I potenziali evento-correlati e il paradigma dell'odd-ball

Data la quantità schiacciante di informazioni sensoriali nel nostro ambiente, il cervello deve essere in grado di dare priorità all'elaborazione di determinati stimoli, in modo da spendere meno sforzi su ciò che potrebbe non essere attualmente importante e occuparsi di ciò che è.

Ogni giorno, una persona è esposta a più immagini e suoni, come le persone che digitano in ufficio o le immagini sullo schermo di un computer.

L'attenzione che qualcuno presta a tali stimoli dipende, in parte, dai loro obiettivi in un dato momento. Ad esempio, possono concentrarsi intenzionalmente sul proprio monitor per rivedere una presentazione. Quando ciò accade, il cervello ignora gli elementi frequenti e non importanti, come la digitazione dei colleghi, e invece si occupa delle diapositive sullo schermo.

Questo è un esempio di un processo chiamato attenzione dall'alto verso il basso, in cui il cervello filtra le informazioni non correlate a un obiettivo.

Al contrario, l'attenzione dal basso verso l'alto si occupa di stimoli unici e inaspettati, che hanno la capacità di catturare l'attenzione di una persona, anche se non sono legati a un obiettivo.

Questi rari rumori o mirini sono chiamati stimoli strani e, a causa della loro novità, sono prioritari dal cervello per l'elaborazione, in quanto possono essere importanti. Un rumore in cucina potrebbe significare che qualcuno è ferito, o che ci possono essere spuntini.

In risposta a eventi sensoriali così importanti – l'incidente in cucina – possono essere attivati più neuroni nella stessa regione del cervello, il che promuove la propagazione di un segnale elettrico.

Questa risposta elettrica può essere misurata sul cuoio capelluto con elettrodi attraverso tecniche di elettroencefalografia, abbreviata in EEG, e la misura risultante è chiamata potenziale correlato agli eventi o ERP.

In questo video, indagheremo gli ERP durante un paradigma strano, in cui ai soggetti vengono mostrati stimoli visivi unici e comuni. Dimostreremo come impostare un esperimento EEG, analizzare i dati ERP ed esplorare come i ricercatori stanno applicando questa tecnica per studiare altri aspetti dell'attenzione.

In questo esperimento, l'attività cerebrale dei partecipanti che visualizzano due tipi di stimoli basati sulla forma - baseline e oddball - viene misurata utilizzando l'EEG, al fine di ottenere informazioni su come il cervello identifica irrilevanti da importanti informazioni sensoriali.

Per prepararsi all'EEG, i ricercatori posizionano gli elettrodi, già inseriti in un cappuccio, sul cuoio capelluto dei partecipanti in specifiche posizioni anatomiche, in modo che l'attività elettrica nel cervello possa essere registrata.

Elettrodi aggiuntivi vengono posizionati intorno agli occhi per misurare l'attività muscolare, che può produrre artefatti di movimento nei dati EEG, e dietro le orecchie in posizioni mastoidi che fungono da riferimenti in cui vengono raccolte informazioni non neurali.

I partecipanti vengono quindi introdotti ai due tipi di stimoli che vedranno. Qui, le immagini di base sono costituite da un singolo cerchio rosso, mentre un'immagine strana è composta da un singolo cerchio verde.

I partecipanti sono istruiti a essere alla ricerca di forme verdi e indirizzati a premere un pulsante ogni volta che ne viene mostrato uno sullo schermo.

Durante l'attività, ogni cerchio viene visualizzato per 1 s sul monitor di un computer. Dopo che il cerchio scompare, lo schermo rimane vuoto per 1 s e viene quindi presentata l'immagine successiva.

Il trucco è che ai partecipanti vengono mostrati cerchi verdi sporadicamente - e molto meno spesso - tra diverse immagini sequenziali di quelle rosse. Dei 160 stimoli, solo 64 sono verdi.

L'idea è che queste immagini target "fuori luogo" cattureranno sia l'attenzione dal basso verso l'alto, poiché sono rare, sia l'attenzione dall'alto verso il basso, poiché l'obiettivo del compito è indicare quando appaiono queste forme.

Di conseguenza, il cervello risponderà a questi stimoli potenzialmente importanti legati agli obiettivi producendo robusti segnali elettrici.

I dati EEG vengono continuamente registrati in tutti i 160 studi. Quindi, la sequenza viene ripetuta e viene mostrata una seconda serie di 160 immagini, il che garantisce che venga raccolta informazioni sufficienti per distinguere la vera attività indotta da oddball dal rumore.

Successivamente, i dati EEG vengono elaborati per generare forme d'onda ERP per ogni sito anatomico su cui viene posizionato un elettrodo.

Sulla base di ricerche precedenti, i dati più critici sono attesi vicino all'elettrodo Pz, situato al centro del cuoio capelluto verso la parte posteriore della testa, sopra la giunzione dei lobi parietali.

In particolare, si prevede che un componente di questi ERP parietali, chiamato P300 – così chiamato perché consiste in un picco positivo nella forma d'onda che si verifica circa 300 ms dopo la presentazione di uno stimolo sensoriale – sia potenziato in risposta ai cerchi dispari verdi.

Per iniziare l'esperimento, saluta il partecipante e assicurati che firmi tutti i moduli di consenso appropriati. Conferma inoltre che non hanno usato prodotti per capelli, come la mousse, che potrebbero interferire con le registrazioni EEG.

Prima di procedere, mescolare prima l'elettrodo-gel conduttivo per rilasciare eventuali bolle d'aria. Quindi, usalo per riempire una siringa da 10 ml, che aiuterà ad applicare questa sostanza alle disposizioni degli elettrodi più avanti nel protocollo.

Una volta preparata la siringa, spazzolare accuratamente i capelli e il cuoio capelluto del partecipante e pulire la parte superiore della testa con una garza di cotone imbevuta di alcool.

Successivamente, sterilizzare la pelle dietro ciascuna delle orecchie del partecipante sopra e sotto l'occhio sinistro e nelle posizioni orizzontali lontane di entrambi gli occhi in modo simile.

Quindi, posizionare una faccia di un disco adesivo a due lati contro un elettrodo. Dall'altro lato, applicare il gel sull'elettrodo esposto, quindi fissarlo all'area pulita sopra l'occhio sinistro. Ripetere questo processo nelle restanti posizioni sterilizzate sul viso.

Per determinare la dimensione del cappuccio EEG da utilizzare, misurare la distanza dalla parte anteriore della testa del partecipante, direttamente tra le sopracciglia, alla proiezione inionica del cranio, situato sotto la protuberanza nella parte posteriore della testa. Sopra il punto medio dell'occhio, segnare il 10% della distanza misurata sulla fronte.

Utilizzando la misurazione occhio-inione, scegli un cappuccio che si adatti agli intervalli di circonferenza standard e posizionalo in modo che l'elettrodo FPz, quello centrale e più anteriore, sia posizionato sopra il segno sulla fronte. Quindi, collegare ciascuno degli elettrodi facciali al rispettivo cavo sul cappuccio.

Dopo aver recuperato la siringa riempita di gel, informa il partecipante che inserirai la punta smussata in ogni elettrodo. Ora, solleva ciascuno e raschia i capelli sottostanti da parte, facendo attenzione a non ferire la pelle.

Quindi, procedere all'inserimento del gel e ripetere questo processo per gli elettrodi del cappuccio rimanenti per assicurarsi che i segnali elettrici raccolti sul cuoio capelluto siano condotti correttamente.

Successivamente, porta il partecipante in una stanza silenziosa con schermatura acustica ed elettrica e collega l'intero cappuccio al sistema di registrazione.

Utilizzando il programma per computer associato, controllare le impedenze delle connessioni elettrodo-cuoio capelluto. Se l'impedenza è superiore a 10 KΩ per qualsiasi elettrodo, che può causare rumore nelle tracce EEG, verificare che abbia gel conduttivo e che tutti i capelli sottostanti siano stati spostati.

Si noti che tutti i valori di impedenza dovrebbero ora essere inferiori a 10 KΩ.

In preparazione per il compito comportamentale, fai sedere il partecipante in modo che sia posizionato a circa 75 cm dal monitor e dai loro una casella di risposta da tenere. Sottolinea che dovrebbero premere il pulsante di temporizzazione solo quando osservano un cerchio verde sullo schermo.

Dopo che il partecipante ha compreso l'attività, avviare il sistema EEG. Consenti loro di completare i 64 studi di stimolo target intervallati dai 96 studi di controllo non target. Dopo le 160 prove, inizia la sequenza per ripetere.

Una volta raccolti tutti i dati, importare i risultati in un programma di analisi per iniziare l'elaborazione offline. In primo luogo, isolare solo i segnali neurali facendo riferimento alle informazioni ai valori mastoidi medi.

Continua dividendo le registrazioni EEG continue in epoche: sezioni che iniziano 200 ms prima e terminano 1000 ms dopo l'inizio di ogni stimolo, in questo caso cerchi verdi o rossi.

Procedere alla linea di base regolare questi intervalli di tempo utilizzando le porzioni che si verificano 200 ms prima dell'inizio dello stimolo.

Quindi, per correggere gli artefatti di movimento, eliminare i periodi durante i quali è stato registrato un cambiamento di segnale superiore a ± 150 μV in uno qualsiasi degli elettrodi, non solo quello che raccoglie i dati da un sito anatomico di interesse.

Successivamente, per ogni elettrodo, media i dati EEG raccolti da tutte le prove di immagini di base per produrre una forma d'onda ERP. Allo stesso modo, media i dati per le prove oddball.

Per analizzare i dati, visualizzare le medie ERP dal sito di registrazione Pz sia per la forma di destinazione verde che per quella rossa. Per i componenti parietali P300, valutare l'ampiezza, l'altezza del componente al di sopra del valore basale di 0 μV, e la sua latenza, per quanto tempo appare in ms dopo che il partecipante ha visualizzato il cerchio.

Quindi, per queste ampiezze e latenze di picco, utilizzare gli F-test per determinare se esiste una differenza tra gli stimoli di base e dispari.

Si noti che per le forme dispari verdi, la traccia ha raggiunto il picco a circa 350 ms dopo l'inizio dello stimolo, mentre nessun picco P300 è stato osservato quando il partecipante ha visualizzato i cerchi bersaglio rosso di controllo.

Collettivamente, questi dati suggeriscono che l'attività nel lobo parietale aumenta quando vengono presentati stimoli strani, riflettendo i processi neurali che identificano gli stimoli salienti rilevanti per il compito.

Ora che sai come i ricercatori usano il paradigma visivo oddball nell'elaborazione delle informazioni sensoriali, diamo un'occhiata a come gli scienziati stanno applicando questa tecnica per analizzare gli ESP in altre aree.

Sebbene ci siamo concentrati sugli ERP prodotti da cervelli sani, alcuni ricercatori stanno usando il paradigma oddball per capire come le commozioni cerebrali – lesioni derivanti da traumi alla testa – influenzano i processi cognitivi.

Ad esempio, esistono prove che gli studenti che hanno subito una commozione cerebrale e che presentano sintomi come vertigini o confusione producono picchi P300 significativamente più bassi quando visualizzano una rara immagine strana, rispetto ai partecipanti di controllo non lesi.

Ciò suggerisce che le commozioni cerebrali possono influenzare negativamente il modo in cui il cervello risponde ed elabora informazioni sensoriali potenzialmente importanti.

Altri ricercatori hanno utilizzato una modifica del paradigma oddball – uno che coinvolge suoni inaspettati, piuttosto che immagini – per comprendere meglio le differenze tra attenzione dall'alto verso il basso e dal basso verso l'alto.

Studiando gli ERP prodotti da toni dispari, gli scienziati hanno determinato che, non solo il picco P300 è anche migliorato da suoni rari, ma che questo componente può consistere in due sottoparti: una porzione iniziale chiamata P_3ae un successivo elemento P_3b.

È interessante notare che questi due picchi sono osservati negli ERP dei partecipanti con l'obiettivo di identificare stimoli sonori rari. Tuttavia, solo P 3a si verifica nelle forme d'onda dei partecipanti a cui è stato detto di ascoltare_passivamente i suoni e non gli è stato dato l'obiettivo di identificare quelli strani.

Pertanto, si pensa che P_3a si occupi dell'attenzione dal basso verso l'alto e di come il cervello risponde a nuovi stimoli, mentre P_3b probabilmente riflette l'attenzione dall'alto verso il basso e il modo in cui il cervello classifica cognitivamente gli obiettivi.

Hai appena visto il video di JoVE sull'uso del paradigma oddball per indagare l'elaborazione degli stimoli sensoriali, in particolare nel lobo parietale. Ormai, dovresti sapere come progettare diversi stimoli, registrare EEG e generare e analizzare ERP. Dovresti anche avere una comprensione di come gli ERP possono fornire informazioni sui processi cognitivi ed essere utilizzati per comprendere meglio determinate lesioni.

Grazie per l'attenzione!