Indagare Cognizione sociale nei neonati e adulti Utilizzando Elettroencefalografia Dense Array ( D EEG)

Riepilogo

Elettroencefalografia serie densa viene usato sempre più per lo studio sociale funzioni cognitive nei bambini e negli adulti. Qui vi presentiamo una metodologia stabilito che rappresenta un miglioramento significativo sulle metodologie convenzionali per lo studio EEG nei bambini e negli adulti.

Abstract

Elettroencefalografia serie denso (EEG _d), che fornisce una finestra non invasivo per misurare l'attività cerebrale e una risoluzione temporale insuperabile da qualsiasi altro ^1,2 attuale tecnologia di imaging del cervello, viene utilizzato sempre di più nello studio delle funzioni sociali cognitive nei bambini e negli adulti . Mentre EEG _d sta permettendo ai ricercatori di esaminare schemi di attività cerebrale con livelli senza precedenti di sensibilità, convenzionali sistemi di registrazione EEG continuano a subire alcune limitazioni, tra cui 1) scarsa risoluzione spaziale di localizzazione e la fonte ^3,4, 2) il disagio fisico per i soggetti di prova di sopportare l'applicazione individuale di numerosi elettrodi sulla superficie del cuoio capelluto, e 3) la complessità per i ricercatori di imparare a utilizzare pacchetti software multipli per raccogliere ed elaborare dati. Qui vi presentiamo una panoramica di una metodologia consolidata che rappresenta un significativo miglioramento sulle metodologie convenzionali per lo studio EEG nei bambini e negli adulti. Anche se molte tecniche di analisi del software può essere utilizzato per stabilire gli indici indiretti di localizzazione fonte per migliorare la risoluzione spaziale di EEG _d, il sensore HydroCel Geodesic netto (HCGSN) da Geodetiche elettrici, Inc. (EGI), a un'ampia gamma sensoriale che mantiene distanze uguali tra gli elettrodi di registrazione su tutte le superfici adiacenti del cuoio capelluto, migliora ulteriormente la risoluzione spaziale ^4,5,6 rispetto ai sistemi standard _d EEG. La spugna a base HCGSN può essere applicato rapidamente e senza abrasione del cuoio capelluto, che lo rendono ideale per l'uso con ^7,8 adulti, bambini ^9,10,11 e ¹² bambini, sia nella ricerca clinica e ^{4,5,6,13,14 , 15 coperti.} Questa funzione consente di costi considerevole risparmio di tempo e diminuendo il tempo medio di applicazione netta rispetto ad altri sistemi _d EEG. Inoltre, il HCGSN comprende unificata, le applicazioni software senza soluzione di continuità per tutte le fasi di dati, semplificando notevolmente la raccolta, l'elaborazione e l'analisi dei dati _d EEG.

Il HCGSN dispone di un basso profilo piedistallo elettrodo che, una volta riempito con soluzione elettrolitica, crea un microambiente sigillato e un elettrodo-interfaccia cuoio capelluto. In tutti i sistemi geodetica _d EEG, EEG sensori rilevano variazioni di tensione provenienti dal cuoio capelluto del partecipante, insieme ad una piccola quantità di rumore elettrico proveniente dall'ambiente stanza. I segnali elettrici da tutti i sensori della rete geodetica del sensore vengono ricevuti simultaneamente l'amplificatore, dove sono automaticamente trasformate, imballate, e inviati al computer di acquisizione dati (DAC). Una volta ricevuto dal DAC, l'attività elettrica del cuoio capelluto può essere isolato dal manufatti per l'analisi utilizzando i filtri e gli strumenti di rilevazione artefatto incluso nel software EGI. In genere, la HCGSN può essere utilizzato continuamente per solo fino a due ore perché la soluzione elettrolitica si asciuga nel tempo, diminuendo gradualmente la qualità del cuoio capelluto-elettrodo interfaccia.

Nel genitore-bambino Research Lab presso l'Università di Toronto, stiamo usando _d EEG per studiare i processi cognitivi sociali tra memoria, emozioni, obiettivi, intenzionalità, anticipazione, e delle funzioni esecutive in adulti e bambini partecipanti.

Protocollo

1. Preparazione del Setup Sperimentale

1. Prima dell'arrivo del partecipante al laboratorio, in modo che il Geodesic EEG System (GES), i componenti e il computer di controllo dell'esperimento e software (Stazione Net) funzionino correttamente.
2. Rimuovere tutti gli elementi non necessari e potenzialmente distrarre dalla sala esperimento.
3. Impostare la stanza esperimento secondo il particolare paradigma sperimentale in corso di attuazione. Qui usiamo paradigmi che vanno dal computer basato su compiti somministrato tramite E-Prime software per le presentazioni di vari genitore-bambino-neonato e sperimentatore paradigmi di interazione.
4. Garantire che le telecamere sono addebitate e organizzare le telecamere agli angoli ideali per l'impostazione corrente sperimentale.

2. Scambio di informazioni

1. Al momento dell'arrivo del partecipante al laboratorio, descrivere la rete geodetica protocollo di applicazione del sensore e spiegare l'esperimento.
2. Dopo essersi assicurati che il partecipante ha una buona conoscenza del protocollo sperimentale, assicurarsi che lui o lei (o il suo tutore legale) firma un modulo di consenso prima di procedere con l'esperimento.
3. Per gli studi di EEG, è spesso utile per ottenere dalle informazioni partecipante certo che ci si può aspettare di avere un'influenza sull'attività elettrica cerebrale registrata. Per esempio, informazioni sulla sonnolenza, ultimo pasto, e ultimo sonno potrebbe essere di interesse. Nel laboratorio di Haley, tale informazione è ottenuta con la somministrazione di questionari standardizzati. Per aiutare l'esperimento procedere in modo tempestivo, è consigliabile avere due sperimentatori presenti: uno per amministrare i questionari, e uno per effettuare i preparativi HCGSN dettagliato di seguito.

3. Preparazione per l'applicazione del sensore HydroCel Geodesic netto

1. Preparare la soluzione elettrolitica HydroCel Saline di acqua distillata, cloruro di potassio, e shampoo per bambini, avendo cura di mescolare bene fino a quando tutti i cloruro di potassio si scioglie nella soluzione.
2. Utilizzando un metro, misurare la circonferenza della testa del partecipante, la registrazione la misura in centimetri.
3. Recuperare la dimensione appropriata HCGSN, cioè quella che comprende la gamma di circonferenze testa in cui circonferenza della testa del partecipante cadute.
4. Immergere l'estremità del sensore HCGSN nella soluzione elettrolitica e lasciarlo a bagno per 5 minuti, avendo cura di tenere l'estremità del connettore lontano da tutti i liquidi. Si consiglia di utilizzare un timer o cronometro per garantire tempi precisi.
5. Aprire il software Net stazione sul computer di controllo e iniziare una sessione sperimentale di controllo per consentire misurazioni zero e di guadagno da prendere prima di collegare il connettore HCGSN e raccolta di dati.

4. Applicando la Rete HydroCel sensore Geodesic

Al fine di consentire l'analisi valida e coerente di raccolta dati EEG, la procedura di richiesta netto deve essere altamente standardizzati. Tale standardizzazione si ottiene prendendo le misure della testa del partecipante (come descritto in precedenza) per garantire il posizionamento accurato e coerente di elettrodi da partecipante a partecipante. Se il posizionamento ottimale rete non è inizialmente raggiunto, togliere e riapplicare la rete.

1. In attesa che la rete sensore di finire immersi nella soluzione elettrolitica, guida il partecipante nella stanza dell'esperimento e istruire lui o lei a sedersi su una sedia. La sedia deve essere senza ruote per evitare movimenti indesiderati durante l'applicazione rete di sensori. Nel caso di un partecipante bambino, hanno tutore del bambino seduto sulla sedia con il bambino seduto sulle ginocchia in posizione verticale il suo, tenendo il bambino per la vita in modo che l'intera testa del bambino è accessibile e il bambino rimane.
2. Utilizzando un metro e una matita pennarello porcellana, individuare e marcare il vertice prendendo le seguenti misure:
   1. Un orecchio all'altro sopra la parte superiore della testa
   2. Nasion al inion sopra la parte superiore della testa
   Il vertice può essere identificato come il punto in cui queste due misure croce.
3. Rimuovere la rete del sensore dal secchio elettroliti e posizionarlo su una superficie pulita, asciugamano asciutto. Tamponando delicatamente la rete del sensore con l'asciugamano per rimuovere l'eccesso soluzione elettrolitica.
4. Dare l'estremità del connettore del HCGSN al partecipante o di uno sperimentatore secondo per tenere durante l'applicazione rete.
5. Sollevare il HCGSN, mettendo entrambe le mani all'interno della rete. Tenere la tale rete che i pollici sono spinte con decisione (ma delicatamente) su entrambi i lati della centrale, la maggior parte elettrodo frontale e le dita mignolo sono spinte con decisione contro la banda di connessione più la fila posteriore di elettrodi. Fare attenzione a non sovraccaricare la rete. Il tuo restanti sei dita devono essere sciolto all'interno della rete per consentire la parte centrale a cadere zoppicare.
6. Accovacciarsi o inginocchiarsi in modo che siano all'altezza degli occhilivello con il partecipante.
7. Da dietro in avanti, tirare la rete sensore sopra la testa del partecipante. Spesso è utile avere un presente secondo sperimentatore quando si applica la rete sensore su un bambino partecipante, per distrarre il bambino e ridurre al minimo movimento della testa.
8. Utilizzando la punta delle dita, tirare delicatamente sulla banda della rete e regolare in modo che l'elettrodo vertice siede sul punto di vertice precedentemente segnato con la matita pennarello porcellana. Stringere le orecchie e sottogola. Ispezionare luoghi punto di riferimento anatomico e simmetria su Internet per vedere se la rete è posizionato correttamente, e apportare le modifiche necessarie.

5. Impedenze elettrodi di misura

EEG è misurato come la differenza di potenziale (tensione) tra il sito di riferimento e il sito misurato. Alta impedenza al cuoio capelluto-elettrodo interfaccia provoca una caduta di tensione misurata, l'attenuazione di ampiezza del segnale, e un aumento della presenza di rumore. Mentre il post-acquisizione di filtraggio in alcuni studi (ad esempio, gli studi convenzionali ERP) può liberarsi di questo disturbo, ad alta impedenza compromessi generalmente la fedeltà dei dati acquisiti EEG. E 'quindi importante fare impedenze che sono entro le specifiche tollerabile prima di iniziare a registrare i dati EEG.

1. Inserire l'estremità del connettore del HCGSN nel cavo di interfaccia e girare la leva per bloccarlo in posizione. Accendere la fotocamera.
2. Nella sala di controllo, aprire una nuova sessione in Stazione netto, inserire le informazioni del partecipante, e fare clic su Inizia sessione. Perché il video e _d segnali EEG sono sincronizzati, un feed video dal vivo dalla sala esperimento dovrebbe apparire sullo schermo.
3. Selezionare il menu a discesa Pannelli, Impedenza aperto, e fare clic sul pulsante Misura. Un montaggio della matrice di sensori HCGSN apparirà sullo schermo. Trascinare la finestra al bordo dello schermo in modo che si apre sul monitor in sala esperimento.
4. Usando una pipetta usa e getta, rastrello a parte i capelli del partecipante in modo che ogni elettrodo è seduto direttamente sul cuoio capelluto del partecipante.
5. Fare riferimento alla finestra di misurazione dell'impedenza visualizzando il montaggio HCGSN sul monitor. Sensori che non fanno un buon contatto con il cuoio capelluto apparirà rosso. Prendere nota dei numeri di sensore dell'elettrodo. Utilizzare la pipetta e una piccola quantità della soluzione elettrolitica già preparato per migliorare l'impedenza di questi sensori. Elettrodi sul montaggio diventa verde come l'impedenza è migliorata.
6. Quando impedenze sono soddisfacenti (cioè quando tutti gli elettrodi sul montaggio sono verdi), fate clic sul pulsante Salva e chiudi la finestra di misurazione dell'impedenza nella sala di controllo.
7. In stazione Net, aprire la finestra Dense forma d'onda. Scorrere le forme d'onda e notare tutti i canali che sono la visualizzazione di rumore ad alta ampiezza a causa del contatto del cuoio capelluto poveri.

6. Prendendo registrazioni di base

Prima di iniziare il paradigma sperimentale, prendere alcune registrazioni EEG basale di attività _d riposo del partecipante elettrica cerebrale. Registrazioni di base a riposo sono importanti in continuo studi _d EEG perché vi è un elevato grado di variabilità nell'attività elettrica del cervello da partecipante a partecipante. Di conseguenza, gli studi _d più continuo EEG deve implementare un disegno entro i soggetti sperimentali, analizzando le differenze tra ogni condizione sperimentale ed una pre-sperimentazione di fase basale. Per gli studi di EEG evento-correlati, una fase basale può non essere necessario.

1. Lascia il partecipante solo nella stanza dell'esperimento e istruire lui o lei a sedere in silenzio e ridurre al minimo movimento. Per i partecipanti bambino, il genitore / tutore deve rimanere nella stanza con il bambino seduto tranquillamente in braccio il suo. Nel laboratorio Haley, un film dal titolo Baby Mozart, un audio-visivo combinazione di musica classica e colorati disegni in movimento, si gioca per assicurare che i bambini rimanere calmo e tranquillo. Mentre una fase basale interattivo non può sempre essere l'ideale, può essere utilizzato come pre-basale fase di calmare il bambino prima di prendere registrazioni di base.
2. In stazione Net, fare clic sul pulsante Registra per iniziare la registrazione video e dati di forma d'onda. Sul display della forma d'onda denso, i marcatori evento può essere inserito a collegare eventi comportamentali per l'attività elettrica in tutto l'esperimento. Inserire un marker 'baseline' evento sul display della forma d'onda.
3. Baseline record per un periodo di tempo standardizzato. Nel laboratorio Haley, la fase di linea di base standard dura 2 minuti.

7. Esecuzione del Experiment

In _d studi EEG, è essenziale avere almeno due sperimentatori presente in tutto lo studio. Uno sperimentatore avrà il compito di interagire con il partecipante e l'attuazione del paradigma comportamentale, mentre lo sperimentatore secondo monitorare la visualizzazione delle forme d'onda densa.

1. Implementare la sperimentazione paradigm.
2. Monitorare il display denso forma d'onda per tutta l'esperimento per determinare se i canali sono la visualizzazione di livelli di rumore in aumento. Rumore crescente può essere riflessivi di impedenze in aumento. Livelli accettabili di impedenza può essere recuperato utilizzando soluzione elettrolitica di più. Questo dovrebbe essere fatto a una pausa nel protocollo di sperimentazione.

8. Il fatto che il partecipante

1. Quando l'esperimento è completa, con attenzione allentare e rimuovere il HCGSN dalla testa del partecipante. Lavare, disinfettare e asciugare la rete.
2. Dare al partecipante un asciugamano con cui eliminare ogni eccesso di soluzione elettrolitica.
3. Dare al partecipante le restanti questionari che devono essere completate.

9. Analisi

Lo stesso software EGI utilizzati per acquisire dati Deeg è utilizzato anche per analizzare i dati, permettendo una transizione agevole e facile da raccolta di dati per l'analisi dei dati. Poiché il HCGSN riprende anche il rumore elettrico proveniente dall'ambiente, i dati devono prima essere filtrata e pulita prima di essere analizzati. Tutti gli strumenti necessari sono inclusi nella stazione di rete.

1. In stazione Net, clicca su e aprite il pannello strumenti di forma d'onda. Eseguire il file di dati acquisiti attraverso la filtrazione e gli strumenti di rilevazione artefatto dopo aver impostato i parametri desiderati. Lo strumento di rilevazione artefatto identifica i picchi che derivi dalla lampeggia occhi o movimenti oculari e rileva i canali male. In molti casi, aggiuntive a mano, la modifica e la rimozione artefatto può essere necessario (specialmente quando si lavora con la popolazione infantile, in cui non si possono controllare i movimenti degli occhi e lampeggia).
2. Segmentare i dati in modo da separare le diverse condizioni sperimentali sulla base dei marcatori evento inserito.
3. Applicare ogni analisi desiderata. Nel laboratorio Haley, analisi in frequenza viene utilizzato per analizzare come le frequenze caratteristiche di attività cerebrale varia tra le condizioni sperimentali e tra le differenti regioni del cervello. Una diminuzione di potenza di onda è potenzialmente riflette la maggiore attività dei neuroni in quella regione.

10. Dati rappresentante

Figura 1. Raw forme d'onda EEG che mostra le fluttuazioni di tensione registrati (uV) attraverso il tempo (s), ad un solo elettrodo (elettrodo 30). Le forme d'onda rappresentano i dati raccolti durante il 1000 ms prima di ciascuna delle 3 fasi sperimentali: di base, dimostrazione e ritiro immediato.

Figura 2. I dati grezzi raccolti da tutto il capo (128-elettrodo montaggio) durante le tre fasi di sperimentazione (di base, dimostrazione, richiamo immediato) di un bambino partecipante. I dati sono presentati come una mappa topografica e illustra le differenze in superficie a livello di attività elettrica cerebrale (uV) tra le regioni del cervello e la fase sperimentale del compito fantoccio.

Discussione

La rete geodetica Hydrocel sensore da EGI, costituisce un metodo non invasivo e facile da applicare per ottenere _d dati EEG sia da adulti e bambini partecipanti. Questa tecnologia abbina ad alta risoluzione temporale e spaziale con maggiori opportunità di mobilità, che lo rende ideale per l'uso in complessi paradigmi comportamentali di investigare sulle attività cognitive che possono essere evidenziate solo nel sottili cambiamenti nella attività elettrica. Dato l'interesse crescente a indagare lo sviluppo della cognizione infantile e la relativa scarsità di tecniche di imaging del cervello adatto per l'uso nella popolazione infantile, l'uso del HCGSN è destinato ad aumentare, che ci porta a una comprensione più profonda della cognizione infantile.