이벤트 관련 전위의 기초

1. 소개

환영합니다! 이번 두 번째 튜토리얼에서는 자극에 대한 뇌 반응을 어떻게 표시하는지 배울 것입니다.

우리는 다음을 배웁니다:

• 사건 관련 전위(ERP)란 무엇입니까?

• ERP 피크와 구성요소는 무엇입니까?

• ERP를 얻기 위한 전형적인 단계

• Emotiv EPOC 장치 및 소프트웨어를 통한 실제 적용

  
  
  

2. 사건 관련 전위(ERP)란 무엇입니까?

사건 관련 전위(ERP)는 유발 전위라고도 하며, 사건이나 자극(예: 큰 음을 듣는 것)에 대한 뇌의 반응입니다. 구체적으로는 – 그것은 감각적 또는 인지적 사건의 결과로 EEG에서 나타나는 전압 진폭 변화입니다.

우리는 자극 시작 후에 발생하는 안정적인 피크인 'ERP 구성요소'를 관찰할 수 있습니다. ERP는 많은 긍정적 또는 부정적 피크를 가질 수 있지만, N100 또는 P300 구성요소와 같이 잘 특성화된 ERP 구성요소는 아닙니다.

시간 영역에서 EEG를 볼 때 축 방향을 살펴보는 것을 잊지 마십시오. 때때로 당신은 축의 맨 위에서 –를 보고 맨 아래에서 +를 발견하게 될 것입니다. 특히 임상 EEG에서 그렇습니다.

참고: ERP는 단일 사건에서 나타날 수 있으며, 그 사건의 여러 실험에서 진폭을 평균 내어 나타날 수 있습니다. 전형적으로, 이렇게 뚜렷한 구성요소를 가진 부드러운 ERP는 100회의 실험을 평균하여 얻어집니다.

그림 1 – 전형적인 청각 ERP 구성요소

전형적인 구성요소는 극성(즉, 긍정적(P) 또는 부정적(N)) 및 발생 시기(예: 첫 번째 부정적 구성요소 N1)에 의해 특성화됩니다. 동일한 N1 구성요소는 또한 발생한 시간(예: 음의 발생 후 100ms)으로 식별할 수 있습니다 – N100

3. ERP를 얻기 위한 단계

실험 단계:

우리는 관심 있는 특정 ERP를 얻기 위해 실험을 설계합니다.

예를 들어, 참가자가 오디오 톤을 듣고 있는 동안 EEG를 수집할 수 있습니다.

EEG 데이터를 이해하기 위해 참가자가 톤을 들은 시간을 표시해야 합니다. 이를 이벤트 마커(그림 2의 수직 빨간선)라고 합니다.

그림 2 – 원시 EEG에 표시된 이벤트 마커(빨간선)

이벤트 마커 타이밍을 톤 시작과 정확하게 정렬하는 것은 ERP를 보기 위해 매우 중요합니다! 따라서 우리는 정확한 타임스탬프를 얻기 위해 올바른 하드웨어와 소프트웨어를 선택하는 것이 중요합니다.

참조 선택

전기 활동은 항상 두 지점 간에 측정됩니다. EEG 장치에서 각 센서의 전기 잠재력은 기준 센서(DRL + CMS)를 기준으로 측정됩니다.

Emotiv EPOC 장치에는 기준 센서에 대한 두 가지 옵션이 있습니다.

그림 3 – Emotiv EPOC 유형 장치의 참조 옵션

EPOC 유형 헤드셋에는 참조를 위한 두 가지 옵션이 있습니다:

• 유양돌기 참조 – 유양돌기를 참조 센서로 사용하려면 P3/P4 센서에 고무 마개를 넣고 유양돌기 센서에 젖은 펠트를 올려 놓습니다.

• P3/P4 참조 – P3/P4를 참조 센서로 사용하려면 M1/M2 유양돌기 센서에 고무 마개를 넣고 P3/P4 센서에 젖은 펠트를 올려 놓습니다.

ERP 실험에 대해 유양돌기 참조를 사용하는 것이 일반적이지만, 나중에 데이터 전처리 시 데이터를 온라인으로 재참조할 수 있으므로 P3/P4 참조를 사용할 수 있습니다. 데이터 분석 전에 모든 센서의 평균에 데이터 재참조하는 것이 일반적입니다.

우리의 실험은 유양돌기 참조를 사용하여 데이터를 수집할 것입니다. 여기서 일반적으로 좋은 가정은 유양돌기 과정이 머리의 다른 위치만큼 EEG 데이터를 전송하지 않을 것이라는 점입니다. 그래서 좋은 기준점입니다.

전처리:

우리는 원시 EEG에서 즉시 ERP를 볼 수 없습니다. 왜냐하면 그것은 우리 뇌 안팎에서 발생하는 모든 것에 비해 매우 작은 효과(~ ±5uV)이기 때문입니다(~ ±40uV)!

따라서 톤에 특화된 뇌 효과를 보기 위해서는 데이터를 정리하여 noise나 아티팩트를 제거해야 합니다. 그런 다음 우리는 데이터를 '에포크(epoch)' 할 것입니다. 이는 뇌 반응을 우리가 정의한 시간 창으로 쪼개는 용어입니다(예: 톤 시작 전 50ms에서 톤 이후 400ms의 뇌 반응). 그런 다음 우리는 모든 개별 에포크화된 EEG 데이터(즉, 모든 톤에 대한 뇌 반응)를 평균내어 뚜렷한 ERP를 얻습니다.

아래는 전형적인 ERP 파이프라인의 기본 단계입니다. 연구자들은 그들의 데이터와 목표에 따라 단계를 선택할 것입니다.

그림 4 – 전형적인 ERP 처리 파이프라인

4. 우리만의 ERP 얻기

먼저 소프트웨어를 설정합시다

1. 최신 버전의 PsychoPy를 다운로드합니다 – https://www.psychopy.org/ 우리는 PsychoPy를 사용하여 참가자에게 톤을 제시할 것입니다.

2. EEG를 기록하고 보기 위해 Emotiv Launcher 및 EmotivPRO 앱을 가져옵니다.

3. PsychoPy와 Emotiv 소프트웨어를 연결하여 서로 통신할 수 있도록 합니다.

비디오에서 단계를 따르세요:

PsychoPy로 EMOTIV EEG 실험 구축하기

부드러운 ERP는 모든 자극(예: 이미지, 톤)의 여러 반복을 사용하여 얻을 수 있습니다. 여기서 우리는 참가자에게 매 4초마다 동일한 50ms 톤을 약 150번 제시할 것입니다!

비디오를 보면서 단일 톤을 가진 간단한 청각 실험을 구축하세요:

데이터를 얻어봅시다

참조를 선택했으니 이제 비디오를 시청하여 헤드셋을 설정하여 최상의 품질의 EEG를 얻는 방법을 배울 수 있습니다:

EmotivPRO 분석기와 함께하는 ERP 파이프라인

비디오를 보고 자신의 ERP를 생성하기 위해 단계에 따라 진행하세요:

분석기에서 ERP 출력 이해하기

각 채널에 대해 평균화된 파형을 볼 수 있습니다. 부정적 피크가 100ms에 있는 전형적인 부드러운 ERP가 아래에서 보입니다. 실선은 평균 진폭을 나타내고 밝은 음영은 평균의 표준 오차를 나타냅니다:

여기 명확한 ERP 구성요소가 없는 시끄러운 파형이 있습니다. 이는 낮은 실험 횟수로 인해 발생할 수 있습니다:

고려해야 할 사항

참가자 간 ERP를 비교할 때 일반적으로 차등 효과를 비교하는 것이 더 좋습니다.

예: 우리는 평균 ERP를 더 자주 발생하는 톤(표준)과 덜 자주 발생하는 톤(비정상/이상한 톤)과 비교할 수 있습니다. 한 파형에서 다른 파형의 진폭을 단순히 빼는 것으로 차이 파형을 얻을 수 있습니다. 그림 5에서 우리는 ERP 구성요소를 관찰할 수 있으며, 이는 일반적으로 ERP 연구에서 연구되는 반응입니다.

그림 5 – 환경의 패턴에 위반이 있을 때 ERP에서 비일치 부정적 구성요소를 관찰할 수 있습니다

5. ERP의 응용

생체표지자 식별:

ERP의 가장 일반적인 응용 중 하나는 임상 연구자들이 정신 장애(예: 정신 분열증)를 진단하는 더 나은 방법을 찾는 것입니다. 정신 분열증을 앓고 있는 사람들은 비일치 부정적 반응을 바탕으로 건강한 대조군과 구별될 수 있습니다.

그림 6 – 비일치 부정적 진폭은 만성 정신 분열증, 최근 발병 및 장애 개발 위험이 있는 사람들보다 유의하게 높습니다(Jashan 2012)

ERP – BCI(브레인 컴퓨터 인터페이스)

다양한 정신 명령이나 시각 자극(예: 키보드에 있는 글자)에 대한 ERP는 휠체어를 이동시키거나 BCI 스펠러를 작동하는 데 사용할 수 있습니다.

6. 자원

Emotiv 매뉴얼

1. EmotivPRO 빌더 매뉴얼

2. EmotivPRO 매뉴얼

3. EmotivPRO 분석기 매뉴얼

추천 도서

Luck, S.J., 2005. ERP 실험을 설계하고 해석하기 위한 10가지 간단한 규칙. 사건 관련 전위: 방법 핸드북, 4.