Summary

المحفزات الخاصة بالقشرية البصرية التي تثير الأنماط المورفولوجية المحتملة

Published: May 12, 2019
doi:

Summary

في هذه الورقة، نقدم بروتوكولًا للتحقيق في الأنماط المورفولوجية التفاضلية الكورتيكية التي تثير الأنماط المورفولوجية المحتملة من خلال تحفيز الشبكات البطنية والالظهرية باستخدام تخطيط كهربية الدماغ عالي الكثافة. يتم وصف نماذج تحفيز الكائن البصري والحركة، مع وبدون توتر زمني. كما ترد التحليلات المورفولوجية المحتملة التي تثيرها المرئيات.

Abstract

تقدم هذه الورقة منهجية لتسجيل وتحليل الإمكانات المستوّرة البصرية القشرية (CVEPs) استجابة لمختلف المحفزات البصرية باستخدام تخطيط الدماغ الكهربائي عالي الكثافة 128 قناة (EEG). الهدف المحدد للمحفزات والتحليلات الموصوفة هو دراسة ما إذا كان من الممكن تكرار الأنماط المورفولوجية CVEP التي تم الإبلاغ عنها سابقاً والتي أثارها تحفيز الحركة الظاهر، والمصمم لتحفيز كل من البطني والظهري المركزي الشبكات البصرية، وذلك باستخدام محفزات الأجسام والحركة المصممة لتحفيز الشبكات القشرية البصرية البطنية والالظهرية بشكل منفصل.  يتم تقديم أربعة نماذج بصرية: 1. الكائنات البصرية المعشاة مع عرض زمني متسق. 2. الكائنات البصرية المعشاة مع العرض الزمني غير متناسقة (أو غضب).  3. الحركة البصرية عبر حقل شعاعي من حركة نقطة مركزية متماسكة دون غضب.  4. الحركة البصرية عبر حقل شعاعي من حركة نقطة مركزية متماسكة مع غضب.  وتقدم هذه النماذج الأربعة بترتيب شبه معشاة لكل مشارك.  يتم إدخال غضب من أجل عرض كيف يمكن أن تؤثر الآثار ذات الصلة الاستباقية على مورفولوجيا استجابة CVEP على ظهور الكائن والحركة.  يتم وصف تحليلات بيانات تخطيط كهربية الدماغ بالتفصيل، بما في ذلك خطوات تصدير البيانات من منصات معالجة الإشارات واستيرادها إليها، وتحديد القناة السيئة وإزالتها، ورفض القطع الأثرية، والمتوسط، وتصنيف متوسط المورفولوجية CVEP نمط نمط استناداً إلى نطاقات زمن الوصول من قمم المكونات. وتبين البيانات التمثيلية أن النهج المنهجي حساس حقاً في استخلاص أنماط مورفولوجية تفاضلية عند ظهور الأجسام والأنماط المورفولوجية التي تبدأ في الحركة، وبالتالي قد يكون مفيداً في معالجة الهدف البحثي الأكبر. وبالنظر إلى الاستبانة الزمنية العالية لـ EEG وإمكانية تطبيق تخطيط كهربية الدماغ عالي الكثافة في تحليلات توطين المصادر، فإن هذا البروتوكول مثالي للتحقيق في الأنماط المورفولوجية المتميزة لـ CVEP والآليات العصبية الأساسية التي تولد هذه الاستجابات التفاضلية.

Introduction

تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) هو أداة تقدم نهجا غير مكلفة وغير الغازية لدراسة المعالجة القشرية، وخاصة عند مقارنتها بأساليب التقييم القشرية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، انبعاث البوزيترون التصوير المقطعي (PET)، ونشر التصوير عشرات (DTI)1. كما يوفر EEG دقة زمنية عالية، والتي لا يمكن تحقيقها عند استخدام تدابير مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، PET، أو DTI2. دقة زمنية عالية أمر بالغ الأهمية عند فحص الوظيفة الزمنية المركزية من أجل الحصول على الدقة الملي ثانية من الآليات العصبية الفسيولوجية المتعلقة بمعالجة مدخلات أو أحداث محددة.  في النظام البصري المركزي، الإمكانات البصرية القشرية التي أثارها (CVEPs) هي نهج شعبي في دراسة العمليات العصبية المقفلة زمنيا في القشرة الدماغية.  يتم تسجيل الردود CVEP ومتوسط على مدى عدد من التجارب الحدث، مما أدى إلى مكونات الذروة (على سبيل المثال، P1، N1، P2) الناشئة على فترات محددة مللي ثانية. توقيت واتساع هذه الاستجابات العصبية الذروة يمكن أن توفر معلومات بشأن سرعة المعالجة القشريةوالنضج، فضلا عن العجز في وظيفة القشرية 3،5.

CVEPs خاصة بنوع الإدخال المرئي المقدم للعارض. باستخدام بعض المحفزات في نموذج CVEP، فمن الممكن لمراقبة وظيفة الشبكات البصرية المتميزة مثل تيار البطني، والمشاركة في معالجة الشكل واللون، أو parvocellular والمدخلات magnocellular6،7، 8، وتيار الظهرية ، والتي تعالج إلى حد كبير الحركة أو المدخلات magnocellular9،10. وكانت الممارسات المالية الدولية التي تولدها هذه الشبكات مفيدة ليس فقط في فهم أفضل للآليات العصبية الفسيولوجية النموذجية التي تقوم على السلوك الكامن ة ولكن أيضا في العلاج المستهدف للسلوكيات غير النمطية في السكان السريريين. على سبيل المثال، تم الإبلاغ عن مكونات CVEP المتأخرة في كل من الشبكات الظهرية والبطنية في الأطفال الذين يعانون من عسر القراءة، مما يشير إلى أن الوظيفة البصرية في كلتا الشبكتين يجب أن تستهدف عند تصميم خطة التدخل11.  وهكذا، CVEPs المسجلة عن طريق تخطيط الدماغ توفر أداة سريرية قوية من خلالها لتقييم كل من العمليات البصرية النموذجية وغير النمطية.

في دراسة حديثة، تم استخدام تخطيط كهربية الدماغ عالي الكثافة لقياس CVEPs بداية الحركة الظاهرة في الأطفال النامية عادة، بهدف دراسة الاستجابات CVEP المتغيرة والمولدات القشرية البصرية ذات الصلة عبر التنمية. شاهد المشاركون بشكل سلبي محفزات الحركة الظاهرة12و13و14 و15، والتي تتألف من تغيير الشكل والحركة على حد سواء، وتهدف إلى تحفيز الجداول الظهرية والبطنية في وقت واحد. وتبين أن ما يقرب من نصف الأطفال استجابوا بشكل موجي CVEP، أو مورفولوجيا، تتكون من ثلاث قمم (P1-N1-P2، النمط ألف).  هذا المورفولوجيا هو استجابة CVEP الكلاسيكية لوحظ في جميع أنحاء الأدب. وعلى النقيض من ذلك، فإن النصف الآخر من الأطفال الذين قدموا مع نمط مورفولوجي يتألف من خمس قمم (P1-N1a-P2a-N1b-P2b، النمط باء). على حد علمنا، لم يتم مناقشة حدوث قوية ومقارنة هذه الأنماط المورفولوجية في الأدب CVEP في السكان الأطفال أو البالغين، على الرغم من أن مورفولوجيا متغيرقد لوحظ في كل من الحركة الظاهرة و CVEPs بداية الحركة14،16. وعلاوة على ذلك، لم تكن هذه الاختلافات المورفولوجية واضحة في البحوث التي تستخدم أساليب أخرى للتقييم الوظيفي القشري، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (FMRI) أو PET، بسبب انخفاض الاستبانة الزمنية لهذه التدابير.

لتحديد المولدات القشرية لكل ذروة في أنماط CVEP A و B، أجريت تحليلات توطين المصادر، وهو نهج إحصائي يستخدم لتقدير المناطق القشرية الأكثر احتمالا المشاركة في استجابة CVEP12،13 . لكل ذروة، بغض النظر عن النمط المورفولوجي، تم تحديد القشريات البصرية الأولية وأعلى ترتيب كمصادر للإشارة CVEP.  وهكذا، يبدو أن الفرق الرئيسي الكامن وراء مورفولوجيا CVEP التي أثارتها الحركة الظاهرة هو أن أولئك الذين لديهم نمط B تنشيط المناطق القشرية البصرية أوقات إضافية أثناء المعالجة. ولأن هذه الأنواع من الأنماط لم يتم تحديدها من قبل في المؤلفات، فإن الغرض من المعالجة البصرية الإضافية في تلك التي تحتوي على نمط CVEP B لا يزال غير واضح.  ولذلك، فإن الهدف التالي في هذا الخط من البحث هو الحصول على فهم أفضل لسبب مورفولوجيا CVEP التفاضلية وما إذا كانت هذه الأنماط قد تتعلق بالسلوك البصري في كل من السكان النموذجية والسريرية.

الخطوة الأولى في فهم لماذا بعض الأفراد قد تظهر شكل ية CVEP واحد مقابل آخر هو تحديد ما إذا كانت هذه الردود هي جوهرية أو الخارجية في الطبيعة.  وبعبارة أخرى، إذا كان الفرد يظهر نمط واحد استجابة لالتحفيز البصري، وسوف تستجيب مع نمط مماثل لجميع المحفزات؟  أم أن هذه الاستجابة تعتمد على التحفيز، خاصة بالشبكة المرئية أو الشبكات التي يتم تفعيلها؟

للإجابة على هذا السؤال، تم تصميم نموذجين بصريين سلبيين، يهدفان إلى تنشيط شبكات مرئية معينة بشكل منفصل. وقد صُمم الحافز المقدم في الدراسة الأولية لتحفيز كل من التيارات الدُرَّسة والبطنيّة في آن واحد؛ وبالتالي، لم يكن معروفا ما إذا كانت إحدى الشبكتين أو كلتاهما تشاركان في توليد مورفولوجيا موجية محددة. وفي النهج المنهجي الحالي، يتألف النموذج المصمم لتحفيز الدفق البطني من أجسام يمكن التعرف عليها بدرجة عالية في الأشكال الأساسية للمربعات والدوائر، مما يثير ظهور الأجسام. النموذج المصمم لتحفيز تيار الظهر يتكون من الحركة البصرية عبر حقل شعاعي من نقاط الحركة نقطة مركزية متماسكة بسرعة ثابتة نحو نقطة التثبيت، مما يثير CVEPs بداية الحركة.

والسؤال الثاني الذي نشأ نتيجة للدراسة الأولية هو ما إذا كان يمكن أن يكون المورفولوجيا التفاضلية VEP بسبب توقع المشاركين من المحفزات القادمة13. على سبيل المثال، أظهرت الأبحاث أن النشاط المتذبذب القشري من أعلى إلى أسفل الذي يحدث قبل التحفيز المستهدف قد يتنبأ بـ CVEP اللاحقة والاستجابات السلوكية إلى درجة ما17و18و19. استخدم نموذج الحركة الظاهر في الدراسة الأولى أطراً غير معشاة لنجم شعاعي ودائرة مع فترات ثابتة بين التحفيز (ISIs) من 600 مللي ثانية. النشاط المذبذب الناتج الذي يؤثر على مورفولوجيا CVEP اللاحقة12،13،19.

ولمعالجة هذه المشكلة، تم تصميم نماذج الكائنات البصرية والحركة في البروتوكول الحالي مع كل من ISIs المتسقة من نفس القيمة الزمنية وISIs معشاة مع قيم زمنية مختلفة (أي غضب).  باستخدام هذا النهج، قد يكون من الممكن تحديد كيف يمكن أن يؤثر التباين الزمني على مورفولوجيا VEP داخل شبكات بصرية متميزة. وإجمالاً، فإن الهدف من البروتوكول الموصوف هو تحديد ما إذا كان الجسم البصري ومحفزات الحركة حساسة للاختلافات في مورفولوجيا CVEP وما إذا كان التباين الزمني لعرض المحفزات سيؤثر على خصائص استجابة CVEP، بما في ذلك الكمون الذروة، والسعة، ومورفولوجيا. ولأغراض هذه الورقة، يتمثل الهدف في تحديد جدوى النهج المنهجي. ومن المفترض أن كلا من الأجسام البصرية والحركة قد تثير مورفولوجيا متغيرة (أي أن الأنماط ألف وباء ستلاحظ عبر المواضيع استجابة لكل من المحفزات) وأن التباين الزمني سيؤثر على ظهور الأجسام ومكونات CVEP التي تظهر الحركة.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الأساليب الموضحة هنا من قبل مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) للبحوث البشرية في جامعة تكساس في أوستن. 1. الخصائص التحفيزية إنشاء محفزات للكائنات باستخدام الصور المفتوحة المصدر المتوفرة من خلال بنك المحفزات الموحدة (BOSS). تتكون قاعدة البيانات هذه من صور مو…

Representative Results

ويبين الشكل 3 والشكل 4 النتائج التمثيلية لـ CVEP التي تظهر على الكائن والحركة لخمسة مشاركين تتراوح أعمارهم بين 19 و24 عاماً، والذين شاهدوا كل نموذج مرئي نظرة سلبية. سمح هذا التصميم بمراقبة استجابات CVEP التي أثارتها الكائنات البصرية (مع وبدون غضب) والحركة البصرية…

Discussion

وكان الهدف من هذا التقرير المنهجي هو تقييم الجدوى في تسجيل مورفولوجيا CVEP التفاضلية باستخدام المحفزات البصرية والحركة المصممة خصيصا لتحفيز التيارات البطنية والالظهرية بشكل منفصل في مهام العرض السلبي6 ،7،8، سواء مع أو بدون اختلاف ISIs (غضب)<…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد تم دعم هذا البحث من قبل جامعة تكساس في أوستن مودي كلية الاتصالات منحة جائزة التحضير وجامعة تكساس في مكتب أوستن من منحة البحوث الخاصة البحوث.

Materials

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

Referenzen

  1. Lascano, A. M., Lalive, P. H., Hardmeier, M., Fuhr, P., Seeck, M. Clinical evoked potentials in neurology: A review of techniques and indications. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 88 (8), 688-696 (2017).
  2. Mehta, R. K., Parasuraman, R. Neuroergonomics: A review of applications to physical and cognitive work. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 889 (2013).
  3. Kuba, M., Kubova, Z., Kremlacek, J., Langrova, J. Motion-onset VEPs: Characteristics, methods, and diagnostic use. Vision Research. 47 (2), 189-202 (2007).
  4. Tobimatsu, S., Celesia, G. G. Studies of human visual pathophysiology with visual evoked potentials. Clinical Neurophysiology. 117 (7), 1414-1433 (2006).
  5. Tremblay, E., et al. Delayed early primary visual pathway development in premature infants: High density electrophysiological evidence. PLoS One. 9 (9), e107992 (2014).
  6. Allison, T., Puce, A., Spencer, D. D., McCarthy, G. Electrophysiological studies of human face perception. I: Potentials generated in occipitotemporal cortex by face and non-face stimuli. Cerebral Cortex. 9, 415-430 (1999).
  7. Grill-Spector, K. The neural basis of object perception. Current Opinions in Neurobiology. 13, 159-166 (2003).
  8. Mitchell, T. V., Neville, H. J. Asynchronies in the development of electrophysiological responses to motion and color. Journal of Cognitive Neuroscience. 16, 1363-1374 (2004).
  9. Armstrong, B. A., Neville, H. J., Hillyard, S. A., Mitchell, T. V. Auditory deprivation affects processing of motion, but not color. Cognitive Brain Research. 14, 422-434 (2002).
  10. Donner, T. H., Siegel, M., Oostenveld, R., Fries, P., Bauer, M., Engel, A. K. Population activity in the human dorsal pathway predicts the accuracy of visual motion detection. Journal of Neurophysiology. 98, 345-359 (2007).
  11. Bonfiglio, L., et al. Defective chromatic and achromatic visual pathways in developmental dyslexia: Cues for an integrated intervention programme. Restorative Neurology and Neuroscience. 35 (1), 11-24 (2017).
  12. Campbell, J., Sharma, A. Visual cross-modal re-organization in children with cochlear implants. PLoS ONE. 11 (1), e0147793-e0147718 (2016).
  13. Campbell, J., Sharma, A. Distinct visual evoked potential morphological patterns for apparent motion processing in school-aged children. Frontiers in Human Neuroscience. 10 (71), 277 (2016).
  14. Doucet, M. E., Gosselin, F., Lassonde, M., Guillemot, J. P., Lepore, F. Development of visual-evoked potentials to radially modulated concentric patterns. Neuroreport. 16 (6), 1753-1756 (2005).
  15. Doucet, M. E., Bergeron, F., Lassonde, M., Ferron, P., Lepore, F. Cross-modal reorganization and speech perception in cochlear implant users. Brain. 129 (12), 3376-3383 (2006).
  16. Kubova, Z., et al. Difficulties of motion-onset VEP interpretation in school-age children. Documenta Ophthalmologica. 128, 121-129 (2014).
  17. Gould, I. C., Rushworth, M. F., Nobre, A. C. Indexing the graded allocation of visuospatial attention using anticipatory alpha oscillations. Journal of Neurophysiology. 105, 1318-1326 (2011).
  18. Hanslmayr, S., Aslan, A., Staudigl, T., Klimesch, W., Hermann, C. S., Bauml, K. H. Prestimulus oscillations predict visual perception performance between and within subjects. Neuroimage. 37, 1465-1543 (2007).
  19. Toosi, T., Tousi, E. K., Esteky, H. Learning temporal context shapes prestimulus alpha oscillations and improves visual discrimination performance. Journal of Neurophysiology. 118 (2), 771-777 (2017).
  20. Brodeur, M. B., Dionne-Dostie, E., Montreuil, T., Lepage, M. The Bank of Standardized Stimuli (BOSS), a new set of 480 normative photos of objects to be used as visual stimuli in cognitive research. PLoS One. 5 (5), e10773 (2010).
  21. Brodeur, M. B., et al. The Bank of Standardized Stimuli (BOSS): Comparison between French and English norms. Behavior Research Methods. 44, 961-970 (2012).
  22. Suttle, C., Harding, G. Morphology of transient VEPs to luminance and chromatic pattern onset and offset. Vision Research. 39 (8), 1577-1584 (1999).
  23. Campbell, J., Sharma, A. Cross-modal re-organization in adults with early stage hearing loss. PLoS One. 9 (2), e90594 (2014).
  24. Campbell, J., Sharma, A. Compensatory changes in cortical resource allocation in adults with hearing loss. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 71 (2013).
  25. Debener, S., Hine, J., Bleeck, S., Eyles, J. Source localization of auditory evoked potentials after cochlear implantation. Psychophysiology. 45 (1), 20-24 (2008).
  26. Gilley, P. M., Sharma, A., Dorman, M. F. Cortical reorganization in children with cochlear implants. Brain Research. 1239, 56-65 (2008).
  27. Neuner, I., Arruba, J., Felder, J., Shah, N. J. Simultaneous EEG-fMRI acquisition at low, high and ultra-high magnetic fields up to 9.4 T: Perspectives and challenges. Neuroimage. 15 (102), 71-79 (2014).
  28. Schulte-Korne, G., Bartling, J., Deimel, W., Remschmidt, H. Visual evoked potential elicited by coherently moving dots in dyslexic children. Neuroscience Letters. 357 (3), 207-210 (2004).
  29. Zhang, R., Hu, Z., Roberson, D., Zhang, L., Li, H., Liu, Q. Neural processes underlying the “same”- “different” judgment of two simultaneously presented objects—an EEG study. PLoS One. 8 (12), e81737 (2013).
check_url/de/59146?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Campbell, J., Nielsen, M., LaBrec, A., Bean, C. Stimulus-specific Cortical Visual Evoked Potential Morphological Patterns. J. Vis. Exp. (147), e59146, doi:10.3791/59146 (2019).

View Video