In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll zur Untersuchung differenziell kortikalvisuellevokiert erdialer potenzieller morphologischer Muster durch Stimulation ventraler und dorsaler Netzwerke unter Verwendung von EEG mit hoher Dichte vor. Visuelle Objekt- und Bewegungsreizparadigmen mit und ohne zeitlichen Jitter werden beschrieben. Visuelle evozierte potenzielle morphologische Analysen werden ebenfalls skizziert.
Dieser Beitrag stellt eine Methodik zur Erfassung und Analyse kortikalvisuell evozierter Potentiale (CVEPs) als Reaktion auf verschiedene visuelle Reize unter Verwendung der 128-Kanal-Elektroenzephalographie (EEG) mit hoher Dichte dar. Das spezifische Ziel der beschriebenen Reize und Analysen ist es zu untersuchen, ob es möglich ist, zuvor berichtete CVEP-Morphologiemuster zu replizieren, die durch einen scheinbaren Bewegungsreiz ausgelöst werden, der sowohl ventrale als auch dorsale zentrale visuelle Netzwerke, mit Objekt- und Bewegungsreizen, die entwickelt wurden, um ventrale und dorsale visuelle kortikale Netzwerke separat zu stimulieren. Es werden vier visuelle Paradigmen vorgestellt: 1. Randomisierte visuelle Objekte mit konsistenter zeitlicher Darstellung. 2. Randomisierte visuelle Objekte mit inkonsistenter zeitlicher Darstellung (oder Jitter). 3. Visuelle Bewegung über ein radiales Feld der kohärenten zentralen Punktbewegung ohne Jitter. 4. Visuelle Bewegung über ein radiales Feld der kohärenten zentralen Punktbewegung mit Jitter. Diese vier Paradigmen werden in einer pseudo-randomisierten Reihenfolge für jeden Teilnehmer dargestellt. Jitter wird eingeführt, um zu sehen, wie sich mögliche antizipatorische Effekte auf die Morphologie der Objekt-Onset- und Motion-Onset-CVEP-Antwort auswirken können. EEG-Datenanalysen werden ausführlich beschrieben, einschließlich Schritte der Datenexportierung von und Import in Signalverarbeitungsplattformen, schlechte Kanalerkennung und -entfernung, Artefaktabweisung, Mittelung und Kategorisierung des durchschnittlichen CVEP morphologischen Mustertyp basierend auf Latenzbereichen von Komponentenspitzen. Repräsentative Daten zeigen, dass der methodische Ansatz in der Tat sensibel ist, wenn es darum geht, morphologische Muster von CVEP-Morphologiemustern zu entlocken, und daher nützlich sein kann, um das größere Forschungsziel zu erreichen. Angesichts der hohen zeitlichen Auflösung des EEG und der möglichen Anwendung von EEG mit hoher Dichte in Quellenlokalisierungsanalysen ist dieses Protokoll ideal für die Untersuchung unterschiedlicher CVEP-Morphologiemuster und der zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen, die diese unterschiedlichen Reaktionen.
Elektroenzephalographie (EEG) ist ein Werkzeug, das einen kostengünstigen und nicht-invasiven Ansatz zur Untersuchung der kortikalen Verarbeitung bietet, insbesondere im Vergleich zu kortikalen Bewertungsmethoden wie funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI), Positronenemission Tomographie (PET) und Diffusionstensorbildgebung (DTI)1. EEG bietet auch eine hohe zeitliche Auflösung, die bei Deranwendung von Maßnahmen wie fMRI, PET oder DTI2nicht erreicht werden kann. Eine hohe zeitliche Auflösung ist bei der Untersuchung der zentralen zeitlichen Funktion von entscheidender Bedeutung, um eine Millisekunden-Präzision neurophysiologischer Mechanismen im Zusammenhang mit der Verarbeitung spezifischer Eingaben oder Ereignisse zu erhalten. Im zentralen visuellen System sind kortikale visuelle evozierte Potentiale (CVEPs) ein beliebter Ansatz bei der Untersuchung von zeitgebundenen neuronalen Prozessen in der Großhirnrinde. CVEP-Antworten werden über eine Reihe von Ereignisversuchen aufgezeichnet und gemittelt, was zu Spitzenkomponenten (z. B. P1, N1, P2) in bestimmten Millisekundenintervallen führt. Das Timing und die Amplitude dieser peak neuronalen Reaktionen können Informationen über kortikale Verarbeitungsgeschwindigkeit und Reifung sowie Defizite in der kortikalen Funktion3,4,5liefern.
CVEPs sind spezifisch für den Typ der visuellen Eingabe, die dem Betrachter angezeigt wird. Unter Verwendung bestimmter Reize in einem CVEP-Paradigma ist es möglich, die Funktion von verschiedenen visuellen Netzwerken wie dem ventralen Strom, der an der Verarbeitung von Form und Farbe beteiligt ist, oder parvozellulären und magnozellulären 8, und der dorsale Strom, der weitgehend Bewegung oder magnozellulären Eingang9,10verarbeitet. CVEPs, die von diesen Netzwerken generiert wurden, waren nicht nur nützlich, um typische neurophysiologische Mechanismen, die dem Verhalten zugrunde liegen, besser zu verstehen, sondern auch bei der gezielten Behandlung atypischer Verhaltensweisen in klinischen Populationen. Beispielsweise wurden verzögerte CVEP-Komponenten sowohl in dorsalen als auch in ventralen Netzwerken bei Kindern mit Legasthenie berichtet, was darauf hindeutet, dass die visuelle Funktion in diesen beiden Netzwerken bei der Ausarbeitung eines Interventionsplans11ins Visier genommen werden sollte. So bieten cVEPs, die über EEG aufgezeichnet werden, ein leistungsfähiges klinisches Werkzeug, mit dem sowohl typische als auch atypische visuelle Prozesse bewertet werden können.
In einer aktuellen Studie wurde EEG mit hoher Dichte verwendet, um die scheinbaren Bewegungs-Onset-CVEPs bei typischerweise entwickelnden Kindern zu messen, mit dem Ziel, variable CVEP-Antworten und verwandte visuelle kortikale Generatoren in der gesamten Entwicklung zu untersuchen. Die Teilnehmer betrachteten passiv scheinbare Bewegungsreize12,13,14,15, die sowohl aus Formwechsel als auch aus Bewegung bestanden, um gleichzeitig dorsale und ventrale Ströme zu stimulieren. Es wurde festgestellt, dass etwa die Hälfte der Kinder mit einer CVEP-Wellenform formte, oder Morphologie, bestehend aus drei Spitzen (P1-N1-P2, Muster A). Diese Morphologie ist eine klassische CVEP-Antwort, die in der gesamten Literatur beobachtet wird. Im Gegensatz dazu präsentierte sich die andere Hälfte der Kinder mit einem morphologischen Muster, das aus fünf Spitzen bestand (P1-N1a-P2a-N1b-P2b, Muster B). Unseres Wissens wurde das robuste Auftreten und der Vergleich dieser morphologischen Muster bisher in der CVEP-Literatur weder in kinder- als auch in erwachsenen Populationen diskutiert, obwohl eine variable Morphologie sowohl in der Motion-Onset CVEPs14,16. Darüber hinaus wären diese morphologischen Unterschiede in der Forschung mit anderen kortikalen funktionellen Bewertungsmethoden wie fMRI oder PET aufgrund der geringen zeitlichen Auflösung dieser Maßnahmen nicht erkennbar gewesen.
Um die kortikalen Generatoren der einzelnen Spitzenwerte in den CVEP-Mustern A und B zu bestimmen, wurden Quellenlokalisierungsanalysen durchgeführt, bei denen es sich um einen statistischen Ansatz handelt, der zur Schätzung der wahrscheinlichsten kortikalen Regionen am CVEP-Antwort12,13 . Für jeden Peak wurden unabhängig vom morphologischen Muster primäre und höherrangige visuelle Kortiken als Quellen des CVEP-Signals identifiziert. So scheint es, dass der Hauptunterschied, der cvEP-Morphologie durch scheinbare Bewegung entsteht, darin besteht, dass diejenigen mit Muster B visuelle kortikale Regionen während der Verarbeitung zusätzlich aktivieren. Da diese Mustertypen bisher in der Literatur nicht identifiziert wurden, bleibt der Zweck der zusätzlichen visuellen Verarbeitung bei Muster B mit CVEP unklar. Daher ist das nächste Ziel in dieser Forschungslinie, ein besseres Verständnis der Ursache der differentialen CVEP-Morphologie zu gewinnen und ob solche Muster mit dem visuellen Verhalten sowohl in typischen als auch in klinischen Populationen zusammenhängen können.
Der erste Schritt, um zu verstehen, warum einige Individuen eine CVEP-Morphologie im Vergleich zu einem anderen demonstrieren könnten, besteht darin, festzustellen, ob diese Antworten intrinsischer oder extrinsischer Natur sind. Mit anderen Worten, wenn eine Person ein Muster als Reaktion auf einen visuellen Reiz zeigt, wird sie dann mit einem ähnlichen Muster wie alle Reize reagieren? Oder ist diese Reaktion stimulusabhängig, spezifisch für das visuelle Netzwerk oder Netzwerke aktiviert?
Um diese Frage zu beantworten, wurden zwei passive visuelle Paradigmen entwickelt, die bestimmte visuelle Netzwerke separat aktivieren sollen. Der in der ersten Studie vorgestellte Stimulus wurde entwickelt, um sowohl dorsale als auch ventrale Ströme gleichzeitig zu stimulieren; Daher war nicht bekannt, ob eines oder beide Netzwerke an der Erzeugung spezifischer Wellenformmorphologie beteiligt waren. Im aktuellen methodischen Ansatz besteht das Paradigma zur Stimulierung des ventralen Stroms aus stark identifizierbaren Objekten in Grundformen von Quadraten und Kreisen, die Objekt-onset-CVEPs hervorrufen. Das Paradigma, das entwickelt wurde, um den dorsalen Strom zu stimulieren, besteht aus visueller Bewegung über ein radiales Feld von kohärenten zentralen Punktbewegungspunkten mit einer festen Geschwindigkeit in Richtung eines Fixierungspunkts, wodurch Bewegungs-onset CVEPs ausgelöst werden.
Eine zweite Frage, die sich als Ergebnis der ersten Studie ergab, war, ob die differenzielle VEP-Morphologie auf die Vorfreude der Teilnehmer auf bevorstehende Reize zurückzuführen sein könnte13. Zum Beispiel hat die Forschung gezeigt, dass top-down kortikale oszillatorische Aktivität, die vor einem Zielreiz auftritt, nachfolgende CVEP und Verhaltensreaktionen bis zu einem gewissen Grad vorhersagen kann17,18,19. Das scheinbare Bewegungsparadigma in der ersten Studie verwendete nicht-randomisierte Rahmen eines radialen Sterns und Kreises mit konsistenten Interstimulus-Intervallen (ISIs) von 600 ms. Dieses Design könnte die Erwartung und Vorhersage des bevorstehenden Stimulus mit resultierende oszillatole Aktivität, die die nachfolgende CVEP-Morphologie12,13,19.
Um dieses Problem zu beheben, werden die visuellen Objekt- und Bewegungsparadigmen im aktuellen Protokoll sowohl mit konsistenten ISIs mit demselben zeitlichen Wert als auch mit randomisierten ISIs mit unterschiedlichen zeitlichen Werten (d. h. Jitter) entworfen. Mit diesem Ansatz kann möglicherweise bestimmt werden, wie sich zeitliche Variationen auf die VEP-Morphologie in unterschiedlichen visuellen Netzwerken auswirken können. Insgesamt soll mit dem beschriebenen Protokoll festgestellt werden, ob das visuelle Objekt und die Bewegungsreize empfindlich auf Variationen in der CVEP-Morphologie reagieren und ob die zeitliche Variation der Reizdarstellung die Merkmale der CVEP-Antwort beeinflussen würde, einschließlich Spitzenlatenz, Amplitude und Morphologie. Für die Zwecke des aktuellen Papiers besteht das Ziel darin, die Durchführbarkeit des methodischen Ansatzes zu ermitteln. Es wird vermutet, dass sowohl visuelle Objekte als auch Bewegung variable Morphologie auslösen können (d. h. Muster A und B werden als Reaktion auf beide Reize über die Probanden hinweg beobachtet) und dass zeitliche Variationen sich auf Objekt-ein- und bewegungseins beeinflussen würden.
Ziel dieses methodischen Berichts war es, die Durchführbarkeit bei der Erfassung der differenziellen CVEP-Morphologie unter Verwendung visueller Objekt- und Bewegungsreize zu bewerten, die speziell entwickelt wurden, um ventrale und dorsale Ströme bei passiven Betrachtungsaufgaben getrennt zu stimulieren6 ,7,8, sowohl mit als auch ohne Variation von ISIs (Jitter)19. Die Bedingungen sollten nicht direkt…
The authors have nothing to disclose.
Diese Forschung wurde von der University of Texas am Austin Moody College of Communication Grant Preparation Award und der University of Texas at Austin Office of the Vice President of Research Special Research Grant unterstützt.
E-Prime 2.0 | Psychology Software Tools, Inc | Used in data acquisition | |
Net Amps 400 | Electrical Geodesics, Inc | Used in data acquisition | |
Net Station Acquisition V5.2.0.2 | Electrical Geodesics, Inc | Used in data acqusition | |
iMac (27-inch) | Apple | Used in data acquisition | |
Optiplex 7020 Computer | Dell | Stimulus computer | |
HydroCel GSN EEG net | Electrical Geodesics, Inc | Used in data acqusition | |
1 ml pipette | Electrical Geodesics, Inc | Used to lower impedances | |
Johnson's Baby Shampoo | Johnson & Johnson | Used in impedance solution | |
Potassium Chloride (dry) | Electrical Geodesics, Inc | Used in impedance solution | |
Control III Disinfectant Germicide | Control III | Used in disinfectant solution | |
32-inch LCD monitor | Vizio | Used to present stimuli | |
Matlab (R2016b) | MathWorks | Used in data analysis | |
EEGlab v14.1.2 | Swartz Center for Computational Neuroscience, University of California, San Diego | https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php | Used in data analysis |
BOSS Database | Bank of Standardized Stimuli | https://sites.google.com/site/bosstimuli/ | Used in generation of visual object stimuli |
Psychtoolbox-3 | Psychophysics Toolbox Version 3 (PTB-3) | http://psychtoolbox.org/ | Used in generation of visual motion stimuli |