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Articolo metodologico

Iperscansione EEG domiciliare per le interazioni sociali tra bambino e caregiver

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DOI:

10.3791/66655

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31 maggio 2024

 ,  ,  ,  , 
1Department of Psychology, School of Social Sciences, Nanyang Technological University, 2Department of Pediatrics, University of Cambridge, 3Child Neuropsychology Section, Department of Child and Adolescent Psychiatry, Psychosomatics and Psychotherapy, Medical Faculty, RWTH Aachen University

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo descrive come l'elettroencefalografia, l'elettrocardiografia e le registrazioni comportamentali sincronizzate sono state acquisite dalle diadi bambino-caregiver in un ambiente domestico.

Abstract

Precedenti studi di hyperscanning che registrano le attività cerebrali di caregiver e bambini contemporaneamente sono stati condotti principalmente all'interno dei confini del laboratorio, limitando così la generalizzabilità dei risultati a contesti di vita reale. Qui, viene proposto un protocollo completo per l'acquisizione di elettroencefalografia sincronizzata (EEG), elettrocardiografia (ECG) e registrazioni comportamentali da diadi bambino-caregiver durante varie attività interattive a casa. Questo protocollo dimostra come sincronizzare i diversi flussi di dati e riportare i tassi di conservazione dei dati EEG e i controlli di qualità. Inoltre, vengono discusse le criticità e le possibili soluzioni rispetto alla configurazione sperimentale, alle attività e alla raccolta dei dati in ambito domestico. Il protocollo non si limita alle diadi bambino-caregiver, ma può essere applicato a varie costellazioni diadiche. Nel complesso, dimostriamo la flessibilità delle configurazioni di hyperscanning EEG, che consentono di condurre esperimenti al di fuori del laboratorio per catturare le attività cerebrali dei partecipanti in contesti ambientali più ecologicamente validi. Tuttavia, il movimento e altri tipi di artefatti limitano ancora i compiti sperimentali che possono essere eseguiti nell'ambiente domestico.

Introduzione

Con la registrazione simultanea delle attività cerebrali di due o più soggetti interagenti, nota anche come hyperscanning, è diventato possibile chiarire le basi neurali delle interazioni sociali nelleloro dinamiche complesse, bidirezionali e frenetiche. Questa tecnica ha spostato l'attenzione dallo studio di individui in contesti isolati e strettamente controllati all'esame di interazioni più naturalistiche, come le interazioni genitore-figlio durante il gioco libero 2,3, la risoluzione di enigmi4 e i giochi cooperativi per computer 5,6. Questi studi dimostrano che le attività cerebrali si sincronizzano durante le interazioni sociali, cioè mostrano somiglianze temporali, un fenomeno chiamato sincronia neurale interpersonale (INS). Tuttavia, la grande maggioranza degli studi di iperscansione è stata confinata in ambienti di laboratorio. Se da un lato ciò consente un migliore controllo sperimentale, dall'altro può andare a scapito della perdita di una certa validità ecologica. I comportamenti osservati in laboratorio potrebbero non essere rappresentativi dei tipici comportamenti interattivi quotidiani dei partecipanti a causa dell'ambiente non familiare e artificiale e della natura dei compiti imposti7.

I recenti progressi nei dispositivi mobili di neuroimaging, come l'elettroencefalografia (EEG) o la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), alleviano questi problemi eliminando l'obbligo per i partecipanti di rimanere fisicamente connessi al computer di registrazione. Pertanto, ci consentono di misurare le attività cerebrali dei partecipanti mentre interagiscono liberamente in classe o nelle loro case 8,9. Il vantaggio dell'EEG rispetto ad altre tecniche di neuroimaging, come l'fNIRS, è che ha un'eccellente risoluzione temporale, che lo rende particolarmente adatto per indagare dinamiche sociali frenetiche10. Tuttavia, viene fornito con l'avvertenza che il segnale EEG è altamente vulnerabile al movimento e ad altri artefatti fisiologici e non fisiologici11.

Nonostante ciò, i primi studi hanno implementato con successo configurazioni di iperscansione EEG in ambienti e condizioni realistiche. Ad esempio, Dikker et al.12 hanno misurato il segnale EEG di un gruppo di studenti mentre erano impegnati in varie attività in classe, tra cui frequentare lezioni, guardare video e partecipare a discussioni di gruppo. Questo studio, insieme ad altri studi 8,9, ha utilizzato prevalentemente elettrodi EEG a secco per facilitare il processo di conduzione delle misurazioni in ambienti non di laboratorio. Rispetto agli elettrodi umidi, che richiedono l'applicazione di gel o pasta conduttiva, gli elettrodi asciutti offrono notevoli vantaggi in termini di usabilità. È stato dimostrato che mostrano prestazioni paragonabili agli elettrodi umidi nelle popolazioni adulte e in condizioni stazionarie; Tuttavia, le loro prestazioni possono diminuire in scenari legati al movimento a causa dell'aumento dei livelli di impedenza13.

Qui, presentiamo un protocollo di lavoro per acquisire registrazioni sincronizzate da un sistema EEG su gel liquido a sette canali a bassa densità con un elettrocardiogramma (ECG) a singola derivazione collegato allo stesso amplificatore wireless (frequenza di campionamento: 500 Hz) di diadi bambino-caregiver in un ambiente domestico. Mentre gli elettrodi attivi sono stati utilizzati per gli adulti, gli elettrodi passivi sono stati utilizzati invece per i neonati poiché questi ultimi si presentano tipicamente sotto forma di elettrodi ad anello, facilitando così il processo di applicazione del gel. Inoltre, le registrazioni EEG-ECG sono state sincronizzate con tre telecamere e microfoni per catturare i comportamenti dei partecipanti da diverse angolazioni. Nello studio, i neonati di 8-12 mesi e i loro caregiver si sono impegnati in un compito di lettura e gioco mentre venivano registrati l'EEG, l'ECG e i comportamenti. Per ridurre al minimo l'impatto di un movimento eccessivo sulla qualità del segnale EEG, le attività sono state condotte in un ambiente da tavolo (ad esempio, utilizzando il tavolo della cucina e un seggiolone per neonati), richiedendo ai partecipanti di rimanere seduti durante l'attività di interazione. Agli assistenti sono stati forniti tre libri adatti all'età e giocattoli da tavolo (dotati di ventose per evitare che cadano). Sono stati istruiti a leggere al loro bambino per circa 5 minuti, seguiti da una sessione di gioco di 10 minuti con i giocattoli.

Questo protocollo descrive in dettaglio i metodi per la raccolta di dati EEG-ECG, video e audio sincronizzati durante le attività di lettura e riproduzione. La procedura complessiva, tuttavia, non è specifica per questo disegno di ricerca, ma è appropriata per diverse popolazioni (ad esempio, diadi genitore-figlio, diadi amiche) e compiti sperimentali. Verrà presentato il metodo di sincronizzazione di diversi flussi di dati. Inoltre, verrà delineata una pipeline di pre-elaborazione EEG di base basata su Dikker et al.12 e verranno riportati i tassi di conservazione dei dati EEG e le metriche di controllo della qualità. Poiché le scelte analitiche specifiche dipendono da una varietà di fattori (come la progettazione del compito, le domande di ricerca, il montaggio EEG), l'analisi dell'hyperscanning-EEG non sarà ulteriormente dettagliata, ma invece, il lettore sarà indirizzato alle linee guida e agli strumenti esistenti (ad esempio, 14 per le linee guida;15,16 per gli strumenti di analisi hyperscanning). Infine, il protocollo discute le sfide e le potenziali soluzioni per l'iperscansione EEG-ECG a casa e in altri contesti del mondo reale.

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Protocollo

Il protocollo descritto è stato approvato dall'Institutional Review Board (IRB) della Nanyang Technological University di Singapore. Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i partecipanti adulti e dai genitori per conto dei loro bambini.

1. Considerazioni sull'attrezzatura e sullo spazio nelle sessioni a casa

  1. Preparati a condizioni di umidità e temperatura diverse a seconda del paese e della stagione. Per ambienti con livelli di temperatura e umidità elevati, assicurarsi che vi sia un flusso d'aria adeguato e, se possibile, accendere il condizionatore d'aria di casa.
  2. Mantenere la distanza da trasmettitori WiFi, apparecchiature Bluetooth (ad es. telefoni cellulari, tastiera, mouse, ecc.) e forni a microonde, poiché i macchinari nelle vicinanze che operano nella stessa banda di frequenza possono causare interferenze. Inoltre, cerca di tenere la configurazione sperimentale lontana dai dispositivi di ricarica in casa, in quanto ciò potrebbe causare un rumore significativo della linea elettrica nei dati. Si noti che i ventilatori da terra nelle vicinanze o i ventilatori da soffitto ad alta velocità potrebbero causare l'oscillazione dei cavi EEG e contribuire ad artefatti meccanici.
  3. Preparare uno spazio favorevole per l'esperimento da tenere all'interno della casa del partecipante. Assicurarsi che l'area di test disponga di spazio libero sufficiente per ospitare un assistente e un neonato su un seggiolone seduti attorno a un tavolo, oltre a tre telecamere su treppiedi. Elimina tutti gli oggetti dal tavolo, se possibile, per ridurre eventuali distrazioni.
  4. Assicurarsi che l'area di test abbia una luminosità adeguata per consentire alle videocamere di catturare le espressioni del partecipante. Se i tavoli sono vicini alle finestre, non posizionare le videocamere di fronte alla finestra per evitare l'abbagliamento dell'obiettivo.

2. Preparativi prima della sessione

  1. Informare i partecipanti che per la misurazione EEG, gli adulti sono tenuti a lavarsi i capelli il giorno prima della sessione senza applicare prodotti per capelli. Chiedi se possono astenersi dal truccarsi il giorno della sessione EEG.
  2. Assicurati che tutte le apparecchiature di registrazione (microfoni e videocamere), i laptop, gli amplificatori e il power bank utilizzato dalla scatola di attivazione siano carichi il giorno prima della sessione. Verificare che tutta l'attrezzatura sia completamente carica alcune ore prima della sessione. Portare con sé caricabatterie o preferibilmente power bank portatili per casi imprevisti di bassi livelli di batteria nell'apparecchiatura.
  3. Metti in valigia tutti i moduli necessari e l'attrezzatura di registrazione per la sessione.

3. Preparazione dell'esperimento a casa del partecipante

  1. Preparazione per la gelificazione EEG
    1. Indossa un paio di guanti quando maneggi il gel. Riempire quattro siringhe con gel, due siringhe con la punta smussata per gli elettrodi passivi e due siringhe con la punta più fine per gli elettrodi attivi.
    2. Preparare due pezzi quadrati di nastro adesivo per gli elettrodi ECG per neonati e adulti.
  2. Preparazione dell'apparecchio di controllo
    1. Rimuovere i guanti quando si maneggiano apparecchiature elettroniche.
    2. Accendi tutti i laptop e collega i dongle EEG ai rispettivi laptop. Assicurarsi che il software di registrazione EEG sia in esecuzione.
    3. Collegare gli amplificatori per adulti e neonati al software di registrazione EEG sui rispettivi laptop tramite una connessione wireless.
    4. Controllare e assicurarsi che entrambi gli amplificatori (adulto e neonato) abbiano le stesse impostazioni della porta di trigger, ovvero se il marcatore di trigger viene prodotto al fronte di salita (alta attività) o di discesa (bassa attività) dell'impulso di ingresso.
    5. Monta le tre videocamere su ciascun treppiede. Assicurarsi che ogni videocamera acquisisca rispettivamente l'operatore sanitario, il neonato e l'operatore sanitario e il neonato (vista combinata) (vedere la Figura 1). Prima di iniziare la sessione, assicurati che le angolazioni della videocamera siano in grado di catturare costantemente i volti dei partecipanti, considerando che l'assistente spesso si sposta verso l'occhio del bambino durante le interazioni.
  3. Posizionare il seggiolone per neonati e la sedia per l'assistente ai bordi del tavolo in modo che siano rivolti l'uno verso l'altro con un'angolazione in cui le videocamere possano catturare le loro espressioni facciali (vedere la Figura 1). Se non c'è abbastanza spazio sul tavolo, posiziona il seggiolone per bambini e la sedia per assistenti l'uno accanto all'altro ad angolo retto.

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Figura 1: Vista dall'alto verso il basso della configurazione. (1) Videocamera rivolta verso i bambini. (2) Videocamera con visualizzazione combinata. (3) Videocamera rivolta verso il caregiver. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Applicazione del sensore EEG ed ECG per il caregiver

  1. Fissaggio sicuro dell'amplificatore alla cuffia EEG
    1. Per l'assistente, utilizzare la tasca posteriore del cappuccio EEG per riporre l'amplificatore al fine di ridurre il movimento del cavo e il rumore EEG. Prima di applicare il cappuccio al partecipante, assicurarsi che l'amplificatore sia stato riposto in modo sicuro e fissato al connettore.
    2. Assicurarsi che non vi sia contatto con l'acqua durante la manipolazione dell'amplificatore (ad esempio, rimuovere i guanti se imbevuti di gel).
  2. Chiedi al caregiver di rimuovere gli occhiali, la maschera o gli orecchini. Se i loro capelli sono legati, chiedi loro di rimuovere il cerchietto per avere i capelli sciolti.
  3. Indossando i guanti e con il permesso dell'operatore, pulire la fronte con tamponi imbevuti di alcol (alcol isopropilico (IPA al 70 %)).
  4. Su entrambi i lati della testa del caregiver, separare i capelli nel punto più alto dell'orecchio per assicurarsi che l'orecchio sia completamente visibile, seguendo le linee naturali di separazione dei capelli.
  5. Misurare la circonferenza della testa del caregiver posizionando il metro intorno a quattro punti di riferimento sulla testa: la nasione (all'altezza del sopracciglio), sopra la cresta dell'inione (il punto più alto nella parte posteriore della testa) e tra il trago sinistro e destro (la punta delle orecchie).
  6. Allunga la cuffia EEG dall'interno con un gesto della mano simile a una corona e inizia a posizionare la cuffia dalla fronte del caregiver verso la parte posteriore della testa. Senza lasciare andare il cappuccio, far scorrere le mani verso il basso per tenere le cinghie, tirarle verso il mento e allacciare le estremità a strappo. Regolare le cinghie in base al comfort del partecipante.
    1. Assicurarsi che la frangia o le ciocche di capelli sul viso del partecipante siano state rimosse dal viso per evitare disagio o ostruzione della vista.
    2. Lisciare delicatamente il cappuccio per assicurarsi che gli elettrodi siano a stretto contatto con il cuoio capelluto. Assicurarsi che non ci siano pieghe sul tappo.
  7. Posizionare il metro a nastro sopra gli elettrodi sulla linea mediana e misurare la distanza tra il nasion e l'inion. Assicurarsi che l'elettrodo Cz del sistema internazionale 10-20 si trovi nel punto medio della misurazione. Utilizzare il metodo di scrunch e rilascio per spostare le posizioni del tappo avanti e indietro, se necessario.
  8. Misurare la distanza tra il trago sinistro e destro per assicurarsi che l'elettrodo Cz corrisponda al punto medio della misurazione e regolare se necessario.
  9. Applicazione di gel EEG ed ECG
    1. Iniziare applicando il gel agli elettrodi di riferimento e di terra. Procedere alla gelificazione degli elettrodi rimanenti. Inizia con gli elettrodi sul retro perché potrebbe essere necessario più tempo prima che l'impedenza si riduca a un intervallo accettabile (in genere < 25 kΩ) poiché gli adulti in genere hanno più peli sul retro.
    2. Quando si applica il gel sul caregiver, utilizzare una siringa con una punta più lunga e più fine. Inserire la punta della siringa nell'apertura dell'elettrodo e separare i capelli utilizzando la curva inferiore della siringa. Spruzzare piccole quantità di gel mentre la siringa viene estratta. Se c'è un grande spazio tra il cuoio capelluto e l'elettrodo, premere con decisione sull'elettrodo per garantire il contatto.
    3. Utilizzare la luce come guida di riferimento per l'impedenza se la configurazione dell'elettrodo attivo data lo consente. In alternativa, fare riferimento alle letture dell'impedenza sul software di registrazione EEG per identificare quali elettrodi richiedono un miglioramento del contatto.
      NOTA: Gli elettrodi a bassa impedenza e con una buona qualità del segnale (garantita dal controllo degli artefatti prima di iniziare la sessione) saranno colorati in verde sulla cuffia e/o sul montaggio EEG. Se l'impedenza per un elettrodo è alta, ripetere lo sforzo per separare i capelli e spostare bene il gel nell'elettrodo fino al punto di libero contatto con il cuoio capelluto.
    4. Si noti che il cappuccio di solito non si adatta perfettamente a ciascuna testina e le aree concave della testa possono causare uno spazio naturale tra l'elettrodo e il cuoio capelluto. Se l'impedenza rimane alta, applicare un piccolo mucchio di gel per garantire un ponte di gel tra l'elettrodo e il cuoio capelluto. Fare attenzione a non spostare il gel lateralmente dopo questo per evitare di creare ponti con gli elettrodi vicini sotto il cappuccio.
    5. Fare attenzione a non riempire eccessivamente i pozzetti con il gel per evitare che si formino ponti tra gli elettrodi adiacenti anche sopra il tappo.
    6. Una volta che tutti gli elettrodi EEG hanno una bassa impedenza, pulire l'area morbida sotto la clavicola sinistra del partecipante con salviettine imbevute di alcol e iniziare a collegare l'elettrodo ECG.
      1. Attacca un nastro circolare alla parte inferiore dell'elettrodo ECG e applica abbastanza gel da coprire il pozzetto dell'elettrodo.
      2. Collegare l'elettrodo all'area morbida sotto la clavicola sinistra. Applicare del nastro adesivo bianco sulla parte superiore del sensore.

5. Applicazione del sensore EEG ed ECG per il neonato

  1. Chiedi al caregiver di aiutare il bambino a indossare un giubbotto, fornito dagli sperimentatori, con una tasca posteriore, che in seguito riporrà l'amplificatore.
  2. Con il permesso del caregiver, pulire la fronte con salviettine imbevute di alcol. Misurare la circonferenza della testa del bambino posizionando il metro attorno ai quattro punti di riferimento.
  3. Se il bambino è apparentemente di buon umore e gioca felicemente da solo o con un caregiver, procedi con l'applicazione della cuffia EEG. Consultare l'assistente per conoscere l'umore del bambino e la predisposizione al copricapo. Prepara cibo secco o giocattoli per occupare le mani del bambino prima di tappare, se d'accordo con il genitore. Inoltre, posiziona il bambino in grembo al caregiver in modo che si senta confortato durante il processo di gelificazione.
  4. Posiziona il berretto sulla testa del bambino con lo stesso movimento di allungamento simile a una corona e fissa le estremità a strappo sotto il mento. Chiedi al secondo sperimentatore o caregiver di suggerire al bambino di guardare in alto, usando un sonaglio, in modo che sia più facile fissare le estremità a strappo.
    1. Assicurati che eventuali frangia o peli randagi sul viso del bambino siano ben nascosti sotto il cappuccio per evitare disagio o ostruzione della vista.
    2. Lisciare delicatamente il cappuccio per assicurarsi che gli elettrodi siano a stretto contatto con il cuoio capelluto. Assicurarsi che non ci siano pieghe sul tappo.
  5. Utilizzare il metro a nastro per assicurarsi che il cappuccio sia posizionato correttamente, con l'elettrodo Cz nel punto medio o superiore della testa e utilizzare il metodo di scrunch e rilascio per regolare se necessario (vedere il passaggio 4.7).
  6. Fissare saldamente l'amplificatore al cappuccio. Una volta collegato, visualizzare le letture dell'impedenza.
  7. Posiziona l'amplificatore collegato nella tasca sul retro del giubbotto per neonati.
  8. Applicazione di gel EEG ed ECG
    1. Iniziare applicando il gel agli elettrodi di riferimento e di terra. Procedere con la gelificazione degli elettrodi rimanenti partendo dal retro.
      NOTA: I neonati potrebbero essere un po' schizzinosi con gli sperimentatori che toccano la loro testa o per la sensazione di raffreddamento del gel. In questo caso, concedi un po' di tempo al caregiver per calmare il bambino prima di continuare. Il secondo sperimentatore può distrarre il bambino (ad esempio, soffiando bolle, usando giocattoli o dando del cibo).
    2. Riempi tutte le aperture degli elettrodi con gel e poi procedi con le punte di cotone per separare i capelli con un leggero movimento da sinistra a destra se usi elettrodi passivi (come qui); fare riferimento al montaggio sul software di registrazione EEG per verificare l'impedenza durante la gelificazione.
    3. Assicurarsi che tutti gli elettrodi dimostrino una bassa impedenza sul software di registrazione EEG, in genere < 50 kΩ, poiché i neonati sono meno tolleranti al processo di gelificazione rispetto agli adulti.
    4. Pulisci l'area morbida sotto la clavicola sinistra del bambino con salviette per neonati e attacca l'ECG sotto la clavicola sinistra del bambino seguendo la stessa procedura dell'ECG per adulti.

6. Creazione di una casella di attivazione per la sincronizzazione dei dati multimodale

NOTA: Poiché diversi flussi di dati dei sensori (ad es. EEG, ECG, video e audio) inizieranno a registrare in momenti diversi durante la sessione, devono essere sincronizzati manualmente per creare un'unica sequenza temporale degli eventi. Pertanto, è necessario un evento comune che possa essere catturato sia dal camcorder (ad esempio, la luce LED) che dall'amplificatore (ad esempio, il segnale digitale o analogico). Per raggiungere questo obiettivo, viene utilizzata una scatola di trigger di sincronizzazione interna, che può essere costruita utilizzando un semplice programma di unità a microcontrollore, come descritto di seguito.

  1. Per costruire la scatola di trigger, utilizzare una scheda di sviluppo per microcontrollore, un LED, un connettore BNC, un power bank, un dispositivo di input digitale (ad esempio, un pulsante) e un'uscita di impulso/segnale elettrico (ad esempio, cavi di trigger) che si collegano alla porta di trigger dell'amplificatore (vedere la Figura 2B).
    1. Collegare il connettore BNC femmina al pulsante, che funge da ingresso (ad esempio, pin di ingresso: 8), e la luce LED e il segnale elettrico a impulsi fungono da uscita (ad esempio, pin di uscita: 12; vedere la Figura 2A).
    2. Collegare il connettore BNC ai due amplificatori tramite i cavi elettrici da 2,5 mm, producendo trigger a un bit che marcano i campioni nella registrazione EEG-ECG quando legge il segnale TTL digitale dal pulsante (vedere la Figura 2C).
  2. Configurare le impostazioni della porta di trigger degli amplificatori per adulti e neonati in modo identico per garantire una sincronizzazione EEG-EEG stretta e accurata.
    1. Progettare il sistema di trigger in modo tale che i marcatori di trigger vengano prodotti in entrambe le registrazioni dell'amplificatore quando il pulsante di attivazione viene rilasciato (dopo essere stato premuto) anziché quando viene premuto.
    2. Identificare lo stato corrente della porta trigger negli amplificatori. Se inizialmente è impostato su 0 o LOW, impostare la porta su low-active per produrre un marcatore quando si rilascia il pulsante. In alternativa, se lo stato iniziale della porta è 1 o HIGH, impostare la porta su high-active per produrre un marcatore quando il pulsante viene rilasciato (vedere la Figura 3).

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Figura 2: Costruzione della scatola di attivazione. (A) Schema elettrico del microcontrollore per la scatola di attivazione; (B) Interno della scatola di innesco costruita; (C) Scatola di attivazione collegata agli amplificatori EEG-ECG per adulti e neonati, al pulsante di attivazione e al power bank. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Impostazioni della porta di trigger attiva alta e attiva bassa. A seconda dello stato iniziale del pin di attivazione (0 o 1), viene scelta l'impostazione della porta di attivazione (High Active, HA o Low Active, LA) in modo che il marker venga prodotto alla fine dell'impulso (quando si rilascia il pulsante di attivazione). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

7. Sincronizzazione dei flussi dei sensori

  1. Per facilitare la sincronizzazione, collegare il ricevitore del microfono alla rispettiva videocamera, sincronizzando così automaticamente il video (videocamera) con l'audio (microfono).
    NOTA: Poiché i microfoni sono collegati alle videocamere e gli elettrodi EEG ed ECG provengono dal set di elettrodi EEG collegato allo stesso amplificatore, questi flussi di dati vengono presincronizzati automaticamente.
  2. Fissare il rispettivo trasmettitore microfonico al colletto della parte superiore dell'assistente e al giubbotto del bambino.
  3. Avvia le registrazioni della videocamera per tutte e tre le videocamere dopo esserti assicurato che il loro posizionamento possa catturare il segnale luminoso a LED dalla Trigger Box nella stanza.
  4. Avvia la registrazione EEG sul laptop e sull'amplificatore (versione con scheda SD) sia per il neonato che per il caregiver. Per facilitare la sincronizzazione post-sessione, avviare prima le telecamere, seguite dai sensori EEG in ordine adulto-neonato poiché l'EEG infantile è il sensore principale con cui è sincronizzato ogni altro sensore (per evitare offset video-EEG negativi).
  5. Collegare entrambi amplifiers alla configurazione della scatola di trigger utilizzando saldamente il jack da 2.5 mm per evitare marcatori spuri (Figura 2C).
    NOTA: Un marcatore di trigger dovrebbe essere visibile sul flusso continuo EEG poiché il jack è collegato all'amplificatore.
  6. Sincronizzare i flussi di dati utilizzando la Trigger Box.
    1. Eseguire pressioni prolungate del pulsante poiché la differenza nell'aspetto del marcatore tra le due configurazioni (inizio e fine della pressione del pulsante) è evidente solo quando le pressioni sono considerevolmente lunghe (almeno 1 - 2 s).
    2. Eseguire più pressioni prolungate per produrre più trigger per aumentare la precisione e l'affidabilità degli offset stimati tra i sensori e facilitare la sincronizzazione post-hoc in situazioni in cui alcuni trigger non vengono registrati da alcuni sensori.
    3. Controllare tutte le telecamere per verificare se il segnale LED della Trigger Box è visibile nelle registrazioni e verificare se sono presenti marcatori simultanei visualizzati nelle registrazioni EEG in corso sul laptop.
  7. Rimuovere gli amplificatori dalla configurazione della scatola di attivazione e assicurarsi che gli amplificatori siano fissati saldamente ai rispettivi cappucci EEG.
  8. Eseguire questa procedura di sincronizzazione all'inizio e alla fine della sessione sperimentale, in particolare se si utilizzano webcam per monitorare i fotogrammi video persi, causando una deriva della sincronizzazione.

8. Esperimento di interazione genitore-bambino

  1. Prima di iniziare l'attività di interazione genitore-bambino, rimuovere tutte le attrezzature dal tavolo per rimuovere potenziali distrazioni per gli esperimenti di interazione caregiver-bambino.
  2. Condurre le attività sperimentali.
    NOTA: I compiti sono stati scelti per enfatizzare le interazioni naturalistiche tra la diade con istruzioni minime o coinvolgimento da parte dello sperimentatore (ad esempio, leggere con il bambino per 5 minuti come si farebbe tipicamente a casa). La durata dell'attività dipende dal comfort dei partecipanti e dai limiti dell'attrezzatura, ad esempio la durata della batteria dell'amplificatore.
  3. Se possibile, assicurati che tutti gli sperimentatori siano nascosti alla vista del bambino durante l'esperimento per evitare distrazioni. Uno sperimentatore deve rimanere nelle vicinanze con i laptop di registrazione per essere in grado di intervenire nel caso in cui si verifichino problemi di streaming del sensore. Assicurarsi che i computer portatili di registrazione siano in prossimità degli amplificatori (< 10 m) per evitare la perdita di campioni a causa del degrado wireless (Wi-Fi, Bluetooth).

9. Chiarimento alla fine dell'esperimento

  1. Interrompere le registrazioni sulle videocamere e sul software di registrazione EEG sul laptop e sull'amplificatore. Spegnere l'amplificatore e staccarlo dal cappuccio.
  2. Rimozione delle cappette EEG
    1. Rimuovere delicatamente i nastri ECG e gli elettrodi partendo dall'operatore sanitario o chiedere all'operatore sanitario di rimuovere l'ECG del bambino, se necessario. Poiché la pelle del bambino è sensibile, usa salviette per neonati o acqua tiepida per bagnare il nastro per una più facile rimozione.
    2. Inizia rimuovendo le estremità a strappo del cappuccio, quindi stacca il tappo all'indietro e capovolgilo. Utilizzare salviette per neonati per rimuovere i residui di gel dalla testa del bambino e procedere alla rimozione del cappuccio del caregiver.
    3. Avvisare l'operatore sanitario che il gel in eccesso si lava facilmente sotto la doccia.
  3. Preparativi per il trasporto
    1. Posizionare il cappuccio EEG insieme agli elettrodi EEG ed ECG in un sacchetto di plastica. Assicurarsi che il gel sul tappo non entri in contatto con la scatola splitter del tappo. Conservare i fili e la scatola splitter in una scatola strutturata durante il trasporto.
    2. Per evitare danni meccanici durante il trasporto, imballare l'amplificatore in una scatola imbottita per ridurre al minimo le vibrazioni.
  4. Pulizia post-tappo in laboratorio
    1. Inizia a pulire le cuffie EEG il prima possibile.
    2. Metti i cappucci EEG in una vasca per la pulizia e inserisci i fili con panni asciutti lontano dalla fonte d'acqua. Assicurarsi che la scatola dello splitter non venga a contatto con l'acqua.
    3. Versare circa 1 L di acqua nella vasca e aggiungere 10 mL di disinfettanti a base di aldeidi. Lasciare riposare il tappo all'interno della soluzione per 10 minuti. Non tenere il tappo nella soluzione troppo a lungo e non mettere troppo disinfettante, poiché accelererà il deterioramento dei tappi nel tempo.
    4. Dopo 10 minuti, utilizzare uno spazzolino da denti per pulire i residui di gel dagli elettrodi sotto l'acqua corrente. Prestare particolare attenzione durante la pulizia degli elettrodi attivi poiché hanno piccoli circuiti elettronici integrati in ciascun elettrodo.
    5. Sciacquare accuratamente il tappo con acqua per rimuovere la soluzione disinfettante.
    6. Utilizzando un panno asciutto, asciugare il tappo e inserire un panno asciutto all'interno del tappo per assorbire l'umidità residua. Chiudere le estremità a strappo per mantenere il panno asciutto all'interno del cappuccio.
    7. Appendere il tappo ad asciugare e assicurarsi che le estremità bagnate del cappuccio non incontrino i connettori. Per ottenere ciò, posizionare il tappo in una posizione più bassa rispetto alla scatola splitter e ai connettori mentre è appeso.
  5. Salvataggio dei dati
    1. Assicurarsi che i dati provenienti dalle schede SD delle videocamere, degli amplificatori e le registrazioni dal laptop vengano esportati e sottoposti a backup sul sito di archiviazione dei dati.

10. Garanzia della qualità dei dati

  1. Dati video-audio
    1. Verificare che l'audio sia attivo, che non sia stata ostruita alcuna visuale durante le attività e che i marcatori siano stati acquisiti.
  2. Dati EEG-ECG
    1. Assicurarsi che la registrazione su scheda SD sia presente e non danneggiata. Controllare se i marcatori sono stati acquisiti su entrambe le registrazioni EEG.
    2. Verificare la presenza di guasti tecnici, ad esempio la disconnessione dell'amplificatore e le interferenze elettriche o meccaniche nel segnale EEG / ECG.

11. Trattamento dei dati

  1. Sincronizzazione delle registrazioni multisensore
    1. Importa i video del caregiver, del neonato e della videocamera con visualizzazione combinata nel software di editing video.
    2. Scorri il video per contrassegnare i fotogrammi specifici in cui appare per la prima volta ciascuna luce di attivazione a LED. Continua a scorrere il video e aggiungi un altro marcatore in corrispondenza del fotogramma specifico in cui la luce LED scompare completamente per ogni trigger.
    3. Completa questi passaggi per tutti e tre i video. Una volta completato, annota i numeri di fotogramma dei marcatori di tutti i video in un foglio di calcolo.
    4. Apri i file del marcatore EEG dalla scheda SD dell'amplificatore per il neonato e l'adulto. Annota le informazioni sull'esempio di marcatore in un foglio di calcolo.
    5. Poiché il video viene registrato in fotogrammi al secondo (FPS, ad esempio 25 FPS) e l'EEG-ECG viene registrato in campioni al secondo (ad esempio, 500 Hz), convertire i numeri di fotogrammi e campioni in un'unità di misura comune, come i millisecondi (ms), per poter creare un'unica linea temporale.
    6. Per ogni sensore (video e registrazioni fisiologiche), calcolare i tempi tra i trigger, qui denominati intervalli inter-trigger (ITI), sottraendo il timestamp ms per ogni coppia di marcatori consecutivi.
      NOTA: Sebbene gli orari di avvio dei sensori di registrazione siano diversi, gli ITI in ms per lo stesso set di trigger tra i diversi sensori (video ed EEG) dovrebbero comunque corrispondere. Pertanto, per convalidare ciò, calcolare la differenza in ciascun ITI (ITI Lag) tra ogni sensore e l'EEG master.
    7. Controllare la qualità dei ritardi ITI video-EEG. Poiché la frequenza di campionamento/FPS è diversa tra i due sensori, in genere, l'EEG ha una frequenza di campionamento molto più elevata rispetto ai video, consentendo un errore con tolleranza ± 1 fotogramma video (qui, 40 ms) per i ritardi ITI EEG-video calcolati.
    8. Controllare la qualità dell'EEG adulto - EEG infantile ITI Lags. Poiché hanno la stessa frequenza di campionamento, consentire una tolleranza di errore di ± 1 campione EEG (qui, 2 ms).
    9. Una volta completati questi controlli, calcola gli offset tra ciascun sensore e la sequenza temporale del sensore master (in questo caso, EEG infantile).
    10. Sottrarre il timestamp ms di ciascun marcatore di attivazione dell'EEG principale dai rispettivi marcatori di ciascun sensore (video, EEG per adulti). Questo produce N offset [sensore - EEG master] (N = numero di trigger) per ciascun sensore.
    11. Per ogni sensore, calcolare la media di questi offset e arrotondarli per eccesso per produrre il numero di offset finale rispetto all'EEG master. Utilizzare questi numeri di offset per tagliare i dati video ed EEG in modo che inizino contemporaneamente all'EEG master.
  2. Codifica video semplice
    1. Per identificare le diverse fasi dell'esperimento all'interno dei video (ad esempio, l'inizio e la fine delle attività sperimentali o le interruzioni), annotare i timestamp specifici in fotogrammi utilizzando un software di editing video.
  3. Pre-elaborazione EEG
    1. Tagliare i file EEG degli adulti e dei neonati all'inizio e alla fine dell'attività.
    2. Identificare e rimuovere i canali danneggiati
      1. Annotare tutti i canali che sembrano continuamente rumorosi o che non contengono segnale durante l'intera/maggior parte della registrazione dell'attività.
        NOTA: Per le registrazioni a bassa densità, l'obiettivo è quello di mantenere il maggior numero possibile di canali. Pertanto, per i canali che sono dannosi solo per brevi periodi di tempo, è preferibile rimuovere il segmento di dati danneggiato in una fase successiva dell'analisi piuttosto che il canale stesso.
      2. Tracciare e ispezionare visivamente la densità spettrale di potenza (PSD) per identificare i canali periferici.
    3. Per rimuovere le tendenze lineari lente (oltre 2 s), filtrare i dati utilizzando un filtro passa-alto FIR di base con una frequenza di taglio di 0,5 Hz.
    4. Per rimuovere il rumore ad alta frequenza da fonti miogeniche ed esterne, filtrare i dati utilizzando un filtro passa-basso FIR di base con una frequenza di taglio di 35 Hz.
    5. Segmenta i dati in epoche consecutive di 1 s non sovrapposte.
    6. Rifiuta automaticamente tutti i segmenti con il valore minimo inferiore a -100 μV (per gli adulti) e -150 (per i neonati) e/o il valore massimo superiore a +100 μV (per gli adulti) e +150 (per i neonati).
    7. Ispezionare visivamente tutti i segmenti che non sono stati esclusi nella versione 11.3.6. Rifiuta manualmente tutti i segmenti contenenti artefatti. Se è accettabile un solo segmento 1s posizionato tra i segmenti rifiutati, rimuovere l'intero periodo in modo che non vengano mantenuti singoli segmenti 1s.
    8. Per l'analisi INS / diadica, analizzare solo i segmenti accettati che sono in comune per adulti e neonati. Rimuovendo tutti i segmenti dell'adulto che vengono respinti nel neonato e viceversa, assicurarsi che le serie temporali EEG di adulto e neonato rimangano perfettamente allineate.

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Risultati

I partecipanti inclusi in questo studio avevano un'età compresa tra 8 e 12 mesi, con sviluppo tipico e la loro madre e/o nonna che parlava inglese o inglese e una seconda lingua a casa. Gli EEG a 7 elettrodi e un ECG a singola derivazione di adulti e neonati, nonché le registrazioni video e audio da tre telecamere e microfoni, sono stati acquisiti contemporaneamente durante le attività. Le attività neurali sono state misurate su F3, F4, C3, Cz, C4, P3 e P4 secondo il sistema internazionale 10-20. I diversi flussi di dati...

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Discussione

In questo protocollo, conduciamo misurazioni nelle case dei partecipanti dove i neonati e i caregiver possono sentirsi più a loro agio e i loro comportamenti possono essere più rappresentativi delle loro interazioni nella vita reale rispetto a un ambiente di laboratorio, aumentando così la validità ecologica7. Inoltre, le registrazioni nell'ambiente domestico possono alleggerire il carico sui partecipanti, ad esempio per quanto riguarda i tempi di viaggio, e possono quindi rendere più accessibili ...

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Dichiarazioni

Non devono essere dichiarati conflitti di interesse.

Ringraziamenti

Il lavoro è stato finanziato da una borsa di studio post-dottorato presidenziale della Nanyang Technological University che è stata assegnata alla realtà virtuale.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Siringa Luer Lock Tip da 10 cc senza agoTerumo Corporation
actiCAP slim 8-channel electrode set (LiveAMP8)Brain Products GmbH
Arduino Software (IDE)ArduinoArduino IDE 1.8.19Il software utilizzato per scrivere il codice per il microcontrollore Arduino. Un software di programmazione alternativo può essere utilizzato per accompagnare l'unità microcontrollore scelta.
Scheda Arduino UnoArduinoUtilizzato per costruire il circuito della scatola di attivazione. È possibile utilizzare schede a microcontrollore alternative.
ConnettoriConnettori BNC per collegare le varie parti della configurazione della scatola di attivazione.
Pulsante BNC Brain Products GmbHBP-345-9000Pulsante di attivazione BNC per inviare trigger.
Cavo trigger da BNC a jack da 2,5 mm (80 cm) Brain Products GmbHBP-245-1200Cavi BNC che collegano i 2 LiveAmp alla scatola del trigger.
BrainVision Analyzer Versione 2.2.0.7383analisi EEGBrain Products GmbH
Licenza BrainVision Recorder con dongleBrain Products GmbHS-BP-170-3000
BrainVision Recorder Versione 1.23.0003registrazione EEGBrain Products GmbH
Custom 8Ch LiveAmp Cap passivo (cappucci EEG per neonati)Brain Products GmbHLC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48 Per le dimensioni della testa del bambino 44, 46, 48 . Possono essere utilizzate cappette EEG alternative.
Notebook Dell Latitude 3520 DellDue laptop, uno per la registrazione EEG per adulti e uno per la registrazione EEG per neonati. È possibile utilizzare computer alternativi.
Siringhe per irrigazione dentale
Amplificatore wireless LiveAmp 8-CHBrainProducts GmbHBP-200-3020Due LiveAmp, uno per l'EEG adulto e uno per l'EEG infantile. È possibile utilizzare un amplificatore alternativo.
Treppiede Manfrotto MT190X3 con testina video a fluido micro 128RCManfrottoMT190X3è possibile utilizzare treppiedi alternativi.
Software MatlabMathWorks, Inc.R2023aÈ possibile utilizzare un software di analisi e presentazione alternativo.
Power bank (10000 mAh)PhilipsDLP6715NB/69È possibile utilizzare power bank alternativi.
Cappucci EEG grezziEASYCAP GmbHPer teste adulte di dimensioni 52, 54, 56, 58. Possono essere utilizzate cappette EEG alternative.
Rode Wireless Go II Set singoloRø de Microfoni Èpossibile utilizzare microfoni alternativi.
Videocamera Sony FDR-AX700SonyFDR-AX700È possibile utilizzare videocamere o webcam alternative.
Gel ad alta viscosità SuperVisc EASYCAP GmbHNS-7907
BNC Software di . Software di .

Riferimenti

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