Исследование социального познания у младенцев и взрослых Использование Плотные Электроэнцефалография Array ( Г ЭЭГ)

Резюме

Плотные электроэнцефалография массиве все более широко используется для изучения социальных когнитивных функций у детей и взрослых. Здесь мы представляем создана методология, которая представляет собой значительное улучшение на обычных методик для изучения ЭЭГ у детей и взрослых.

Аннотация

Dense array electroencephalography (_dEEG), which provides a non-invasive window for measuring brain activity and a temporal resolution unsurpassed by any other current brain imaging technology^1,2, is being used increasingly in the study of social cognitive functioning in infants and adults. While _dEEG is enabling researchers to examine brain activity patterns with unprecedented levels of sensitivity, conventional EEG recording systems continue to face certain limitations, including 1) poor spatial resolution and source localization^3,4,2) the physical discomfort for test subjects of enduring the individual application of numerous electrodes to the surface of the scalp, and 3) the complexity for researchers of learning to use multiple software packages to collect and process data. Here we present an overview of an established methodology that represents a significant improvement on conventional methodologies for studying EEG in infants and adults. Although several analytical software techniques can be used to establish indirect indices of source localization to improve the spatial resolution of _dEEG, the HydroCel Geodesic Sensor Net (HCGSN) by Electrical Geodesics, Inc. (EGI), a dense sensory array that maintains equal distances among adjacent recording electrodes on all surfaces of the scalp, further enhances spatial resolution^4,5,6 compared to standard _dEEG systems. The sponge-based HCGSN can be applied rapidly and without scalp abrasion, making it ideal for use with adults^7,8, children^9,10,11, and infants¹², in both research and clinical^{4,5,6,13,14,15} settings. This feature allows for considerable cost and time savings by decreasing the average net application time compared to other _dEEG systems. Moreover, the HCGSN includes unified, seamless software applications for all phases of data, greatly simplifying the collection, processing, and analysis of _dEEG data.

The HCGSN features a low-profile electrode pedestal, which, when filled with electrolyte solution, creates a sealed microenvironment and an electrode-scalp interface. In all Geodesic _dEEG systems, EEG sensors detect changes in voltage originating from the participant's scalp, along with a small amount of electrical noise originating from the room environment. Electrical signals from all sensors of the Geodesic sensor net are received simultaneously by the amplifier, where they are automatically processed, packaged, and sent to the data-acquisition computer (DAC). Once received by the DAC, scalp electrical activity can be isolated from artifacts for analysis using the filtering and artifact detection tools included in the EGI software. Typically, the HCGSN can be used continuously for only up to two hours because the electrolyte solution dries out over time, gradually decreasing the quality of the scalp-electrode interface.

In the Parent-Infant Research Lab at the University of Toronto, we are using _dEEG to study social cognitive processes including memory, emotion, goals, intentionality, anticipation, and executive functioning in both adult and infant participants.

протокол

1. Подготовка экспериментальной установки

1. До прибытия участника в лаборатории, убедитесь, что ЭЭГ Геодезические системы (ГЭС) компонентов и компьютерный эксперимент управления и программное обеспечение (Net Station) работают правильно.
2. Удалите все ненужные и потенциально отвлекающих элементов из эксперимента комнате.
3. Настройка эксперимента номер в соответствии с конкретной экспериментальной парадигмы реализуются. Здесь мы используем парадигмы, начиная от компьютерных задач, вводить с помощью E-премьер презентация программного обеспечения для различных родитель-ребенок и экспериментатор-ребенок парадигмы взаимодействия.
4. Убедитесь, что видеокамеры взимается и организовать камер под углами идеально подходит для текущей экспериментальной установки.

2. Обмен информацией

1. По прибытии участника в лаборатории, описать Геодезические датчика Чистая приложению протокол и объяснить эксперимент.
2. Убедившись, что участник имеет хорошее понимание того, экспериментальный протокол, убедитесь, что он или она (или его или ее законного опекуна) подписывает форму согласия, прежде чем приступить эксперимента.
3. Для ЭЭГ исследования, часто бывает полезно получить от участника определенную информацию, которую можно ожидать, чтобы иметь влияние на записали электрической активности мозга. Например, информация о сонливость, последнее блюдо, а в прошлом сна может представлять интерес. В Хейли лаборатории, такую ​​информацию получают путем введения стандартизированных анкет. Чтобы продолжить эксперимент своевременно, желательно иметь два экспериментаторов настоящее время: один для управления анкет, и один для проведения HCGSN подготовки подробно описаны ниже.

3. Подготовка к HydroCel Геодезические датчика Чистая приложений

1. Подготовка HydroCel солевой раствор электролита дистиллированной воды, хлористый калий, а также детский шампунь, убедившись, что тщательно перемешать, пока все хлористого калия растворяют в растворе.
2. Использование рулетку, измерьте окружность головы участника, запись измерений в сантиметрах.
3. Получить соответствующего размера HCGSN, то есть тот, который охватывает диапазон окружности головы, в которой окружность головы участника падает.
4. Погрузите датчик конца HCGSN в раствор электролита и дайте ему впитаться в течение 5 минут, будучи уверенным, держать разъем конце подальше от всех жидкостей. Желательно использовать таймер или секундомер, чтобы гарантировать точное времени.
5. Открытое программное обеспечение Чистая станции на управляющий компьютер и начать экспериментальный сеанс управления позволяют нуля и усиления измерений должны быть приняты до подключения HCGSN разъем и сбора данных.

4. Применение HydroCel Геодезические Чистая датчика

Для того, чтобы обеспечить справедливый и последовательный анализ собранных данных ЭЭГ, чистая процедура приложение должно быть очень стандартизированы. Такая стандартизация достигается путем проведения измерений головы участника (как описано выше), чтобы обеспечить точное и последовательное размещение электродов от участника к участнику. Если оптимальная чистая позиционирования изначально не достигнута, удалить чистой и повторно.

1. В ожидании датчик сети, чтобы закончить замачивание в растворе электролита, руководство участника эксперимента в комнату и поручить ему или ей сесть на стул. Кресло должно быть без колес, чтобы избежать нежелательных движений при применении чистых датчика. В случае младенец участник, у опекуна ребенка сидеть на стуле с младенцем сидя на коленях или ее, держа ребенка за талию, так что всю голову младенца доступен и ребенок остается на месте.
2. Использование рулетка и карандаш фарфора маркер, найдите и отметьте вершину путем принятия следующих измерений:
   1. Уха до уха через макушку головы
   2. Насьон в ИНИОН поверх головы
   Вершина может быть определена как точка, в которой эти два измерения крест.
3. Снять датчик сеть из электролита ведро и поместите его на чистые, сухие полотенца. Аккуратно промокните датчик сеть с полотенцем, чтобы удалить излишки раствора электролита.
4. Дайте конец разъема HCGSN участнику или второй экспериментатор провести на чистую приложения.
5. Возьмите HCGSN, положив обе руки в интерьере сети. Держите чистый, что большие пальцы помещаются твердо (но осторожно) по обе стороны от центральной, наиболее фронтальной электрода и ваш мизинец пальцы толкнул твердо против группы подключения самых задних ряда электродов. Будьте осторожны, чтобы не затягивать сеткой. Ваши остальные шесть пальцев должна быть свободной в сеть, чтобы позволить центральную часть падать хромал.
6. Крауч или встать на колени так, что вы в глаза,уровне с участника.
7. С задом наперед, тянуть датчик сетку над головой участника. Часто бывает полезно иметь второй настоящего экспериментатора при применении датчиков сети на младенческая участника, чтобы отвлечь ребенка и свести к минимуму движения головы.
8. Использование кончиках ваших пальцев, потяните мягко на полосу сети и настроить его так, что вершина электрод расположен на вершине точку ранее отмеченные карандашом маркер фарфора. Затяните ухом и подбородком ремни. Осмотрите анатомических местах ориентир и чистой симметрии, есть ли сеть в правильном положении, и внести необходимые коррективы.

5. Измерительный электрод сопротивлений

ЭЭГ определяется как разность потенциалов (напряжение) между ссылками сайтов и измеряется сайта. Высокий импеданс на кожу головы-электрод вызывает снижение измеряемого напряжения, ослабление амплитуды сигнала, а также увеличение в присутствии шума. Хотя после приобретения фильтрации в некоторых исследований (например, обычные исследования ERP) можно избавиться от этого шума, высокое сопротивление обычно компромиссы верности приобретенного ЭЭГ данных. Поэтому важно, чтобы убедиться, что сопротивления находятся в пределах допустимого спецификациями перед началом записи ЭЭГ данных.

1. Подключите конец HCGSN в интерфейсный кабель и включите рычаг, чтобы зафиксировать ее на месте. Включите камеру.
2. В контрольной комнате, открыть новую сессию в Сети станции, введите информацию участника, и нажмите кнопку Начать сессию. Потому что видео-и _г ЭЭГ сигналы синхронизированы, Потоковое видео из эксперимента комната должна появиться на экране.
3. Выбор панелей выпадающего меню, открытое сопротивление, а затем нажмите кнопку мера. Монтаж датчиков системы HCGSN появится на экране. Перетащите окно к краю экрана так, что она открывает на мониторе в эксперименте комнате.
4. Использование одноразовой пипетки, грабли в сторону волосы участника, так что каждый электрод сидит прямо на головы участников.
5. Обратитесь к окну Измерение сопротивления отображения HCGSN монтажа на мониторе. Датчики, которые не делают хороший контакт с кожей головы появится красный. Запишите номера электрода датчика. Используйте пипетку и небольшое количество уже подготовленных раствор электролита для улучшения сопротивление этих датчиков. Электроды на монтаж станет зеленым, как их сопротивление повышается.
6. Когда импедансы являются удовлетворительными (то есть, когда все электроды на монтаж зеленые), нажмите кнопку Сохранить и кнопку Закрыть на сопротивление окна Измерение в диспетчерской.
7. В Чистый станции, открытые Плотные отображения сигнала. Прокрутите сигналов и отметить любые каналы, которые проявляют высокую амплитуда шума из-за плохого контакта кожи головы.

6. Принимая Базовый Recordings

Перед началом экспериментальной парадигмы, возьмите некоторые базовые _г ЭЭГ покоя электрической активности мозга участников. Отдых записи базовой играют важную роль в непрерывном _г ЭЭГ исследования, потому что есть высокая степень изменчивости в электрической активности мозга от участника к участнику. Как результат, большинство непрерывной _г ЭЭГ исследования должны реализовывать в пределах субъектов эксперимента, анализ различий между экспериментальной состоянии и предварительно эксперимент базовой фазы. Для связанных с событием ЭЭГ исследования, базовый этап может и не понадобиться.

1. Оставьте участника только в эксперименте комнату и поручить ему или ей сидеть тихо и свести к минимуму движение. Для участников ребенок, родители / опекуны должны оставаться в комнате с младенцем сидит спокойно в его или ее на колени. В Хейли лаборатории, фильм под названием Детские Моцарта, аудио-визуальных сочетание классической музыки и красочных движущихся конструкций, играют, чтобы дети сохранять спокойствие и по-прежнему. Хотя базовые интерактивные фазе не всегда может быть идеальным, он может быть использован в качестве предварительного базовый этап, чтобы успокоить ребенка, прежде чем принимать базовых записей.
2. В Чистый станции, нажмите кнопку записи, чтобы начать запись видео и данные сигнала. На плотных Показать сигнала, событие маркеры могут быть вставлены связать поведенческие события электрической активности в течение всего эксперимента. Вставить "базовой" событие маркер на отображение сигнала.
3. Запись основы для стандартизированного период времени. В Хейли лаборатории, стандартный базовый этап длится 2 минуты.

7. Запуск эксперимента

В _г ЭЭГ исследования, необходимо иметь не менее двух экспериментаторов настоящее время на протяжении всего исследования. Один экспериментатор будет отвечать за взаимодействие с участником и реализации поведенческой парадигмы, в то время как второй экспериментатор будет следить за плотной отображения сигнала.

1. Реализация экспериментального пунктпарадигмы.
2. Монитор Плотные отображения сигнала в течение всего эксперимента, чтобы определить, какие каналы отображения увеличения уровня шума. Увеличение шума могут не отражать увеличение сопротивления. Приемлемые уровни сопротивления может быть восстановлена ​​с помощью более растворе электролита. Это должно быть сделано на перерыв в протоколе исследования.

8. Анализ участников

1. Если эксперимент завершится, осторожно ослабить и удалить HCGSN с головы участника. Промыть, дезинфекции и сухой чистой.
2. Дайте участник полотенцем, которым, чтобы вытереть излишки раствора электролита.
3. Дайте участника все оставшиеся вопросники, которые должны быть завершены.

9. Анализ

То же программное обеспечение EGI использованы для приобретения Диг данные также используются для анализа данных, что позволяет плавный и легкий переход от сбора данных до анализа данных. Потому что HCGSN также поднимает электрических шумов, происходящих из окружающей среды, данные должны быть сначала фильтруется и очищается прежде чем он может быть проанализирован. Все необходимые инструменты включены в Чистый станции.

1. В Чистый станции, нажмите кнопку и откройте панель инструментов сигнала. Выполнить полученных данных файла через фильтрацию и инструменты обнаружения артефактов после установки желаемых параметров. Инструмент обнаружения артефактов идентифицирует шипы в результате глаз мигает или движения глаз и обнаруживает плохие каналы. Во многих случаях дополнительные ручного редактирования и удаления артефактов может быть необходимо (особенно при работе с младенцем населения, в которых вы не можете контролировать глаз мигает и движений).
2. Сегмент данных таким образом, чтобы отдельные различных экспериментальных условиях на основе вставляется маркера событий.
3. Примените любой желаемой анализа. В Хейли лаборатории, частотный анализ используется для анализа того, как характерные частоты активности головного мозга варьирует от условий эксперимента, а также между различными частями мозга. Уменьшение энергии волн является потенциально отражает повышение активности нейронов в этом регионе.

10. Представитель данных

Рисунок 1. Сырые ЭЭГ сигналов показывает колебания записаны напряжения (мВ) во времени (ы), на один электрод (электрод 30). Сигналы представляют собой данные, собранные в течение первых 1000 мс каждого из 3 экспериментальных этапов: базовой, демонстрации и немедленного отзыва.

Рисунок 2. Сырые данные, собранные со всей кожи головы (128-электрод монтаж) в течение трех экспериментальных фаз (базовый, демонстрации, немедленного отзыва) из участвующих младенца. Данные представлены в виде топографической карты и иллюстрирует различия в поверхности уровня электрической активности мозга (мкВ) по всей области мозга и экспериментальной фазе кукольный задачи.

Обсуждение

Hydrocel Геодезические Чистая датчика от EGI является неинвазивным и простым в применить метод получения _г ЭЭГ данные из взрослой и детской участников. Эта технология сочетает в себе высокое временное и пространственное разрешение с более широкие возможности для мобильности, делая его идеальным для использования в сложных поведенческих парадигм для исследования познавательной деятельности, которые могут быть отражены только в тонкие изменения в электрической активности. Учитывая возрастающий интерес к исследованию развития познания младенческой и относительного дефицита методов визуализации мозга подходит для использования в детской населения, использование HCGSN, вероятно, увеличится, что приведет нас к более глубокому пониманию детского познания.