Một phân tích toàn diện cho những người mới bắt đầu BCI.

1. Giới thiệu Chào mừng! Trong hướng dẫn thứ hai này, chúng ta sẽ học cách đánh dấu phản ứng của não đối với các kích thích. Chúng ta sẽ học: Điện thế sự kiện (ERP) là gì? Các đỉnh và thành phần ERP là gì? Các bước điển hình để thu được một ERP Ứng dụng thực tiễn sử dụng thiết bị và phần mềm Emotiv EPOC 2. Điện thế sự kiện (ERP) là gì? Điện thế sự kiện (ERP), còn được gọi là điện thế kích thích, là phản ứng của não đối với một sự kiện hoặc kích thích (như nghe một âm thanh lớn). Cụ thể - đó là sự thay đổi biên độ điện áp được quan sát thấy trong EEG do một sự kiện cảm giác hoặc nhận thức gây ra. Chúng ta có thể quan sát các "thành phần ERP" là những đỉnh ổn định xảy ra sau khi có kích thích. Một ERP có thể có nhiều đỉnh dương hoặc âm nhưng không phải tất cả đều được mô tả rõ ràng, các thành phần ERP như N100 hoặc P300. Hãy nhớ xem hướng dọc của trục khi bạn nhìn thấy một EEG theo miền thời gian. Đôi khi bạn sẽ thấy dấu - ở trên và dấu + ở dưới trục, đặc biệt trong EEG lâm sàng. Lưu ý: một ERP có thể được đại diện từ một sự kiện đơn lẻ hoặc bằng cách trung bình các biên độ qua nhiều lần thử nghiệm của sự kiện đó. Thông thường, các ERP mượt mà có các thành phần rõ ràng - như trong hình - chỉ được thu được bằng cách trung bình qua hàng trăm thử nghiệm. Hình 1 - Các thành phần ERP thính giác điển hình Các thành phần điển hình được đặc trưng bởi cực tính của chúng (tức là, Dương (P) hoặc Âm (N) và khi chúng xảy ra (ví dụ: thành phần âm đầu tiên N1). Cùng một thành phần N1 cũng có thể được xác định bằng thời gian mà chúng xảy ra (ví dụ: 100ms từ khi bắt đầu âm thanh) - N100 3. Các bước để thu được một ERP Giai đoạn thí nghiệm: Chúng ta thiết kế các thí nghiệm để thu được các ERP cụ thể mà chúng ta quan tâm. Ví dụ, chúng ta có thể thu thập EEG trong khi những người tham gia nghe các âm thanh. Để hiểu dữ liệu EEG, chúng ta cần đánh dấu thời gian mà người tham gia nghe thấy âm thanh trong EEG. Các dấu này được gọi là dấu hiệu sự kiện (Các đường thẳng dọc màu đỏ trong Hình 2). Hình 2 - Các dấu hiệu sự kiện (đường đỏ) hiển thị trên một EEG thô Việc căn chỉnh thời gian của dấu hiệu sự kiện một cách chính xác với thời điểm bắt đầu của âm thanh là rất quan trọng để chúng ta có thể thấy một ERP! Vì vậy, điều quan trọng là chọn phần cứng và phần mềm phù hợp để giúp chúng ta thu được các dấu thời gian chính xác. Chọn một tham chiếu Hãy nhớ rằng hoạt động điện luôn được đo giữa hai điểm. Trong các thiết bị EEG, điện thế điện ở mỗi cảm biến được đo so với các cảm biến tham chiếu (DRL + CMS). Trong các thiết bị Emotiv EPOC có hai tùy chọn cho cảm biến tham chiếu. Hình 3 - Các tùy chọn tham chiếu trong các thiết bị loại Emotiv EPOC Một chiếc tai nghe loại EPOC có hai tùy chọn tham chiếu: Tham chiếu Mastoid - Để sử dụng Mastoid làm cảm biến tham chiếu, chúng ta đặt các nút cao su trên các cảm biến P3/P4 và bông ướt trên các cảm biến mastoid. Tham chiếu P3/P4 - Để sử dụng P3/P4 làm cảm biến tham chiếu, chúng ta đặt các nút cao su lên các cảm biến M1/M2 mastoid và bông ướt trên các cảm biến P3/P4. Thông thường, tham chiếu Mastoid được sử dụng cho các thí nghiệm ERP, nhưng bạn có thể sử dụng tham chiếu P3/P4 vì bạn có thể luôn tái tham chiếu dữ liệu trực tuyến sau đó, khi tiền xử lý dữ liệu trước khi phân tích. Thông thường, dữ liệu sẽ được tái tham chiếu về trung bình của tất cả các cảm biến trước khi phân tích. Đối với thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi sẽ thu thập dữ liệu sử dụng tham chiếu Mastoid. Giả định tốt thông thường ở đây là quá trình mastoid sẽ không truyền dữ liệu EEG nhiều như các vị trí khác trên đầu, vì vậy đây là một điểm tham chiếu tốt. Tiền xử lý: Chúng ta không thể ngay lập tức nhìn thấy một ERP trong EEG thô vì đó là một hiệu ứng rất nhỏ (~ ±5uV) so với tất cả những gì đang diễn ra trong và xung quanh não của chúng ta (~ ±40uV)! Vì vậy, để thấy hiệu ứng não cụ thể cho âm thanh của chúng ta, chúng ta cần làm sạch dữ liệu của mình để loại bỏ bất kỳ tiếng ồn hoặc artefact nào. Sau đó, chúng ta sẽ "epoch" dữ liệu - thuật ngữ được sử dụng để phân đoạn các phản ứng não thành một khoảng thời gian mà chúng ta đã xác định (ví dụ: phản ứng não bắt đầu từ 50ms trước âm thanh và 400ms sau âm thanh). Sau đó, chúng ta trung bình tất cả các dữ liệu EEG đã phân đoạn (tức là các phản ứng não đối với tất cả các âm thanh) để thu được một ERP rõ ràng. Dưới đây là các bước cơ bản trong một quy trình ERP điển hình. Các nhà nghiên cứu sẽ chọn các bước tùy thuộc vào dữ liệu và mục tiêu của họ. Hình 4 - Quy trình xử lý ERP điển hình 4. Hãy tự thu được ERP của mình Trước tiên, hãy thiết lập phần mềm Tải phiên bản mới nhất của PsychoPy - https://www.psychopy.org/ Chúng ta sẽ sử dụng PsychoPy để trình bày cho người tham gia các âm thanh. Tải về Emotiv Launcher và Ứng dụng EmotivPRO để ghi lại và xem EEG. Kết nối PsychoPy với phần mềm Emotiv của bạn để chúng có thể giao tiếp với nhau. Làm theo các bước trong video: Xây dựng một thí nghiệm EEG EMOTIV với PsychoPy Một ERP mượt mà có thể được thu được bằng cách lặp lại nhiều kích thích (ví dụ: hình ảnh, âm thanh). Ở đây chúng ta sẽ trình bày cho người tham gia cùng một âm thanh 50ms, mỗi 4 giây trong khoảng 150 lần! Hãy làm theo video để xây dựng một thí nghiệm thính giác đơn giản với một âm thanh duy nhất: Hãy để có được một số dữ liệu Bây giờ bạn đã chọn tham chiếu, bạn có thể xem video để tìm hiểu về cách thiết lập tai nghe của bạn để có chất lượng EEG tốt nhất: Quy trình ERP với EmotivPRO Analyzer Xem video và làm theo các bước để tạo ra ERP của bạn: Hiểu đầu ra ERP từ Analyzer Đối với mỗi kênh, bạn sẽ thấy một dạng sóng trung bình. Một ERP mượt mà điển hình với một đỉnh âm ở 100ms có thể được nhìn thấy ở dưới đây. Đường nét rắn chỉ ra biên độ trung bình và vùng sáng hơn chỉ ra sai số chuẩn của trung bình: Dưới đây là một dạng sóng ồn ào mà không có thành phần ERP rõ ràng. Điều này có thể xảy ra khi số lượng thử nghiệm thấp: Những điều cần xem xét Khi so sánh ERP giữa các người tham gia, thường tốt hơn khi so sánh hiệu ứng khác biệt. Ví dụ: Chúng ta có thể nhìn vào ERP trung bình đối với một âm thanh thường xuyên hơn (chuẩn) so với các âm thanh xảy ra ít hơn (đặc biệt/ không bình thường) trong một mẫu. Chúng ta có thể thu được một dạng sóng khác biệt bằng cách đơn giản trừ đi biên độ của một sóng từ một sóng khác. Như trong Hình 5, chúng ta có thể quan sát một thành phần ERP thường được gọi là Nhầm lẫn Âm tính (MMN) mà thường được nghiên cứu trong nghiên cứu ERP. Hình 5 - Thành phần âm tính nhầm lẫn có thể được quan sát trong ERP khi có sự vi phạm về mẫu trong môi trường 5. Ứng dụng của ERP Xác định Biomarkers: Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của ERP là trong nghiên cứu lâm sàng để tìm ra những cách tốt hơn để chẩn đoán các rối loạn tâm thần như tâm thần phân liệt. Những người sống với tâm thần phân liệt có thể được phân biệt với những kiểm soát khỏe mạnh dựa trên Phản ứng Nhầm lẫn Âm tính của họ. Hình 6 - Các biên độ nhầm lẫn âm tính cao hơn đáng kể ở những người bị tâm thần phân liệt mạn tính, những người mới khởi phát cũng như những người có nguy cơ phát triển rối loạn (Jashan 2012). ERP - BCI (Giao diện Máy tính Não) ERP đối với các lệnh tâm trí khác nhau hoặc kích thích thị giác (như chữ cái trên bàn phím) có thể được sử dụng để di chuyển xe lăn hoặc cung cấp các máy đánh vần BCI 6. Tài nguyên Hướng dẫn Emotiv Hướng dẫn EmotivPRO Builder Hướng dẫn EmotivPRO Hướng dẫn EmotivPRO Analyzer Đọc thêm: Luck, S.J., 2005. Mười quy tắc đơn giản cho việc thiết kế và diễn giải các thí nghiệm ERP. Điện thế liên quan đến sự kiện: Một cuốn sách hướng dẫn phương pháp, 4.