Här presenteras proceduren för att använda c-grid (öronelektroencefalografi, säljs under namnet cEEGrid) för att registrera hjärnaktivitet i och utanför labbet under längre tid. Detta protokoll beskriver hur du ställer in dessa arrays och hur du registrerar hjärnaktivitet med dem.
C-grid (öronelektroencefalografi, säljs under namnet cEEGrid) är en diskret och bekväm elektroduppsättning som kan användas för att undersöka hjärnaktivitet efter anbringande runt örat. C-gallret är lämpligt för användning utanför laboratoriet under långa perioder, även för hela dagen. Olika kognitiva processer kan studeras med hjälp av dessa rutnät, vilket visats av tidigare forskning, inklusive forskning utanför labbet. För att spela in högkvalitativa öron-EEG-data krävs noggrann förberedelse. I detta protokoll förklarar vi de steg som behövs för en framgångsrik implementering. Först visas hur man testar nätets funktionalitet före en inspelning. För det andra ges en beskrivning av hur man förbereder deltagaren och hur man passar c-nätet, vilket är det viktigaste steget för inspelning av högkvalitativa data. För det tredje ges en översikt över hur man ansluter näten till en förstärkare och hur man kontrollerar signalkvaliteten. I det här protokollet listar vi rekommendationer och tips om bästa praxis som gör c-grid-inspelningar framgångsrika. Om forskare följer detta protokoll är de omfattande utrustade för att experimentera med c-nätet både i och utanför labbet.
Med mobil öronelektroencefalografi (EEG) kan hjärnaktivitet registreras i vardagen, och nya insikter i neural bearbetning utanför labbet kan erhållas1. För att vara lämplig för vardagen bör ett mobilt öron-EEG-system vara transparent, diskret, lätt att använda, rörelsetolerant och bekvämt att bära även i flera timmar2. C-grid (säljs under namnet cEEGrid), ett c-format öron-EEG-system, syftar till att uppfylla dessa krav för att minimera störningar i naturligt beteende. Nätet består av 10 Ag/AgCl-elektroder tryckta på Flexprint-material3. Kombinerat med en miniatyriserad, mobil förstärkare och en smartphone för datainsamling 4,5 kan dessa nät användas för att samla in öron-EEG-data i mer än 8 timmar 1,6.
Flera studier som genomförts i labbet har visat potentialen hos c-grids för att studera auditiva och andra kognitiva processer. C-rutnät har framgångsrikt använts för avkodning av hörseluppmärksamhet med noggrannheter över slumpnivå 7,8,9,10,11. Segaert et al.12 använde dessa matriser för att kvantifiera språkstörning hos patienter med mild kognitiv svikt. Garrett et al.13 visade att dessa arrays kan fånga auditiva hjärnpotentialer som härrör från hjärnstammen. Förutom forskningen med fokus på den auditiva domänen använde Knierim et al.14 rutnäten för att undersöka flödesupplevelser (dvs. känslan av totalt engagemang i en uppgift), mätt genom förändringar i alfakraft. Slutligen använde Pacharra et al.15 dessa rutnät för en visuell uppgift. Alla dessa laboratoriebaserade studier visar de olika kognitiva processer som kan fångas med dessa rutnät.
Dessa rutnät kan också användas för EEG-inspelningar utanför labbet, vilket illustreras av flera studier. Till exempel har dessa arrays använts för att utvärdera mental belastning i en körsimulator 16,17 och för att studera oavsiktlig dövhet, icke-uppfattningen av kritiska larmljud, i en flygsimulator18. Rutnäten är särskilt lovande för långtidsinspelningar, såsom långtidsövervakning av epileptiska anfall2 och sömniscensättning 6. Hölle et al.1 använde dessa rutnät för att mäta hörseluppmärksamhet under en kontorsdag i 6 timmar. Sammanfattningsvis belyser alla dessa studier deras potential att undersöka olika hjärnprocesser i och utanför labbet.
Varje EEG-inspelning kräver noggrann förberedelse för att få giltiga resultat. Detta är särskilt viktigt för mobila applikationer där fler artefakter kan förväntas än i labbet på grund av deltagarens rörelse. För att säkerställa optimala resultat krävs specifika förberedelsesteg. Vi anger de kritiska stegen för att förbereda rutnäten, förbereda deltagaren för datainsamling och montera och ansluta näten för EEG-inspelningar. Vi pekar på potentiella misstag och visar exempel på dålig datakvalitet när bilagan inte är korrekt. Slutligen visas representativa resultat av en pianospelad udda uppgift.
Här finns ett protokoll för öron-EEG-inspelningar med c-grids. Att följa stegen i detta protokoll säkerställer inspelningar av hög kvalitet. I följande stycken görs en jämförelse med cap-EEG, de mest kritiska stegen i protokollet tillsammans med några rekommendationer om bästa praxis diskuteras och vissa ändringar diskuteras.
Jämförelse av c-rutnät med cap-EEG och in-ear EEG
C-grid möjliggör diskret inspelning av hjärnaktivitet i vardagliga miljöer och är väl lämpad för längre inspelningar. Det har flera fördelar jämfört med cap-EEG. För det första, på grund av dess vikt, komfort och låga synlighet, begränsar det knappt deltagarna i deras dagliga aktiviteter1. För det andra kan den bäras under längre perioder – mer än 11 timmar i en studie 6 – utan att elektroderna faller av 1,3,6, eftersom de förseglas av de självhäftande klistermärkena. På nackdelen täcker c-gallret endast en bråkdel av ytan på cap-EEG och kan därför inte ersätta cap-EEG för alla ändamål. I de fall då en lätt, diskret, snabbinstallerad, minimalt begränsande lösning är nödvändig (t.ex. på arbetsplatsen) kan c-grids ge relevant neural information.
Jämförelsen av resultat mellan deltagare är potentiellt svårare för c-grids jämfört med cap-EEG. För cap-EEG används ofta det internationella 10-20-systemet för att underlätta jämförelsen av resultat mellan studier och mellan deltagare med olika huvudstorlekar. I detta system är elektroderna placerade i förhållande till specifika anatomiska landmärken (dvs nasion och inion för fram till bak och öronen för vänster till höger). I praktiken används olika kapsylstorlekar för att ta hänsyn till olika huvudstorlekar och därigenom approximera den optimala elektrodpositioneringen. C-grid kan inte enkelt integreras i det systemet av två skäl. För det första finns dessa för närvarande i en storlek och täcker därmed mer eller mindre utrymme beroende på huvudstorlek. För det andra påverkar örats form placeringen av gallren. I allmänhet kommer de två översta elektroderna att vara direkt ovanför örat, men beroende på öronformen kan de lutas mer framåt eller bakåt. Vi känner inte till någon studie som har undersökt om dessa förskjutningar i elektrodpositioner är tillräckligt stora för att vara relevanta.
Ett annat sätt att mäta öron-EEG är att placera elektroderna inuti örat, till exempel i den yttre hörselgången eller concha23,24,25. Ett sådant tillvägagångssätt ger ännu lägre synlighet än c-nätet men leder till inspelning av signaler med lägre amplituder på grund av de små avstånden mellan elektroderna26.
De mest kritiska stegen
EEG i allmänhet, och särskilt mobilt öroncentrerat EEG, är fortfarande en utmanande teknik. Därför är noggrann förberedelse av deltagaren och placering av rutnäten avgörande för att säkerställa god datakvalitet över tid. Förberedelserna börjar med deltagarnas hår och hud. Håret och huden runt örat ska tvättas och torkas. Utöver det måste experimenteraren noggrant rengöra området runt örat med slipgel och alkohol och se till att gallren är ordentligt fastsatta med limklistermärkena. Dessa steg är viktiga och bör utföras noggrant för att säkerställa god elektrod-hudvidhäftning och låg impedans under längre perioder. Hudrengöringen kan särskilt göra skillnaden mellan en lyckad och en misslyckad inspelning.
Även med korrekt vård kan impedansen för enskilda elektroder fortfarande vara dålig direkt efter placeringen av elektroderna. I allmänhet stabiliseras elektrod-hudgränssnittet över tiden, och vi observerar ofta att impedansen minskar inom 5 minuter till 15 min. Om signalkvaliteten förblir dålig rekommenderas att du helt tar bort gallren, torkar bort eventuell kvarvarande gel runt deltagarens öra och passar en ny. Det går snabbare att montera en ny i motsats till att rengöra och förbereda det tidigare borttagna gallret. Det rekommenderas inte att tillsätta elektrodgel till enskilda elektroder när gallret är monterat eftersom detta kan äventyra klistermärkenas vidhäftningsstyrka och till och med leda till överbryggning av de närliggande elektroderna.
Efter att gallret har placerats och när elektrodernas impedans är låg kan dataregistreringen börja. För längre registreringar (>1 h) bör en kort datakvalitetskontroll utföras i början. Till exempel exemplifieras en 3 minuters auditiv udda uppgift i denna studie, som kan genomföras och analyseras snabbt för att säkerställa en god signalkvalitet.
I vissa fall kanske inspelning med c-rutnätet inte är möjligt alls, till exempel när gallret är för litet för örat (även efter klippning) eller när hårfästet är för nära örat, vilket innebär att gallret inte fastnar på huden. Om gallret “svävar” över lite hår kan forskare inte förvänta sig högkvalitativa data.
Felsökning
Dålig impedans och/eller signal
För att undvika dessa problem är det absolut nödvändigt att huden rengörs noggrant innan den passas. Dessutom bör man se till att testa funktionaliteten hos varje elektrod innan monteringen. Till exempel bör man kontrollera att gallret är korrekt inkopplat i kontakten och att varje elektrod har fast kontakt med huden och sedan vänta några minuter tills impedansen och signalen förbättras. För att ytterligare kontrollera funktionaliteten efter montering bör de enskilda elektroderna tryckas in och den resulterande signalen bör kontrolleras. Om motsvarande signal för varje elektrod visar ett svar är elektroden i princip funktionell. Om alla ovanstående steg inte hjälper, bör man ta bort gallret, torka av den återstående gelén runt deltagarens öra och passa en ny.
Situationer utan signal
För det första bör man se till att nätet är ordentligt anslutet till förstärkaren, samt se till att nätkontakten inte är upp och ner. Det kommer endast att finnas en signal om jord- och referenselektroderna är anslutna; Om marken och referensen kommer att vara till vänster, höger eller på båda sidor beror på kontakten.
Signalen blir sämre under inspelningen
Det kan finnas flera orsaker till detta problem som måste åtgärdas. För det första kan några av elektroderna ha lossnat från huden. Detta kan hända när limet äventyras av resterna av elektrodgelén, av hår under elektroderna eller på grund av störningar från deltagaren (t.ex. repor runt örat eller justeringsglasögon). För det andra kan det finnas problem med anslutningen mellan nätet och förstärkaren (dvs. nätet kan ha dragits ut ur förstärkaren, eller dess position kan ha förskjutits). Slutligen kan nätet ha fått skador under användning. Detta kan hända om svansen på c-gallret böjs för starkt.
Kanaler som visar identiska signaler
I detta fall överbryggas elektroderna. Man ska ta bort gallret, torka av restgelen runt deltagarens öra och montera en ny. Man bör också se till att endast använda linsstora droppar elektrodgel på varje elektrod för att undvika överbryggning.
Deltagare som rapporterar att placeringen är obekväm
Den vanligaste orsaken till minskad komfort är att gallret placeras för nära örats baksida. Man bör se till att lämna 1 mm till 2 mm mellan c-gallret och baksidan av örat. En liten bit tejp fäst bakom örat hjälper till att öka komforten.
Ändringar av metoden
C-nätet finns i en storlek. Det möjliggör dock viss flexibilitet när det gäller dess storlek. Genom att klippa plasten på insidan kan storleken minskas för att passa större öron. Man bör ägna särskild uppmärksamhet för att inte skära in i elektroderna eller de ledande banorna.
Beroende på vilken förstärkare som används och inspelningsscenariot finns det olika sätt att placera förstärkaren på kroppen. Den fasta längden på gallrets svans och det faktum att den pekar horisontellt bort från örat begränsar de möjliga platserna för att placera förstärkarens kontakt. Olika tillverkare tillhandahåller adapterkablar som ansluter nätet till en specifik förstärkare (antingen mobil eller labbbaserad). Olika lösningar har föreslagits för att placera förstärkaren; Vissa forskare använder ett pannband3, medan andra integrerar det i en basecap27. För kortare experiment är ett pannband lämpligt. För längre experiment kan förstärkaren tejpas fast på kläderna6 ellerkropp 2, förvaras i skräddarsydda remmar, tejpas på hörlurar som bärs runt halsen1 eller tejpas fast på ett nackskydd som vanligtvis används för mountainbike. Vi har utvecklat en prototyp som kombinerar en nackhögtalare (för att presentera hörselstimuli) med en mobil EEG-förstärkare och kontakter till c-grid (bygginstruktioner finns här: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). Vi har använt detta tillvägagångssätt framgångsrikt i en nyligen genomförd studie (under förberedelse) där vi spelade in öron-EEG i 4 timmar medan deltagarna arbetade på ett kontor.
Framtida applikationer
C-grid är ett lovande verktyg för långtidsinspelningar i vardagen. Man kan till exempel använda den för att undersöka ljudbehandling i vardagen1. Med långtidsregistreringar kan även dygnsrytmvariationer i kognition och hörselfunktion undersökas28,29. För diagnostiska ändamål kan gallret användas för långvarig övervakning av epileptiska anfall2, sömnsteg6 eller för att mäta uppmärksamhet för hörapparater 7,11.
Slutsats
Detta protokoll utrustar forskare omfattande för att experimentera med dessa c-nät i och utanför labbet. Om forskare följer detta protokoll och noggrant utför stegen, inklusive de viktigaste, såsom hudrengöring och montering av c-nätet, kan de förvänta sig högkvalitativa data för sina öron-EEG-experiment.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete finansierades av Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Emmy-Noether-programmet, BL 1591/1-1 – Project ID 411333557. Vi tackar Suong Nguyen, Manuela Jäger och Maria Stollmann för deras hjälp med att filma videon. Vi tackar Joanna Scanlon för videon 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 |