BCI 초보자를 위한 포괄적인 분석입니다.

1. 소개 환영합니다! 이 두 번째 튜토리얼에서는 자극에 대한 뇌 반응을 표시하는 방법에 대해 배우겠습니다. 우리는 다음을 배울 것입니다: 이벤트 관련 전위(ERP)란 무엇인가? ERP 피크와 구성 요소는 무엇인가? ERP를 얻기 위한 일반적인 단계 Emotiv EPOC 장치 및 소프트웨어를 사용한 실제 응용 2. 이벤트 관련 전위(ERP)란 무엇인가? 이벤트 관련 전위(ERP)는 유도 전위라고도 하며, 사건이나 자극(예: 큰 소리를 듣는 것)에 대한 뇌의 반응입니다. 구체적으로 - 자극 또는 인지적 사건의 결과로 EEG에서 나타나는 전압 진폭 변화입니다. 우리는 자극이 발생한 후 발생하는 안정적인 피크인 'ERP 구성 요소'를 관찰할 수 있습니다. ERP는 여러 개의 긍정적 또는 부정적 피크를 가질 수 있지만 모든 피크가 잘 특성화된 ERP 구성 요소인 것은 아닙니다. N100 또는 P300 구성 요소와 같은 것들이 그렇습니다. 시간 영역에서 EEG를 볼 때 축 방향을 확인하는 것을 잊지 마세요. 임상 EEG에서는 축의 위쪽에 -가 보이고 아래쪽에 +가 보이는 경우가 많습니다. 주의: ERP는 단일 사건으로부터 나타낼 수 있거나 그 사건의 여러 시험의 진폭을 평균하여 나타낼 수 있습니다. 일반적으로 이미지와 같이 그렇게 뚜렷한 구성 요소가 있는 부드러운 ERP는 수백 번의 시험을 평균화하여 얻어집니다. 그림 1 - 일반적인 청각 ERP 구성 요소 일반적인 구성 요소는 그 극성(즉, 긍정(P) 또는 부정(N))과 발생 시점(예: 첫 번째 부정 구성 요소 N1)으로 특징지어집니다. 같은 N1 구성 요소는 발생한 시간(예: 음이 시작된 후 100ms)으로도 식별할 수 있습니다 - N100 3. ERP를 얻기 위한 단계 실험 단계: 우리는 특정 관심 ERP를 얻기 위해 실험을 디자인합니다. 예를 들어, 참가자들이 오디오 톤을 듣는 동안 EEG를 수집할 수 있습니다. EEG 데이터의 의미를 이해하기 위해, 우리는 참가자가 톤을 들은 시점을 EEG에 표시해야 합니다. 이를 이벤트 마커(그림 2의 수직 빨간선)라고 합니다. 그림 2 - 원시 EEG에 표시된 이벤트 마커(빨간선) 톤의 시작과 이벤트 마커 타이밍을 정확하게 맞추는 것은 ERP를 보기 위해 매우 중요합니다! 따라서 정확한 타임스탬프를 얻기 위해 올바른 하드웨어와 소프트웨어를 선택하는 것이 중요합니다. 참조 선택 전기 활동은 항상 두 지점 간에 측정됩니다. EEG 장치에서는 각 센서의 전기 잠재력이 참조 센서(DRL + CMS)와 비교하여 측정됩니다. Emotiv EPOC 장치에는 참조 센서에 대한 두 가지 옵션이 있습니다. 그림 3 - Emotiv EPOC 유형 장치의 참조 옵션 EPOC 유형 헤드셋은 참조를 위한 두 가지 옵션을 가지고 있습니다: Mastoid 참조 - Mastoid를 참조 센서로 사용하려면 P3/P4 센서에 고무 스토퍼를 놓고 Mastoid 센서에 젖은 펠트를 씁니다. P3/P4 참조 - P3/P4를 참조 센서로 사용하려면 M1/M2 Mastoid 센서에 고무 스토퍼를 놓고 P3/P4 센서에 젖은 펠트를 씁니다. ERP 실험에서는 Mastoid 참조를 사용하는 것이 일반적이지만, 나중에 데이터 전처리 시 데이터를 온라인으로 다시 참조할 수 있으므로 P3/P4 참조를 사용할 수도 있습니다. 데이터를 분석하기 전에 모든 센서의 평균을 기준으로 데이터를 다시 참조하는 것이 일반적입니다. 우리의 실험에서는 Mastoid 참조를 사용하여 데이터를 수집할 것입니다. 여기에서 일반적인 가정은 mastoid 과정이 두피의 다른 위치만큼 EEG 데이터를 전달하지 않으므로 좋은 참조 지점이 됩니다. 전처리: 우리는 원시 EEG에서 즉시 ERP를 볼 수 없습니다. 왜냐하면 그것은 뇌 속에서 일어나고 있는 다른 모든 것에 비해 매우 작은 효과(~ ±5uV)이기 때문입니다(~ ±40uV)! 따라서 우리 톤에 대해 특정한 뇌 효과를 보기 위해서는 잡음이나 아티팩트를 제거하기 위해 데이터를 정리해야 합니다. 그런 다음 우리는 데이터를 '에포크(epoch)'할 것입니다 - 이는 정의한 시간 창(예: 톤 시작으로부터 50ms 전부터 400ms 후까지)으로 뇌 반응을 청크하는 용어입니다. 그런 다음 모든 분리된 에포크 EEG 데이터를 평균화하여 뚜렷한 ERP를 얻습니다. 아래는 일반적인 ERP 파이프라인의 기본 단계입니다. 연구자들은 데이터와 목표에 따라 단계를 선택할 것입니다. 그림 4 - 일반적인 ERP 처리 파이프라인 4. 나만의 ERP 얻기 첫째, 소프트웨어를 설정합시다. PsychoPy의 최신 버전을 다운로드하세요 - https://www.psychopy.org/ 우리는 참가자에게 톤을 제공하기 위해 PsychoPy를 사용할 것입니다. EEG를 기록하고 보기 위해 Emotiv Launcher와 EmotivPRO 앱을 얻으세요. PsychoPy와 Emotiv 소프트웨어를 연결하여 서로 통신할 수 있도록 합니다. 동영상을 따르세요: PsychoPy로 EMOTIV EEG 실험 만들기 부드러운 ERP는 어떠한 자극(예: 이미지, 톤)의 반복을 통해 얻을 수 있습니다. 여기에서는 참가자에게 동일한 50ms 톤을 4초마다 약 150회 제시할 것입니다! 동영상을 보면서 단일 톤을 사용해 간단한 청각 실험을 만드세요: 데이터를 얻어 봅시다 이제 참조를 선택했으니, 최상의 품질의 EEG를 얻기 위해 헤드셋을 설정하는 방법에 대한 동영상을 시청하세요: EmotivPRO 분석기를 통한 ERP 파이프라인 동영상을 보고 자신의 ERP를 생성하는 단계를 따르세요: 분석기에서 ERP 출력 이해 각 채널에서 평균화된 파형을 볼 수 있습니다. 일반적으로 100ms에서 부정적 피크가 있는 부드러운 ERP가 아래에 보입니다. 실선은 평균 진폭을 나타내고 더 밝은 음영은 평균의 표준 오차를 나타냅니다: 다음은 명확한 ERP 구성 요소가 없는 잡음이 많은 파형입니다. 이는 낮은 시험 수로 인해 발생할 수 있습니다: 고려해야 할 사항 서로 다른 참가자 간에 ERP를 비교할 때 일반적으로 효과 차이를 비교하는 것이 더 좋습니다. 예를 들어, 우리는 더 빈번한 톤(표준)에 대한 평균 ERP와 덜 자주 발생하는 톤(이상/드문)의 평균 ERP를 비교할 수 있습니다. 우리는 한 파형의 진폭에서 다른 파형의 진폭을 빼서 차이 파형을 얻을 수 있습니다. 그림 5와 같이 우리는 ERP에서 환경의 패턴에 대한 위반이 있을 때 일반적으로 연구되는 ERP 구성 요소인 불일치 부정성(Mismatch Negativity, MMN)을 관찰할 수 있습니다. 그림 5 - 환경의 패턴 위반 시 ERP에서 불일치 부정성 구성 요소가 관찰될 수 있습니다. 5. ERP의 응용 바이오마커의 식별: ERP의 가장 일반적인 응용 중 하나는 임상 연구자들이 정신 장애(예: 조현병)를 진단하는 더 나은 방법을 찾는 것입니다. 조현병 환자는 일반적으로 불일치 부정 반응을 기반으로 건강한 대조군과 구별될 수 있습니다. 그림 6 - 불일치 부정의 진폭은 만성 조현병, 최근 발병 및 이 질병이 발생할 위험이 있는 사람들에서 의미 있게 더 높습니다(Jashan 2012) ERP - BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스) ERP는 서로 다른 정신 명령이나 시각적 자극(예: 키보드의 문자)에 사용되어 휠체어를 움직이거나 BCI 철자를 사용하는 데 사용될 수 있습니다. 6. 자료 Emotiv 매뉴얼 EmotivPRO 빌더 매뉴얼 EmotivPRO 매뉴얼 EmotivPRO 분석기 매뉴얼 추천 읽기 Luck, S.J., 2005. ERP 실험 설계 및 해석을 위한 10가지 간단한 규칙. 이벤트 관련 전위: 방법 핸드북, 4.