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Potenciais relacionados a eventos e a tarefa Oddball
 
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Potenciais relacionados a eventos e a tarefa Oddball

Overview

Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel - Universidade do Sul da Califórnia

Dada a quantidade esmagadora de informações capturadas pelos órgãos sensoriais, é crucial que o cérebro seja capaz de priorizar o processamento de certos estímulos, gastar menos esforço no que pode não ser atualmente importante e atender ao que é. Uma heurística que o cérebro usa é ignorar estímulos frequentes ou constantes em favor de estímulos inesperados ou únicos. Portanto, eventos raros tendem a ser mais salientes e captam nossa atenção. Além disso, estímulos relevantes para nossos objetivos comportamentais atuais são priorizados sobre aqueles que são irrelevantes.

Os correlatos neurofisiológicos de atenção foram examinados experimentalmente através do uso do paradigma oddball. Originalmente introduzida em 1975, a tarefa oddball apresenta ao participante uma sequência de estímulos sonoros ou visuais repetitivos, raramente interrompida por um estímulo inesperado. 1 Esta interrupção por um estímulo-alvo tem sido demonstrada para provocar eventos elétricos específicos que são registrados no couro cabeludo conhecido como potenciais relacionados a eventos (ERPs). Um ERP é a resposta cerebral medida resultante de um evento sensorial, cognitivo ou motor específico. Os ERPs são medidos por meio da eletroencefalografia (EEG), um meio não invasivo de avaliar a função cerebral em pacientes com doença e indivíduos normalmente em funcionamento. Um componente ERP específico encontrado em toda a região parietal do couro cabeludo, conhecido como P300, é aprimorado em resposta a eventos estranhos. O P300 é uma deflexão positiva no sinal EEG que ocorre entre 250 e 500 ms após o início do estímulo. Em geral, os potenciais iniciais refletem o processamento sensorial-motor, enquanto potenciais posteriores como o P300 refletem o processamento cognitivo.

Neste vídeo, mostramos como administrar a tarefa oddball usando EEG. O vídeo cobrirá a configuração e administração do EEG, e a análise de ERPs relacionados tanto ao controle quanto aos estímulos de destino na tarefa oddball. Nesta tarefa, os participantes são configurados com os eletrodos EEG, em seguida, a atividade cerebral é registrada enquanto eles vêem estímulos de controle, intercalados com estímulos de destino. O procedimento é semelhante ao de Habibi et al. 2 Cada vez que um estímulo-alvo é apresentado, o participante pressiona um botão. Quando os ERPs são mediados através do controle e estímulos de destino, as correlações neurais de cada evento podem ser comparadas em uma janela de tempo selecionada.

Procedure

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1. Recrutamento de participantes

  1. Recrute 20 participantes para o experimento.
  2. Certifique-se de que os participantes foram totalmente informados dos procedimentos de pesquisa e tenham assinado todos os formulários de consentimento adequados.

2. Coleta de dados

  1. Preparação de EEG (Nota: Estas etapas são para uso com o sistema Neuroscan 4.3 com amplificador Synamps 2 e uma tampa rápida de 64 canais.)
    1. Os participantes de um estudo de EEG não devem ter nenhum produto para cabelo (por exemplo,gel, mouse ou condicionador de licença) em seus cabelos antes de sua participação.
    2. Encha 2-4, seringas de 10 ml com eletrodo-gel condutivo (ou seja,gel rápido). Sugere-se mexer o gel antes de usá-lo para liberar bolhas de ar.
    3. Escove bem o cabelo e o couro cabeludo (cerca de 5 min).
    4. Cabeça limpa com álcool e gaze de algodão. Limpe também a pele para colocação de eletrodos: dois mastoides (atrás de cada orelha), abaixo e acima do olho esquerdo VEO (eletro-ocular vertical), e os lados distantes de cada heo ocular (horizontal eletro-ocular; Figura 1, esquerda).
    5. Usando discos adesivos de dois lados, coloque os eletrodos.
    6. Meça a cabeça da frente (diretamente entre as sobrancelhas, meio-olho) até a inigestão (abaixo da colisão da cabeça na parte de trás). Essa distância determinará o tamanho da tampa (pequena, média ou grande). Para colocar a tampa, marque a distância medida de 10% na testa e certifique-se de que o eletrodo frontal médio (FPz) seja colocado neste ponto marcado.
    7. Conecte os eletrodos faciais aos seus respectivos cabos na tampa
    8. Comece a encher os eletrodos com gel, usando a ponta da agulha para raspar o cabelo de lado debaixo do eletrodo, para que o eletrodo esteja em contato direto com o couro cabeludo. Tenha cuidado para não ferir a pele.
      1. Levantar um pouco o eletrodo facilita a inserção do gel. Na maioria dos casos, haverá cabelo debaixo do eletrodo. Movê-lo para fora do caminho permitirá melhor impedância.
    9. Leve o participante para a sala à prova de som e conecte a tampa e eletrodos individuais.
    10. Verifique a impedância da conexão eletrodo-couro cabeludo para mantê-lo abaixo de 10 KΩ. Se a impedância for alta certifique-se de que o eletrodo tem gel condutivo e está em contato com o couro cabeludo.
      1. A impedância é a tendência de impedir o fluxo de uma corrente alternada. A alta impedância pode aumentar o ruído nos dados, e deve ser minimizada antes do início do estudo.
      2. Na maioria dos casos, o cabelo está no caminho do eletrodo. Tirá-lo do caminho deve ficar melhor.
    11. Uma vez que a impedância é aceitável para todos os eletrodos, e os traços de EEG são vazios de ruído, a coleta de dados pode começar.

Figure 1
Figura 1: Colocação de eletrodos. Colocação dos eletrodos faciais para detectar artefatos EOG (esquerda). Diagrama de medição diretamente entre as sobrancelhas até pouco abaixo da colisão na parte de trás da cabeça. 10% desta medida é medida acima da marca média dos olhos, e é aqui que o eletrodo FPZ da tampa é colocado (à direita).

  1. Coleta de dados EEG
    1. Prepare o participante para fazer a tarefa.
      1. Coloque o participante em uma cadeira a 75 cm da tela do computador de 16 polegadas, em uma sala de som e luz atenuada (acústica e eletricamente blindada).
      2. Diga ao participante que verá círculos coloridos aparecerem na tela. Toda vez que um círculo verde é visto, o participante deve pressionar um botão segurado em sua mão direita(Figura 2).
        1. Mostre cada estímulo para 1000 ms, com um intervalo interestimulo de 1000 ms entre apresentações de estímulo.
        2. Mostre os 64 estímulos-alvo, intercalados aleatoriamente entre 96 apresentações dos círculos vermelhos não-alvo. Repita esta sequência duas vezes, para um total de 128 testes de estímulo de alvo e 192 testes de controle sem alvo.
    2. Inicie o sistema e tenha gravação contínua de EEG durante toda a apresentação da tarefa funcional.
    3. O EEG é amplificado por amplificadores com um ganho de 1024 e um passe de banda de 0,01-100 Hz.
    4. Ensaios contaminados por pisca-piscas e rejeição de artefatos (aproximadamente 15% dos ensaios) serão eliminados off-line.

Figure 2
Figura 2: Estude o projeto para a tarefa ímpar. O participante é apresentado com um círculo vermelho ou um círculo verde. Cada estímulo aparece para 1 s, seguido por uma tela em branco de 1 s. Cada vez que o participante vê um círculo verde, ele é instruído a pressionar um botão segurado em sua mão direita.

3. Análise de dados

  1. Offline, dados de referência para mastoides médios.
  2. Segmentar dados contínuos de EEG em épocas, começando 200 ms antes e terminando 1000 ms após o início do estímulo.
  3. As épocas são corrigidas usando a época de 200 ms antes do início do estímulo.
  4. Para corrigir artefatos de movimento, épocas com uma mudança de sinal superior a 150 microvolt em qualquer eletrodo EEG não foram incluídas na média.
  5. Os dados são filtrados digitalmente offline (bandpass 0,05-20 Hz).
  6. Use as médias ERP que são exibidas dos locais de gravação do Pz para estímulos de destino e controle.
    1. O pico (amplitude e latência) do parietal P300 é obtido automaticamente no eletrodo Pz.
  7. Análise estatística
    1. Plot ERP médias dos eletrodos parietal Pz.
    2. Para amplitude máxima e latências, use testes F para cada faixa de latência para determinar se há diferença entre os estímulos de alvo e controle.

Dada a quantidade esmagadora de informações sensoriais em nosso ambiente, o cérebro deve ser capaz de priorizar o processamento de certos estímulos, de modo que gaste menos esforço no que pode não ser atualmente importante, e atender ao que é.

Todos os dias, uma pessoa é exposta a múltiplos pontos turísticos e sons, como pessoas digitando no escritório ou visuais em uma tela de computador.

A atenção que alguém presta a tais estímulos depende, em parte, de seus objetivos a qualquer momento. Por exemplo, eles podem se concentrar propositalmente em seu monitor para revisar uma apresentação. Quando isso acontece, o cérebro ignora itens frequentes e sem importância — como a digitação de colegas de trabalho — e, em vez disso, atende aos slides na tela.

Este é um exemplo de um processo chamado atenção de cima para baixo, no qual o cérebro filtra informações não relacionadas a um objetivo.

Em contraste, a atenção de baixo para cima lida com estímulos únicos e inesperados, que têm a capacidade de capturar a atenção de uma pessoa, mesmo que elas não estejam relacionadas a um objetivo.

Esses ruídos raros ou pontos turísticos são chamados de estímulos estranhos, e - devido à sua novidade - são priorizados pelo cérebro para o processamento, pois podem ser importantes. Um barulho na cozinha pode significar que alguém está ferido, ou que pode haver lanches.

Em resposta a eventos sensoriais tão importantes — o acidente na cozinha — vários neurônios na mesma região do cérebro podem ser ativados, o que promove a propagação de um sinal elétrico.

Essa resposta elétrica pode ser medida no couro cabeludo com eletrodos através de técnicas de eletroencefalografia — abreviadas como EEG — e a medida resultante é chamada de potencial relacionado a eventos, ou ERP.

Neste vídeo, investigaremos os ERPs durante um paradigma estranho, no qual os sujeitos são mostrados estímulos visuais únicos e comuns. Vamos demonstrar como configurar um experimento de EEG, analisar dados de ERP e explorar como os pesquisadores estão aplicando essa técnica para estudar outros aspectos da atenção.

Neste experimento, a atividade cerebral dos participantes que visualizam dois tipos de estímulos baseados em forma - linha de base e oddball - é medida usando EEG, a fim de obter uma visão de como o cérebro identifica irrelevante a partir de informações sensoriais importantes.

Para se preparar para o EEG, os pesquisadores posicionam eletrodos — já inseridos em uma tampa — nos couros cabeludos dos participantes em locais anatômicos específicos, para que a atividade elétrica no cérebro possa ser registrada.

Eletrodos adicionais são colocados ao redor dos olhos para medir a atividade muscular — que pode produzir artefatos de movimento em dados de EEG — e atrás das orelhas em locais mastoides que servem como referências onde informações não neurais são coletadas.

Os participantes são então introduzidos aos dois tipos de estímulos que estarão vendo. Aqui, os visuais da linha de base consistem em um único círculo vermelho, enquanto uma imagem estranha é composta de um círculo verde individual.

Os participantes são instruídos a ficar atentos às formas verdes e orientados a apertar um botão sempre que um for mostrado na tela.

Durante a tarefa, cada círculo aparece para 1 s em um monitor de computador. Depois que o círculo desaparece, a tela permanece em branco por 1 s, e a próxima imagem é então apresentada.

O truque é que os participantes são mostrados círculos verdes esporadicamente — e muito menos frequentemente — entre várias imagens sequenciais de vermelhos. Dos 160 estímulos, apenas 64 são verdes.

A ideia é que essas imagens de destino "fora do lugar" capturem tanto a atenção de baixo para cima — como são raras — e atenção de cima para baixo — como o objetivo da tarefa é indicar quando essas formas aparecem.

Como resultado, o cérebro responderá a esses estímulos relacionados a metas, potencialmente importantes, produzindo sinais elétricos robustos.

Os dados de EEG são continuamente registrados em todos os 160 ensaios. Em seguida, a sequência é repetida e um segundo conjunto de 160 imagens é mostrado, o que garante que informações suficientes são coletadas para distinguir a verdadeira atividade induzida por oddball do ruído.

Posteriormente, os dados do EEG são processados para gerar formas de onda ERP para cada local anatômico sobre o qual um eletrodo é colocado.

Com base em pesquisas anteriores, os dados mais críticos são esperados perto do eletrodo Pz, localizado no centro do couro cabeludo em direção à parte de trás da cabeça, acima da junção dos lóbulos parietal.

Especificamente, um componente desses ERPs parietal, chamado P300 — assim chamado porque consiste em um pico positivo na forma de onda que ocorre aproximadamente 300 ms após um estímulo sensorial ser apresentado — são previstos para serem aprimorados em resposta a círculos de oddball verde.

Para iniciar o experimento, cumprimente o participante e certifique-se de que eles assinem todos os formulários de consentimento adequados. Confirme também que não utilizaram nenhum produto capilar, como mousse, o que poderia interferir nas gravações de EEG.

Antes de prosseguir, primeiro mexa o eletrodo-gel condutor para liberar quaisquer bolhas de ar. Em seguida, use-a para preencher uma seringa de 10 ml, que ajudará na aplicação dessa substância em arranjos de eletrodos mais tarde no protocolo.

Uma vez preparada a seringa, escove bem o cabelo e o couro cabeludo do participante e limpe a parte superior da cabeça com gaze de algodão encharcada em álcool.

Posteriormente, esterilize a pele atrás de cada uma das orelhas do participante acima e abaixo do olho esquerdo e nas posições horizontais distantes de ambos os olhos de forma semelhante.

Em seguida, coloque uma face de um disco adesivo de dois lados contra um eletrodo. Do outro lado, aplique gel no eletrodo exposto e, em seguida, afixe-o na área limpa acima do olho esquerdo. Repita este processo nas posições esterilizadas restantes no rosto.

Para determinar o tamanho da tampa EEG a ser usada, meça a distância da frente da cabeça do participante — diretamente entre as sobrancelhas — até a projeção de íons do crânio, localizada abaixo da colisão na parte de trás da cabeça. Acima do ponto médio, marca 10% da distância medida na testa.

Usando a medição olho-de-inion, escolha uma tampa que se encaixe dentro das faixas de circunferência padrão e coloque-a para que o eletrodo FPz — o mais central, frontal - esteja posicionado sobre a marca na testa. Em seguida, conecte cada um dos eletrodos faciais ao seu respectivo cabo na tampa.

Depois de recuperar a seringa cheia de gel, informe o participante que você estará inserindo a ponta em franqueada em cada eletrodo. Agora, levante cada um, e raspe o cabelo subjacente de lado, tomando cuidado para não ferir a pele.

Em seguida, prossiga para inserir o gel, e repita este processo para os eletrodos restantes da tampa para garantir que os sinais elétricos coletados no couro cabeludo sejam devidamente conduzidos.

Em seguida, leve o participante para uma sala tranquila com blindagem acústica e elétrica, e conecte toda a tampa ao sistema de gravação.

Usando o programa de computador associado, verifique as impedâncias das conexões eletrodo-couro cabeludo. Se a impedância estiver acima de 10 KΩ para qualquer eletrodo — o que pode resultar em ruído nos traços de EEG — verifique se ele tem gel condutor e que todo o cabelo subjacente foi removido.

Observe que todos os valores de impedância devem agora estar abaixo de 10 KΩ.

Na preparação para a tarefa comportamental, faça com que o participante se sente para que seja posicionado a aproximadamente 75 cm do monitor, e dê-lhes uma caixa de resposta para segurar. Enfatize que eles só devem pressionar o botão de cronometragem quando observam um círculo verde na tela.

Após o participante entender a tarefa, inicie o sistema EEG. Permita-lhes completar os 64 testes de estímulo de alvo intercalados com os 96 testes de controle sem alvo. Após os 160 ensaios, inicie a sequência para repetir.

Uma vez que todos os dados tenham sido coletados, importe os resultados em um programa de análise para iniciar o processamento off-line. Primeiro, isole apenas os sinais neurais fazendo referência às informações para valores mastoides medianos.

Continue dividindo as gravações contínuas de EEG em épocas — seções que começam 200 ms antes e terminam 1000 ms após o início de cada estímulo, neste caso, ou círculos verdes ou vermelhos.

Proceda para ajustar a linha de base esses períodos de tempo usando as porções que ocorrem 200 ms antes do início do estímulo.

Em seguida, para corrigir para artefatos de movimento, elimine períodos durante os quais uma mudança de sinal superior a ± 150 μV foi registrada em qualquer um dos eletrodos — não apenas aquele que coleta dados de um local anatômico de interesse.

Posteriormente, para cada eletrodo, médio os dados de EEG coletados de todos os ensaios de imagem da linha de base para produzir uma forma de onda ERP. Da mesma forma, os dados médios para testes oddball.

Para analisar os dados, exiba as médias do ERP do local de gravação do Pz para as formas de controle verde e vermelho. Para os componentes parietal P300, avalie a amplitude — a altura do componente acima do valor da linha de base de 0 μV — e sua latência — quanto tempo ele aparece em ms após o participante ver o círculo.

Em seguida, para essas amplitudes de pico e latências, use testes F para determinar se há diferença entre os estímulos de linha de base e oddball.

Observe que para formas verdes e estranhas, o traço atingiu aproximadamente 350 ms após o início do estímulo, enquanto nenhum pico P300 foi observado quando o participante viu os círculos de alvo vermelho de controle.

Coletivamente, esses dados sugerem que a atividade no lobo parietal aumenta quando são apresentados estímulos estranhos, refletindo os processos neurais que identificam estímulos relevantes e salientes.

Agora que você sabe como os pesquisadores usam o paradigma visual oddball no processamento de informações sensoriais, vamos dar uma olhada em como os cientistas estão aplicando essa técnica para analisar ERPs em outras áreas.

Embora tenhamos focado em ERPs produzidos por cérebros saudáveis, alguns pesquisadores estão usando o paradigma oddball para entender como concussões — lesões resultantes de traumas na cabeça — afetam processos cognitivos.

Por exemplo, existem evidências de que estudantes que sofreram uma concussão — e que apresentam sintomas como tontura ou confusão — produzem picos P300 significativamente mais baixos quando vêem uma imagem rara e estranha, em comparação com participantes de controle ilesos.

Isso sugere que as concussões podem afetar negativamente a forma como o cérebro responde e processa informações sensoriais potencialmente importantes.

Outros pesquisadores usaram uma modificação do paradigma oddball — que envolve sons inesperados, em vez de imagens — para entender melhor as diferenças entre a atenção de cima para baixo e de baixo para cima.

Ao estudar ERPs produzidos por tons estranhos, os cientistas determinaram que, não só o pico P300 também é aprimorado por sons raros, mas que este componente pode consistir de duas subpartas: uma porção inicial chamada P3a, e um elemento P3b posterior.

Curiosamente, esses dois picos são observados nos ERPs dos participantes, dado o objetivo de identificar estímulos sonoros raros. No entanto, apenas P3a ocorre nas formas de onda dos participantes que dizem apenas ouvir passivamente os sons, e não deram o objetivo de identificar os ímpares.

Assim, acredita-se que o P3a lida com a atenção de baixo para cima — e como o cérebro responde a novos estímulos — enquanto p3b provavelmente reflete a atenção de cima para baixo, e como o cérebro classifica cognitivamente os alvos.

Você acabou de assistir ao vídeo de JoVE sobre o uso do paradigma oddball para investigar o processamento de estímulos sensoriais — particularmente no lobo parietal. Até agora, você deve saber como projetar diferentes estímulos, gravar EEGs, bem como gerar e analisar ERPs. Você também deve ter uma compreensão de como os ERPs podem fornecer insights sobre processos cognitivos e ser usados para entender melhor certas lesões.

Obrigado por assistir!

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Results

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Durante a tarefa oddball onde os participantes foram instruídos a responder com um botão pressionar cada vez que viram um círculo verde, houve um aumento parietal P300 em comparação com quando o participante viu o círculo vermelho de controle. Este traço atingiu aproximadamente 350 ms após o início do estímulo, enquanto não houve pico P300 para o rastreamento de controle (Figura3).

Figure 3
Figura 3: Resposta parietal P300 às imagens de linha de base e oddball. Traço de tempo de ERP médio da resposta parietal às imagens de linha de base (vermelho) e imagens estranhas (verde). A resposta é medida em microvolts sobre milissegundos.

Esses resultados mostram que a atividade no lobo parietal aumenta quando um item estranho é apresentado, refletindo os processos neurais que identificam estímulos relevantes e salientes. O cérebro aumenta sua eficiência identificando esses itens e focando recursos no processamento deles. Estímulos que captam a atenção dessa forma são respondidos mais rapidamente, e também lembrados melhor depois.

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Applications and Summary

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A abordagem ERP, devido à sua altíssima resolução temporal, permite a discriminação entre os eventos elétricos que correspondem a processos psicológicos extremamente rápidos. A tarefa estranha demonstra esse poder, ao revelar uma assinatura elétrica do lobo parietal que discrimina entre dois estímulos semelhantes menos de meio segundo após sua apresentação. A tarefa fornece uma janela para o processo do cérebro para identificar características no ambiente que têm importância biológica atual. 3

O paradigma oddball combina aspectos tanto da atenção de baixo para cima quanto de cima para baixo. A atenção de baixo para cima refere-se à capacidade exógena de um estímulo para capturar nossa atenção, independentemente de nossos próprios planos ou objetivos serão. Isso entra em jogo na tarefa oddball em que os alvos são raros e diferentes dos outros estímulos no experimento, o que os faz se destacar. A atenção de cima para baixo refere-se à nossa capacidade de filtrar informações recebidas com base em nossos objetivos de tarefa atuais. A tarefa estranha envolve aspectos da atenção de cima para baixo porque somos instruídos a responder apenas aos estímulos alvo, portanto estamos conscientemente tentando atendê-los. Pesquisas descobriram que o potencial P300 pode ter subcomponentes precoces e tardios, o subcomponente inicial (chamado P3a) refletindo a saliency inferior para cima que é impulsionada pela novidade do estímulo, e o subcomponente posterior (chamado P3b) que reflete a classificação cognitiva de cima para baixo do estímulo como alvo. A tarefa oddball é, portanto, uma sonda robusta e complexa de processos de atenção.

Como um marcador confiável de processos atencionais no cérebro, o P300 provocado pela tarefa oddball pode ser um biomarcador útil de disfunção acionária. Por exemplo, crianças com TDAH mostram um potencial P300 menor e posterior,4 e essas diferenças tendem a diminuir com terapia medicamentosa eficaz. 5

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References

  1. Squires, N.K., Squires, K.C. & Hillyard, S.A. Two varieties of long-latency positive waves evoked by unpredictable auditory stimuli in man. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 38, 387-401 (1975).
  2. Habibi, A., Wirantana, V. & Starr, A. Cortical Activity during Perception of Musical Rhythm; Comparing Musicians and Non-musicians. Psychomusicology 24, 125-135 (2014).
  3. Halgren, E. & Marinkovic, K. Neurophysiological networks integrating human emotions. in The Cognitive Neurosciences (ed. Gazzaniga, M.S.) 1137-1151 (MIT Press, Cambridge, MA, 1995).
  4. Doyle, A.E., et al. Attention-deficit/hyperactivity disorder endophenotypes. Biol Psychiatry 57, 1324-1335 (2005).
  5. Winsberg, B.G., Javitt, D.C. & Silipo, G.S. Electrophysiological indices of information processing in methylphenidate responders. Biol Psychiatry 42, 434-445 (1997).

Transcript

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