1. Inleiding

Welkom! In deze tweede tutorial gaan we leren hoe we een hersenreactie op stimuli markeren.

We gaan leren:

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

• Wat zijn ERP-pieken en -componenten?

• Typische stappen om een ERP te verkrijgen

• Praktische toepassing met het Emotiv EPOC-apparaat en software

  
  
  

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

Een event-related potential (ERP), ook wel een opgewekt potentiaal genoemd, is de hersenreactie op een gebeurtenis of stimulus (zoals het horen van een harde toon). Specifiek – het is de verandering in spanningsamplitude die in de EEG wordt waargenomen als gevolg van een zintuiglijke of cognitieve gebeurtenis.

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

Onthoud dat je naar de richting van de as moet kijken wanneer je een EEG in het tijddomein ziet. Soms zie je de – bovenaan en + onderaan de as, vooral in klinische EEG

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

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 het tijdstip waarop deze optrad (bijv. 100 ms vanaf het begin van de toon) – N100

3. Stappen om een ERP te verkrijgen

Experimentele fase:

We ontwerpen experimenten om specifieke ERP's van interesse te verkrijgen.

Bijvoorbeeld kunnen we EEG verzamelen terwijl deelnemers naar toonstimuli luisteren.

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

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

Het is voor ons erg belangrijk dat de timing van de event markers nauwkeurig wordt uitgelijnd met het begin van de toon, zodat we een ERP kunnen zien! Daarom is het belangrijk om de juiste hardware en software te kiezen die ons helpt nauwkeurige tijdstempels te verkrijgen.

Een referentie selecteren

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

In Emotiv EPOC-apparaten zijn er twee opties voor referentiesensoren

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

Een headset van het EPOC-type heeft twee referentie-opties:

• Mastoïdreferentie – Om het mastoïd als referentiesensoren te gebruiken, plaatsen we rubberen dopjes op de P3/P4-sensoren en bevochtigde viltjes op de mastoïdsensoren.

• P3/P4-referentie – Om P3/P4 als referentiesensoren te gebruiken, plaatsen we rubberen dopjes op de M1/M2-mastoïdsensoren en bevochtigde viltjes op de P3/P4-sensoren

Het is gebruikelijk om mastoïdreferentie te gebruiken voor ERP-experimenten, maar je kunt ook P3/P4-referentie gebruiken, omdat je de gegevens later altijd online opnieuw kunt refereren tijdens de voorbewerking van je 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 mastoïdreferentie. De meestal goede aanname hier is dat het processus mastoideus EEG-gegevens minder zal doorgeven dan andere locaties op het hoofd, dus het is een goed referentiepunt.

Voorbewerking:

We kunnen een ERP niet meteen zien in de ruwe EEG, omdat het een heel klein effect is (~ ±5uV) vergeleken met alles wat er verder in en rondom ons brein gebeurt (~ ±40uV)!

Dus om het herseneffect dat specifiek is voor onze toon te zien, moeten we onze gegevens opschonen om ruis of artefacten te verwijderen. Daarna zullen we de gegevens ‘epochen’ – een term die wordt gebruikt om de hersenresponsen op te delen in een tijdvenster dat we hebben gedefinieerd (bijv. de hersenrespons vanaf 50 ms vóór de toon en 400 ms na de toon). Daarna middelen we alle afzonderlijke geepochte EEG-gegevens (d.w.z. de hersenresponsen op alle tonen) om een duidelijke ERP te verkrijgen.

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

Fig. 4 – Een typische ERP-verwerkingspijplijn

4. Laten we onze eigen ERP verkrijgen

Laten we eerst de software instellen

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

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

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

Volg de stappen in de video:

Bouw een Emotiv EEG-experiment met PsychoPy

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

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

Laten we wat gegevens verzamelen

Nu je de referentie hebt gekozen, kun je de video bekijken om te leren hoe je je headset instelt voor de beste kwaliteit EEG:

ERP-pijplijn met EmotivPRO Analyzer

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

De ERP-uitvoer van Analyzer begrijpen

Voor elk kanaal zie je een gemiddeld golfvormsignaal. Hieronder zie je een typische gladde ERP met een negatieve piek bij 100 ms. De doorgetrokken lijn geeft de gemiddelde amplitude aan en de lichtere arcering geeft de standaardfout van het gemiddelde aan:

Hier is een ruisachtig golfvormsignaal zonder duidelijke ERP-componenten. Dit kan het gevolg zijn van een laag aantal herhalingen:

Dingen om te overwegen

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

Bijv. We kunnen de gemiddelde ERP bekijken voor een meer voorkomende toon (standaard) in vergelijking met tonen die minder vaak voorkomen (afwijkend/oddball) in een patroon. We kunnen een verschilgolfvorm verkrijgen door eenvoudigweg de amplitudes van de ene golf van de andere af te trekken. Zoals in Figuur 5 kunnen we dan een ERP-component observeren die gewoonlijk bekendstaat als Mismatch Negativity (MMN), een component die vaak wordt bestudeerd in ERP-onderzoek.

Fig. 5 – De mismatch-negativiteitscomponent kan in de ERP worden waargenomen wanneer er een schending van een patroon in de omgeving is

5. Toepassingen van ERP's

Identificatie van biomarkers :

Een van de meest voorkomende toepassingen van ERP's is in klinisch onderzoek, 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-respons

Fig. 6 – De amplitudes van mismatch negativity zijn significant hoger dan bij chronische schizofrenie, recent ontstane gevallen en bij personen die het risico lopen 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 literatuur

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