1. Wprowadzenie

Witaj! W tym drugim samouczku dowiemy się, jak oznaczać reakcję mózgu na bodźce.

Dowiemy się:

• Czym jest potencjał wywołany (ERP)?

• Czym są piki i komponenty ERP?

• Typowe kroki do uzyskania ERP

• Praktyczne zastosowanie z użyciem urządzenia i oprogramowania Emotiv EPOC

2. Czym jest potencjał wywołany (ERP)?

Potencjał wywołany (ERP), zwany również potencjałem ewokowanym, to reakcja mózgu na zdarzenie lub bodziec (np. usłyszenie głośnego tonu). Dokładniej – jest to zmiana amplitudy napięcia widoczna w EEG w wyniku zdarzenia sensorycznego lub poznawczego.

Możemy zaobserwować „komponenty ERP”, które są stabilnymi pikami występującymi po pojawieniu się bodźca. ERP może mieć wiele pików dodatnich lub ujemnych, ale nie wszystkie z nich są dobrze charakteryzującymi się komponentami ERP, takimi jak komponenty N100 lub P300.

Pamiętaj, aby patrzeć na kierunek osi, gdy widzisz EEG w dziedzinie czasu. Czasami zobaczysz minus (-) na górze i plus (+) na dole osi, szczególnie w klinicznym EEG

Uwaga: ERP może być reprezentowany przez pojedyncze zdarzenie lub przez uśrednienie amplitud w wielu próbach tego zdarzenia. Zazwyczaj wygładzone ERP o tak wyraźnych komponentach – jak na obrazku – uzyskuje się dopiero po uśrednieniu z setek prób

Rys. 1 – Typowe komponenty słuchowego ERP

Typowe komponenty charakteryzują się polaryzacją (tj. dodatnią (P) lub ujemną (N)) oraz czasem ich wystąpienia (np. pierwszy komponent ujemny N1). Ten sam komponent N1 można również zidentyfikować na podstawie czasu, w którym wystąpił (np. 100 ms od rozpoczęcia tonu) – N100

3. Kroki do uzyskania ERP

Faza eksperymentu:

Projektujemy eksperymenty w celu uzyskania konkretnych ERP, które nas interesują.

Na przykład możemy zbierać dane EEG, podczas gdy uczestnicy słuchają tonów dźwiękowych.

Aby mieć jasny obraz danych EEG, musimy zaznaczyć w EEG moment, w którym uczestnik usłyszał ton. Są one nazywane znacznikami zdarzeń (pionowe czerwone linie na rysunku 2).

Rys. 2 – Znaczniki zdarzeń (czerwone linie) wyświetlane na surowym EEG

Dokładne wyrównanie czasu znacznika zdarzenia z początkiem tonu jest bardzo ważne, abyśmy mogli zobaczyć ERP! Dlatego ważne jest, aby wybrać odpowiedni sprzęt i oprogramowanie, które pomogą nam uzyskać dokładne znaczniki czasu.

Wybór odniesienia (referencji)

Pamiętaj, że aktywność elektryczna jest zawsze mierzona między dwoma punktami. W urządzeniach EEG potencjał elektryczny na każdym czujniku jest mierzony względem czujników referencyjnych (DRL + CMS).

W urządzeniach Emotiv EPOC istnieją dwie opcje czujników referencyjnych

Rys. 3 – Opcje referencji w urządzeniach typu Emotiv EPOC

Zestaw słuchawkowy typu EPOC ma dwie opcje referencji:

• Referencja sutkowa (Mastoid Reference) – Aby użyć wyrostka sutkowego jako czujników referencyjnych, nakładamy gumowe zatyczki na czujniki P3/P4 i mokre filce na czujniki sutkowe.

• Referencja P3/P4 – Aby użyć P3/P4 jako czujników referencyjnych, nakładamy gumowe zatyczki na czujniki sutkowe M1/M2 i mokre filce na czujniki P3/P4

W eksperymentach ERP typowe jest stosowanie referencji sutkowej, ale można użyć referencji P3/P4, ponieważ zawsze można zmienić referencję danych online później, podczas wstępnego przetwarzania danych przed analizą. Przed analizą danych powszechne jest przeprowadzanie ponownej referencji danych do średniej ze wszystkich czujników.

Na potrzeby naszego eksperymentu zbierzemy dane przy użyciu referencji sutkowej. Zwykle słusznym założeniem jest tutaj to, że wyrostek sutkowy nie będzie przesyłał danych EEG w takim stopniu, jak inne miejsca na głowie, więc jest to dobry punkt referencyjny.

Wstępne przetwarzanie (Pre-processing):

Nie jesteśmy w stanie natychmiast zobaczyć ERP w surowym EEG, ponieważ jest to bardzo mały efekt (~ ±5 uV) w porównaniu do wszystkiego innego, co dzieje się w naszym mózgu i wokół niego (~ ±40 uV)!

Aby więc zobaczyć efekt mózgowy specyficzny dla naszego tonu, musimy oczyścić nasze dane, usuwając wszelki szum lub artefakty. Następnie dokonamy „epochingu” danych – co jest terminem używanym do dzielenia reakcji mózgu na określone przez nas okno czasowe (np. reakcja mózgu zaczynająca się 50 ms przed tonem i 400 ms po tonie). Następnie uśredniamy wszystkie oddzielne segmenty (epoki) danych EEG (tj. reakcje mózgu na wszystkie tony), aby uzyskać wyraźny ERP.

Poniżej przedstawiono podstawowe kroki w typowym procesie ERP. Badacze wybierają kroki w zależności od swoich danych i celów.

Rys. 4 – Typowy proces przetwarzania ERP

4. Uzyskajmy nasz własny ERP

Najpierw skonfigurujmy oprogramowanie

1. Pobierz najnowszą wersję PsychoPy – https://www.psychopy.org/ Użyjemy PsychoPy, aby zaprezentować uczestnikom tony.

2. Pobierz aplikacje Emotiv Launcher i EmotivPRO, aby rejestrować i przeglądać EEG.

3. Połącz PsychoPy ze swoim oprogramowaniem Emotiv, aby mogły się ze sobą komunikować.

Postępuj zgodnie z krokami w filmie:

Zbuduj eksperyment Emotiv EEG za pomocą PsychoPy

Wygładzony ERP można uzyskać za pomocą wielokrotnego powtarzania dowolnych bodźców (np. obrazu, tonu). Tutaj zaprezentujemy uczestnikowi ten sam 50 ms ton, co 4 sekundy przez około 150 razy!

Postępuj zgodnie z instrukcjami w filmie, aby zbudować prosty eksperyment słuchowy z pojedynczym tonem:

Zbierzmy trochę danych

Teraz, gdy masz już wybraną referencję, możesz obejrzeć film, aby dowiedzieć się, jak skonfigurować zestaw słuchawkowy, aby uzyskać najlepszą jakość EEG:

Proces ERP z EmotivPRO Analyzer

Obejrzyj film i postępuj zgodnie z instrukcjami, aby wygenerować własny ERP:

Zrozumienie wyniku ERP z modułu Analyzer

Dla każdego kanału zobaczysz uśredniony przebieg fali. Typowy wygładzony ERP z ujemnym pikiem przy 100 ms można zobaczyć poniżej. Linia ciągła wskazuje średnią amplitudę, a jaśniejsze cieniowanie wskazuje błąd standardowy średniej:

Oto zaszumiony przebieg fali bez wyraźnych komponentów ERP. Może to wynikać z małej liczby prób:

Kwestie do rozważenia

Porównując ERP między uczestnikami, ogólnie lepiej jest porównać efekt różnicy.

Np. Możemy spojrzeć na uśredniony ERP dla częstszego tonu (standardowego) w porównaniu do tonów, które występują rzadziej (dewiacyjnych/odbiegających od normy) w schemacie. Możemy uzyskać falę różnicową poprzez proste odjęcie amplitud jednej fali od drugiej. Jak na rysunku 5, możemy następnie zaobserwować komponent ERP powszechnie znany jako zmiana negatywna związana z niezgodnością bodźca (Mismatch Negativity – MMN), który jest powszechnie badany w analizach ERP.

Rys. 5 – Komponent zmiany negatywnej związanej z niezgodnością bodźca (MMN) można zaobserwować w ERP, gdy dochodzi do naruszenia wzorca w otoczeniu

5. Zastosowania ERP

Identyfikacja biomarkerów:

Jednym z najczęstszych zastosowań ERP są badania kliniczne mające na celu znalezienie lepszych sposobów diagnozowania zaburzeń psychicznych, takich jak schizofrenia. Osoby żyjące ze schizofrenią można odróżnić od zdrowych osób z grupy kontrolnej na podstawie ich reakcji na niezgodność bodźca (MMN)

Rys. 6 – Amplitudy negatywności niezgodności (MMN) są znacznie wyższe niż w przypadku schizofrenii przewlekłej, o niedawnym początku, jak również u osób zagrożonych rozwojem tego zaburzenia (Jashan 2012)

ERP – BCI (Interfejsy mózg-komputer)

Potencjały ERP na różne polecenia mentalne lub bodźce wzrokowe (takie jak litery na klawiaturze) mogą być używane do poruszania wózkami inwalidzkimi lub zasilania syntezatorów mowy BCI

6. Zasoby

Instrukcje Emotiv

1. Instrukcja EmotivPRO Builder

2. Instrukcja EmotivPRO

3. Instrukcja EmotivPRO Analyzer

Zalecana lektura

Luck, S.J., 2005. Ten simple rules for designing and interpreting ERP experiments. Event-related potentials: A methods handbook, 4.