Her præsenteres proceduren for anvendelse af c-gitteret (øreelektroencefalografi, solgt under navnet cEEGrid) til registrering af hjerneaktivitet i og uden for laboratoriet i længere tid. Denne protokol beskriver, hvordan du opsætter disse arrays, og hvordan du registrerer hjerneaktivitet ved hjælp af dem.
C-gitteret (øre-elektroencefalografi, solgt under navnet cEEGrid) er et diskret og behageligt elektrodearray, der kan bruges til at undersøge hjerneaktivitet efter fastgørelse omkring øret. C-gitteret er velegnet til brug uden for laboratoriet i lang tid, selv hele dagen. Forskellige kognitive processer kan studeres ved hjælp af disse gitre, som det fremgår af tidligere forskning, herunder forskning uden for laboratoriet. For at registrere øre-EEG-data af høj kvalitet er omhyggelig forberedelse nødvendig. I denne protokol forklarer vi de trin, der er nødvendige for dens vellykkede implementering. Først vises det, hvordan man tester gitterets funktionalitet, før en optagelse vises. For det andet gives der en beskrivelse af, hvordan deltageren forberedes, og hvordan c-gitteret monteres, hvilket er det vigtigste trin til registrering af data af høj kvalitet. For det tredje gives en oversigt over, hvordan man tilslutter nettene til en forstærker, og hvordan man kontrollerer signalkvaliteten. I denne protokol viser vi anbefalinger og tip til bedste praksis, der gør c-grid-optagelser vellykkede. Hvis forskere følger denne protokol, er de omfattende udstyret til at eksperimentere med c-gitteret både i og uden for laboratoriet.
Med mobil øreelektroencefalografi (EEG) kan hjerneaktivitet registreres i hverdagen, og ny indsigt i neural behandling uden for laboratoriet kan opnås1. For at være egnet til hverdagen skal et mobilt øre-EEG-system være gennemsigtigt, diskret, let at bruge, bevægelsestolerant og behageligt at have på selv i flere timer2. C-gitteret (sælges under navnet cEEGrid), et c-formet øre-EEG-system, sigter mod at opfylde disse krav for at minimere interferens med naturlig adfærd. Gitteret består af 10 Ag/AgCl elektroder trykt på Flexprint materiale3. Kombineret med en miniaturiseret, mobil forstærker og en smartphone til dataindsamling 4,5 kan disse gitre bruges til at indsamle øre-EEG-data i mere end 8 timer 1,6.
Flere undersøgelser udført i laboratoriet har vist potentialet for c-grids til at studere auditive og andre kognitive processer. C-gitre er med succes blevet brugt til auditiv opmærksomhedsafkodning med nøjagtigheder over chanceniveau 7,8,9,10,11. Segaert et al.12 brugte disse arrays til at kvantificere sprogforringelse hos patienter med mild kognitiv svækkelse. Garrett et al.13 viste, at disse arrays kan fange auditive hjernepotentialer, der stammer fra hjernestammen. Bortset fra forskningen med fokus på det auditive domæne brugte Knierim et al.14 gitterene til at undersøge flowoplevelser (dvs. følelsen af total involvering i en opgave) målt ved ændringer i alfaeffekt. Endelig brugte Pacharra et al.15 disse gitre til en visuel opgave. Alle disse laboratoriebaserede undersøgelser viser de forskellige kognitive processer, der kan fanges med disse gitre.
Disse gitre kan også bruges til EEG-optagelser uden for laboratoriet, som illustreret af flere undersøgelser. For eksempel er disse arrays blevet brugt til at evaluere mental belastning i en køresimulator 16,17 og til at studere uopmærksomhedsdøvhed, ikke-opfattelsen af kritiske alarmlyde, i en flysimulator18. Nettene er især lovende til langsigtede optagelser, såsom langtidsovervågning af epileptiske anfald2 og søvnstadietrin6. Hölle et al.1 brugte disse gitre til at måle auditiv opmærksomhed i løbet af en kontordag i 6 timer. Alt i alt fremhæver alle disse undersøgelser deres potentiale til at undersøge forskellige hjerneprocesser i og uden for laboratoriet.
Hver EEG-registrering kræver omhyggelig forberedelse for at opnå gyldige resultater. Dette er især vigtigt for mobile applikationer, hvor der kan forventes flere artefakter end i laboratoriet på grund af deltagerens bevægelse. For at sikre optimale resultater er specifikke forberedelsestrin nødvendige. Vi angiver de kritiske trin i forberedelsen af nettene, forberedelsen af deltageren til dataindsamling og montering og tilslutning af nettene til EEG-optagelser. Vi påpeger potentielle fejl og viser eksempler på dårlig datakvalitet, når vedhæftningen ikke er korrekt. Endelig vises repræsentative resultater af en klaverspillet oddball-opgave.
Forudsat her er en protokol til øre-EEG-optagelser med c-grids. Ved at følge trinene i denne protokol sikres optagelser i høj kvalitet. I de følgende afsnit foretages en sammenligning med cap-EEG, de mest kritiske trin i protokollen sammen med nogle anbefalinger om bedste praksis diskuteres, og nogle ændringer diskuteres.
Sammenligning af c-grids med cap-EEG og in-ear EEG
C-gitteret tillader diskret registrering af hjerneaktivitet i hverdagen og er velegnet til længere optagelser. Det har flere fordele sammenlignet med cap-EEG. For det første begrænser det på grund af sin vægt, komfort og lave synlighed næppe deltagerne i deres daglige aktiviteter1. For det andet kan den bæres i længere tid – mere end 11 timer i en undersøgelse 6 – uden at elektroderne falder af 1,3,6, da de er forseglet med klæbende klistermærker. På den negative side dækker c-gitteret kun en brøkdel af overfladen af cap-EEG og kan derfor ikke erstatte cap-EEG til alle formål. Men i tilfælde, hvor en let, diskret, hurtig at konfigurere, minimalt begrænsende løsning er nødvendig (f.eks. på arbejdspladsen), kan c-grids give relevant neural information.
Sammenligningen af resultater på tværs af deltagere er potentielt vanskeligere for c-net sammenlignet med cap-EEG. For cap-EEG bruges ofte det internationale 10-20-system til at lette sammenligningen af resultater på tværs af undersøgelser og på tværs af deltagere med forskellige hovedstørrelser. I dette system er elektroderne placeret i forhold til specifikke anatomiske landemærker (dvs. nasion og inion for front til ryg og ørerne for venstre mod højre). I praksis bruges forskellige hættestørrelser til at tage højde for forskellige hovedstørrelser og derved tilnærme den optimale elektrodepositionering. C-nettet kan ikke let integreres i dette system af to grunde. For det første er disse i øjeblikket tilgængelige i en størrelse og dækker således mere eller mindre plads afhængigt af hovedstørrelsen. For det andet påvirker ørets form placeringen af gitterene. Generelt vil de to øverste elektroder være direkte over øret, men afhængigt af øreformen kan de vippes mere foran eller bagpå. Vi er ikke bekendt med nogen undersøgelse, der har undersøgt, om disse skift i elektrodepositioner er store nok til at være relevante.
En anden metode til måling af øre-EEG er at placere elektroderne inde i øret, for eksempel i den ydre øregang eller concha23,24,25. En sådan tilgang giver endnu lavere synlighed end c-nettet, men fører til optagelse af signaler med lavere amplituder på grund af de små afstande mellem elektroderne26.
Mest kritiske trin
EEG generelt, og især mobil ørecentreret EEG, er fortsat en udfordrende teknologi. Derfor er omhyggelig forberedelse af deltageren og placering af nettene afgørende for at sikre god datakvalitet over tid. Forberedelsen starter med deltagernes hår og hud. Håret og huden omkring øret skal vaskes og tørres. Derudover skal eksperimentatoren omhyggeligt rengøre området omkring øret med slibende gel og alkohol og sikre, at gitterene er fastgjort med klæbende klistermærker. Disse trin er vigtige og bør udføres omhyggeligt for at sikre god elektrode-hudvedhæftning og en lav impedans i længere perioder. Især hudrensningen kan gøre forskellen mellem en vellykket og en mislykket optagelse.
Selv med passende pleje kan impedansen for individuelle elektroder dog stadig være dårlig direkte efter placeringen af elektroderne. Generelt stabiliseres grænsefladen mellem elektrode og hud over tid, og vi observerer ofte, at impedansen falder inden for 5 min til 15 min. Hvis signalkvaliteten forbliver dårlig, anbefales det at fjerne gitterene helt, tørre eventuel resterende gel omkring deltagerens øre af og montere en ny. Det er hurtigere at montere en ny i modsætning til rengøring og klargøring af det tidligere fjernede gitter. Det anbefales ikke at tilføje elektrodegel til individuelle elektroder, når gitteret er monteret, da dette kan kompromittere klistermærkernes vedhæftningsstyrke og endda kan føre til brobygning af naboelektroderne.
Når gitteret er placeret, og når elektrodernes impedans er lav, kan dataregistreringen begynde. Ved længere optagelser (>1 time) skal der udføres en kort datakvalitetskontrol i begyndelsen. For eksempel er en 3 minutters auditiv oddball-opgave eksemplificeret i denne undersøgelse, som kan udføres og analyseres hurtigt for at sikre en god signalkvalitet.
I nogle tilfælde er optagelse med c-gitteret muligvis slet ikke muligt, såsom når gitteret er for lille til øret (selv efter klipning), eller når hårgrænsen er for tæt på øret, hvilket betyder, at gitteret ikke klæber til huden. Hvis gitteret “svæver” over noget hår, kan forskere ikke forvente data af høj kvalitet.
Fejlfinding
Dårlig impedans og/eller signal
For at undgå disse problemer er det bydende nødvendigt, at huden rengøres omhyggeligt inden montering. Derudover skal man sørge for at teste funktionaliteten af hver elektrode inden monteringen. For eksempel skal man kontrollere, at gitteret er tilsluttet korrekt til stikket, og at hver elektrode har fast kontakt med huden og derefter vente et par minutter, indtil impedansen og signalet forbedres. For yderligere at kontrollere funktionaliteten efter montering skal de enkelte elektroder trykkes, og det resulterende signal skal kontrolleres. Hvis det tilsvarende signal fra hver elektrode viser et svar, er elektroden i princippet funktionel. Hvis alle ovenstående trin ikke hjælper, skal man fjerne gitteret, tørre den resterende gel omkring deltagerens øre og montere en ny.
Situationer uden signal
For det første skal man sikre sig, at nettet er tilsluttet korrekt til forstærkeren, samt sikre, at netstikket ikke er vendt på hovedet. Der vil kun være et signal, hvis jord- og referenceelektroderne er tilsluttet; Om jorden og referencen vil være til venstre, højre eller på begge sider afhænger af stikket.
Signalet bliver værre under optagelsen
Der kan være flere grunde til dette problem, der skal løses. For det første kan nogle af elektroderne have løsnet sig fra huden. Dette kan ske, når klæbemidlet kompromitteres af resterne af elektrodegelen, af hår under elektroderne eller på grund af interferens fra deltageren (f.eks. Ridser rundt om øret eller justerer briller). For det andet kan der være problemer med forbindelsen mellem nettet og forstærkeren (dvs. gitteret kan være trukket ud af forstærkeren, eller dets position kan have flyttet sig). Endelig kan nettet have lidt skade under brug. Dette kan ske, hvis halen på c-gitteret bøjes for stærkt.
Kanaler, der viser identiske signaler
I dette tilfælde brolægges elektroderne. Man skal fjerne gitteret, tørre den resterende gel omkring deltagerens øre af og montere en ny. Man bør også sørge for kun at bruge linser-størrelse dråber elektrode gel på hver elektrode for at undgå brobygning.
Deltagere, der rapporterer, at placeringen er ubehagelig
Den mest almindelige årsag til nedsat komfort er, at gitteret er placeret for tæt på bagsiden af øret. Man skal sørge for at efterlade 1 mm til 2 mm mellem c-gitteret og bagsiden af øret. Et lille stykke tape fastgjort bag øret hjælper med at øge komforten.
Ændringer af metoden
C-gitteret kommer i én størrelse. Det giver dog mulighed for en vis fleksibilitet med hensyn til dens størrelse. Ved at skære plasten på indersiden kan størrelsen reduceres for at passe til større ører. Man bør være særlig opmærksom for ikke at skære ind i elektroderne eller de ledende stier.
Afhængigt af den anvendte forstærker og optagelsesscenariet er der forskellige måder at placere forstærkeren på kroppen. Den faste længde af gitterets hale og det faktum, at den peger vandret væk fra øret, begrænser de mulige placeringer for placering af forstærkerens stik. Forskellige producenter leverer adapterkabler, der forbinder nettet til en bestemt forstærker (enten mobil eller laboratoriebaseret). Der er foreslået forskellige løsninger til placering af forstærkeren; Nogle forskere bruger et pandebånd3, mens andre integrerer det i en BaseCap27. Til kortere eksperimenter er et pandebånd egnet. Til længere eksperimenter kan forstærkeren tapes til tøjet6 eller krop2, opbevares i specialfremstillede stropper, tapes til hovedtelefoner, der bæres rundt om halsen1, eller tapes til en halsbeskytter, der almindeligvis bruges til mountainbiking. Vi har udviklet en prototype, der kombinerer en halshøjttaler (til præsentation af auditive stimuli) med en mobil EEG-forstærker og stik til c-grid (byggevejledning kan findes her: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). Vi har brugt denne tilgang med succes i en nylig undersøgelse (under udarbejdelse), hvor vi registrerede øre-EEG i 4 timer, mens deltagerne arbejdede på et kontor.
Fremtidige applikationer
C-grid er et lovende værktøj til langsigtede optagelser i hverdagen. For eksempel kan man bruge den til at undersøge lydbehandling i hverdagen1. Med langtidsregistreringer kan cirkadiske variationer i kognition og auditiv funktion også undersøges28,29. Til diagnostiske formål kan gitteret bruges til langtidsovervågning af epileptiske anfald2, søvnstadietrin6 eller til måling af opmærksomhed på høreapparater 7,11.
Konklusion
Denne protokol udstyrer omfattende forskere til at eksperimentere med disse c-gitter i og uden for laboratoriet. Hvis forskere følger denne protokol og omhyggeligt udfører trinene, herunder de vigtigste, såsom hudrensning og montering af c-gitteret, kan de forvente data af høj kvalitet til deres øre-EEG-eksperimenter.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev finansieret af Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Emmy-Noether-programmet, BL 1591/1-1 – Project ID 411333557. Vi takker Suong Nguyen, Manuela Jäger og Maria Stollmann for deres hjælp med at filme videoen. Vi takker Joanna Scanlon for videovoiceoveren.
Abrasive gel: Abralyt HiCl | easycap GmbH, Germany | ||
AFEx app | University of Oldenburg, Germany | for our exemplary data recording, open-source: https://zenodo.org/record/5814670#.Y0AavXZByUk | |
Alcohol | Carl Roth GmbH + Co. KG, Germany | 70% isopropanol, 30% destilled water | |
c-grid: cEEGrid | TSMI, Oldenzaal, The Netherlands | ||
cEEGrid connector | University of Oldenburg, Germany | costum build | |
EEG acquisition app: Smarting | mBrainTrain, Serbia | ||
Matlab | The MathWorks, Inc., USA | used for data analyses and creating the figures | |
Medical tape: Leukosilk | BSN medical GmbH, Germany | ||
mobile EEG amplifier: Smarting MOBI | mBrainTrain, Serbia | ||
Multimeter | PeakTech Prüf- und Messtechnik GmbH, Germany | optional device to check functionality of electrodes | |
nEEGlace | University of Oldenburg, Germany | costumized neckspeaker with integrated EEG amplifier (Smarting, mBrainTrain, Serbia) and cEEGrid connectors | |
Paper wipes | – | ||
Record-a app | University of Oldenburg, Germany | for our exemplary data recording, open-source: https://github.com/NeuropsyOL/Pocketable-Labs | |
Smartphone: Google Pixel 3a | Google LLC, USA | ||
Yahama Digital Piano P-35 | Hamamatsu, Japan | for our exemplary data recording |