Presentert her er prosedyren for bruk av c-grid (øre-elektroencefalografi, solgt under navnet cEEGrid) for registrering av hjerneaktivitet i og utenfor laboratoriet i lengre varighet. Denne protokollen beskriver hvordan du setter opp disse arrayene og hvordan du registrerer hjerneaktivitet ved hjelp av dem.
C-rutenettet (øre-elektroencefalografi, solgt under navnet cEEGrid) er en diskret og komfortabel elektrodegruppe som kan brukes til å undersøke hjernens aktivitet etter påføring rundt øret. C-nettet er egnet for bruk utenfor laboratoriet i lang tid, selv for hele dagen. Ulike kognitive prosesser kan studeres ved hjelp av disse rutenettene, som vist ved tidligere forskning, inkludert forskning utenfor laboratoriet. For å registrere øre-EEG-data av høy kvalitet, er det nødvendig med nøye forberedelse. I denne protokollen forklarer vi trinnene som trengs for vellykket implementering. Først, hvordan du tester funksjonaliteten til rutenettet før et opptak vises. For det andre gis en beskrivelse av hvordan deltakeren skal forberedes og hvordan man tilpasser c-nettet, som er det viktigste trinnet for registrering av data av høy kvalitet. For det tredje er det gitt en oversikt over hvordan du kobler nettene til en forsterker og hvordan du kontrollerer signalkvaliteten. I denne protokollen lister vi opp anbefalinger og tips om beste praksis som gjør c-grid-opptak vellykket. Hvis forskere følger denne protokollen, er de omfattende utstyrt for å eksperimentere med c-rutenettet både i og utenfor laboratoriet.
Med mobil øre-elektroencefalografi (EEG) kan hjerneaktivitet registreres i hverdagen, og ny innsikt i nevral prosessering utover laboratoriet kan oppnås1. For å være egnet for hverdagen, bør et mobilt øre-EEG-system være gjennomsiktig, diskret, enkelt å bruke, bevegelsestolerant og behagelig å ha på selv i flere timer2. C-nettet (solgt under navnet cEEGrid), et c-formet øre-EEG-system, tar sikte på å oppfylle disse kravene for å minimere interferens med naturlig oppførsel. Rutenettet består av 10 Ag/AgCl-elektroder trykt på Flexprint-materiale3. Kombinert med en miniatyrisert, mobil forsterker og en smarttelefon for datainnsamling 4,5, kan disse nettene brukes til å samle inn øre-EEG-data i mer enn 8 timer 1,6.
Flere studier utført i laboratoriet har vist potensialet til c-nett for å studere auditive og andre kognitive prosesser. C-nett har blitt brukt til auditiv oppmerksomhetsdekoding med nøyaktigheter over sjansenivå 7,8,9,10,11. Segaert et al.12 brukte disse arrayene til å kvantifisere språkvansker hos pasienter med mild kognitiv svikt. Garrett et al.13 viste at disse arrayene kan fange opp auditive hjernepotensialer som stammer fra hjernestammen. Bortsett fra forskningen som fokuserte på det auditive domenet, brukte Knierim et al.14 rutenettene til å undersøke strømningsopplevelser (dvs. følelsen av total involvering i en oppgave), målt ved endringer i alfakraft. Til slutt brukte Pacharra et al.15 disse rutenettene til en visuell oppgave. Alle disse laboratoriebaserte studiene viser de ulike kognitive prosessene som kan fanges opp med disse nettene.
Disse rutenettene kan også brukes til EEG-opptak utenfor laboratoriet, som illustrert av flere studier. For eksempel har disse arrayene blitt brukt til å evaluere mental belastning i en kjøresimulator 16,17 og for å studere uoppmerksom døvhet, ikke-oppfatningen av kritiske alarmlyder, i en flysimulator18. Rutenettene er spesielt lovende for langtidsregistreringer, som langtidsovervåking av epileptiske anfall2 og søvnhendelse6. Hölle et al.1 brukte disse rutenettene til å måle auditiv oppmerksomhet i løpet av en kontordag i 6 timer. I sum fremhever alle disse studiene deres potensial til å undersøke ulike hjerneprosesser i og utenfor laboratoriet.
Hvert EEG-opptak krever nøye forberedelse for å oppnå gyldige resultater. Dette er spesielt viktig for mobile applikasjoner der flere gjenstander kan forventes enn i laboratoriet på grunn av deltakerens bevegelse. For å sikre optimale resultater er det nødvendig med spesifikke forberedelsestrinn. Vi oppgir de kritiske trinnene i å forberede nettene, forberede deltakeren på datainnsamling og montering og tilkobling av nettene for EEG-registreringer. Vi peker på potensielle feil og viser eksempler på dårlig datakvalitet når vedlegget ikke er riktig. Til slutt vises representative resultater av en piano-spilt oddballoppgave.
Forutsatt her er en protokoll for øre-EEG-opptak med c-nettene. Ved å følge trinnene i denne protokollen sikrer du opptak av høy kvalitet. I de følgende avsnittene gjøres en sammenligning med cap-EEG, de mest kritiske trinnene i protokollen sammen med noen anbefalinger om beste praksis diskuteres, og noen modifikasjoner diskuteres.
Sammenligning av c-nett med cap-EEG og in-ear EEG
C-rutenettet tillater diskret registrering av hjerneaktivitet i hverdagen og er godt egnet for lengre opptak. Det har flere fordeler sammenlignet med cap-EEG. For det første, på grunn av vekt, komfort og lav synlighet, begrenser det knapt deltakerne i deres daglige aktiviteter1. For det andre kan den brukes i lengre perioder – mer enn 11 timer i en studie 6 – uten at elektrodene faller av 1,3,6, siden de er forseglet av limklistremerkene. På ulempen dekker c-nettet bare en brøkdel av overflaten av cap-EEG og kan derfor ikke erstatte cap-EEG for alle formål. Men i tilfeller der en lett, diskret, rask å sette opp, minimalt begrensende løsning er nødvendig (f.eks. på arbeidsplassen), kan c-nett gi relevant nevral informasjon.
Sammenligningen av resultater på tvers av deltakerne er potensielt vanskeligere for c-nett sammenlignet med cap-EEG. For cap-EEG brukes ofte det internasjonale 10-20-systemet for å lette sammenligningen av resultater på tvers av studier og på tvers av deltakere med forskjellige hodestørrelser. I dette systemet er elektrodene plassert i forhold til spesifikke anatomiske landemerker (dvs. nasion og inion for foran til bak og ørene for venstre til høyre). I praksis brukes forskjellige hettestørrelser for å ta hensyn til forskjellige hodestørrelser og dermed tilnærme den optimale elektrodeposisjoneringen. C-nettet kan ikke enkelt integreres i dette systemet av to grunner. For det første er disse for tiden tilgjengelige i en størrelse og dekker dermed mer eller mindre plass avhengig av hodestørrelsen. For det andre påvirker formen på øret plasseringen av rutenettene. Generelt vil de to øverste elektrodene være rett over øret, men avhengig av øreformen, kan de vippes mer foran eller bak. Vi kjenner ikke til noen studie som har undersøkt om disse skiftene i elektrodeposisjoner er store nok til å være relevante.
En annen tilnærming til måling av øre-EEG er å plassere elektrodene inne i øret, for eksempel i den ytre øregangen eller concha23,24,25. En slik tilnærming gir enda lavere synlighet enn c-rutenettet, men fører til opptak av signaler med lavere amplituder på grunn av de små avstandene mellom elektrodene26.
De mest kritiske trinnene
EEG generelt, og spesielt mobilt øre-sentrert EEG, er fortsatt en utfordrende teknologi. Derfor er nøye forberedelse av deltaker og plassering av rutenettene avgjørende for å sikre god datakvalitet over tid. Forberedelsen starter med håret og huden til deltakerne. Håret og huden rundt øret skal vaskes og tørkes. I tillegg til det må eksperimentøren rengjøre området rundt øret forsiktig med slipende gel og alkohol og sørge for at rutenettene er godt festet med limklistremerkene. Disse trinnene er viktige og bør utføres nøye for å sikre god elektrodehudsadhesjon og lav impedans i lengre perioder. Spesielt hudrengjøringen kan utgjøre forskjellen mellom en vellykket og en mislykket innspilling.
Selv med riktig pleie kan imidlertid impedansen for individuelle elektroder fortsatt være dårlig rett etter plasseringen av elektrodene. Generelt stabiliseres elektrode-hudgrensesnittet over tid, og vi ser ofte at impedansen avtar innen 5 minutter til 15 minutter. Hvis signalkvaliteten forblir dårlig, anbefales det å fjerne rutenettene helt, tørke av eventuell gjenværende gel rundt deltakerens øre og passe til en ny. Det er raskere å montere en ny i motsetning til rengjøring og klargjøring av det tidligere fjernede rutenettet. Det anbefales ikke å legge elektrodegel til individuelle elektroder når rutenettet er montert, da dette kan kompromittere vedheftsstyrken til klistremerkene og kan til og med føre til brobygging av naboelektrodene.
Etter at rutenettet er plassert og når impedansen til elektrodene er lav, kan dataregistrering begynne. For lengre opptak (>1 time) bør det gjennomføres en kort datakvalitetskontroll i begynnelsen. For eksempel er en 3 min auditiv oddballoppgave eksemplifisert i denne studien, som kan utføres og analyseres raskt for å sikre en god signalkvalitet.
I noen tilfeller kan det hende at opptak med c-rutenettet ikke er mulig i det hele tatt, for eksempel når rutenettet er for lite for øret (selv etter klipping) eller når hårfestet er for nær øret, noe som betyr at rutenettet ikke fester seg til huden. Hvis rutenettet “svever” over noe hår, kan forskerne ikke forvente data av høy kvalitet.
Feilsøking
Dårlig impedans og/eller signal
For å unngå disse problemene, er det viktig at huden rengjøres nøye før montering. I tillegg bør man sørge for å teste funksjonaliteten til hver elektrode før monteringen. For eksempel bør man sjekke at nettet er riktig koblet til kontakten og at hver elektrode har fast kontakt med huden og deretter vente i noen minutter til impedansen og signalet forbedres. For ytterligere å kontrollere funksjonaliteten etter montering, bør de enkelte elektrodene trykkes, og det resulterende signalet skal kontrolleres. Hvis det tilsvarende signalet til hver elektrode viser et svar, er elektroden i prinsippet funksjonell. Hvis alle trinnene ovenfor ikke hjelper, bør man fjerne rutenettet, tørke av restgelen rundt deltakerens øre og passe til en ny.
Situasjoner uten signal
For det første bør man sørge for at nettet er riktig koblet til forsterkeren, samt sørge for at nettkontakten ikke er opp ned. Det vil bare være et signal hvis jord- og referanseelektrodene er koblet til; Om bakken og referansen vil være til venstre, høyre eller på begge sider, avhenger av kontakten.
Signalet blir verre under innspillingen
Det kan være flere grunner til dette problemet som må tas opp. For det første kan noen av elektrodene ha løsnet fra huden. Dette kan skje når limet kompromitteres av restene av elektrodegelen, av hår under elektrodene, eller på grunn av forstyrrelser fra deltakeren (f.eks. riper rundt øret eller justering av briller). For det andre kan det være problemer med forbindelsen mellom rutenettet og forsterkeren (dvs. rutenettet kan ha blitt trukket ut av forsterkeren, eller posisjonen kan ha skiftet). Endelig kan nettet ha fått skader under bruk. Dette kan skje hvis halen på c-rutenettet bøyes for sterkt.
Kanaler som viser identiske signaler
I dette tilfellet er elektrodene bro. Man bør fjerne gitteret, tørke av restgelen rundt deltakerens øre og montere en ny. Man bør også sørge for å bare bruke linsestore dråper elektrodegel på hver elektrode for å unngå å bygge bro.
Deltakere som rapporterer at plasseringen er ubehagelig
Den vanligste årsaken til redusert komfort er at rutenettet er plassert for nær baksiden av øret. Man bør sørge for å la det være 1 mm til 2 mm mellom c-rutenettet og baksiden av øret. Et lite stykke tape festet bak øret bidrar til å øke komforten.
Modifikasjoner av metoden
C-rutenettet kommer i en størrelse. Det gir imidlertid en viss fleksibilitet med hensyn til størrelsen. Ved å kutte plasten på innsiden, kan størrelsen reduseres for å passe til større ører. Man bør være spesielt oppmerksom for ikke å kutte inn i elektrodene eller de ledende banene.
Avhengig av forsterkeren som brukes og opptaksscenariet, er det forskjellige måter å plassere forsterkeren på kroppen. Den faste lengden på halen på rutenettet og det faktum at den peker horisontalt bort fra øret begrenser de mulige stedene for å plassere forsterkerkontakten. Ulike produsenter tilbyr adapterkabler som kobler nettet til en bestemt forsterker (enten mobil eller labbasert). Det er foreslått ulike løsninger for plassering av forsterkeren; Noen forskere bruker et pannebånd3, mens andre integrerer det i en basecap27. For kortere eksperimenter er et pannebånd egnet. For lengre eksperimenter kan forsterkeren teipes til klærne6 eller kropp2, lagres i skreddersydde stropper, teipes til hodetelefoner som bæres rundt halsen1, eller teipes til en nakkebeskytter som vanligvis brukes til terrengsykling. Vi har utviklet en prototype som kombinerer en nakkehøyttaler (for å presentere auditiv stimuli) med en mobil EEG-forsterker og kontakter til c-nettet (byggeinstruksjoner finner du her: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). Vi har brukt denne tilnærmingen med hell i en nylig studie (under forberedelse) der vi registrerte øre-EEG i 4 timer mens deltakerne jobbet på et kontor.
Fremtidige applikasjoner
C-nettet er et lovende verktøy for langtidsopptak i hverdagen. For eksempel kan man bruke den til å undersøke lydbehandling i hverdagen1. Med langtidsregistreringer kan også døgnvariasjoner i kognisjon og auditiv funksjon undersøkes28,29. For diagnostiske formål kan rutenettet brukes til langsiktig overvåking av epileptiske anfall2, søvn staging6, eller for måling av oppmerksomhet for høreapparater 7,11.
Konklusjon
Denne protokollen utstyrer forskere omfattende for å eksperimentere med disse c-nettene i og utenfor laboratoriet. Hvis forskere følger denne protokollen og nøye utfører trinnene, inkludert de viktigste, for eksempel hudrengjøring og montering av c-nettet, kan de forvente data av høy kvalitet for deres øre-EEG-eksperimenter.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble finansiert av Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Emmy-Noether-programmet, BL 1591/1-1 – Project ID 411333557. Vi takker Suong Nguyen, Manuela Jäger og Maria Stollmann for deres hjelp med å filme videoen. Vi takker Joanna Scanlon for videoen voiceover.
Abrasive gel: Abralyt HiCl | easycap GmbH, Germany | ||
AFEx app | University of Oldenburg, Germany | for our exemplary data recording, open-source: https://zenodo.org/record/5814670#.Y0AavXZByUk | |
Alcohol | Carl Roth GmbH + Co. KG, Germany | 70% isopropanol, 30% destilled water | |
c-grid: cEEGrid | TSMI, Oldenzaal, The Netherlands | ||
cEEGrid connector | University of Oldenburg, Germany | costum build | |
EEG acquisition app: Smarting | mBrainTrain, Serbia | ||
Matlab | The MathWorks, Inc., USA | used for data analyses and creating the figures | |
Medical tape: Leukosilk | BSN medical GmbH, Germany | ||
mobile EEG amplifier: Smarting MOBI | mBrainTrain, Serbia | ||
Multimeter | PeakTech Prüf- und Messtechnik GmbH, Germany | optional device to check functionality of electrodes | |
nEEGlace | University of Oldenburg, Germany | costumized neckspeaker with integrated EEG amplifier (Smarting, mBrainTrain, Serbia) and cEEGrid connectors | |
Paper wipes | – | ||
Record-a app | University of Oldenburg, Germany | for our exemplary data recording, open-source: https://github.com/NeuropsyOL/Pocketable-Labs | |
Smartphone: Google Pixel 3a | Google LLC, USA | ||
Yahama Digital Piano P-35 | Hamamatsu, Japan | for our exemplary data recording |