Name: microstate and omega complexity analyses of the resting-state electroencephalography
Uploaded: 2018-06-15T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Microstate and Omega Complexity Analyses of the Resting-state Electroencephalography at JoVE.com

Denna artikel stöddes av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (31671141).

Detta protokoll godkändes av den lokala etiska kommittén. Alla deltagare och deras föräldrar tecknat ett informerat samtycke-formulär för detta experiment.
1. ämnen
<ol><li>Endast omfatta 15 unga friska män, vars ålder varierar från 14 till 22 år (medelvärde ± standardavvikelse: 18,3 ± 2,8 år). Obs: Det nuvarande protokollet att analysera Mikrotillstånd och omega komplexitet har utvecklats för friska individer, men är inte begränsad till denna grupp bara.</li>
</ol><p c...

<ol>
	<li>Khanna, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstates+in+resting-state+EEG:+current+status+and+future+directions.">Microstates in resting-state EEG: current status and future directions.</a> Neurosci Biobehav Rev. 49, 105-113 (2015).</li><li>Chen, J. L., Ros, T., Gruzelier, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+changes+of+ICA-derived+EEG+functional+connectivity+in+the+resting+state.">Dynamic changes of ICA-derived EEG functional connectivity in the resting state.</a> Hum Brain Mapp. 34 (4), 852-868 (2013).</li><li>Imperatori, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aberrant+EEG+functional+connectivity+and+EEG+power+spectra+in+resting+state+post-traumatic+stress+disorder:+a+sLORETA+study.">Aberrant EEG functional connectivity and EEG power spectra in resting state post-traumatic stress disorder: a sLORETA study.</a> Biol Psychol. 102, 10-17 (2014).</li><li>Gao, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Altered+Resting-State+EEG+Microstate+Parameters+and+Enhanced+Spatial+Complexity+in+Male+Adolescent+Patients+with+Mild+Spastic+Diplegia.">Altered Resting-State EEG Microstate Parameters and Enhanced Spatial Complexity in Male Adolescent Patients with Mild Spastic Diplegia.</a> Brain Topogr. 30 (2), 233-244 (2017).</li><li>Seitzman, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cognitive+manipulation+of+brain+electric+microstates.">Cognitive manipulation of brain electric microstates.</a> Neuroimage. 146, 533-543 (2017).</li><li>Lehmann, D., Michel, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG-defined+functional+microstates+as+basic+building+blocks+of+mental+processes.">EEG-defined functional microstates as basic building blocks of mental processes.</a> Clin Neurophysiol. 122 (6), 1073-1074 (2011).</li><li>Koenig, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millisecond+by+millisecond,+year+by+year:+normative+EEG+microstates+and+developmental+stages.">Millisecond by millisecond, year by year: normative EEG microstates and developmental stages.</a> Neuroimage. 16 (1), 41-48 (2002).</li><li>Britz, J., Van De Ville, D., Michel, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=BOLD+correlates+of+EEG+topography+reveal+rapid+resting-state+network+dynamics.">BOLD correlates of EEG topography reveal rapid resting-state network dynamics.</a> Neuroimage. 52 (4), 1162-1170 (2010).</li><li>Musso, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spontaneous+brain+activity+and+EEG+microstates.+A+novel+EEG/fMRI+analysis+approach+to+explore+resting-state+networks.">Spontaneous brain activity and EEG microstates. A novel EEG/fMRI analysis approach to explore resting-state networks.</a> Neuroimage. 52 (4), 1149-1161 (2010).</li><li>Strelets, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+schizophrenics+with+positive+symptomatology+have+shortened+EEG+microstate+durations.">Chronic schizophrenics with positive symptomatology have shortened EEG microstate durations.</a> Clin Neurophysiol. 114 (11), 2043-2051 (2003).</li><li>Kikuchi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG+microstate+analysis+in+drug-naive+patients+with+panic+disorder.">EEG microstate analysis in drug-naive patients with panic disorder.</a> PLoS One. 6 (7), e22912 (2011).</li><li>Santarnecchi, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG+Microstate+Correlates+of+Fluid+Intelligence+and+Response+to+Cognitive+Training.">EEG Microstate Correlates of Fluid Intelligence and Response to Cognitive Training.</a> Brain Topogr. , (2017).</li><li>Schlegel, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG+microstates+during+resting+represent+personality+differences.">EEG microstates during resting represent personality differences.</a> Brain Topogr. 25 (1), 20-26 (2012).</li><li>Wackermann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beyond+mapping:+estimating+complexity+of+multichannel+EEG+recordings.">Beyond mapping: estimating complexity of multichannel EEG recordings.</a> Acta Neurobiol Exp (Wars). 56 (1), 197-208 (1996).</li><li>Jung, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Removing+electroencephalographic+artifacts+by+blind+source+separation.">Removing electroencephalographic artifacts by blind source separation.</a> Psychophysiology. 37 (2), 163-178 (2000).</li><li>Pascual-Marqui, R. D., Michel, C. M., Lehmann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Segmentation+of+brain+electrical+activity+into+microstates:+model+estimation+and+validation.">Segmentation of brain electrical activity into microstates: model estimation and validation.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 42 (7), 658-665 (1995).</li><li>Pascual-Marqui, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Standardized+low-resolution+brain+electromagnetic+tomography+(sLORETA):+technical+details.">Standardized low-resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA): technical details.</a> Methods Find Exp Clin Pharmacol. 24, 5-12 (2002).</li><li>Hu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+primary+somatosensory+cortex+contributes+to+the+latest+part+of+the+cortical+response+elicited+by+nociceptive+somatosensory+stimuli+in+humans.">The primary somatosensory cortex contributes to the latest part of the cortical response elicited by nociceptive somatosensory stimuli in humans.</a> Neuroimage. 84, 383-393 (2014).</li><li>Murray, M. M., Brunet, D., Michel, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topographic+ERP+analyses:+a+step-by-step+tutorial+review.">Topographic ERP analyses: a step-by-step tutorial review.</a> Brain Topogr. 20 (4), 249-264 (2008).</li><li>Van de Ville, D., Britz, J., Michel, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEG+microstate+sequences+in+healthy+humans+at+rest+reveal+scale-free+dynamics.">EEG microstate sequences in healthy humans at rest reveal scale-free dynamics.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (42), 18179-18184 (2010).</li><li>Gonuguntla, V., Mallipeddi, R., Veluvolu, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+emotion+associated+brain+functional+network+with+phase+locking+value.">Identification of emotion associated brain functional network with phase locking value.</a> Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2016, 4515-4518 (2016).</li><li>Wen, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resting-state+EEG+coupling+analysis+of+amnestic+mild+cognitive+impairment+with+type+2+diabetes+mellitus+by+using+permutation+conditional+mutual+information.">Resting-state EEG coupling analysis of amnestic mild cognitive impairment with type 2 diabetes mellitus by using permutation conditional mutual information.</a> Clin Neurophysiol. 127 (1), 335-348 (2016).</li><li>Rosales, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+efficient+implementation+of+the+synchronization+likelihood+algorithm+for+functional+connectivity.">An efficient implementation of the synchronization likelihood algorithm for functional connectivity.</a> Neuroinformatics. 13 (2), 245-258 (2015).</li><li>Jia, H., Peng, W., Hu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+approach+to+identify+time-frequency+oscillatory+features+in+electrocortical+signals.">A novel approach to identify time-frequency oscillatory features in electrocortical signals.</a> J Neurosci Methods. 253, 18-27 (2015).</li><li>Wackermann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+characterization+of+brain+electrical+activity+by+means+of+the+&#937;+complexity+production+rate.">Global characterization of brain electrical activity by means of the &#937; complexity production rate.</a> Brain Topogr. 18, 135 (2005).</li><li>Wackermann, J., Putz, P., Ga&#223;ler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unfolding+EEG+spatial+complexity+as+a+function+of+frequency.">Unfolding EEG spatial complexity as a function of frequency.</a> Brain Topogr. 16 (2), 124 (2003).</li></ol>

I denna artikel, två sorters EEG analytiska metoder (dvs Mikrotillstånd analys och omega komplexitet analys), mätning av tidsmässig komplexitet och rumsliga komplexiteten hos mänskliga hjärnan respektive, beskrevs i detalj. I området i närheten finns det flera kritiska steg inom protokollet som bör nämnas. För det första måste EEG data rengöras före uträkningen av Mikrotillstånd och omega komplexitet. För det andra bör EEG data vara remontaged mot den genomsnittliga referensen innan uträkningen av Mik...

Elektroencefalografi (EEG) har ofta använts för att registrera elektriska aktivitet i den mänskliga hjärnan både klinisk diagnos och vetenskaplig forskning, eftersom det är icke-invasiv, låg-kostnadsberäknade och har mycket hög temporal upplösning1. För att studera de EEG-signalerna i vilande tillstånd, har forskare utvecklat många EEG tekniker (t.ex. power spectrum analys, funktionella anslutningsmöjligheter analys)2,3. Av dessa kunde Mikrotillstånd och omega komplexitet analys utnyttja den rumsliga och tidsmässiga informationen inneboende i EEG signaler4.
Tidigare undersökningar har visat att även om topografiska fördelningen av EEG signaler varierar över tiden i ögat-stängt eller öga-öppna vilande tillstånd, serien av momentan kartor Visa kontinuerliga förändringar av landskap, dvs perioder av stabilitet alternerande med korta övergångsperioder mellan vissa kvasi stabil EEG kretsmönster5. Frihandelsområden definieras som dessa episoder med kvasi stabil EEG kretsmönster, som varar mellan 80 och 120 ms1. Eftersom olika elektrisk potential landskap måste ha genererats av olika neurala källor, dessa frihandelsområden kan räknas som de grundläggande block av förandet och kan betraktas som ”atomer av tanke och känsla”6. Med hjälp av moderna mönster klassificering algoritmer, har fyra vilar EEG Mikrotillstånd klasser genomgående observerats, som var märkt som klass A, klass B, klass C och klass D7. Dessutom visade forskare att dessa fyra Mikrotillstånd klasser av vilande EEG data var nära förknippad med välkända funktionella system som observerats i många vila-state fMRI (funktionell magnetisk resonanstomografi) studier8,9 . Således föreskrivs Mikrotillstånd analysen en ny metod för att studera de vilande tillstånd nätverk (RSNs) mänskliga hjärnan. Dessutom påverkas den genomsnittliga varaktigheten och frekvensen av förekomsten av varje Mikrotillstånd klass, topografiska formen av fyra Mikrotillstånd kartor betydligt av vissa hjärnan störningar4,10,11, och är associerade med flytande intelligens12 och personlighet13.
I den andra aspekten, kunde traditionella funktionella anslutning av flerkanaligt EEG bara beskriva de funktionella anslutningarna mellan två hårbotten elektroder, således underlåtit att bedöma den globala funktionella connectivity över hårbotten eller inom en viss region i hjärnan. Omega komplexiteten, föreslås av Wackermann (1996)14 och beräknas genom en strategi som kombinerar principalkomponentanalys (PCA) och Shannon entropi, har använts för att kvantifiera den breda globala synkroniseringen mellan rumsligt distribueras av hjärnan. För att bedöma omega komplexiteten i varje frekvensband, utfördes Fouriertransform vanligen som ett första steg25.
Av frihandelsområden och omega komplexiteten kan användas för att återspegla två närbesläktade begrepp, dvs, tidsmässig komplexitet och rumsliga komplexitet4. Eftersom klasserna Mikrotillstånd representerar vissa mentala operationer i mänskliga hjärnan, kan de reflektera temporal strukturera av neuronala svängningar. Lägre varaktighet och högre förekomst hastighet per sekund måste ange högre tidsmässig komplexitet. Omega komplexitet är positivt relaterat med antalet oberoende neurala källor i hjärnan, alltså vanligen betraktas som en indikator på rumsliga komplexitet4.
Den aktuella artikeln beskriver protokollet av EEG Mikrotillstånd och omega komplexitet analys i detalj. EEG Mikrotillstånd och omega komplexitet analyserna ger möjlighet att mäta den tidsmässiga och rumsliga komplexiteten i hjärnans aktivitet respektive.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>ANT 20 channels EEG/ERP system</td>
			<td>ASA-Lab, ANT B.V., Netherlands</td>
			<td></td>
			<td>company web address: 
			http://www.ant-neuro.com/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EEGLAB plugin for Microstates</td>
			<td>Thomas Koenig</td>
			<td></td>
			<td>https://sccn.ucsd.edu/wiki/EEGLAB_Extensions_and_plug-ins</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sLORETA</td>
			<td>Roberto D. Pascual-Marqui</td>
			<td></td>
			<td>http://www.uzh.ch/keyinst/loreta.htm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB 2010a</td>
			<td>The MathWorks Inc.</td>
			<td></td>
			<td>company web address: 
			http://www.mathworks.com/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>eeglab</td>
			<td>Swartz Center for Computational Neuroscience, University of California, San Diego</td>
			<td></td>
			<td>https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

microstate and omega complexity analyses of the resting-state electroencephalography

Mikrotillstånd och omega komplexitet är två referens-fri elektroencefalografi (EEG) åtgärder som kan representera den tidsmässiga och rumsliga komplexiteten i EEG data och har använts i stor utsträckning att undersöka de neurala mekanismerna i vissa sjukdomar i hjärnan. Målet med denna artikel är att beskriva protokollet underliggande EEG Mikrotillstånd och omega komplexitet analyser steg för steg. Den största fördelen med dessa två åtgärder är att de kan eliminera problemet referens-beroende inneboende till traditionella Responsspektrum analys. Dessutom Mikrotillstånd analys gör god användning av hög tid resolution av vila-state EEG och de fyra erhållna Mikrotillstånd klasserna kunde matcha motsvarande vila-state nätverken respektive. Omega komplexitet karaktäriserar rumsliga komplexiteten i hela hjärnan eller delar av hjärnan, som har uppenbara fördelar jämfört med traditionella komplexitet åtgärder med fokus på signal komplexiteten i en enda kanal. Dessa två EEG-åtgärder kan komplettera varandra för att undersöka hjärnan komplexiteten från domänen tidsmässiga och rumsliga respektive.

EEG Mikrotillstånd
Grand menar normaliserade Mikrotillstånd kartor visas i figur 1. De elektriska potentiella landskap av dessa fyra Mikrotillstånd klasser definieras här är mycket lika de som finns i tidigare studier4.
Medelvärde och standardavvikelse (SD) av Mikrotillstånd parametrar för friska visades i <str...

Watch this Scientific Journal Video about Microstate and Omega Complexity Analyses of the Resting-state Electroencephalography at JoVE.com

Microstate and Omega Complexity Analyses of the Resting-state Electroencephalography

Denna artikel beskriver de protokoll underliggande elektroencefalografi (EEG) Mikrotillstånd analys och omega komplexitet analys, som är två referens-fri EEG åtgärder och värdefullt att utforska de neurala mekanismerna av sjukdomar i hjärnan.

Mikrotillstånd och Omega komplexitet analyser av den vilande-state elektroencefalografi

Microstate and omega complexity are two reference-free electroencephalography (EEG) measures that can represent the temporal and spatial complexities of ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Investigating Social Cognition in Infants and Adults Using Dense Array Electroencephalography (dEEG)

Investigating Social Cognition in Infants and Adults Using Dense Array Electroencephalography dEEG

Undersöka Social kognition hos spädbarn och vuxna som använder Tät Array elektroencefalografi ( D EEG)

Dense array electroencephalography (dEEG), which provides a non-invasive window for measuring brain activity and a temporal resolution unsurpassed by any ...

Morphometric Analyses of Retinal Sections

Morfometriska Analyser av näthinnans avsnitt

Morphometric analyses of retinal sections have been used in examining retinal diseases. For examples, neuronal cells were significantly lost in the ...

Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

Samtidig Elektroencefalografi, realtidsmätning av laktat koncentration och optogenetic Manipulering av neuronal aktivitet hos gnagare Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Optogenetic Perturbation of Neural Activity with Laser Illumination in Semi-intact Drosophila Larvae in Motion

Optogenetic störning av neural aktivitet med laserbelysning i Semi-intakt<em&gt; Drosophila</em&gt; Larver in Motion

Drosophila larval locomotion is a splendid model system in developmental and physiological neuroscience, by virtue of the genetic accessibility of the ...

Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex

Undersöka Funktion av djupa kortikala och subkortikala strukturer Använda Stereotactic Elektroencefalografi: Lärdomar från främre cingulum Cortex

Stereotactic Electroencephalography (SEEG) is a technique used to localize seizure foci in patients with medically intractable epilepsy. This procedure ...

Assessment of Hippocampal Dendritic Complexity in Aged Mice Using the Golgi-Cox Method

Bedömning av hippocampal dendritisk komplexitet hos åldrade möss med användning av Golgi-Cox-metoden

Dendritic spines are the protuberances from the neuronal dendritic shafts that contain&#160; excitatory synapses. The morphological and branching ...

Concurrent Recording of Co-localized Electroencephalography and Local Field Potential in Rodent

Samtidig inspelning av samtidig lokaliserade elektroencefalografi och lokala fältet Potential i gnagare

Although electroencephalography (EEG) is widely used as a non-invasive technique for recording neural activities of the brain, our understanding of the ...

Quantitative Analysis of Neuronal Dendritic Arborization Complexity in Drosophila

Quantitative Analysis of Neuronal Dendritic Arborization Complexity in Drosophila

Kvantitativ analys av neuronala dendritiska Arborization komplexitet i Drosophila

Dendrites are the branched projections of a neuron, and dendritic morphology reflects synaptic organization during the development of the nervous system. ...

Combined Transcranial Magnetic Stimulation and Electroencephalography of the Dorsolateral Prefrontal Cortex

Kombinerade transkraniell magnetisk stimulering och elektroencefalografi av dorsolaterala prefrontala Cortex

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method that produces neural excitation in the cortex by means of brief, time-varying magnetic ...