Una descripción completa para principiantes en BCI.

1. Introducción ¡Bienvenido! En este segundo tutorial vamos a aprender cómo marcar una respuesta cerebral a estímulos. Aprenderemos: ¿Qué es un potencial relacionado con eventos (ERP)? ¿Cuáles son los picos y componentes del ERP? Pasos típicos para obtener un ERP Aplicación práctica utilizando el dispositivo y software Emotiv EPOC 2. ¿Qué es un potencial relacionado con eventos (ERP)? Un potencial relacionado con eventos (ERP), también denominado potencial evocado, es la respuesta cerebral a un evento o estímulo (como escuchar un tono fuerte). Específicamente, es el cambio en la amplitud de voltaje que se ve en el EEG como resultado de un evento sensorial o cognitivo. Podemos observar ‘componentes ERP’ que son picos estables que ocurren después del inicio de un estímulo. Un ERP puede tener muchos picos positivos o negativos, pero no todos están bien caracterizados como componentes ERP, como los componentes N100 o P300. Recuerda observar la dirección del eje cuando veas un EEG en el dominio del tiempo. A veces verás el - en la parte superior y el + en la parte inferior del eje, especialmente en EEG clínicos Nota: un ERP puede representarse desde un solo evento o promediando amplitudes a través de múltiples ensayos de ese evento. Típicamente, los ERPs suaves con componentes tan distintos - como en la imagen - se obtienen solo promediando a través de cientos de ensayos Fig. 1 - Componentes típicos del ERP auditivo Componentes típicos se caracterizan por su polaridad (es decir, Positivo (P) o Negativo (N) y cuándo ocurren (p. ej., 1er componente negativo N1). El mismo componente N1 también puede identificarse por el tiempo en que ocurrió (p. ej., 100 ms desde el inicio del tono) - N100 3. Pasos para obtener un ERP Fase del Experimento: Diseñamos experimentos para obtener ERPs específicos de interés. Por ejemplo, podemos recoger EEG mientras los participantes escuchan tonos de audio. Para dar sentido a los datos de EEG, tenemos que marcar el momento en el que el participante escuchó un tono en el EEG. Estos se llaman marcadores de eventos (Líneas rojas verticales en la Figura 2). Fig. 2 - Marcadores de eventos (líneas rojas) mostrados en un EEG crudo Obtener el tiempo del marcador de eventos alineado con precisión con el inicio del tono es muy importante para nosotros poder ver un ERP. Así que es importante seleccionar el hardware y software adecuados para ayudarnos a obtener marcas de tiempo precisas. Seleccionando una referencia Recuerda que la actividad eléctrica siempre se mide entre dos puntos. En los dispositivos EEG, el potencial eléctrico en cada sensor se mide en comparación con los sensores de referencia (DRL + CMS). En los dispositivos Emotiv EPOC hay dos opciones para sensores de referencia Fig. 3 - Opciones de referencia en dispositivos de tipo Emotiv EPOC Un auricular tipo EPOC tiene dos opciones para la referencia: Referencia Mastoidal - Para usar el mastoides como sensores de referencia, colocamos tapones de goma en los sensores P3/P4 y felpas húmedas en los sensores mastoides. Referencia P3/P4 - Para usar P3/P4 como sensores de referencia, colocamos tapones de goma en los sensores mastoides M1/M2 y felpas húmedas en los sensores P3/P4. Es típico usar la referencia mastoidea para experimentos ERP, pero puedes usar la referencia P3/P4, ya que siempre puedes volver a hacer la referencia de los datos en línea más tarde, cuando proceses tus datos antes del análisis. Es común volver a referenciar los datos a la media de todos los sensores antes de analizar los datos. Para nuestro experimento, recogeremos datos utilizando referencia mastoidea. La suposición aquí generalmente buena es que el proceso mastoideo no transmitirá datos de EEG tanto como otras ubicaciones en la cabeza, por lo que es un buen punto de referencia. Pre-procesamiento: No podemos ver inmediatamente un ERP en el EEG crudo porque es un efecto muy pequeño (~ ±5uV) comparado con todo lo demás que ocurre dentro y alrededor de nuestro cerebro (~ ±40uV). Así que para ver el efecto cerebral específico de nuestro tono necesitamos limpiar nuestros datos para eliminar cualquier ruido o artefactos. Luego, ‘epochamos’ los datos, que es un término usado para dividir las respuestas cerebrales en una ventana de tiempo que hemos definido (p. ej., la respuesta cerebral comenzando desde 50 ms antes del tono y 400 ms después del tono). Luego promediamos todos los datos de EEG separados (es decir, las respuestas cerebrales a todos los tonos) para obtener un ERP distinto. A continuación, se presentan los pasos básicos en un pipeline típico de ERP. Los investigadores seleccionarán pasos dependiendo de sus datos y objetivos. Fig. 4 - Un pipeline típico de procesamiento de ERP 4. Obtengamos nuestro propio ERP Primero, configuremos el software Descargue la última versión de PsychoPy - https://www.psychopy.org/ Vamos a utilizar PsychoPy para presentar a los participantes los tonos. Consigue el Emotiv Launcher y las aplicaciones EmotivPRO para grabar y ver EEG. Conecta PsychoPy con tu software Emotiv para que puedan comunicarse entre sí. Sigue los pasos en el video: Construye un experimento EEG de EMOTIV con PsychoPy Un ERP suave se puede obtener utilizando múltiples repeticiones de cualquier estímulo (p. ej., una imagen, un tono). Aquí vamos a presentar al participante el mismo tono de 50 ms, cada 4 segundos durante aproximadamente 150 veces. Sigue el video para construir un experimento auditivo simple con un solo tono: Ahora obtengamos algunos datos Ahora que has elegido la referencia, puedes ver el video para aprender cómo configurar tu auricular para obtener la mejor calidad de EEG: Pipeline ERP con EmotivPRO Analyzer Mira el video y sigue los pasos para generar tu propio ERP: Comprendiendo la salida ERP del Analizador Para cada canal verás una forma de onda promediada. A continuación se muestra un ERP típico y suave con un pico negativo a los 100 ms. La línea sólida indica la amplitud promedio y el sombreado más claro indica el error estándar de la media: Aquí hay una forma de onda ruidosa sin componentes ERP claros. Esto puede resultar de un bajo número de ensayos: Cosas a considerar Al comparar ERPs entre participantes, generalmente es mejor comparar el efecto de diferencia. Por ejemplo, podemos observar el ERP promedio a un tono más frecuente (estándar) en comparación con tonos que ocurren con menos frecuencia (deviante/oddball) en un patrón. Podemos obtener una forma de onda de diferencia simplemente restando las amplitudes de una onda de otra. Como en la Figura 5, entonces podemos observar un componente ERP comúnmente conocido como Negatividad de Desajuste (MMN) que se estudia comúnmente en la investigación de ERP. Fig. 5 - El componente de negatividad de desajuste puede observarse en el ERP cuando hay una violación a un patrón en el entorno 5. Aplicaciones de los ERPs Identificación de Biomarcadores: Una de las aplicaciones más comunes de los ERPs es en la investigación clínica para encontrar mejores formas de diagnosticar trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia. Las personas que viven con esquizofrenia pueden diferenciarse de los controles sanos en función de su respuesta de Negatividad de Desajuste Fig. 6 - Las amplitudes de negatividad de desajuste son significativamente más altas que en la esquizofrenia crónica, de reciente inicio, así como en aquellos en riesgo de desarrollar el trastorno (Jashan 2012) ERP - BCI (Interfaces Cerebro-Computador) Los ERPs a diferentes comandos mentales o estímulos visuales (como letras en un teclado) pueden usarse para mover sillas de ruedas o alimentar escribas de BCI 6. Recursos Manuales de Emotiv Manual de EmotivPRO Builder Manual de EmotivPRO Manual de EmotivPRO Analyzer Lectura Recomendada Luck, S.J., 2005. Diez reglas simples para diseñar e interpretar experimentos ERP. Potenciales relacionados con eventos: Un manual de métodos, 4.