Запись активности мозга с помощью электроэнцефалографии уха
Summary
Здесь представлена процедура использования c-сетки (электроэнцефалография уха, продаваемая под названием cEEGrid) для регистрации активности мозга в лаборатории и за ее пределами в течение длительного времени. Этот протокол описывает, как настроить эти массивы и как записывать активность мозга с их помощью.
Abstract
C-сетка (ушная электроэнцефалография, продается под названием cEEGrid) представляет собой ненавязчивый и удобный электродный массив, который можно использовать для исследования активности мозга после прикрепления вокруг уха. C-сетка подходит для использования вне лаборатории в течение длительного времени, даже в течение всего дня. Различные когнитивные процессы могут быть изучены с использованием этих сеток, как показали предыдущие исследования, в том числе исследования за пределами лаборатории. Для записи качественных данных Уха-ЭЭГ необходима тщательная подготовка. В этом протоколе мы объясняем шаги, необходимые для его успешной реализации. Во-первых, показано, как проверить функциональность сетки перед записью. Во-вторых, дается описание того, как подготовить участника и как подогнать c-сетку, что является наиболее важным шагом для записи высококачественных данных. В-третьих, дается план того, как подключить сети к усилителю и как проверить качество сигнала. В этом протоколе мы перечисляем рекомендации и советы, которые делают записи c-grid успешными. Если исследователи следуют этому протоколу, они полностью оснащены для экспериментов с c-сеткой как в лаборатории, так и за ее пределами.
Introduction
С помощью подвижной электроэнцефалографии уха (ЭЭГ) активность мозга может быть записана в повседневной жизни, и можно получить новое понимание нейронной обработки за пределами лаборатории1. Чтобы быть пригодной для повседневной жизни, мобильная ушная система ЭЭГ должна быть прозрачной, ненавязчивой, простой в использовании, устойчивой к движению и удобной для ношения даже в течение нескольких часов2. C-сетка (продается под названием cEEGrid), с-образная ушная система ЭЭГ, направлена на удовлетворение этих требований, чтобы свести к минимуму вмешательство в естественное поведение. Сетка состоит из 10 электродов Ag/AgCl, напечатанных на флекспечатном материале3. В сочетании с миниатюрным мобильным усилителем и смартфоном для сбора данных 4,5, эти сетки могут использоваться для сбора данных ЭЭГ в течение более 8 часов 1,6.
Несколько исследований, проведенных в лаборатории, показали потенциал c-сеток для изучения слуховых и других когнитивных процессов. С-сетки успешно используются для декодирования слухового внимания с точностью выше уровня вероятности 7,8,9,10,11. Segaert et al.12 использовали эти массивы для количественной оценки языковых нарушений у пациентов с легкими когнитивными нарушениями. Garrett et al.13 показали, что эти массивы могут захватывать слуховые потенциалы мозга, происходящие из ствола мозга. Помимо исследований, сосредоточенных на слуховой области, Knierim et al.14 использовали сетки для исследования опыта потока (то есть ощущения полного участия в задаче), измеряемого изменениями альфа-мощности. Наконец, Pacharra et al.15 использовали эти сетки для визуальной задачи. Все эти лабораторные исследования демонстрируют различные когнитивные процессы, которые могут быть захвачены с помощью этих сеток.
Эти сетки также могут быть использованы для записи ЭЭГ за пределами лаборатории, как показано в нескольких исследованиях. Например, эти массивы были использованы для оценки умственной нагрузки в симуляторе вождения16,17 и для изучения невнимательной глухоты, невосприятия критических звуков тревоги, в симуляторе полета18. Сетки особенно перспективны для долгосрочных записей, таких как долгосрочный мониторинг эпилептических припадков2 и стадия сна6. Hölle et al.1 использовали эти сетки для измерения слухового внимания в течение рабочего дня в течение 6 часов. В целом, все эти исследования подчеркивают их потенциал для изучения различных мозговых процессов в лаборатории и за ее пределами.
Каждая запись ЭЭГ требует тщательной подготовки для получения достоверных результатов. Это особенно важно для мобильных приложений, где можно ожидать больше артефактов, чем в лаборатории из-за движения участника. Для обеспечения оптимальных результатов необходимы конкретные подготовительные этапы. Мы излагаем критические шаги по подготовке сетей, подготовке участника к сбору данных, а также установке и подключению сетей для записи ЭЭГ. Мы указываем на потенциальные ошибки и показываем примеры плохого качества данных, когда вложение не является правильным. Наконец, показаны репрезентативные результаты игры на фортепиано.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь представлен протокол для записи ЭЭГ в ухе с помощью c-сетки. Следование шагам этого протокола обеспечивает высокое качество записи. В нижеследующих пунктах проводится сравнение с cap-EEG, обсуждаются наиболее важные этапы протокола наряду с некоторыми рекомендациями по наилучшей практике и обсуждаются некоторые изменения.
Сравнение с-сеток с колпачковой ЭЭГ и ЭЭГ в ухе
C-сетка позволяет ненавязчиво записывать активность мозга в повседневной жизни и хорошо подходит для более длинных записей. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с кап-ЭЭГ. Во-первых, из-за своего веса, комфорта и низкой видимости он едва ограничивает участников в их повседневной деятельности1. Во-вторых, его можно носить в течение длительных периодов времени – более 11 часов за одно исследование6 – без отпадения электродов 1,3,6, так как они запечатаны клейкими наклейками. С другой стороны, c-сетка покрывает только часть поверхности cap-EEG и, таким образом, не может заменить cap-EEG для всех целей. Однако в тех случаях, когда необходимо легкое, ненавязчивое, быстро настраиваемое, минимально ограничивающее решение (например, на рабочем месте), c-сетки могут предоставлять соответствующую нейронную информацию.
Сравнение результатов между участниками потенциально сложнее для c-сетки по сравнению с cap-EEG. Для кап-ЭЭГ часто используется международная система 10-20 для облегчения сравнения результатов между исследованиями и между участниками с различными размерами головы. В этой системе электроды расположены относительно конкретных анатомических ориентиров (т. Е. Наз и инион спереди назад и уши слева направо). На практике различные размеры колпачка используются для учета различных размеров головки и, таким образом, приблизительного оптимального позиционирования электрода. C-сетка не может быть легко интегрирована в эту систему по двум причинам. Во-первых, они в настоящее время доступны в одном размере и, таким образом, занимают больше или меньше места в зависимости от размера головы. Во-вторых, форма уха влияет на позиционирование решеток. В общем, два самых верхних электрода будут находиться непосредственно над ухом, но в зависимости от формы уха они могут быть наклонены больше вперед или назад. Мы не знаем ни одного исследования, которое изучало бы, являются ли эти сдвиги в положениях электродов достаточно большими, чтобы иметь значение.
Другой подход к измерению ЭЭГ уха заключается в размещении электродов внутри уха, например, в наружном слуховом проходе или раковине 23,24,25. Такой подход обеспечивает еще меньшую видимость, чем c-сетка, но приводит к записи сигналов с более низкими амплитудами из-за небольших расстояний между электродами26.
Наиболее важные шаги
ЭЭГ в целом, и особенно мобильная ЭЭГ, ориентированная на ухо, остается сложной технологией. Поэтому тщательная подготовка участника и размещение сеток имеет важное значение для обеспечения хорошего качества данных с течением времени. Подготовка начинается с волос и кожи участников. Волосы и кожу вокруг уха следует промыть и высушить. Кроме того, экспериментатору необходимо тщательно очистить область вокруг уха абразивным гелем и спиртом и убедиться, что сетки прочно прикреплены клеевыми наклейками. Эти шаги важны и должны выполняться осторожно, чтобы обеспечить хорошую адгезию электрод-кожа и низкое сопротивление в течение более длительных периодов времени. Чистка кожи особенно может сделать разницу между успешной и неудачной записью.
Однако даже при надлежащем уходе импеданс для отдельных электродов все еще может быть плохим непосредственно после размещения электродов. В целом, интерфейс электрод-кожа со временем стабилизируется, и мы часто наблюдаем, что импеданс уменьшается в течение 5-15 мин. Если качество сигнала остается плохим, рекомендуется полностью удалить сетки, вытереть любой остаточный гель вокруг уха участника и подогнать новый. Быстрее подогнать новую, чем чистить и готовить ранее снятую сетку. Не рекомендуется добавлять электродный гель к отдельным электродам после установки сетки, так как это может поставить под угрозу прочность сцепления наклеек и даже привести к перекрытию соседних электродов.
После того, как сетка была размещена и когда импеданс электродов низкий, может начаться запись данных. Для более длинных записей (>1 ч) в начале следует провести краткую проверку качества данных. Например, в этом исследовании показана 3-минутная слуховая задача, которая может быть проведена и проанализирована быстро, чтобы обеспечить хорошее качество сигнала.
В некоторых случаях запись с помощью c-сетки может быть невозможна вообще, например, когда сетка слишком мала для уха (даже после стрижки) или когда волосяной покров находится слишком близко к уху, что означает, что сетка не прилипает к коже. Если сетка «нависает» над какими-то волосами, исследователи не могут ожидать качественных данных.
Устранение неполадок
Плохое сопротивление и/или сигнал
Чтобы избежать этих проблем, крайне важно, чтобы кожа была тщательно очищена перед подгонкой. Кроме того, следует обязательно проверить функциональность каждого электрода перед установкой. Например, следует проверить, что сетка правильно подключена к разъему и что каждый электрод имеет прочный контакт с кожей, а затем подождать несколько минут, пока импеданс и сигнал не улучшатся. Для дальнейшей проверки функциональности после подгонки следует нажимать на отдельные электроды, а полученный сигнал проверять. Если соответствующий сигнал каждого электрода показывает отклик, электрод в принципе функционален. Если все вышеперечисленные шаги не помогают, следует снять сетку, вытереть остаточный гель вокруг уха участника и подогнать новый.
Ситуации без сигнала
Во-первых, следует убедиться, что сеть правильно подключена к усилителю, а также убедиться, что разъем сетки не перевернут. Сигнал будет подаваться только при подключении заземляющего и опорного электродов; Будет ли заземление и опора слева, справа или с обеих сторон, зависит от разъема.
Сигнал ухудшается во время записи
Для решения этой проблемы может быть несколько причин, которые необходимо решить. Во-первых, некоторые из электродов, возможно, отделились от кожи. Это может произойти, когда клей скомпрометирован остатками электродного геля, волосами под электродами или из-за помех со стороны участника (например, царапины вокруг уха или регулировка очков). Во-вторых, могут возникнуть проблемы с соединением между сеткой и усилителем (т.е. сетка могла быть вытащена из усилителя или ее положение могло сместиться). Наконец, сетка могла быть повреждена во время использования. Это может произойти, если хвост c-сетки изогнут слишком сильно.
Каналы, показывающие идентичные сигналы
В этом случае электроды соединяются мостом. Следует снять сетку, вытереть остаточный гель вокруг уха участника и подогнать новый. Следует также убедиться, что на каждом электроде используются только капли электродного геля размером с чечевицу, чтобы избежать моста.
Участники сообщают, что размещение неудобно
Наиболее распространенной причиной снижения комфорта является то, что сетка расположена слишком близко к задней стороне уха. Следует обязательно оставить от 1 мм до 2 мм между c-сеткой и задней стороной уха. Небольшой кусочек ленты, прикрепленный за ухом, помогает повысить комфорт.
Модификации метода
C-сетка поставляется в одном размере. Тем не менее, это обеспечивает некоторую гибкость в отношении его размера. Разрезая пластик внутренней стороны, размер может быть уменьшен, чтобы соответствовать более крупным ушам. Следует обратить особое внимание, чтобы не врезаться в электроды или проводящие пути.
В зависимости от используемого усилителя и сценария записи существуют различные способы размещения усилителя на корпусе. Фиксированная длина хвостовой части сетки и тот факт, что она указывает горизонтально в сторону от уха, ограничивает возможные места размещения разъема усилителя. Различные производители предоставляют адаптерные кабели, которые соединяют сеть с конкретным усилителем (мобильным или лабораторным). Были предложены различные решения для размещения усилителя; некоторые исследователи используют оголовье3, в то время как другие интегрируют его в базовый колпачок27. Для более коротких экспериментов подойдет оголовье. Для более длительных экспериментов усилитель может быть приклеен к одежде6 или корпусу2, храниться в изготовленных на заказ ремнях, приклеен к наушникам, носимым вокругшеи 1, или приклеен к протектору шеи, обычно используемому для катания на горных велосипедах. Мы разработали прототип, который сочетает в себе шейный динамик (для представления слуховых раздражителей) с мобильным усилителем ЭЭГ и разъемами к c-сетке (инструкцию по сборке можно найти здесь: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). Мы успешно использовали этот подход в недавнем исследовании (в стадии подготовки), в котором мы записывали Ухо-ЭЭГ в течение 4 часов, пока участники работали в офисе.
Будущие приложения
C-сетка является перспективным инструментом для долгосрочных записей в повседневной жизни. Например, его можно использовать для исследования обработки звука в повседневной жизни1. При длительных записях циркадные вариации в познании и слуховой функции также могут быть исследованы 28,29. В диагностических целях сетка может быть использована для длительного мониторинга эпилептических припадков2, постановки сна6 или для измерения внимания к слуховым аппаратам 7,11.
Заключение
Этот протокол всесторонне оснащает исследователей для экспериментов с этими c-сетками в лаборатории и за ее пределами. Если исследователи будут следовать этому протоколу и тщательно выполнять шаги, в том числе наиболее важные, такие как очистка кожи и установка c-сетки, они могут ожидать высококачественных данных для своих экспериментов с ЭЭГ в ухе.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкий исследовательский фонд) в рамках программы Эмми-Нётер, BL 1591/1-1 – Project ID 411333557. Мы благодарим Суонг Нгуен, Мануэлу Егер и Марию Столлманн за помощь в съемках видео. Благодарим Джоанну Скэнлон за закадровый видео.
Materials
| 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 |
Referenzen
- Hölle, D., Meekes, J., Bleichner, M. G. Mobile ear-EEG to study auditory attention in everyday life. Behavior Research Methods. 53 (5), 2025-2036 (2021).
- Bleichner, M. G., Debener, S. Concealed, unobtrusive ear-centered EEG acquisition: cEEGrids for transparent EEG. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 163 (2017).
- Debener, S., Emkes, R., De Vos, M., Bleichner, M. Unobtrusive ambulatory EEG using a smartphone and flexible printed electrodes around the ear. Scientific Reports. 5, 16743 (2015).
- Blum, S., Hölle, D., Bleichner, M. G., Debener, S. Pocketable labs for everyone: Synchronized multi-sensor data streaming and recording on smartphones with the lab streaming layer. Sensors. 21 (23), 8135 (2021).
- Bleichner, M. G., Emkes, R. Building an ear-EEG system by hacking a commercial neck speaker and a commercial EEG amplifier to record brain activity beyond the lab. Journal of Open Hardware. 4 (1), 5 (2020).
- Sterr, A., et al. Sleep EEG derived from behind-the-ear electrodes (cEEGrid) compared to standard polysomnography: A proof of concept study. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 452 (2018).
- Mirkovic, B., Bleichner, M. G., De Vos, M., Debener, S. Target speaker detection with concealed EEG around the ear. Frontiers in Neuroscience. 10, 349 (2016).
- Bleichner, M. G., Mirkovic, B., Debener, S. Identifying auditory attention with ear-EEG: cEEGrid versus high-density cap-EEG comparison. Journal of Neural Engineering. 13 (6), 066004 (2016).
- Nogueira, W., et al. Decoding selective attention in normal hearing listeners and bilateral cochlear implant users with concealed ear EEG. Frontiers in Neuroscience. 13, 720 (2019).
- Denk, F., et al. Event-related potentials measured from in and around the ear electrodes integrated in a live hearing device for monitoring sound perception. Trends in Hearing. 22, 2331216518788219 (2018).
- Holtze, B., Rosenkranz, M., Jaeger, M., Debener, S., Mirkovic, B. Ear-EEG measures of auditory attention to continuous speech. Frontiers in Neuroscience. 16, 869426 (2022).
- Segaert, K., et al. Detecting impaired language processing in patients with mild cognitive impairment using around-the-ear cEEgrid electrodes. Psychophysiology. 59 (5), e13964 (2021).
- Garrett, M., Debener, S., Verhulst, S. Acquisition of subcortical auditory potentials with around-the-ear cEEGrid technology in normal and hearing impaired listeners. Frontiers in Neuroscience. 13, 730 (2019).
- Knierim, M. T., Berger, C., Reali, P. Open-source concealed EEG data collection for Brain-computer-interfaces – neural observation through OpenBCI amplifiers with around-the-ear cEEGrid electrodes. Brain-Computer Interfaces. 8 (4), 161-179 (2021).
- Pacharra, M., Debener, S., Wascher, E. Concealed around-the-ear EEG captures cognitive processing in a visual simon task. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 290 (2017).
- Wascher, E., et al. Evaluating mental load during realistic driving simulations by means of round the ear electrodes. Frontiers in Neuroscience. 13, 940 (2019).
- Getzmann, S., Reiser, J. E., Karthaus, M., Rudinger, G., Wascher, E. Measuring correlates of mental workload during simulated driving using cEEGrid electrodes: A test-retest reliability analysis. Frontiers in Neuroergonomics. 2, 729197 (2021).
- Somon, B., Giebeler, Y., Darmet, L., Dehais, F. Benchmarking cEEGrid and solid gel-based electrodes to classify inattentional deafness in a flight simulator. Frontiers in Neuroergonomics. 2, 802486 (2022).
- Hölle, D., Blum, S., Kissner, S., Debener, S., Bleichner, M. G. Real-time audio processing of real-life soundscapes for EEG analysis: ERPs based on natural sound onsets. Frontiers in Neuroergonomics. 3, 793061 (2022).
- Cohen, M. X. A tutorial on generalized eigendecomposition for denoising, contrast enhancement, and dimension reduction in multichannel electrophysiology. NeuroImage. 247, 118809 (2022).
- Meiser, A., Bleichner, M. G. Ear-EEG compares well to cap-EEG in recording auditory ERPs: A quantification of signal loss. Journal of Neural Engineering. 19 (2), (2022).
- Polich, J. Updating P300: An integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
- Kidmose, P., Looney, D., Mandic, D. P. Auditory evoked responses from ear-EEG recordings. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. , 586-589 (2012).
- Looney, D., Goverdovsky, V., Rosenzweig, I., Morrell, M. J., Mandic, D. P. Wearable in-ear encephalography sensor for monitoring sleep preliminary observations from nap studies. Annals of the American Thoracic Society. 13 (12), 2229-2233 (2016).
- Kappel, S. L., Makeig, S., Kidmose, P. Ear-EEG forward models: Improved head-models for ear-EEG. Frontiers in Neuroscience. 13, 943 (2019).
- Meiser, A., Tadel, F., Debener, S., Bleichner, M. G. The sensitivity of ear-EEG: Evaluating the source-sensor relationship using forward modeling. Brain Topography. 33 (6), 665-676 (2020).
- Knierim, M. T., Berger, C., Reali, P. Open-source concealed EEG data collection for brain-computer-interfaces. arXiv. , (2021).
- Aseem, A., Hussain, M. E. Circadian variation in cognition: a comparative study between sleep-disturbed and healthy participants. Biological Rhythm Research. 52 (4), 636-644 (2019).
- Basinou, V., Park, J. -. S., Cederroth, C. R., Canlon, B. Circadian regulation of auditory function. Hearing Research. 347 (3), 47-55 (2017).
