1. Inleiding

Welkom! In deze tweede handleiding gaan we leren over hoe we een hersenrespons op stimuli kunnen markeren.

We zullen leren:

• Wat is een event-related potential (ERP)?

• Wat zijn ERP-pieken en -componenten?

• Typische stappen om een ERP te verkrijgen

• Praktische toepassing met behulp van het Emotiv EPOC-apparaat en software

2. Wat is een event-related potential (ERP)?

Een event-related potential (ERP), ook wel aangeduid als een geëvoceerde potentiaal, is de hersenrespons op een gebeurtenis of stimulus (zoals het horen van een luide toon). Specifiek is het de verandering in de spanningsamplitude die in het EEG te zien is als gevolg van een sensorische of cognitieve gebeurtenis.

We kunnen 'ERP-componenten' waarnemen, dit zijn stabiele pieken die optreden na het begin van een stimulus. Een ERP kan veel positieve of negatieve pieken hebben, maar het zijn niet allemaal goed gekarakteriseerde ERP-componenten zoals de N100- of P300-componenten.

Vergeet niet om naar de asrichting te kijken wanneer u een EEG in het tijdsdomein ziet. Soms ziet u de – aan de bovenkant en + aan de onderkant van de as, vooral in klinische EEG's

Opmerking: een ERP kan worden weergegeven vanuit een enkele gebeurtenis of door amplitudes te middelen over meerdere trials van die gebeurtenis. Typisch worden vloeiende ERP's met zulke duidelijke componenten – zoals in de afbeelding – alleen verkregen door het middelen over honderden trials

Fig. 1 – Typische auditieve ERP-componenten

Typische componenten worden gekenmerkt door hun polariteit (d.w.z. Positief (P) of Negatief (N)) en wanneer ze optreden (bijv. 1e negatieve component N1). Dezelfde N1-component kan ook worden geïdentificeerd door de tijd waarop deze optrad (bijv. 100 ms vanaf het begin van de toon) – N100

3. Stappen om een ERP te verkrijgen

Experimentfase:

We ontwerpen experimenten om specifieke ERP's te verkrijgen die van belang zijn.

We kunnen bijvoorbeeld EEG verzamelen terwijl deelnemers naar audiotonen luisteren.

Om de EEG-gegevens te kunnen begrijpen, moeten we het tijdstip markeren waarop de deelnemer een toon hoorde in het EEG. Dit worden event markers genoemd (verticale rode lijnen in Figuur 2).

Fig. 2 – Event markers (rode lijnen) weergegeven op een ruw EEG

Het nauwkeurig uitlijnen van de timing van de event marker met het begin van de toon is erg belangrijk voor ons om een ERP te kunnen zien! Het is dus belangrijk om de juiste hardware en software te selecteren om ons te helpen nauwkeurige tijdstempels te verkrijgen.

Een referentie selecteren

Onthoud dat elektrische activiteit altijd tussen twee punten wordt gemeten. Bij EEG-apparaten wordt de elektrische potentiaal bij elke sensor gemeten ten opzichte van de referentiesensoren (DRL + CMS).

Bij Emotiv EPOC-apparaten zijn er twee opties voor referentiesensoren

Fig. 3 – Referentie-opties in Emotiv EPOC-type apparaten

Een headset van het type EPOC heeft twee opties voor refereren:

• Mastoïde referentie – Om mastoïde als referentiesensoren te gebruiken, plaatsen we rubberen stoppen op de P3/P4-sensoren en natte viltjes op de mastoïdesensoren.

• P3/P4-referentie – Om P3/P4 als referentiesensoren te gebruiken, plaatsen we rubberen stoppen op de M1/M2 mastoïdesensoren en natte viltjes op de P3/P4-sensoren

Het is gebruikelijk om mastoïdereferenties te gebruiken voor ERP-experimenten, maar u kunt P3/P4-referenties gebruiken, aangezien u de gegevens later altijd online opnieuw kunt refereren bij het voorbewerken van uw gegevens vóór de analyse. Het is gebruikelijk om de gegevens opnieuw te refereren naar het gemiddelde van alle sensoren voordat de gegevens worden geanalyseerd.

Voor ons experiment verzamelen we gegevens met behulp van mastoïdereferenties. De doorgaans goede aanname hier is dat het mastoïdeproces EEG-gegevens niet zozeer zal overbrengen als andere locaties op het hoofd, dus het is een goed referentiepunt.

Voorbewerking (Pre-processing):

We kunnen een ERP niet onmiddellijk in de ruwe EEG zien, omdat het een heel klein effect is (~ ±5uV) vergeleken met al het andere dat zich in en rond onze hersenen afspeelt (~ ±40uV)!

Dus om het herseneffect specifiek voor onze toon te zien, moeten we onze gegevens opschonen om eventuele ruis of artefacten te verwijderen. Vervolgens zullen we de gegevens 'epocheren' – wat een term is die wordt gebruikt voor het opdelen van de hersenresponsen in een door ons gedefinieerd tijdvenster (bijv. de hersenrespons beginnend 50 ms vóór de toon en 400 ms na de toon). Vervolgens gemiddelen we alle afzonderlijke geëpocheerde EEG-gegevens (d.w.z. de hersenresponsen op alle tonen) om een duidelijke ERP te verkrijgen.

Hieronder staan de basisstappen in een typische ERP-pijplijn. Onderzoekers selecteren stappen afhankelijk van hun gegevens en doelstellingen.

Fig. 4 – Een typische ERP-verwerkingspijplijn

4. Laten we onze eigen ERP ophalen

Laten we eerst de software instellen

1. Download de nieuwste versie of PsychoPy – https://www.psychopy.org/ We gaan PsychoPy gebruiken om de tonen aan de deelnemers te presenteren.

2. Download de Emotiv Launcher- en EmotivPRO-apps om EEG op te nemen en te bekijken.

3. Verbind PsychoPy met uw Emotiv-software zodat ze met elkaar kunnen communiceren.

Volg de stappen in de video:

Bouw een Emotiv EEG-experiment met PsychoPy

Een vloeiende ERP kan worden verkregen door meerdere herhalingen van elke stimulus (bijv. een afbeelding, een toon). Hier gaan we de deelnemer ~150 keer om de 4 seconden dezelfde toon van 50 ms presenteren!

Volg de video om een eenvoudig auditief experiment met een enkele toon te bouwen:

Laten we wat data verzamelen

Nu u de referentie heeft gekozen, kunt u de video bekijken om te leren hoe u uw headset instelt om de beste EEG-kwaliteit te krijgen:

ERP-pijplijn met EmotivPRO Analyzer

Bekijk de video en volg de stappen om uw eigen ERP te genereren:

De ERP-output van Analyzer begrijpen

Voor elk kanaal ziet u een gemiddelde golfvorm. Een typische vloeiende ERP met een negatieve piek op 100 ms is hieronder te zien. De ononderbroken lijn geeft de gemiddelde amplitude aan en de lichtere arcering geeft de standaardfout van het gemiddelde aan:

Hier is een ruizige golfvorm zonder duidelijke ERP-componenten. Dit kan het gevolg zijn van een laag aantal trials:

Dingen om rekening mee te houden

Bij het vergelijken van ERP's tussen deelnemers is het over het algemeen beter om het verschil-effect te vergelijken.

Bijv. We kunnen kijken naar de gemiddelde ERP voor een frequentere toon (standaard) vergeleken met tonen die minder vaak voorkomen (deviant/oddball) in een patroon. We kunnen een verschilgolfvorm verkrijgen door simpelweg de amplitudes van de ene golf af te trekken van de andere. Zoals in Figuur 5 kunnen we dan een ERP-component waarnemen die doorgaans bekend staat als Mismatch Negativity (MMN), wat veelvuldig wordt bestudeerd in ERP-onderzoek.

Fig. 5 – Mismatch negativity-component kan worden waargenomen in de ERP wanneer er sprake is van een schending van een patroon in de omgeving

5. Toepassingen van ERP's

Identificatie van biomarkers:

Een van de meest voorkomende toepassingen van ERP's is bij klinische onderzoekers om betere manieren te vinden om psychiatrische stoornissen, zoals schizofrenie, te diagnosticeren. Mensen met schizofrenie kunnen worden onderscheiden van gezonde controles op basis van hun Mismatch Negativity Response

Fig. 6 – Mismatch negativity-amplitudes zijn aanzienlijk hoger dan bij chronische schizofrenie, recent ontstane schizofrenie en personen die risico lopen om de stoornis te ontwikkelen (Jashan 2012)

ERP – BCI (Brain Computer Interfaces)

ERP's voor verschillende mentale commando's of visuele stimuli (zoals letters op een toetsenbord) kunnen worden gebruikt om rolstoelen te verplaatsen of BCI-spellers aan te sturen

6. Bronnen

Emotiv-handleidingen

1. EmotivPRO Builder Handleiding

2. EmotivPRO Handleiding

3. EmotivPRO Analyzer Handleiding

Aanbevolen lectuur

Luck, S.J., 2005. Tien eenvoudige regels voor het ontwerpen en interpreteren van ERP-experimenten. Event-related potentials: A methods handbook, 4.