Uma explicação abrangente para iniciantes em BCI.

1. Introdução Bem-vindo! Neste segundo tutorial, vamos aprender sobre como marcar uma resposta cerebral a estímulos. Iremos aprender: O que é um potencial relacionado a eventos (ERP)? Quais são os picos e componentes do ERP? Passos típicos para obter um ERP Aplicação prática usando o dispositivo e software Emotiv EPOC 2. O que é um potencial relacionado a eventos (ERP)? Um potencial relacionado a eventos (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 na amplitude de voltagem observada no EEG como resultado de um evento sensorial ou cognitivo. Podemos observar 'componentes 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 bem caracterizados como componentes ERP, como os componentes N100 ou P300. Lembre-se de olhar para a direção do eixo quando você vê um EEG no domínio do tempo. Às vezes, você verá o - na parte superior 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 em várias tentativas desse evento. Normalmente, ERPs suaves com componentes tão distintos - como na imagem - são obtidos apenas pela média em 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, 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. Passos para obter um ERP Fase do Experimento: Projetamos experimentos para obter ERPs específicos de interesse. Por exemplo, podemos coletar EEG enquanto os participantes ouvem tons de áudio. Para dar sentido aos dados do EEG, precisamos marcar o momento em que o participante ouviu um tom no EEG. Estes são chamados de marcadores de eventos (linhas verticais vermelhas na Figura 2). Fig. 2 - Marcadores de eventos (linhas vermelhas) exibidos em um EEG bruto. Obter o alinhamento preciso da temporização do marcador de eventos com o início do tom é muito importante para que possamos ver um ERP! Portanto, é importante escolher o hardware e o software corretos para nos ajudar a obter carimbos de tempo precisos. Selecionando uma referência 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 do tipo Emotiv EPOC Um fone de ouvido tipo EPOC tem duas opções para referência: Referência Mastóide - Para usar a mastóide como sensores de referência, colocamos tampões de borracha nos sensores P3/P4 e feltros molhados nos sensores de mastóide. Referência P3/P4 - Para usar P3/P4 como sensores de referência, colocamos tampões de borracha nos sensores M1/M2 da mastóide e feltros molhados nos sensores P3/P4. É típico usar a referência de mastóide para experimentos ERP, mas você pode usar a referência P3/P4, pois 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 a referência de mastóide. A suposição geralmente boa aqui é que o processo mastóide não transmitirá dados de EEG tanto quanto outras localizações na cabeça, então é um bom ponto de referência. Pré-processamento: Não conseguimos ver imediatamente um ERP no EEG bruto porque é um efeito muito pequeno (~ ±5uV) em comparação com tudo o que está acontecendo em e ao redor do nosso cérebro (~ ±40uV)! Portanto, para ver o efeito cerebral específico ao nosso tom, precisamos limpar nossos dados para remover qualquer ruído ou artefatos. Então, nós 'epochamos' os dados - que é um termo usado para fragmentar 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, média todas as separadas epocadas de dados EEG (ou seja, as respostas cerebrais a todos os tons) para obter um ERP distinto. Abaixo estão os passos básicos em um pipeline típico de ERP. Pesquisadores selecionarão passos 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. Baixe a versão mais recente do PsychoPy - https://www.psychopy.org/ Usaremos o PsychoPy para apresentar os participantes com os tons. Obtenha o Emotiv Launcher e os aplicativos EmotivPRO para gravar e visualizar EEG. Conecte o PsychoPy ao 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, iremos apresentar ao participante o mesmo tom de 50ms, a cada 4 segundos durante ~150 vezes! Siga o vídeo para construir um experimento auditivo simples com um único tom: Vamos obter alguns dados Agora que você escolheu a referência, pode assistir ao vídeo para aprender como configurar seu fone de ouvido para obter a melhor qualidade de EEG: Pipeline 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 típico e suave com um pico negativo a 100ms pode ser visto abaixo. A linha sólida indica a amplitude média e a sombra mais clara indica o erro padrão da média: Aqui está uma forma de onda barulhenta sem componentes claros de ERP. Isso pode resultar de um baixo número de tentativas: Coisas a considerar Ao comparar ERPs entre participantes, geralmente é melhor comparar o efeito da diferença. Por exemplo. Podemos olhar para o ERP médio de um tom mais frequente (padrão) comparado a tons que ocorrem com menor frequência (desviante/fora do padrão) em um padrão. Podemos obter uma forma de onda de diferença simplesmente subtraindo as amplitudes de uma onda da outra. Como na Figura 5, podemos então observar um componente ERP tipicamente conhecido como Negatividade de Desvio (MMN), que é comumente estudado na pesquisa de 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 de ERPs Identificação de Biomarcadores: Uma das aplicações mais comuns de ERPs é em pesquisadores clínicos para encontrar melhores maneiras de diagnosticar transtornos psiquiátricos, como a Esquizofrenia. Pessoas que vivem com esquizofrenia podem ser diferenciadas de controles saudáveis com base em sua Resposta de Negatividade de Desvio. Fig. 6 - As amplitudes da negatividade de desvio são significativamente maiores do que na esquizofrenia crônica, início recente, assim como aquelas em risco de desenvolver o transtorno (Jashan 2012) ERP - BCI (Interfaces Cérebro-Computador) ERPs a diferentes comandos mentais ou estímulos visuais (como letras em um teclado) podem ser usados para mover cadeiras de rodas ou acionar máquinas de BCI. 6. Recursos Manuais da Emotiv Manual do Construtor EmotivPRO Manual EmotivPRO Manual EmotivPRO Analyzer Leitura Recomendada Luck, S.J., 2005. Dez regras simples para projetar e interpretar experimentos ERP. Potenciais relacionados a eventos: Um manual de métodos, 4.