Heimbasiertes EEG-Hyperscanning für soziale Interaktionen zwischen Säuglingen und Betreuern

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt, wie synchronisierte Elektroenzephalographie, Elektrokardiographie und Verhaltensaufzeichnungen von Säuglings-Betreuer-Dyaden in einer häuslichen Umgebung aufgenommen wurden.

Zusammenfassung

Frühere Hyperscanning-Studien, die die Gehirnaktivitäten von Betreuern und Kindern gleichzeitig aufzeichnen, wurden hauptsächlich innerhalb der Grenzen des Labors durchgeführt, wodurch die Verallgemeinerbarkeit der Ergebnisse auf reale Umgebungen beschränkt wurde. Hier wird ein umfassendes Protokoll für die Erfassung von synchronisierter Elektroenzephalographie (EEG), Elektrokardiographie (EKG) und Verhaltensaufzeichnungen von Säuglingsbetreuern während verschiedener interaktiver Aufgaben zu Hause vorgeschlagen. Dieses Protokoll zeigt, wie die verschiedenen Datenströme synchronisiert und EEG-Datenspeicherraten und Qualitätsprüfungen gemeldet werden. Darüber hinaus werden kritische Fragen und Lösungsansätze in Bezug auf den Versuchsaufbau, die Aufgaben und die Datenerhebung im häuslichen Umfeld diskutiert. Das Protokoll ist nicht auf Dyaden von Säuglingsbetreuern beschränkt, sondern kann auf verschiedene dyadische Konstellationen angewendet werden. Insgesamt demonstrieren wir die Flexibilität von EEG-Hyperscanning-Setups, die es ermöglichen, Experimente außerhalb des Labors durchzuführen, um die Gehirnaktivitäten der Teilnehmer in ökologisch valideren Umgebungen zu erfassen. Dennoch schränken Bewegung und andere Arten von Artefakten die experimentellen Aufgaben ein, die in der häuslichen Umgebung durchgeführt werden können.

Einleitung

Mit der gleichzeitigen Aufzeichnung von Gehirnaktivitäten von zwei oder mehr interagierenden Probanden, auch Hyperscanning genannt, ist es möglich geworden, die neuronalen Grundlagen sozialer Interaktionen in ihrer komplexen, bidirektionalen und schnelllebigen Dynamik aufzuklären¹. Diese Technik hat den Fokus von der Untersuchung von Individuen in isolierten, streng kontrollierten Umgebungen auf die Untersuchung naturalistischerer Interaktionen verlagert, wie z. B. Eltern-Kind-Interaktionen während des freien Spiels ^2,3, des Rätsellösens 4 und kooperativer Computerspiele ^5,6. Diese Studien zeigen, dass sich Gehirnaktivitäten während sozialer Interaktionen synchronisieren, d.h. zeitliche Ähnlichkeiten aufweisen, ein Phänomen, das als interpersonelle neuronale Synchronie (INS) bezeichnet wird. Die überwiegende Mehrheit der Hyperscanning-Studien beschränkte sich jedoch auf Laborumgebungen. Dies ermöglicht zwar eine bessere experimentelle Kontrolle, kann aber auf Kosten eines gewissen Verlusts an ökologischer Validität gehen. Die im Labor beobachteten Verhaltensweisen sind aufgrund der ungewohnten und künstlichen Umgebung und der Art der auferlegten Aufgaben möglicherweise nicht repräsentativ für die typischen alltäglichen interaktiven Verhaltensweisen der Teilnehmer⁷.

Jüngste Fortschritte bei mobilen Neuroimaging-Geräten, wie z. B. der Elektroenzephalographie (EEG) oder der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), lindern diese Probleme, indem die Teilnehmer nicht mehr physisch mit dem Aufnahmecomputer verbunden bleiben müssen. Auf diese Weise ermöglichen sie es uns, die Gehirnaktivitäten der Teilnehmer zu messen, während sie im Klassenzimmer oder zu Hause frei interagieren ^8,9. Der Vorteil des EEG im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren, wie z.B. fNIRS, besteht darin, dass es eine hervorragende zeitliche Auflösung aufweist und sich daher besonders für die Untersuchung schnelllebiger sozialer Dynamiken eignet¹⁰. Es gibt jedoch den Vorbehalt, dass das EEG-Signal sehr anfällig für Bewegungen und andere physiologische und nicht-physiologische Artefakte ist¹¹.

Trotzdem ist es in den ersten Studien gelungen, EEG-Hyperscanning-Setups in realistischen Umgebungen und Bedingungen zu implementieren. Zum Beispiel maßen Dikker et ^al.12 das EEG-Signal einer Gruppe von Studenten, während sie an verschiedenen Unterrichtsaktivitäten teilnahmen, einschließlich der Teilnahme an Vorlesungen, dem Ansehen von Videos und der Teilnahme an Gruppendiskussionen. In dieser Studie, zusammen mit anderen Studien ^8,9, wurden überwiegend trockene EEG-Elektroden verwendet, um die Durchführung von Messungen in Nicht-Laborumgebungen zu erleichtern. Im Vergleich zu Nasselektroden, bei denen leitfähiges Gel oder Paste aufgetragen werden muss, bieten Trockenelektroden deutliche Vorteile in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit. Es hat sich gezeigt, dass sie in erwachsenen Populationen und unter stationären Bedingungen eine vergleichbare Leistung wie nasse Elektroden aufweisen. Ihre Leistung kann jedoch in bewegungsbezogenen Szenarien aufgrund erhöhter Impedanzpegel^{abnehmen 13}.

Hier stellen wir ein Arbeitsprotokoll vor, um synchronisierte Aufzeichnungen von einem Siebenkanal-Flüssiggel-EEG-System mit geringer Dichte mit einem Einkanal-Elektrokardiographen (EKG) zu erfassen, das an denselben drahtlosen Verstärker (Abtastrate: 500 Hz) von Säuglingsbetreuern in einer häuslichen Umgebung angeschlossen ist. Während aktive Elektroden für Erwachsene verwendet wurden, wurden passive Elektroden stattdessen für Säuglinge verwendet, da letztere typischerweise in Form von Ringelektroden vorliegen, wodurch der Prozess des Gelauftrags erleichtert wird. Zusätzlich wurden EEG-EKG-Aufzeichnungen mit drei Kameras und Mikrofonen synchronisiert, um das Verhalten der Teilnehmer aus verschiedenen Blickwinkeln zu erfassen. In der Studie führten 8-12 Monate alte Säuglinge und ihre Betreuer eine Lese- und Spielaufgabe durch, während ihr EEG, EKG und Verhalten aufgezeichnet wurden. Um die Auswirkungen übermäßiger Bewegung auf die EEG-Signalqualität zu minimieren, wurden die Aufgaben in einer Tischumgebung durchgeführt (z. B. unter Verwendung des Küchentisches und eines Babyhochstuhls), wobei die Teilnehmer während der gesamten Interaktionsaufgabe sitzen bleiben mussten. Den Betreuern wurden drei altersgerechte Bücher und Tischspielzeug zur Verfügung gestellt (ausgestattet mit Saugnäpfen, um ein Herunterfallen zu verhindern). Sie wurden angewiesen, ihrem Kind etwa 5 Minuten lang vorzulesen, gefolgt von einer 10-minütigen Spielstunde mit den Spielsachen.

Dieses Protokoll beschreibt die Methoden zum Sammeln synchronisierter EEG-EKG-, Video- und Audiodaten während der Lese- und Wiedergabeaufgaben. Das Gesamtverfahren ist jedoch nicht spezifisch für dieses Forschungsdesign, sondern eignet sich für verschiedene Populationen (z.B. Eltern-Kind-Dyaden, Freund-Dyaden) und experimentelle Aufgabenstellungen. Es wird die Methode der Synchronisation verschiedener Datenströme vorgestellt. Darüber hinaus wird eine grundlegende EEG-Vorverarbeitungspipeline auf der Grundlage von Dikker et ^al.12 skizziert und über EEG-Datenspeicherungsraten und Qualitätskontrollmetriken berichtet. Da die spezifischen analytischen Entscheidungen von einer Vielzahl von Faktoren abhängen (z. B. Aufgabendesign, Forschungsfragen, EEG-Montage), wird die Hyperscanning-EEG-Analyse nicht weiter detailliert beschrieben, sondern der Leser wird auf bestehende Richtlinien und Werkzeugkästen verwiesen (z. B. ¹⁴ für Leitlinien;^15,16 für Hyperscanning-Analyse-Toolboxen). Schließlich diskutiert das Protokoll Herausforderungen und mögliche Lösungen für EEG-EKG-Hyperscanning zu Hause und in anderen realen Umgebungen.

Protokoll

Das beschriebene Protokoll wurde vom Institutional Review Board (IRB) der Nanyang Technological University, Singapur, genehmigt. Die Einverständniserklärung wurde von allen erwachsenen Teilnehmern und von den Eltern im Namen ihrer Säuglinge eingeholt.

1. Überlegungen zu Ausrüstung und Platz bei Sitzungen zu Hause

1. Bereiten Sie sich auf unterschiedliche Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen je nach Land und Jahreszeit vor. Stellen Sie in Umgebungen mit hohen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten sicher, dass ein ausreichender Luftstrom vorhanden ist, und schalten Sie die Klimaanlage zu Hause nach Möglichkeit ein.
2. Halten Sie Abstand zu WLAN-Sendern, Bluetooth-Geräten (z. B. Mobiltelefonen, Tastatur, Maus usw.) und Mikrowellenherden, da Maschinen in der Nähe, die im selben Frequenzband betrieben werden, Störungen verursachen können. Versuchen Sie außerdem, den Versuchsaufbau von Ladegeräten im Haus fernzuhalten, da dies zu erheblichem Rauschen in den Daten führen könnte. Beachten Sie, dass in der Nähe befindliche Standventilatoren oder Deckenventilatoren bei hohen Geschwindigkeiten dazu führen können, dass die EEG-Kabel schwanken und zu mechanischen Artefakten beitragen.
3. Bereiten Sie einen förderlichen Raum für das Experiment vor, der bei den Teilnehmern zu Hause stattfinden soll. Stellen Sie sicher, dass der Testbereich über ausreichend freien Platz verfügt, um eine Betreuungsperson und ein Kleinkind in einem Hochstuhl, der um einen Tisch herum sitzt, sowie drei Kameras auf Stativen unterzubringen. Entfernen Sie nach Möglichkeit alle Elemente vom Tisch, um mögliche Ablenkungen zu vermeiden.
4. Stellen Sie sicher, dass im Testbereich eine ausreichende Helligkeit vorhanden ist, damit die Camcorder die Gesichtsausdrücke des Teilnehmers erfassen können. Wenn sich die Tische in der Nähe von Fenstern befinden, positionieren Sie die Camcorder nicht mit Blick auf das Fenster, um eine Blendung des Objektivs zu vermeiden.

2. Vorbereitungen vor der Sitzung

1. Informieren Sie die Teilnehmer darüber, dass Erwachsene für die EEG-Messung verpflichtet sind, ihre Haare am Tag vor der Sitzung zu waschen, ohne Haarprodukte aufzutragen. Fragen Sie, ob sie am Tag der EEG-Sitzung auf Make-up verzichten dürfen.
2. Stellen Sie sicher, dass alle Aufnahmegeräte (Mikrofone und Camcorder), Laptops, Verstärker und die von der Triggerbox verwendete Powerbank am Tag vor der Sitzung aufgeladen sind. Vergewissern Sie sich, dass alle Geräte einige Stunden vor der Sitzung vollständig aufgeladen sind. Tragen Sie Ladegeräte oder vorzugsweise tragbare Powerbanks für unerwartete Fälle mit niedrigem Batteriestand im Gerät.
3. Packen Sie alle notwendigen Formulare und Aufnahmegeräte für die Sitzung ein.

3. Versuchsvorbereitung beim Teilnehmer zu Hause

1. EEG-Geliervorbereitung
   1. Ziehe ein Paar Handschuhe an, wenn du mit dem Gel hantierst. Füllen Sie vier Spritzen mit Gel, zwei Spritzen mit der stumpfen Spitze für die passiven Elektroden und zwei Spritzen mit der feineren Spitze für die aktiven Elektroden.
   2. Bereiten Sie zwei quadratische Stücke Kreppband für die EKG-Elektroden von Säuglingen und Erwachsenen vor.
2. Vorbereitung des Kontrollgeräts
   1. Handschuhe ausziehen, wenn Sie mit elektronischen Geräten umgehen.
   2. Schalten Sie alle Laptops ein und schließen Sie die EEG-Dongles an die jeweiligen Laptops an. Stellen Sie sicher, dass die EEG-Aufzeichnungssoftware ausgeführt wird.
   3. Verbinden Sie die Verstärker für Erwachsene und Säuglinge über eine drahtlose Verbindung mit der EEG-Aufzeichnungssoftware auf den jeweiligen Laptops.
   4. Prüfen und stellen Sie sicher, dass beide Verstärker (Erwachsener und Säugling) die gleichen Trigger-Port-Einstellungen haben, d. h. ob der Trigger-Marker an der steigenden (hoch-aktiven) oder fallenden Flanke (niedrig-aktiv) des Eingangsimpulses erzeugt wird.
   5. Montieren Sie die drei Camcorder auf jedem Stativ. Stellen Sie sicher, dass jeder Camcorder die Betreuungsperson, das Kleinkind bzw. sowohl die Betreuungsperson als auch das Kleinkind (kombinierte Ansicht) erfasst (siehe Abbildung 1). Stellen Sie vor Beginn der Sitzung sicher, dass die Winkel des Camcorders die Gesichter der Teilnehmer konsistent erfassen können, da sich die Betreuungsperson während der Interaktionen oft zum Auge des Säuglings bewegt.
3. Stellen Sie den Hochstuhl des Säuglings und den Stuhl der Betreuungsperson so an die Tischkante, dass sie sich in einem Winkel gegenüberstehen, in dem die Camcorder ihre Mimik einfangen können (siehe Abbildung 1). Wenn nicht genügend Platz auf dem Tisch ist, stellen Sie den Hochstuhl des Säuglings und den Stuhl der Betreuungsperson im rechten Winkel nebeneinander.

Abbildung 1: Draufsicht auf die Aufstellung. (1) Camcorder für Säuglinge. (2) Camcorder mit kombinierter Ansicht. (3) Camcorder für das Pflegepersonal. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

4. EEG- und EKG-Sensoranwendung für die Pflegekraft

1. Sicheres Befestigen des Verstärkers an der EEG-Kappe
   1. Verwenden Sie für die Pflegekraft die hintere Tasche der EEG-Kappe, um den Verstärker zu verstauen, um Kabelbewegungen und EEG-Rauschen zu reduzieren. Bevor Sie die Kappe auf den Teilnehmer aufsetzen, stellen Sie sicher, dass der Verstärker sicher aufbewahrt und am Anschluss befestigt wurde.
   2. Stellen Sie sicher, dass der Verstärker beim Hantieren nicht mit Wasser in Berührung kommt (d. h. ziehen Sie die Handschuhe aus, wenn er in Gel getränkt ist).
2. Bitten Sie die Pflegekraft, ihre Brille, Maske oder Ohrringe abzunehmen. Wenn ihre Haare zusammengebunden sind, bitten Sie sie, das Haarband zu entfernen, um ihre Haare offen zu halten.
3. Reinigen Sie die Stirn mit Handschuhen und mit Erlaubnis der Pflegekraft mit Alkoholtupfern (70 % Isopropylalkohol (IPA)).
4. Scheiteln Sie das Haar auf beiden Seiten des Kopfes der Pflegekraft, um sicherzustellen, dass das Ohr vollständig sichtbar ist, und folgen Sie den natürlichen Haartrennlinien.
5. Messen Sie den Kopfumfang der Pflegekraft, indem Sie das Maßband um vier Referenzpunkte am Kopf legen: das Nasenlicht (Augenbrauenhöhe), über dem Kamm des Inions (dem höchsten Punkt am Hinterkopf) und zwischen dem linken und rechten Tragus (den Ohrspitzen).
6. Dehnen Sie die EEG-Kappe mit einer kronenartigen Handbewegung von innen und beginnen Sie, die Kappe von der Stirn der Pflegekraft in Richtung Hinterkopf zu platzieren. Ohne die Kappe loszulassen, schieben Sie die Hände nach unten, um die Träger zu halten, ziehen Sie sie zum Kinn herunter und befestigen Sie die Klettenden. Passen Sie die Gurte an den Komfort des Teilnehmers an.
   1. Stellen Sie sicher, dass alle Pony oder Haarsträhnen im Gesicht des Teilnehmers vom Gesicht entfernt werden, um Beschwerden oder Sichtbehinderungen zu vermeiden.
   2. Glätten Sie die Kappe vorsichtig, um sicherzustellen, dass die Elektroden in engem Kontakt mit der Kopfhaut liegen. Stellen Sie sicher, dass sich keine Falten auf der Kappe befinden.
7. Legen Sie das Maßband über die Elektroden an der Mittellinie und messen Sie den Abstand zwischen dem Nasion und dem Inion. Stellen Sie sicher, dass sich die Cz-Elektrode des internationalen 10-20-Systems in der Mitte der Messung befindet. Verwenden Sie die Scrunch-and-Release-Methode, um die Positionen der Kappe bei Bedarf hin und her zu verschieben.
8. Messen Sie den Abstand zwischen dem linken und dem rechten Tragus, um sicherzustellen, dass die Cz-Elektrode dem Mittelpunkt der Messung entspricht, und passen Sie ihn bei Bedarf an.
9. Anwendung von EEG und EKG-Gel
   1. Beginnen Sie mit dem Auftragen von Gel auf die Referenz- und Masseelektroden. Fahren Sie mit dem Gel der restlichen Elektroden fort. Beginnen Sie mit den Elektroden auf der Rückseite, da es länger dauern kann, bis die Impedanz auf einen akzeptablen Bereich (typischerweise < 25 kΩ) reduziert ist, da Erwachsene in der Regel mehr Haare auf der Rückseite haben.
   2. Verwenden Sie beim Auftragen von Gel auf die Pflegekraft eine Spritze mit einer längeren und feineren Spitze. Führen Sie die Spritzenspitze in die Elektrodenöffnung ein und scheiteln Sie das Haar mit der unteren Krümmung der Spritze. Spritzen Sie kleine Mengen Gel heraus, während die Spritze herausgezogen wird. Wenn zwischen der Kopfhaut und der Elektrode ein großer Spalt besteht, drücken Sie fest auf die Elektrode, um den Kontakt zu gewährleisten.
   3. Verwenden Sie Licht als Impedanzreferenz, wenn der gegebene aktive Elektrodenaufbau dies zulässt. Alternativ können Sie sich an den Impedanzmesswerten in der EEG-Aufzeichnungssoftware orientieren, um zu ermitteln, welche Elektroden eine Kontaktverbesserung erfordern.
      HINWEIS: Elektroden mit niedriger Impedanz und guter Signalqualität (sichergestellt durch Überprüfung auf Artefakte vor Beginn der Sitzung) werden auf der Kappe und/oder auf der EEG-Montage grün eingefärbt. Wenn die Impedanz für eine Elektrode hoch ist, wiederholen Sie den Versuch, das Haar zu trennen und das Gel in der Elektrode gut bis zum Punkt des klaren Kontakts mit der Kopfhaut zu bewegen.
   4. Beachten Sie, dass die Kappe in der Regel nicht perfekt zu jedem Kopf passt und konkave Bereiche des Kopfes einen natürlichen Spalt zwischen Elektrode und Kopfhaut verursachen können. Wenn die Impedanz hoch bleibt, tragen Sie einen kleinen Hügel Gel auf, um eine Gelbrücke zwischen der Elektrode und der Kopfhaut zu gewährleisten. Achten Sie darauf, das Gel danach nicht zur Seite zu bewegen, um eine Überbrückung mit benachbarten Elektroden unter der Kappe zu vermeiden.
   5. Achten Sie darauf, die Vertiefungen nicht mit Gel zu überfüllen, um eine Überbrückung benachbarter Elektroden über der Kappe zu vermeiden.
   6. Sobald alle EEG-Elektroden eine niedrige Impedanz haben, reinigen Sie den weichen Bereich unter dem linken Schlüsselbein des Teilnehmers mit Alkoholtupfern und beginnen Sie, die EKG-Elektrode anzubringen.
      1. Befestigen Sie ein kreisförmiges Klebeband an der Unterseite der EKG-Elektrode und tragen Sie so viel Gel auf, dass die Vertiefung der Elektrode bedeckt ist.
      2. Befestigen Sie die Elektrode an der weichen Stelle unter dem linken Schlüsselbein. Bringen Sie weißes Kreppband auf der Oberseite des Sensors an.

5. Anwendung von EEG- und EKG-Sensoren für den Säugling

1. Bitten Sie die Betreuungsperson, dem Säugling beim Tragen einer Weste zu helfen, die von den Experimentatoren zur Verfügung gestellt wird, mit einer Gesäßtasche, in der später der Verstärker aufbewahrt wird.
2. Reinigen Sie die Stirn mit Erlaubnis der Pflegekraft mit Alkoholtupfern. Messen Sie den Kopfumfang des Säuglings, indem Sie das Maßband um die vier Referenzpunkte legen.
3. Wenn das Kind sichtlich gut gelaunt ist und gerne alleine oder mit einer Bezugsperson spielt, setzen Sie die EEG-Kappe auf. Wenden Sie sich an die Betreuungsperson, um sich über die Stimmung und die Veranlagung des Säuglings für Kopfbedeckungen zu informieren. Bereiten Sie Trockennahrung oder Spielzeug vor, um die Hände des Säuglings vor dem Verschließen zu beschäftigen, wenn dies mit den Eltern vereinbar ist. Legen Sie das Baby außerdem auf den Schoß der Betreuungsperson, damit es sich während des Geliervorgangs wohl fühlt.
4. Setzen Sie die Kappe mit der gleichen kronenartigen Streckbewegung auf den Kopf des Säuglings und befestigen Sie die Klettenden unter dem Kinn. Lassen Sie den zweiten Experimentator oder die Betreuungsperson das Kind mit einer Rassel auffordern, nach oben zu schauen, damit es einfacher ist, die Klettenden zu befestigen.
   1. Stellen Sie sicher, dass Pony oder streunende Haare im Gesicht des Säuglings ordentlich unter der Kappe verstaut sind, um Beschwerden oder Sichtbehinderungen zu vermeiden.
   2. Glätten Sie die Kappe vorsichtig, um sicherzustellen, dass die Elektroden in engem Kontakt mit der Kopfhaut liegen. Stellen Sie sicher, dass sich keine Falten auf der Kappe befinden.
5. Stellen Sie mit dem Maßband sicher, dass die Kappe richtig positioniert ist, mit der Cz-Elektrode in der Mitte oder oben am Kopf und verwenden Sie bei Bedarf die Scrunch-and-Release-Methode, um sie anzupassen (siehe Schritt 4.7).
6. Befestigen Sie den Verstärker sicher an der Kappe. Sobald die Verbindung hergestellt ist, zeigen Sie die Impedanzmesswerte an.
7. Platzieren Sie den angeschlossenen Verstärker in der Tasche auf der Rückseite der Babyweste.
8. Anwendung von EEG und EKG-Gel
   1. Beginnen Sie mit dem Auftragen von Gel auf die Referenz- und Masseelektroden. Fahren Sie mit dem Gelieren der restlichen Elektroden von der Rückseite aus fort.
      HINWEIS: Säuglinge können ein wenig wählerisch sein, wenn die Experimentatoren ihren Kopf berühren oder durch das kühlende Gefühl des Gels. Wenn dies der Fall ist, geben Sie der Betreuungsperson etwas Zeit, um das Kind zu beruhigen, bevor Sie fortfahren. Der zweite Experimentator kann das Kind ablenken (z. B. durch Blasenblasen, Spielzeug oder Futter).
   2. Füllen Sie alle Elektrodenöffnungen mit Gel und verwenden Sie dann die Wattestäbchen, um das Haar in einer sanften Bewegung von links nach rechts zu scheiteln, wenn Sie passive Elektroden verwenden (wie hier); Beziehen Sie sich auf die Montage in der EEG-Aufzeichnungssoftware, um die Impedanz während des Gelierens zu überprüfen.
   3. Stellen Sie sicher, dass alle Elektroden in der EEG-Aufzeichnungssoftware eine niedrige Impedanz aufweisen, in der Regel < 50 kΩ, da Säuglinge im Vergleich zu Erwachsenen weniger tolerant gegenüber dem Gelierungsprozess sind.
   4. Reinigen Sie den weichen Bereich unter dem linken Schlüsselbein des Säuglings mit Babytüchern und befestigen Sie das EKG unter dem linken Schlüsselbein des Säuglings nach dem gleichen Verfahren wie das EKG für Erwachsene.

6. Erstellen einer Triggerbox für die multimodale Datensynchronisation

HINWEIS: Da verschiedene Sensordatenströme (d. h. EEG, EKG, Video und Audio) zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Sitzung mit der Aufzeichnung beginnen, müssen sie manuell synchronisiert werden, um eine einzige Zeitleiste mit Ereignissen zu erstellen. Daher wird ein gemeinsames Ereignis benötigt, das sowohl vom Camcorder (d. h. LED-Licht) als auch vom Verstärker (d. h. digitalem oder analogem Signal) erfasst werden kann. Um dies zu erreichen, wird eine hauseigene Synchronisations-Trigger-Box verwendet, die mit einem einfachen Mikrocontroller-Einheitenprogramm erstellt werden kann, wie unten beschrieben.

1. Um die Trigger-Box zu erstellen, verwenden Sie eine Mikrocontroller-Entwicklungsplatine, eine LED, einen BNC-Anschluss, eine Powerbank, ein digitales Eingabegerät (d. h. einen Druckknopf) und einen elektrischen Impuls-/Signalausgang (d. h. Trigger-Drähte), die mit dem Trigger-Anschluss des Verstärkers verbunden sind (siehe Abbildung 2B).
   1. Verbinden Sie die BNC-Buchse mit dem Taster, der als Eingang dient (z. B. Eingangspin: 8), und das LED-Licht und das elektrische Impulssignal fungieren als Ausgang (z. B. Ausgangspin: 12; siehe Abbildung 2A).
   2. Verbinden Sie den BNC-Stecker über die 2,5-mm-Elektrokabel mit den beiden Verstärkern und erzeugen Sie Ein-Bit-Trigger, die die Proben in der EEG-EKG-Aufzeichnung markieren, wenn das digitale TTL-Signal vom Taster gelesen wird (siehe Abbildung 2C).
2. Konfigurieren Sie die Trigger-Port-Einstellungen des Verstärkers für Erwachsene und Säuglinge auf identische Weise, um eine enge und genaue EEG-Synchronisation zu gewährleisten.
   1. Gestalten Sie das Trigger-System so, dass Trigger-Marker in beiden Verstärkeraufnahmen erzeugt werden, wenn der Trigger-Druckknopf losgelassen wird (nachdem er gedrückt wurde) und nicht, wenn er gedrückt wird.
   2. Ermitteln Sie den aktuellen Zustand des Trigger-Ports in den Verstärkern. Wenn dieser anfänglich auf 0 oder LOW steht, stellen Sie den Port auf low-active, um eine Markierung zu erzeugen, wenn die Taste losgelassen wird. Wenn der Anfangszustand des Ports 1 oder HIGH ist, stellen Sie den Port alternativ auf High-Active ein, um eine Markierung zu erzeugen, wenn die Drucktaste losgelassen wird (siehe Abbildung 3).

Abbildung 2: Aufbau der Triggerbox. (A) Mikrocontroller-Schaltplan für die Triggerbox; (B) Innenräume des gebauten Auslösekastens; (C) Auslösebox, die mit den EEG-EKG-Verstärkern für Erwachsene und Säuglinge, dem Auslöser und der Powerbank verbunden ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Einstellungen für hohe aktive und niedrige aktive Trigger-Ports. Abhängig vom Anfangszustand des Trigger-Pins (0 oder 1) wird die Einstellung des Trigger-Ports (High Active, HA oder Low Active, LA) so gewählt, dass der Marker am Ende des Impulses (wenn der Trigger-Taster losgelassen wird) erzeugt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

7. Synchronisierung von Sensorströmen

1. Um die Synchronisierung zu erleichtern, schließen Sie den Mikrofonempfänger an den entsprechenden Camcorder an, wodurch Video (Camcorder) automatisch mit Audio (Mikrofon) synchronisiert wird.
   HINWEIS: Da die Mikrofone an den Camcordern befestigt sind und die EEG- und EKG-Elektroden aus dem EEG-Elektrodenzweigset stammen, das an denselben Verstärker angeschlossen ist, werden diese Datenströme automatisch vorsynchronisiert.
2. Befestigen Sie den jeweiligen Mikrofonsender am Kragen des Oberteils der Betreuungsperson und an der Weste des Säuglings.
3. Starten Sie die Camcorder-Aufnahmen für alle drei Camcorder, nachdem Sie sichergestellt haben, dass ihre Positionierung das LED-Lichtsignal von der Trigger Box im Raum erfassen kann.
4. Starten Sie die EEG-Aufzeichnung auf dem Laptop und dem Verstärker (SD-Karten-Version) sowohl für den Säugling als auch für die Pflegekraft. Um die Synchronisierung nach der Sitzung zu erleichtern, starten Sie zuerst die Kameras, gefolgt von den EEG-Sensoren in der Reihenfolge Erwachsener-Säugling, da das EEG des Säuglings der Master-Sensor ist, mit dem alle anderen Sensoren synchronisiert werden (um negative Video-EEG-Offsets zu vermeiden).
5. Schließen Sie beide Verstärker mit der 2,5-mm-Buchse fest an das Triggerbox-Setup an, um Störmarkierungen zu vermeiden (Abbildung 2C).
   HINWEIS: Eine Triggermarkierung sollte auf dem EEG-Dauerstrom zu sehen sein, wenn die Buchse an den Verstärker angeschlossen ist.
6. Synchronisieren Sie die Datenströme mit der Trigger Box.
   1. Führen Sie lange Tastendrücke durch, da der Unterschied im Erscheinungsbild der Markierung zwischen den beiden Konfigurationen (Start vs. Ende des Tastendrucks) nur bei sehr langen Drücken (mindestens 1 - 2 s lang) spürbar ist.
   2. Führen Sie mehrere lange Druckvorgänge durch, um mehrere Trigger zu erzeugen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der geschätzten Offsets zwischen den Sensoren zu erhöhen und die Post-hoc-Synchronisierung in Situationen zu unterstützen, in denen einige Trigger von einigen der Sensoren nicht registriert werden.
   3. Überprüfen Sie alle Kameras, um zu überprüfen, ob das LED-Signal der Trigger Box in den Aufzeichnungen sichtbar ist und prüfen Sie, ob in den laufenden EEG-Aufzeichnungen auf dem Laptop gleichzeitige Marker angezeigt werden.
7. Nehmen Sie die Verstärker aus der Triggerbox und stellen Sie sicher, dass die Verstärker sicher an den jeweiligen EEG-Kappen befestigt sind.
8. Führen Sie diesen Synchronisierungsvorgang zu Beginn und am Ende der experimentellen Sitzung durch, insbesondere wenn Webkameras zum Überwachen von ausgelassenen Videoframes verwendet werden, was zu einer Abweichung der Synchronisierung führt.

8. Experiment zur Eltern-Kind-Interaktion

1. Bevor Sie mit der Eltern-Kind-Interaktionsaufgabe beginnen, entfernen Sie alle Geräte vom Tisch, um mögliche Ablenkungen für die Interaktionsexperimente zwischen Betreuer und Kind zu beseitigen.
2. Führen Sie die experimentellen Aufgaben durch.
   HINWEIS: Die Aufgaben wurden so gewählt, dass sie naturalistische Interaktionen zwischen den Dyadengruppen mit minimalen Anweisungen oder Beteiligung des Experimentators betonen (z. B. lesen Sie 5 Minuten lang mit Ihrem Baby, wie Sie es normalerweise zu Hause tun würden). Die Dauer der Aufgabe hängt vom Komfort der Teilnehmer und den Einschränkungen der Ausrüstung ab, z. B. von der Akkulaufzeit des Verstärkers.
3. Wenn möglich, stellen Sie sicher, dass alle Versuchsteilnehmer während des gesamten Experiments vor den Blicken des Säuglings verborgen sind, um Ablenkungen zu vermeiden. Ein Experimentator soll mit den Aufnahme-Laptops in der Nähe bleiben, um eingreifen zu können, falls Probleme mit dem Sensor-Streaming auftreten. Stellen Sie sicher, dass sich die Aufnahme-Laptops in unmittelbarer Nähe der Verstärker (< 10 m) befinden, um Datenverluste durch Verschlechterung der drahtlosen Kommunikation (Wi-Fi, Bluetooth) zu vermeiden.

9. Aufräumen am Ende des Experiments

1. Stoppen Sie die Aufnahmen auf den Camcordern und der EEG-Aufzeichnungssoftware auf dem Laptop und dem Verstärker. Schalten Sie den Verstärker aus und lösen Sie ihn von der Kappe.
2. Entfernen von EEG-Kappen
   1. Entfernen Sie vorsichtig die EKG-Bänder und Elektroden von der Betreuungsperson ausgehend oder bitten Sie die Betreuungsperson, das EKG des Säuglings bei Bedarf zu entfernen. Da die Haut des Säuglings empfindlich ist, verwenden Sie Babytücher oder warmes Wasser, um das Klebeband zu befeuchten, damit es leichter entfernt werden kann.
   2. Beginnen Sie damit, die Klettenden der Kappe zu entfernen, ziehen Sie dann die Kappe nach hinten ab und drehen Sie sie auf links. Verwenden Sie Babytücher, um die Gelrückstände vom Kopf des Säuglings zu entfernen, und entfernen Sie die Kappe der Pflegekraft.
   3. Weisen Sie die Pflegekraft darauf hin, dass sich überschüssiges Gel unter der Dusche leicht auswäscht.
3. Vorbereitungen für den Transport
   1. Legen Sie die EEG-Kappe zusammen mit den EEG- und EKG-Elektroden in eine Plastiktüte. Stellen Sie sicher, dass das Gel auf der Kappe nicht mit der Splitterbox der Kappe in Berührung kommt. Bewahren Sie die Drähte und die Splitterbox während des Transports in einer strukturierten Box auf.
   2. Um mechanische Beschädigungen während des Transports zu vermeiden, packen Sie den Verstärker in eine gepolsterte Box, um Vibrationen zu minimieren.
4. Post-Cap-Reinigung im Labor
   1. Beginnen Sie so schnell wie möglich mit der Reinigung der EEG-Kappen.
   2. Legen Sie die EEG-Kappen in eine Reinigungswanne und legen Sie die Drähte mit trockenen Tüchern von der Wasserquelle fern. Stellen Sie sicher, dass die Verteilerbox nicht mit Wasser in Berührung kommt.
   3. Gießen Sie ca. 1 l Wasser in die Wanne und fügen Sie 10 ml Desinfektionsmittel auf Aldehydbasis hinzu. Lassen Sie die Kappe 10 Minuten in der Lösung sitzen. Bewahren Sie die Kappe nicht zu lange in der Lösung auf und geben Sie nicht zu viel Desinfektionsmittel ein, da dies die Verschlechterung der Verschlüsse mit der Zeit beschleunigt.
   4. Reinigen Sie nach 10 Minuten mit einer Zahnbürste die Gelreste von den Elektroden unter fließendem Wasser. Seien Sie besonders vorsichtig bei der Reinigung aktiver Elektroden, da in jede Elektrode kleine elektronische Schaltkreise eingebaut sind.
   5. Spülen Sie die Kappe gründlich mit Wasser aus, um die Desinfektionslösung zu entfernen.
   6. Tupfen Sie die Kappe mit einem trockenen Tuch trocken und führen Sie ein trockenes Tuch in die Kappe ein, um die restliche Feuchtigkeit aufzunehmen. Schließen Sie die Klettenden, um das trockene Tuch in der Kappe zu halten.
   7. Hängen Sie die Kappe zum Trocknen auf und stellen Sie sicher, dass die nassen Enden der Kappe nicht auf die Anschlüsse treffen. Um dies zu erreichen, platzieren Sie die Kappe beim Aufhängen in einer niedrigeren Position als die Splitterbox und die Anschlüsse.
5. Datenspeicherung
   1. Stellen Sie sicher, dass die Daten von den SD-Karten der Camcorder, Verstärker und Aufzeichnungen vom Laptop exportiert und auf dem Datenspeicherort gesichert werden.

10. Qualitätssicherung der Daten

1. Video-Audio-Daten
   1. Überprüfen Sie, ob der Ton eingeschaltet ist, dass während der Aufgaben keine Sicht behindert wurde und dass die Marker erfasst sind.
2. EEG-EKG-Daten
   1. Stellen Sie sicher, dass die SD-Kartenaufzeichnung vorhanden und nicht beschädigt ist. Überprüfen Sie, ob die Marker auf beiden EEG-Aufzeichnungen erfasst sind.
   2. Prüfung auf technische Störungen, d.h. Abschaltung des Verstärkers und elektrische oder mechanische Störungen im EEG / EKG-Signal.

11. Datenverarbeitung

1. Synchronisation von Multisensor-Aufzeichnungen
   1. Importieren Sie die Camcorder-Videos für Betreuer, Säuglinge und kombinierte Kameras in die Videobearbeitungssoftware.
   2. Gehen Sie das Video durch, um die spezifischen Bilder zu markieren, in denen jedes LED-Auslöselicht zum ersten Mal erscheint. Fahren Sie mit dem Durchgehen des Videos fort und fügen Sie eine weitere Markierung an dem spezifischen Bild hinzu, in dem das LED-Licht für jeden Auslöser vollständig verschwindet.
   3. Führen Sie diese Schritte für alle drei Videos aus. Wenn Sie fertig sind, notieren Sie sich die Frame-Nummern der Marker aus allen Videos in einer Tabelle.
   4. Öffnen Sie die EEG-Markierungsdateien von der SD-Karte des Verstärkers für den Säugling und den Erwachsenen. Notieren Sie sich die Informationen zum Markierungsbeispiel in einer Tabelle.
   5. Da das Video in Bildern pro Sekunde (FPS, z. B. 25 FPS) und das EEG-EKG in Abtastungen pro Sekunde (z. B. 500 Hz) aufgezeichnet wird, konvertieren Sie die Bild- und Abtastzahlen in eine gemeinsame Maßeinheit, z. B. Millisekunden (ms), um eine einzige Zeitleiste erstellen zu können.
   6. Berechnen Sie für jeden Sensor (Videos und physiologische Aufzeichnungen) die Zeiten zwischen den Triggern, die hier als Inter-Trigger-Intervalle (ITI) bezeichnet werden, indem Sie den ms-Zeitstempel für jedes Paar aufeinanderfolgender Marker subtrahieren.
      HINWEIS: Obwohl die Startzeiten der Aufzeichnungssensoren unterschiedlich sind, sollten die ITIs in ms für die gleichen Auslöser auf den verschiedenen Sensoren (Videos und EEGs) dennoch übereinstimmen. Um dies zu validieren, berechnen Sie daher die Differenz in jedem ITI (ITI Lag) zwischen jedem Sensor und dem Master-EEG.
   7. Überprüfen Sie die Qualität der Video-EEG ITI Lags. Da die Abtastrate/FPS zwischen den beiden Sensoren unterschiedlich ist, hat das EEG typischerweise eine viel höhere Abtastrate als die Videos, was einen Fehler mit einer Toleranz ± 1 Videobild (hier 40 ms) für die berechneten EEG-Video-ITI-Verzögerungen ermöglicht.
   8. Überprüfen Sie die Qualität des EEG für Erwachsene - EEG für Säuglinge ITI Lags. Da sie die gleiche Abtastrate haben, ist eine Fehlertoleranz von ± 1 EEG-Abtastung (hier 2 ms) einzuplanen.
   9. Sobald diese Überprüfungen abgeschlossen sind, berechnen Sie die Offsets zwischen den einzelnen Sensoren und der Zeitleiste des Master-Sensors (in diesem Fall das EEG des Säuglings).
   10. Subtrahieren Sie den ms-Zeitstempel jedes Triggermarkers des Master-EEGs von den jeweiligen Markern jedes Sensors (Videos, Erwachsenen-EEG). Dadurch ergeben sich für jeden Sensor N [Sensor - Master EEG] Offsets (N = Anzahl der Trigger).
   11. Berechnen Sie für jeden Sensor den Durchschnitt dieser Offsets und runden Sie sie auf, um die endgültige Offset-Zahl in Bezug auf das Master-EEG zu erhalten. Verwenden Sie diese Offset-Nummern, um die Video- und EEG-Daten so zu schneiden, dass sie gleichzeitig mit dem Master-EEG starten.
2. Einfache Videocodierung
   1. Um die verschiedenen Phasen des Experiments innerhalb der Videos zu identifizieren (z. B. Start und Ende der experimentellen Aufgaben oder Unterbrechungen), notieren Sie sich die spezifischen Zeitstempel in Frames mit Hilfe einer Videobearbeitungssoftware.
3. EEG-Vorverarbeitung
   1. Schneiden Sie die EEG-Dateien der Erwachsenen und Säuglinge am Anfang und Ende der Aufgabe ab.
   2. Identifizieren und entfernen Sie schädliche Kanäle
      1. Notieren Sie sich alle Kanäle, die während der gesamten/größten Zeit der Aufgabenaufzeichnung kontinuierlich verrauscht aussehen oder kein Signal enthalten.
         HINWEIS: Bei Aufnahmen mit geringer Dichte ist es das Ziel, so viele Kanäle wie möglich zu behalten. Daher ist es bei Kanälen, die nur für kurze Zeiträume fehlerhaft sind, vorzuziehen, das beschädigte Datensegment zu einem späteren Zeitpunkt der Analyse zu entfernen, anstatt den Kanal selbst.
      2. Plotten und überprüfen Sie die spektrale Leistungsdichte (PSD), um abliegende Kanäle zu identifizieren.
   3. Um langsame lineare Trends (über 2 s) zu entfernen, filtern Sie die Daten mit einem einfachen FIR-Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 0,5 Hz.
   4. Um hochfrequentes Rauschen von myogenen und externen Quellen zu entfernen, filtern Sie die Daten mit einem Basic FIR-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 35 Hz.
   5. Segmentieren Sie die Daten in aufeinanderfolgende, nicht überlappende 1-s-Epochen.
   6. Lehnen Sie automatisch alle Segmente mit einem Mindestwert von unter -100 μV (für Erwachsene) und -150 (für Säuglinge) und/oder einem Maximalwert über +100 μV (für Erwachsene) und +150 (für Säuglinge) ab.
   7. Visuelle Überprüfung aller Segmente, die in Version 11.3.6 nicht ausgeschlossen wurden. Lehnen Sie alle Segmente, die Artefakte enthalten, manuell ab. Wenn nur ein einzelnes 1s-Segment zwischen abgelehnten Segmenten zulässig ist, entfernen Sie die gesamte Periode, sodass keine einzelnen 1s-Segmente beibehalten werden.
   8. Analysieren Sie für die INS-/dyadische Analyse nur akzeptierte Segmente, die für Erwachsene und Säuglinge üblich sind. Indem Sie alle Segmente des Erwachsenen entfernen, die beim Säugling abgestoßen werden und umgekehrt, stellen Sie sicher, dass die EEG-Zeitreihen von Erwachsenem und Säugling perfekt ausgerichtet bleiben.

Ergebnisse

Die Teilnehmer dieser Studie waren 8 bis 12 Monate alte, typischerweise sich entwickelnde Säuglinge und ihre Mutter und/oder Großmutter, die zu Hause Englisch oder Englisch und eine zweite Sprache sprachen. Die 7-Elektroden-EEGs und ein Einkanal-EKG von Erwachsenen und Säuglingen sowie Video- und Audioaufnahmen von drei Kameras und Mikrofonen wurden während der Aufgaben gleichzeitig aufgenommen. Die neuronalen Aktivitäten wurden über F3, F4, C3, Cz, C4, P3 und P4 nach dem internationalen 10-20-System gemessen. Die ...

Diskussion

In diesem Protokoll führen wir Messungen bei den Teilnehmern zu Hause durch, wo sich Säuglinge und Betreuer wohler fühlen und ihr Verhalten repräsentativer für ihre realen Interaktionen im Gegensatz zu einer Laborumgebung ist, wodurch die ökologische Validität erhöht^{wird 7}. Des Weiteren können Aufzeichnungen im häuslichen Umfeld die Teilnehmenden z.B. in Bezug auf Reisezeiten entlasten und so bestimmte Teilnehmergruppen zugänglicher machen. Neben diesen Vorteilen stellen naturalistische...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
10 cc Luer Lock Tip syringe without Needle	Terumo Corporation
actiCAP slim 8-channel electrode set (LiveAMP8)	Brain Products GmbH
Arduino Software (IDE)	Arduino	Arduino IDE 1.8.19	The software used to write the code for the Arduino microcontroller. Alternate programming software may be used to accompany the chosen microcontroller unit.
Arduino Uno board	Arduino		Used for building the circuit of the trigger box. Alternate microcontroller boards may be used.
BNC connectors			BNC connectors to connect the various parts of the trigger box setup.
BNC Push button	Brain Products GmbH	BP-345-9000	BNC trigger push button to send triggers.
BNC to 2.5 mm jack trigger cable (80 cm)	Brain Products GmbH	BP-245-1200	BNC cables connecting the 2 LiveAmps to the trigger box.
BrainVision Analyzer Version 2.2.0.7383	Brain Products GmbH		EEG analysis software.
BrainVision Recorder License with dongle	Brain Products GmbH	S-BP-170-3000
BrainVision Recorder Version 1.23.0003	Brain Products GmbH		EEG recording software.
Custom 8Ch LiveAmp Cap passive (infant EEG caps)	Brain Products GmbH	LC-X6-SAHS-44, LC-X6-SAHS-46, LC-X6-SAHS-48	For infant head sizes 44, 46, 48 . Alternate EEG caps may be used.
Dell Latitude 3520 Laptops	Dell		Two laptops, one for adult EEG recording and one for infant EEG recording. Alternate computers may be used.
Dental Irrigation Syringes
LiveAmp 8-CH wireless amplifier	BrainProducts GmbH	BP-200-3020	Two LiveAmps, one for adult EEG and one for infant EEG. Alternate amplifier may be used.
Manfrotto MT190X3 Tripod with 128RC Micro Fluid Video Head	Manfrotto	MT190X3	Alternate tripods may be used.
Matlab Software	The MathWorks, Inc.	R2023a	Alternate analysis and presentation software may be used.
Power bank (10000 mAh)	Philips	DLP6715NB/69	Alternate power banks may be used.
Raw EEG caps	EASYCAP GmbH		For Adult head sizes 52, 54, 56, 58. Alternate EEG caps may be used.
Rode Wireless Go II Single Set	Røde Microphones		Alternate microphones may be used.
Sony FDR-AX700 Camcorder	Sony	FDR-AX700	Alternate camcorders or webcams may be used.
SuperVisc High-Viscosity Gel	EASYCAP GmbH	NS-7907