under ett antal händelse prövningar, vilket resulterar i toppkomponenter (t. ex. P1, N1, P2) som uppkommer vid specifika millisekundsintervaller. Tidpunkten och amplituden av dessa topp neurala svar kan ge information om kortikal bearbetning hastighet och mognad, samt underskott i kortikal funktion3,4,5.

CVEPs är specifika för den typ av visuell inmatning som visas för tittaren. Med hjälp av vissa stimuli i en cvep paradigm, är det möjligt att observera funktionen av distinkta visuella nätverk såsom ventrala ström, inblandade i bearbetning form och färg, eller parvocellulära och magnocellulära input6,7, 8, och dorsala ström, som i hög grad bearbetar rörelse eller magnocellulära ingång9,10. CVEPs genereras av dessa nätverk har varit användbara inte bara i bättre förståelse typiska neurofysiologisk mekanismer bakomliggande beteende utan även i riktad behandling av atypiska beteenden i kliniska populationer. Till exempel, fördröjda CVEP-komponenter i både dorsala och ventrala nätverk har rapporterats hos barn med dyslexi, vilket tyder på att visuell funktion i båda dessa nätverk bör inriktas vid utformningen av en interventionsplan11.  Således CVEPs registreras via EEG erbjuder ett kraftfullt kliniskt verktyg för att bedöma både typiska och atypiska visuella processer.

I en nyligen studie, hög densitet EEG användes för att mäta den skenbara rörelse-debut CVEPs i typiskt utveckla barn, med målet att undersöka variabla CVEP svar och relaterade visuella kortikala generatorer över utvecklingen. Deltagarna visade passivt synliga rörelse stimuli12,13,14,15, som bestod av både formförändring och rörelse, utformad för att samtidigt stimulera rygg-och ventrala strömmar. Det konstaterades att ungefär hälften av barnen svarade med en CVEP vågform form, eller morfologi, som består av tre toppar (P1-N1-P2, mönster A).  Denna morfologi är en klassisk CVEP svar observerats i hela litteraturen. Däremot presenterade den andra halvan av barnen ett morfologiskt mönster bestående av fem toppar (P1-N1a-P2A-N1b-P2B, mönster B). Till vår kännedom har den robusta förekomsten och jämförelsen av dessa morfologiska mönster inte tidigare diskuterats i CVEP-litteraturen hos antingen barn eller vuxna populationer, även om variabel morfologi har noterats i både skenbar-och rörelse-debut cveps14,16. Dessutom skulle dessa morfologiska skillnader inte ha varit uppenbara i forskning med hjälp av andra kortikala funktionella bedömningsmetoder, såsom fMRI eller PET, på grund av den låga temporala lösningen av dessa åtgärder.

För att bestämma de kortikala generatorer av varje topp i cvep mönster A och B, analys av käll lokalisering utfördes, vilket är en statistisk metod som används för att uppskatta de mest sannolika kortikala regioner som deltar i cvep svar12,13 . För varje topp, oberoende av det morfologiska mönstret, identifierades primära och högre ordningens visuella cortices som källor till CVEP-signalen.  Det förefaller således som om den huvudsakliga skillnaden som ligger till grund för CVEP-morfologin som framkallas av skenbar rörelse är att de med mönster B aktiverar visuella kortikala regioner ytterligare gånger under bearbetningen. Eftersom dessa typer av mönster inte har tidigare identifierats i litteraturen, syftet med ytterligare visuell bearbetning i de med CVEP mönster B är fortfarande oklart.  Därför är nästa mål i denna forskningslinje att få en bättre förståelse för orsaken till differential CVEP morfologi och om sådana mönster kan relatera till visuellt beteende i både typiska och kliniska populationer.

Det första steget i att förstå varför vissa individer kan visa en CVEP morfologi kontra en annan är att avgöra om dessa svar är inneboende eller extrinsic i naturen.  Med andra ord, om en individ visar ett mönster som svar på en visuell stimulans, kommer de att svara med ett liknande mönster för alla stimuli?  Eller är detta svar stimulans-beroende, specifika för det visuella nätverket eller nätverk aktiveras?

För att besvara denna fråga utformades två passiva visuella paradigm, avsedda att separat aktivera specifika visuella nätverk. Den stimulans som presenteras i den inledande studien var utformad för att stimulera både rygg-och ventrala strömmar samtidigt; Således var det okänt om ett eller båda nätverken var inblandade i att generera specifik vågform morfologi. I den nuvarande metodologiska metoden, paradigm för att stimulera den ventrala strömmen består av mycket identifierbara objekt i grundläggande former av torg och cirklar, framkalla objekt-debut CVEPs. Paradigmet som syftar till att stimulera den dorsala bäcken består av visuell rörelse via ett radiellt fält av sammanhängande centrala punkt rörelse prickar vid en fast hastighet mot en fixering punkt, framkalla rörelse-debut CVEPs.

En andra fråga som uppstod som en följd av den första studien var huruvida differentiell VEP morfologi kan bero på att deltagaren förutse kommande stimuli13. Till exempel, forskning har visat att uppifrån och ned kortikala oscillerande aktivitet som inträffar före ett mål stimulus kan förutsäga efterföljande cvep och beteendemässiga svar på någon grad17,18,19. Den skenbara rörelse paradigm i den första studien sysselsatta icke-randomiserade ramar av en radiell stjärna och cirkel med konsekvent Inter-stimulus intervaller (ISIs) av 600 MS. denna design kan ha uppmuntrat förväntan och förutsägelse av den kommande stimulansen, med resulterande oscillerande aktivitet som påverkar efterföljande cvep-morfologi12,13,19.

För att lösa detta problem är det visuella objektet och rörelse paradigmer i det aktuella protokollet utformade med både konsekvent ISIs av samma tidsmässiga värde och randomiserade ISIs med olika temporala värden (dvs., jitter).  Med den här metoden kan det vara möjligt att avgöra hur temporala variationen kan påverka VEP morfologi inom distinkta visuella nätverk. Syftet med det beskrivna protokollet är att avgöra om det visuella objektet och rörelse stimuli skulle vara känsligt för variationer i CVEP-morfologin och huruvida den tidsmässiga variationen av stimuli presentation skulle påverka egenskaperna hos CVEP-svaret. inklusive maximal latens, amplitud och morfologi. Syftet med det nuvarande papperet är att fastställa genomförbarheten av metodiska metoder. Det är en hypotes om att både visuella objekt och rörelse kan framkalla variabel morfologi (dvs., mönster A och B kommer att observeras över ämnen som svar på båda stimuli) och att temporala variationen skulle påverka objekt-debut och rörelse-debut CVEP komponenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alla metoder som beskrivs här har godkänts av den institutionella Review Board (IRB) för mänsklig forskning vid University of Texas i Austin.

1. egenskaper hos stimuli

  1. Skapa objekt stimuli med hjälp av öppen källkod bilder tillgängliga via banken av standardiserade stimuli (BOSS). Den här databasen består av standardiserade bilder som används i visuella kognitiva experiment.  Ladda ner fyra bilder (t. ex. ball02, book01a, Brick, button03) med hög identifierings grad (över 75%)20,21.
  2. Skapa rörelse stimuli med hjälp av en modifierad version av DotDemo-skriptet, som är tillgängligt via den öppna källan Psychtoolbox-3 uppsättning funktioner som drivs via MATLAB, samt den film funktion som finns i MATLAB (se tilläggsfilen).
    1. Konfigurera dot-fältparametrarna enligt storleken på presentations skärmen och visnings avståndet.
    2. Ange 3600 för antalet filmbildrutor.
    3. Ange 80 (i cm) för bildskärmens bredd.
    4. Ange punkt hastighet vid 5 °/s.
    5. Ange en punktbegränsad livstids fraktion på 0,05.
    6. Ange 200 för antalet punkter.
    7. Ange minsta radie för fältet annulus som 1 ° och den maximala som 15 °.
    8. Ange 0,2 ° för bredden på varje punkt.
    9. Ange 0,35 ° för fixering punktens radie.
    10. Ange att vita prickar används på en svart bakgrund.
    11. Exportera filmen i. avi-format.

2. visuell paradigm design

  1. Skapa paradigm via stimulus-presentationsprogram. Generera fixering korsar med courier ny storlek 18 typsnitt, fet och centrerad på presentations skärmen.
  2. Designa visuella objekt paradigm utan temporala jitter (dvs konsekvent ISI värden) genom att skapa en svart fixering kors på en vit bakgrund presenteras för 500 ms, följt av en av fyra objekt som presenteras i slumpmässig ordning: boll, bok, tegel, eller knapp.
    1. Presentera varje objekt för 600 MS (figur 1a).  Visa alla objekt 75 gånger, för totalt 300 prövningar och ett paradigm varaktighet 5,5 min.
  3. Designa visuella objekt paradigm med temporal jitter att bestå av samma svarta fixering korset på en vit bakgrund, visas för en period av 500 eller 1 000 MS och följt av en av de fyra objekt, som varar för 600 eller 1000 MS (figur 1b).
    1. Skapa fyra prövningar med hjälp av stimulans-presentation programvara: en fixering kors med en varaktighet på 500 ms, följt av ett objekt för 600 MS; en fixering korsning med en varaktighet på 500 ms, följt av ett objekt för 1 000 MS; en fixering korsning med en varaktighet på 1 000 MS, följt av ett objekt för 600 MS; och en fixering kors med en varaktighet på 1 000 MS följt av ett objekt för 1 000 MS.
      1. Randomize dessa prövningar. Presentera varje rättegång 19 gånger, som kulminerar i 304 prövningar och resulterar i en betraktnings tid på cirka 7,85 minuter.
  4. Skapa visuella rörelse paradigm utan temporala jitter genom att generera en vit fixering Cross centrerad på en svart bakgrund, bestående för 500 ms, följt av visuell rörelse film, som är stympad för att presentera för cirka 1 000 MS (figur 2A).
    1. Upprepa denna sekvens totalt 300 gånger, för en betraktnings tid på cirka 7,5 min.
  5. Skapa visuella rörelse paradigm med temporal jitter med samma fixering kors, bestående för intervaller på 500, 750, eller 1 000 MS.
    1. Efter varje fixering Cross, presentera visuell rörelse film med en varaktighet av cirka 600 eller 1 000 MS (figur 2b).
    2. Skapa sex prövningar: en fixering kors med en varaktighet på 500 ms, följt av en film för 600 MS, en fixering kors med en varaktighet på 750 MS, följt av en film för 600 MS, en fixering kors med en varaktighet på 1 000 MS, följt av en film för 600 MS , en fixering kors med en varaktighet på 500 ms följt av en film för 1000 MS, en fixering kors med en varaktighet på 750 MS följt av en film för 1 000 MS och en fixering kors med en varaktighet på 1 000 MS följt av en film för 1 000 MS.
      1. Randomize dessa prövningar, med varje visas 50 gånger.  Sammanlagt 300 prövningar, för en visningsperiod på cirka 7,75 min.

3. deltagares medgivande, Ärendehistorik och vision screening

  1. Hälsa på deltagaren vid ankomsten. Inhämta informerat samtycke genom att presentera deltagaren med samtycke till deltagande i forsknings form. Förklara samtyckesblanketten till deltagaren och besvara eventuella frågor som uppkommer.
  2. Få deltagaren att fylla i ett Ärendehistorik formulär som innehåller information om modersmål, handedness, hörsel status, vision status och andra diagnoser som deltagaren kan ha (t. ex. psykologiska och neurologiska). Utesluta deltagare som rapporterar hörselnedsättning och/eller neurologiska diagnoser, såsom traumatisk hjärnskada.  Inkludera alla andra deltagare.
  3. Eskort deltagaren ur labbet för att slutföra en vision screening med hjälp av en Snellen diagram för att avgöra synskärpa. Har deltagaren står 20 meter bort från diagrammet och börja med att täcka hans eller hennes vänstra öga för att bestämma rätt öga synskärpa, och sedan byta ögon för att bestämma vänster öga synskärpa. Beräkna synskärpa baserat på den minsta textrad som deltagaren kan upprepa minst en mer än hälften av det totala antalet bokstäver.
    Anmärkning: Till exempel, om deltagaren upprepar 5 av de 8 bokstäverna på 20/20 linjen, synskärpa beräknas som 20/20 i det ögat.
  4. Eskortera deltagaren i EEG-inspelningsrummet. Har deltagaren sitta i den utsedda stolen i mitten av en dubbelväggig magnetisk avskärmad ljudisolerade monter.

4. EEG-beredning

  1. Mät huvud omkretsen av deltagaren i centimeter och välj lämplig EEG-nettostorlek. Mät och markera mittpunkten i hårbotten (halvvägs mellan nasion/Inion och höger och vänster mastoids) för placeringen av referenselektroden.
  2. Bered en lösning av varmt vatten (1 L) blandat med babyschampo (5 ml) och kaliumklorid (11 g/10 CC), vilket ökar den elektriska värmeledningsförmåga mellan elektroderna och hårbotten, vilket leder till lägre spännings impedanser och en ökad signal-brus-förhållande.
  3. Placera EEG-nätet i lösningen. Låt nätet att suga i lösningen för 5 min innan du placerar på deltagarens hårbotten.
  4. Slå på stimulus-presentation datorn och EEG förvärvs datorn.
  5. Placera en handduk eller annat absorberande material runt deltagarens hals för att förhindra att lösningen droppar på hans eller hennes kläder.
  6. Anslut EEG-nätet till förstärkaren. Instruera deltagaren att stänga ögonen när de sätter på EEG-nätet för att förhindra att lösningen droppar i hans eller hennes ögon.
  7. Stadigt grepp på EEG-nätet med båda händerna och sprids på plats på deltagarens huvud. Se till att nätet är placerat symmetriskt på hårbotten huvudet, med referenselektroden vid hårbotten mittlinjen punkt som mättes. Dra åt hakan och okulära nätlinjer för att säkerställa en säker anslutning mellan hårbotten och elektroder. Fråga deltagaren om han eller hon är bekväm och om något behöver justeras.
  8. Kontrollera om det finns lämpliga elektroimpedansvärden, med ett genomsnittligt mål på 10 kΩ.
  9. För att minska impedansvärdena efter placeringen av elektrod nätet, Använd en 1 mL pipett för att applicera kaliumkloridlösningen på hårbotten/elektroder som har en hög impedans. Fortsätta denna process tills adekvat impedanser värden över elektroderna uppnås.

5. EEG-inspelning

  1. Instruera deltagaren att fokusera på de visuella stimuli som visas på bildskärmen. Visnings avståndet är cirka 65 inches.
  2. Använd en pseudorandom nummergenerator för att bestämma ordningsföljden för presentationen för de fyra visuella paradigmer.
  3. Påbörja de visuella uppgifterna och EEG-inspelningen.
  4. Övervaka EEG-inspelningen vid behov. Om pågående EEG visar hög myogen eller 60 Hz aktivitet, pausa experimentet att kontrollera elektrod-Scalp anslutning.
  5. Upprepa steg 5,3 och 5,4 för det visuella objektet paradigm, det visuella objektet med temporala jitter paradigm, visuella rörelse paradigm och visuell rörelse med temporal jitter paradigm.
  6. Vid avslutningen av experimentet, instruera deltagaren att stänga hans eller hennes ögon för att förhindra att lösningen från att komma in hans eller hennes ögon när du tar bort nätet. Börja med att lossa hakan och okulära nätlinjer, ta sedan bort nätet genom att försiktigt dra hakan remmen upp och över deltagarens huvud, se till att dra långsamt för att säkerställa att nätet inte kommer trassel i deltagarens hår.
  7. Koppla bort EEG-nätet från förstärkaren. Börja desinfektion processen genom att placera EEG locket i och ut ur en hink fylld med vatten och sköljning under en kran. Skapa sedan desinfektionslösningen genom att tillsätta ca 2 liter vatten till desinfektions skopan och blanda 15 ml desinfektionsmedel med vattnet.
  8. Sänk ned sensorns ände av nätet i desinfektionsmedlet. Ställ in en timer i 10 min; för de första 2 min, kontinuerligt störta nätet upp och ner. Lämna nätet blötläggning för resten av den 10 min.
  9. Avlägsna EEG-nätet från desinfektionslösningen. Placera EEG-nätet i och ut ur elektrod skopan fylld med vatten och under rinnande vatten för att skölja. Upprepa fyra gånger.  Låt nätet lufttorka.

6. EEG-analyser

  1. Exportera EEG-filer för analyser i MATLAB via EEGLAB Toolbox med en 1 Hz högpassfilter, segmentering runt varje rättegång (eller händelse) av 100 MS pre-stimulus och 500 ms efter stimulans perioder.
  2. Importera data med EEGLAB-verktygslådan.
    1. Välj alternativet fil i rullgardinsmenyn och klicka på Importera data.  Välj med hjälp av EEGLAB funktioner och plugins från menyn.  Nästa klicka på lämplig exportfilformat.
  3. Tilldela kanalplatser på nytt baserat på vilken typ av elektrod montage som används genom att välja Redigera i rullgardinsmenyn och välja kanalplatser.  Klicka på slå upp locs och välj ellipserna för att hitta sökvägen till elektrod montage fil av intresse.
  4. Tilldela tider före och efter stimulus till epokens start-och sluttider. Ange värdet-0,1 s i rutan Start tid .
  5. Baseline-korrekt data enligt pre-stimulus intervallet.
  6. Identifiera och ta bort dåliga kanaler med sannolikhet vid en Z-score tröskel på 2,5.
    1. Verifiera lyckad identifiering och borttagning av dåliga kanaler genom att plotta alla elektroder. Ta manuellt bort kanaler med medel spännings amplituder utanför intervallet +/-30 μV.
  7. Utför artefakt avslag genom att ange värdena-100 μV och + 100 μV.
    Anmärkning:     denna metod är effektiv vid avlägsnande av okulär aktivitet som registrerats vid okulära elektroder (126, 127). Det kan dock vara nödvändigt att manuellt ta bort försök med artefakt som inträffar vid liten spänningsamplitud (dvs. inom intervallet +/-100 μV) för vissa deltagare.
    1. Ta del av kanaler som var dåliga för hela segment (dvs. med spänningar utanför intervallet +/-100 μV) och markerade i rött. Ta bort dessa dåliga kanaler manuellt om de utgör 60% eller mer av de avvisade försöken. Upprepa det här steget så många gånger som behövs.
    2. Följ artefakt borttagnings steg som beskrivits tidigare. Se till att minst 100 sveper accepteras. Ta bort försök markerade för avslag.
  8. Plot Channel 75 (motsvarande oz), eller kanal (er) av intresse, att kategorisera morfologiska mönster. Innan du plottar denna kanal, se till att utföra pre-stimulus baseline korrigering.
  9. Välj mönster A om CVEP morfologi kännetecknas av en stor positiv topp vid cirka 100-115 MS (P1), följt av en negativ topp på cirka 140-180 ms (N1) och en positiv topp vid cirka 165-240 MS (P2).
  10. Välj mönster B om CVEP-morfologin kännetecknas av en stor positiv topp vid cirka 100-115 MS (P1), följt av en negativ topp vid cirka 140-180 ms (N1a), en positiv topp vid cirka 180-240 MS (P2A), sedan en negativ topp vid ungefär 230-280 MS (N1b) och positiv topp vid cirka 260-350 MS (P2B).
  11. Lägg till enskilda datauppsättningar tillsammans enligt det morfologiska mönstret som observerats visuellt för att skapa ett grupp genomsnitt. Namnge och spara den nyligen sammanslagna datamängds filen.
  12. Visa bifogade filer som ett genomsnitt genom att rita den/de kanaler som intresserar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 och figur 4 visar det representativa objektet-debut och rörelse-debut cvep resultat av fem deltagare, i åldrarna 19-24 år, som passivt visade varje visuell paradigm. Denna design tillät observation av CVEP svar framkallade av visuella objekt (med och utan jitter) och visuell rörelse (med och utan jitter) både inom och mellan ämnen enligt varje villkor.  Deltagare CVEPs grupperades enligt det morfologiska mönstret framkallade av visuella stimuli och Grand-medelvärde för att skapa en genomsnittlig CVEP mönster.  I objekt utan temporal jitter villkor (figur 3), två deltagare konstaterades att presentera med mönster A, medan tre presenteras med mönster B (figur 3a).  På samma sätt, i objekt med temporal jitter villkoret (figur 3b), två försökspersoner presenteras med mönster A och tre med mönster B.  Intressant, två ämnen presenteras med ett annat mönster som ett resultat av jitter paradigm (dvs. ett ämne som presenterar med mönster A i ingen jitter villkor presenteras med mönster B i jitter villkoret, och ett ämne som presenterar med mönster B i inga jitter villkor presenteras med mönster A i jitter villkoret).  Det kan också observeras att jitter påverkar amplitud och latens i varje objekt-debut CVEP mönster (figur 3c,D).

För rörelse villkoret (figur 4) visade två försökspersoner mönstret en morfologi och tre ämnen presenterade med mönster B.  Men i motsats till de objekt debut CVEPs, rörelse-debut CVEP morfologiska mönster för varje deltagare var konsekventa över jitter villkor.  Dessutom visar mönstret B grupp genomsnittet inga tydliga bevis för de flera toppkomponenter som vanligtvis finns.  Denna brist på differential morfologi inträffade i båda rörelse paradigm utan och med temporala jitter (figur 4a,B). Liknar objektets paradigm, jitter i rörelse paradigm verkar påverka rörelse-debut CVEP egenskaper i båda morfologiska mönster (figur 4c,D).

Figure 1
Figur 1 : Exempel på visuella objekt stimuli paradigms utan och med temporal jitter. (A) utan tidsmässig jitter: en fixering kors presenteras för 500 ms, följt av en randomiserad presentation av en av fyra objekt från Boss databasen (knapp, bok, boll, tegel).  Varje objekt presentation är 600 MS i varaktighet. (B) med tidsmässig jitter: en fixering kors presenteras för 500 eller 1 000 MS, värden som är randomiserade över prövningar, och sedan ett av fyra objekt från Boss databasen (knapp, bok, boll, tegel).  Varje objekt presenteras för randomiserade värden på 600 eller 1000 MS. vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Exempel på visuella rörelse stimuli paradigm utan och med tidsmässig jitter. (A) utan tidsmässig jitter: en fixering kors presenteras för 500 ms, följt av en visuell rörelse film av ett radiellt fält av prickar rör sig inåt mot en central fixering punkt (betecknas med vita pilar) för 1 000 MS. (B) med tidsmässig jitter: en fixering Cross presenteras för 500, 750, eller 1 000 MS, värden som är randomiserade över prövningar. En visuell rörelse film presenteras sedan för antingen 600 eller 1 000 MS, värden som är randomiserade över prövningar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 . Representativt objekt-debut CVEP data utan och med temporal jitter. (A) mönstret en morfologi (dvs. en P1-N1-P2 svar) observerades hos två deltagare (solid svart linje) som svar på objektet paradigm utan jitter.  Mönster B morfologi (dvs. en P1-N1a-P2A-N1b-P2B svar) observerades hos 3 deltagare (streckad röd linje) som svar på objektet paradigm utan jitter.  Amplituden i mikrovolt avbildas på den lodräta axeln och tiden i millisekunder på den vågräta axeln. (B) mönster en morfologi hittades i två deltagare (solid svart linje) framkallade av objektet paradigm med jitter.  Mönster B morfologi hittades i 3 deltagare (röd streckad linje) framkallade av objektet paradigm med jitter. (C) mönster en morfologi jämförelse i samma tre deltagare som svar på objektet paradigm utan jitter (solid svart linje) och objektet paradigm med jitter (röd streckad linje). Dmönster B morfologi jämförelse i samma två deltagare som framkallas av objektet paradigm utan jitter (solid svart linje) och objektet paradigm med jitter (röd streckad linje). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 . Representativ rörelse-debut CVEP data utan och med temporal jitter. (A) mönstret en morfologi (dvs. ett P1-N1-P2-svar) observerades hos två deltagare (solid svart linje) som svar på rörelse paradigmet utan jitter.  Mönster B morfologi (dvs. en P1-N1a-P2A-N1b-P2B svar) observerades individuellt i 3 deltagare (streckad röd linje) som svar på rörelse paradigm utan jitter. Observera dock den typiska mönstret B morfologi inte observeras i CVEP gruppen Grand Average.  Amplituden i mikrovolt avbildas på den lodräta axeln och tiden i millisekunder på den vågräta axeln. (B) mönster en morfologi hittades i två deltagare (solid svart linje) framkallade av rörelse paradigm med jitter.  Mönster B morfologi hittades individuellt i 3 deltagare (röd streckad linje) framkallade av rörelse paradigm med jitter. Igen, mönstret B morfologi är inte uppenbar i CVEP Grand Average. (C) mönster en morfologi jämförelse i samma tre deltagare som svar på rörelse paradigm utan jitter (solid svart linje) och rörelse paradigm med jitter (röd streckad linje). Dmönster B morfologi jämförelse i samma två deltagare som framkallas av rörelse paradigm utan jitter (solid svart linje) och rörelse paradigm med jitter (röd streckad linje). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande fil: Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Målet med denna metodrapport var att utvärdera genomförbarheten i att registrera differential CVEP morfologi med hjälp av visuella objekt och rörelse stimuli speciellt utformade för att separat stimulera ventrala och dorsala strömmar i passiva tittande uppgifter6 ,7,8, både med och utan variation av ISIs (jitter)19. Förhållandena var inte avsedda att direkt jämföras, snarare observationer gjordes om huruvida variabel CVEP morfologi var närvarande i något av villkoren, och om temporala jitter inom detta tillstånd påverkade morfologi. Object-debut och rörelse-debut CVEP svar registrerades och tid-låst till uppkomsten av visuella objekt och rörelse stimuli, presenteras i fyra paradigms, via 128-kanals hög densitet EEG. Fem unga vuxna deltog i passiv visning av varje visuell paradigm, och resulterande CVEP Svaren var visuellt kategoriseras, subjektivt, enligt CVEP mönster A (P1-N1-P2) morfologi och CVEP mönster B (P1-N1a-P2A-N1b-P2B) morfologi, en metod används i tidigare forskning på vilken detta tillvägagångssätt är baserat12,13.

Representativa data tyder på att de beskrivna visuella stimuli är känsliga för differential CVEP morfologi. Dessutom verkar jitter att påverka specifika egenskaper CVEP svar, såsom latens och amplitud, snarare än den övergripande morfologi av vågform. Inga ytterligare slutsatser kan dras på grund av den lilla urvalsstorleken och avsaknaden av statistiska jämförelser.  Därför, dessa data visar att experimentell design kan vara användbara i studien av variabel CVEP morfologi och tillhörande visuellt beteende. Framtida forskning planeras att fokusera på att avsevärt utvidga antalet deltagare för att kontrollera om CVEP mönster framkallas av en mängd olika stimuli är en inneboende eller extrinsic fenomen och om vissa visuella kortikala nätverk kan vara mer delaktiga än andra för att skapa specifik morfologi. Framtida studier kommer också att omfatta temporala variationer i visuella paradigm för ytterligare bedömning av möjliga för utseende effekter på CVEP svar, inklusive större variation i jitter värden, eftersom de begränsade jitter intervall som ingår i den nuvarande metoden kan inte helt eliminera förutsägbarheten.  Slutligen kommer käll lokaliserings analyser på CVEP Peak Components att utföras för kvalitativ information om visuella kortikala nätverk involverade i generering av CVEP-morfologiska mönster, inklusive verifiering av att de presenterade stimuli aktiverar avsedda visuella nätverk.

Även om de beskrivna metoderna visar ett effektivt förhållningssätt till utredningen av objekt-debut och rörelse-debut CVEP morfologi, bör kritiska steg noteras.  Till exempel, i skapandet av visuella stimuli är det viktigt att faktorer som luminans vara konsekventa och kontrollerade för, eftersom dessa lägre ordningens förändringar kan påverka CVEP-egenskaperna22. I EEG-beredning är det absolut nödvändigt att noggrann uppmärksamhet ägnas åt elektrodernas Impedansvärden. Det hög densitet EEG-system som används i den aktuella studien är ett hög impedanssystem, vilket innebär att EEG-aktivitet kan framgångsrikt registreras med elektrodimpedansvärden på upp till 50 kΩ. Men i vårt laboratorium strävar vi efter att bibehålla dessa värden under 20 kΩ, och helst runt 10 kΩ. Lägre Impedansvärden påverkar kraftigt den övergripande kvaliteten på inspelningen och resulterar i snabbare analyser och ett större antal godkända försök.  Dessutom är det viktigt att övervaka ämnet tillstånd, särskilt som dessa paradigm är passiva i naturen. Det kan vara en utmaning för vissa deltagare att förbli alert, vilket resulterar i alfa svängningar och okulär artefakt som kan kontaminera inspelningen. I EEG-analyser är det viktigt att ta bort dåliga elektrod kanaler innan artefakt avstötning för att säkerställa att det maximala antalet försök accepteras i genomsnittet. Ju större antal prövningar, desto bättre signal-brus-förhållandet av CVEP svar. Dessutom krävs ett stort antal försök för käll lokaliserings analyser. I vårt laboratorium är minst 100 godkända prövningar typiskt för visuella studier12,13,22. Den EEG-analysmetod som beskrivs i denna studie kan också ändras enligt forskarens omdöme. Det finns många metoder för framgångsrik EEG-analys, och den som tillhandahålls har utvecklats i vårt laboratorium. Andra metoder som kan vara användbara kan granskas genom olika tutorials som tillhandahålls av skaparna av EEGLAB Toolbox.

Även EEG-metoden har begränsningar, särskilt i rumslig upplösning för Imaging ändamål2, fördelarna med en låg kostnad, icke-invasiv metod, och hög temporala upplösning gör detta till ett idealiskt verktyg för utredning av CVEP morfologiska Mönster. Till exempel, latens och amplitud av de specifika toppkomponenter som utgör cvep vågform skulle inte kunna identifieras med hjälp av en annan metod, utom möjligen med Magnetencefalografi (Meg).  Dessutom har käll lokaliserings analyser, som är möjliga med EEG-inspelningar med hög densitet, avancerat till en sådan nivå att uppskattningen av kortikal generatorns placering har accepterats i en mängd studier12,13, 23,24,25,26. Om rumslig lokalisering fortfarande är ett bekymmer för forskaren, kan ett multimodalt tillvägagångssätt användas för att kombinera den tidsmässiga upplösningen av EEG med den rumsliga upplösningen av andra åtgärder, såsom fMRI27. Det är viktigt att en stor mängd prövningar samlas in i varje paradigm för framtida käll lokaliserings analyser, vilket kräver en hög EEG signal-brus-förhållande för noggrann uppskattning av kortikala generatorer12,13, 23.

Sammantaget är det beskrivna protokollet användbart och effektivt för observation och studiet av CVEP morfologiska mönster. Liknande metoder har presenterats i litteraturen14,15,28,29, men har inte fokuserat på kategorisering av svar från grupp deltagare enligt morfologi, enligt beskrivningen i avsnittet EEG-analyser. Framtida forskning kan dra nytta av att undersöka cvep morfologi närmare, eftersom distinkta visuella processer har visat sig ligga till grund för specifika mönster12,13. Även om ytterligare arbete är nödvändigt för att klargöra om CVEP morfologi framkallas av olika stimuli och underliggande visuell funktion är relaterade till visuellt beteende, de experimentella paradigm och EEG analyser diskuteras i denna pilotstudie ger en första punkt för att bättre förstå grundläggande visuella kortikala processer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Denna forskning stöddes av University of Texas vid Austin Moody College of Communication Grant förberedelse Award och University of Texas på Austin Office of the vice president för forskning 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

Neurovetenskap elektrofysiologiska fenomen elektrofysiologiska processer framkallade potentialer fysiologiska processer elektrofysiologiska processer neurala överledning fenomen och processer fysiologiska fenomen visuell Framkallade potentialer morfologiska mönster ventrala ström dorsala ström hög densitet EEG EEGLAB
Stimulus-specifika kortikala visuella framkallat potentiella morfologiska mönster
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