Noções Básicas de Potenciais Relacionados a Eventos

1. Introdução

Bem-vindo! Neste segundo tutorial, vamos aprender como marcar uma resposta cerebral a estímulos.

Vamos aprender:

• O que é um potencial relacionado ao evento (ERP)?

• O que são picos e componentes do ERP?

• Etapas típicas para obter um ERP

• Aplicação prática usando o dispositivo e software Emotiv EPOC

  
  
  

2. O que é um potencial relacionado ao evento (ERP)?

Um potencial relacionado ao evento (ERP), também referido como um potencial evocado, é a resposta cerebral a um evento ou estímulo (como ouvir um tom alto). Especificamente, é a mudança de amplitude de voltagem observada no EEG como resultado de um evento sensorial ou cognitivo.

Podemos observar 'componentes do ERP' que são picos estáveis que ocorrem após o início de um estímulo. Um ERP pode ter muitos picos positivos ou negativos, mas nem todos são componentes de ERP bem caracterizados, como os componentes N100 ou P300.

Lembre-se de olhar na direção do eixo quando você vê um EEG no domínio do tempo. Às vezes, você verá o – no topo e + na parte inferior do eixo, especialmente em EEG clínico.

Nota: um ERP pode ser representado a partir de um único evento ou pela média das amplitudes ao longo de várias tentativas desse evento. Normalmente, ERPs suaves com componentes tão distintos – como na imagem – são obtidos apenas pela média ao longo de centenas de tentativas.

Fig. 1 – Componentes típicos do ERP auditivo

Componentes típicos são caracterizados por sua polaridade (ou seja, Positivo (P) ou Negativo (N)) e quando ocorrem (por exemplo, o 1º componente negativo N1). O mesmo componente N1 também pode ser identificado pelo tempo em que ocorreu (por exemplo, 100ms a partir do início do tom) – N100.

3. Etapas para obter um ERP

Fase de Experimento:

Desenhamos experimentos para obter ERPs específicos de interesse.

Por exemplo, podemos coletar EEG enquanto os participantes ouvem tons de áudio.

Para entender os dados de EEG, precisamos marcar o tempo em que o participante ouviu um tom no EEG. Esses são chamados de marcadores de eventos (linhas vermelhas verticais na Figura 2).

Fig. 2 – Marcadores de eventos (linhas vermelhas) exibidos em um EEG bruto

Alinhar com precisão o tempo do marcador de eventos com o início do tom é muito importante para que possamos ver um ERP! Portanto, é importante selecionar o hardware e software adequados para nos ajudar a obter timestamps precisos.

Selecionando um referencial

Lembre-se de que a atividade elétrica é sempre medida entre dois pontos. Nos dispositivos EEG, o potencial elétrico em cada sensor é medido em relação aos sensores de referência (DRL + CMS).

Nos dispositivos Emotiv EPOC, existem duas opções para sensores de referência.

Fig. 3 – Opções de referência em dispositivos tipo Emotiv EPOC

Um fone de ouvido do tipo EPOC tem duas opções de referência:

• Referência Mastóidea – Para usar a Mastóide como sensores de referência, colocamos tampões de borracha nos sensores P3/P4 e feltros úmidos nos sensores mastóideos.

• Referência P3/P4 – Para usar P3/P4 como sensores de referência, colocamos tampões de borracha nos sensores M1/M2 Mastóide e feltros úmidos nos sensores P3/P4.

É típico usar referência mastóidea para experiências de ERP, mas você pode usar referências P3/P4, pois você sempre pode re-referenciar os dados online mais tarde, ao pré-processar seus dados antes da análise. É comum re-referenciar os dados para a média de todos os sensores antes de analisar os dados.

Para nosso experimento, coletaremos dados usando referência mastóidea. A suposição geralmente boa aqui é que o processo mastóideo não transmitirá dados de EEG tanto quanto outras localizações na cabeça, então é um bom ponto de referência.

Pré-processamento:

Não podemos ver imediatamente um ERP no EEG bruto porque é um efeito muito pequeno (~ ±5uV) comparado a tudo que está acontecendo em nosso cérebro (~ ±40uV)!

Portanto, para ver o efeito cerebral específico ao nosso tom, precisamos limpar nossos dados para remover quaisquer ruídos ou artefatos. Em seguida, 'epocharemos' os dados – que é um termo usado para dividir as respostas cerebrais em uma janela de tempo que definimos (por exemplo, a resposta cerebral começando 50ms antes do tom e 400ms após o tom). Em seguida, médiaremos todos os dados de EEG epocados separados (ou seja, as respostas cerebrais a todos os tons) para obter um ERP distinto.

Abaixo estão as etapas básicas em um pipeline típico de ERP. Os pesquisadores selecionarão etapas dependendo de seus dados e objetivos.

Fig. 4 – Um pipeline típico de processamento de ERP

4. Vamos obter nosso próprio ERP

Primeiro, vamos configurar o software

1. Baixe a versão mais recente do PsychoPy – https://www.psychopy.org/ Vamos usar o PsychoPy para apresentar os participantes com os tons.

2. Obtenha o Emotiv Launcher e o EmotivPRO Apps para gravar e visualizar EEG.

3. Conecte o PsychoPy com seu Software Emotiv para que eles possam se comunicar.

Siga os passos no vídeo:

Construa um experimento EEG EMOTIV com PsychoPy

Um ERP suave pode ser obtido usando múltiplas repetições de quaisquer estímulos (por exemplo, uma imagem, um tom). Aqui, vamos apresentar ao participante o mesmo tom de 50ms, a cada 4 segundos, por ~150 vezes!

Continue com o vídeo para construir um experimento auditivo simples com um único tom:

Vamos obter alguns dados

Agora que você escolheu o referencial, pode assistir ao vídeo para aprender como configurar seu fones de ouvido para obter a melhor qualidade de EEG:

Pipelines ERP com EmotivPRO Analyzer

Assista ao vídeo e siga os passos para gerar seu próprio ERP:

Entendendo a saída do ERP do Analyzer

Para cada canal, você verá uma forma de onda média. Um ERP suave típico com um pico negativo a 100ms pode ser visto abaixo. A linha sólida indica a amplitude média e a coloração mais clara indica o erro padrão da média:

Aqui está uma forma de onda ruidosa sem componentes claros de ERP. Isso pode resultar de um baixo número de tentativas:

Coisas a considerar

Ao comparar ERPs entre participantes, é geralmente melhor comparar o efeito de diferença.

Por exemplo, podemos olhar para o ERP médio em relação a um tom mais frequente (padrão) comparado a tons que ocorrem com menos frequência (desvio/oddball) em um padrão. Podemos obter uma forma de onda de diferença simplesmente subtraindo as amplitudes de uma onda de outra. Como na Figura 5, podemos então observar um componente ERP tipicamente conhecido como Negatividade de Desvio (MMN), que é comumente estudado na pesquisa sobre ERP.

Fig. 5 – O componente de negatividade de desvio pode ser observado no ERP quando há uma violação a um padrão no ambiente

5. Aplicações dos ERPs

Identificação de Biomarcadores :

Uma das aplicações mais comuns dos ERPs é em pesquisadores clínicos para encontrar melhores maneiras de diagnosticar transtornos psiquiátricos, como a Esquizofrenia. Pessoas vivendo com esquizofrenia podem ser diferenciadas de controles saudáveis com base em sua Resposta de Negatividade de Desvio.

Fig. 6 – As amplitudes de negatividade de desvio são significativamente maiores do que nas pessoas com esquizofrenia crônica, recente ou em risco de desenvolver o transtorno (Jashan 2012)

ERP – BCI (Interfaces Cérebro-Computador)

ERPs para diferentes comandos mentais ou estímulos visuais (como letras em um teclado) podem ser usados para mover cadeiras de rodas ou alimentar digitadores BCI.

6. Recursos

Manuais Emotiv

1. Manual do EmotivPRO Builder

2. Manual do EmotivPRO

3. Manual do EmotivPRO Analyzer

Leitura Recomendada

Luck, S.J., 2005. Dez regras simples para projetar e interpretar experimentos de ERP. Potenciais relacionados a eventos: um manual de métodos, 4.