Aufzeichnung der Gehirnaktivität mit Ohr-Elektroenzephalographie
Summary
Hier wird das Verfahren zur Verwendung des c-Gitters (Ohr-Elektroenzephalographie, vertrieben unter dem Namen cEEGrid) zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität innerhalb und außerhalb des Labors über längere Zeiträume vorgestellt. Dieses Protokoll beschreibt, wie diese Arrays eingerichtet werden und wie die Gehirnaktivität mit ihnen aufgezeichnet wird.
Abstract
Das c-Gitter (Ohr-Elektroenzephalographie, vertrieben unter dem Namen cEEGrid) ist ein unauffälliges und komfortables Elektroden-Array, das zur Untersuchung der Gehirnaktivität nach der Befestigung um das Ohr verwendet werden kann. Das C-Grid eignet sich für den Einsatz außerhalb des Labors über lange Zeiträume, sogar für den ganzen Tag. Verschiedene kognitive Prozesse können mit diesen Gittern untersucht werden, wie frühere Forschungen gezeigt haben, auch außerhalb des Labors. Um qualitativ hochwertige Ohr-EEG-Daten zu erfassen, ist eine sorgfältige Vorbereitung notwendig. In diesem Protokoll erläutern wir die Schritte, die für eine erfolgreiche Implementierung erforderlich sind. Zunächst wird gezeigt, wie die Funktionalität des Grids vor einer Aufzeichnung getestet werden kann. Zweitens wird beschrieben, wie der Teilnehmer vorbereitet werden muss und wie er an das C-Grid angepasst werden muss, was der wichtigste Schritt für die Aufzeichnung qualitativ hochwertiger Daten ist. Drittens wird beschrieben, wie die Netze an einen Verstärker angeschlossen werden und wie die Signalqualität überprüft werden kann. In diesem Protokoll listen wir Best-Practice-Empfehlungen und Tipps auf, die C-Grid-Aufnahmen erfolgreich machen. Halten sich die Forscher an dieses Protokoll, sind sie umfassend gerüstet, um sowohl innerhalb als auch außerhalb des Labors mit dem C-Gitter zu experimentieren.
Introduction
Mit der mobilen Ohr-Elektroenzephalographie (EEG) kann die Gehirnaktivität im Alltag aufgezeichnet und neue Erkenntnisse über die neuronale Verarbeitung außerhalb des Labors gewonnen werden1. Um alltagstauglich zu sein, sollte ein mobiles Ohr-EEG-System transparent, unauffällig, einfach zu bedienen, bewegungstolerant und auch über mehrere Stunden angenehm zu tragensein 2. Das C-Gitter (verkauft unter dem Namen cEEGrid), ein c-förmiges Ohr-EEG-System, zielt darauf ab, diese Anforderungen zu erfüllen, um Störungen des natürlichen Verhaltens zu minimieren. Das Gitter besteht aus 10 Ag/AgCl-Elektroden, die auf Flexprint-Material3 gedruckt sind. In Kombination mit einem miniaturisierten, mobilen Verstärker und einem Smartphone zur Datenerfassung 4,5 können diese Gitter verwendet werden, um Ohr-EEG-Daten für mehr als 8 Stunden zu sammeln 1,6.
Mehrere Studien, die im Labor durchgeführt wurden, haben das Potenzial von C-Gittern für die Untersuchung auditiver und anderer kognitiver Prozesse gezeigt. C-Gitter wurden erfolgreich für die Dekodierung der auditiven Aufmerksamkeit mit Genauigkeiten über den Wahrscheinlichkeitsstufen7, 8, 9, 10, 11 verwendet. Segaert et al.12 verwendeten diese Arrays, um Sprachstörungen bei Patienten mit leichter kognitiver Beeinträchtigung zu quantifizieren. Garrett et al.13 zeigten, dass diese Arrays auditive Gehirnpotentiale erfassen können, die aus dem Hirnstamm stammen. Abgesehen von der Forschung, die sich auf den auditiven Bereich konzentrierte, verwendeten Knierim et al.14 die Gitter, um Strömungserfahrungen (d.h. das Gefühl der totalen Beteiligung an einer Aufgabe) zu untersuchen, gemessen an Änderungen der Alpha-Leistung. Schließlich nutzten Pacharra et al.15 diese Gitter für eine visuelle Aufgabe. Alle diese laborbasierten Studien zeigen die verschiedenen kognitiven Prozesse, die mit diesen Gittern erfasst werden können.
Diese Gitter können auch außerhalb des Labors für EEG-Aufnahmen genutzt werden, wie mehrere Studien zeigen. Zum Beispiel wurden diese Arrays verwendet, um die mentale Belastung in einem Fahrsimulator 16,17 zu bewerten und um Unaufmerksamkeitstaubheit, die Nichtwahrnehmung kritischer Alarmtöne, in einem Flugsimulator18 zu untersuchen. Die Gitter sind besonders vielversprechend für Langzeitaufnahmen, wie z.B. die Langzeitüberwachung von epileptischen Anfällen2 und Schlafstadien6. Hölle et al.1 verwendeten diese Raster, um die auditive Aufmerksamkeit während eines Bürotages für 6 Stunden zu messen. Zusammenfassend unterstreichen alle diese Studien ihr Potenzial, verschiedene Gehirnprozesse innerhalb und außerhalb des Labors zu untersuchen.
Jede EEG-Aufzeichnung erfordert eine sorgfältige Vorbereitung, um valide Ergebnisse zu erhalten. Dies ist besonders wichtig für mobile Anwendungen, bei denen aufgrund der Bewegung des Teilnehmers mehr Artefakte zu erwarten sind als im Labor. Um ein optimales Ergebnis zu gewährleisten, sind spezifische Vorbereitungsschritte notwendig. Wir beschreiben die kritischen Schritte bei der Vorbereitung der Netze, der Vorbereitung des Teilnehmers auf die Datenerfassung und der Anpassung und Verbindung der Netze für EEG-Aufzeichnungen. Wir weisen auf mögliche Fehler hin und zeigen Beispiele für schlechte Datenqualität, wenn der Anhang nicht korrekt ist. Abschließend werden repräsentative Ergebnisse einer am Klavier gespielten Sonderlingsaufgabe gezeigt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier ist ein Protokoll für Ohr-EEG-Aufnahmen mit den c-Gittern vorgesehen. Die Befolgung der Schritte dieses Protokolls gewährleistet qualitativ hochwertige Aufnahmen. In den folgenden Abschnitten wird ein Vergleich mit dem CAP-EEG vorgenommen, die wichtigsten Schritte des Protokolls sowie einige Best-Practice-Empfehlungen diskutiert und einige Änderungen diskutiert.
Vergleich von C-Gittern mit Cap-EEG und In-Ear-EEG
Das C-Grid ermöglicht die unauffällige Aufzeichnung der Gehirnaktivität im Alltag und eignet sich gut für längere Aufnahmen. Es hat mehrere Vorteile gegenüber dem Cap-EEG. Erstens schränkt es aufgrund seines Gewichts, seines Komforts und seiner schlechten Sicht die Teilnehmer kaum in ihren täglichen Aktivitäten ein1. Zweitens kann es über einen längeren Zeitraum getragen werden – mehr als 11 Stunden in einer Studie 6 – ohne dass die Elektroden 1,3,6 abfallen, da sie durch die Klebeaufkleber versiegelt sind. Auf der anderen Seite deckt das c-Gitter nur einen Bruchteil der Oberfläche des Cap-EEG ab und kann daher das Cap-EEG nicht für alle Zwecke ersetzen. In Fällen, in denen eine leichte, unauffällige, schnell einzurichtende, minimal einschränkende Lösung erforderlich ist (z. B. am Arbeitsplatz), können C-Grids jedoch relevante neuronale Informationen liefern.
Der Vergleich der Ergebnisse zwischen den Teilnehmern ist für C-Grids im Vergleich zum Cap-EEG möglicherweise schwieriger. Für das Cap-EEG wird häufig das internationale 10-20-System verwendet, um den Vergleich der Ergebnisse zwischen Studien und Teilnehmern mit unterschiedlichen Kopfgrößen zu erleichtern. In diesem System sind die Elektroden relativ zu bestimmten anatomischen Orientierungspunkten positioniert (d. h. das Nasion und das Inion von vorne nach hinten und die Ohren von links nach rechts). In der Praxis werden unterschiedliche Kappengrößen verwendet, um unterschiedliche Kopfgrößen zu berücksichtigen und damit die optimale Elektrodenpositionierung anzunähern. Das C-Grid kann aus zwei Gründen nicht einfach in dieses System integriert werden. Erstens sind diese derzeit in Einheitsgröße erhältlich und decken somit je nach Kopfgröße mehr oder weniger Platz ab. Zweitens beeinflusst die Form des Ohres die Positionierung der Gitter. Im Allgemeinen befinden sich die beiden obersten Elektroden direkt über dem Ohr, aber je nach Ohrform können sie eher nach vorne oder nach hinten geneigt sein. Uns ist keine Studie bekannt, die untersucht hat, ob diese Verschiebungen der Elektrodenpositionen groß genug sind, um relevant zu sein.
Ein weiterer Ansatz zur Messung des Ohr-EEG besteht darin, die Elektroden im Inneren des Ohres zu platzieren, z. B. im äußeren Gehörgang oder in der Concha23,24,25. Ein solcher Ansatz bietet eine noch geringere Sichtbarkeit als das c-Gitter, führt aber aufgrund der geringen Abstände zwischen den Elektroden26 zur Aufzeichnung von Signalen mit niedrigeren Amplituden.
Die wichtigsten Schritte
Das EEG im Allgemeinen und das mobile ohrzentrierte EEG im Besonderen sind nach wie vor eine herausfordernde Technologie. Daher ist die sorgfältige Vorbereitung des Teilnehmers und die Platzierung der Raster unerlässlich, um eine gute Datenqualität über die Zeit zu gewährleisten. Die Vorbereitung beginnt mit den Haaren und der Haut der Teilnehmer. Die Haare und die Haut um das Ohr sollten gewaschen und getrocknet werden. Darüber hinaus muss der Experimentator den Bereich um das Ohr herum sorgfältig mit abrasivem Gel und Alkohol reinigen und sicherstellen, dass die Gitter mit den Klebeaufklebern fest verbunden sind. Diese Schritte sind wichtig und sollten sorgfältig durchgeführt werden, um eine gute Elektroden-Hauthaftung und eine niedrige Impedanz über längere Zeiträume zu gewährleisten. Vor allem die Hautreinigung kann den Unterschied zwischen einer erfolgreichen und einer misslungenen Aufnahme ausmachen.
Aber auch bei richtiger Pflege kann die Impedanz einzelner Elektroden direkt nach der Platzierung der Elektroden immer noch schlecht sein. Im Allgemeinen stabilisiert sich die Elektroden-Haut-Grenzfläche im Laufe der Zeit, und wir beobachten oft, dass die Impedanz innerhalb von 5 Minuten bis 15 Minuten abnimmt. Wenn die Signalqualität schlecht bleibt, wird empfohlen, die Gitter vollständig zu entfernen, das restliche Gel um das Ohr des Teilnehmers herum abzuwischen und ein neues anzubringen. Es ist schneller, ein neues zu montieren, als das zuvor entfernte Gitter zu reinigen und vorzubereiten. Es wird nicht empfohlen, nach dem Einbau des Gitters Elektrodengel auf einzelne Elektroden aufzutragen, da dies die Haftfestigkeit der Aufkleber beeinträchtigen und sogar zur Überbrückung der benachbarten Elektroden führen kann.
Nachdem das Gitter platziert wurde und die Impedanz der Elektroden niedrig ist, kann die Datenaufzeichnung beginnen. Bei längeren Aufzeichnungen (>1 h) sollte zu Beginn eine kurze Datenqualitätsprüfung durchgeführt werden. Zum Beispiel wird in dieser Studie eine 3-minütige auditive Oddball-Aufgabe veranschaulicht, die schnell durchgeführt und analysiert werden kann, um eine gute Signalqualität zu gewährleisten.
In einigen Fällen ist die Aufnahme mit dem C-Gitter möglicherweise überhaupt nicht möglich, z. B. wenn das Gitter zu klein für das Ohr ist (auch nach dem Schneiden) oder wenn der Haaransatz zu nah am Ohr liegt, was bedeutet, dass das Gitter nicht an der Haut haftet. Wenn das Gitter über einigen Haaren “schwebt”, können die Forscher keine qualitativ hochwertigen Daten erwarten.
Fehlerbehebung
Schlechte Impedanz und/oder schlechtes Signal
Um diese Probleme zu vermeiden, ist es unerlässlich, dass die Haut vor der Anpassung sorgfältig gereinigt wird. Darüber hinaus sollte man darauf achten, die Funktionalität jeder Elektrode vor der Montage zu testen. Zum Beispiel sollte man überprüfen, ob das Gitter korrekt in den Stecker eingesteckt ist und ob jede Elektrode festen Kontakt mit der Haut hat und dann einige Minuten warten, bis sich die Impedanz und das Signal verbessern. Um die Funktionalität nach der Montage weiter zu überprüfen, sollten die einzelnen Elektroden gedrückt und das resultierende Signal überprüft werden. Wenn das entsprechende Signal jeder Elektrode eine Reaktion zeigt, ist die Elektrode prinzipiell funktionstüchtig. Wenn alle oben genannten Schritte nicht helfen, sollte man das Gitter entfernen, das restliche Gel um das Ohr des Teilnehmers abwischen und ein neues einsetzen.
Situationen ohne Signal
Erstens sollte man sicherstellen, dass das Netz richtig mit dem Verstärker verbunden ist, sowie sicherstellen, dass der Netzstecker nicht auf dem Kopf steht. Es gibt nur dann ein Signal, wenn die Masse- und Referenzelektroden angeschlossen sind. Ob sich die Masse und die Referenz auf der linken, rechten oder auf beiden Seiten befinden, hängt vom Steckverbinder ab.
Das Signal wird während der Aufnahme schlechter
Es kann mehrere Gründe für dieses Problem geben, die angegangen werden müssen. Erstens könnten sich einige der Elektroden von der Haut gelöst haben. Dies kann passieren, wenn der Klebstoff durch die Reste des Elektrodengels, durch Haare unter den Elektroden oder durch Störungen des Teilnehmers (z. B. Kratzen um das Ohr oder Anpassen der Brille) beeinträchtigt wird. Zweitens könnte es Probleme mit der Verbindung zwischen dem Gitter und dem Verstärker geben (d.h. das Gitter könnte aus dem Verstärker herausgezogen worden sein oder seine Position könnte sich verschoben haben). Schließlich könnte das Netz während der Nutzung beschädigt worden sein. Dies kann passieren, wenn das Ende des C-Gitters zu stark gebogen ist.
Kanäle mit identischen Signalen
In diesem Fall werden die Elektroden überbrückt. Man sollte das Gitter entfernen, das restliche Gel um das Ohr des Teilnehmers abwischen und ein neues einsetzen. Man sollte auch darauf achten, nur linsengroße Tropfen Elektrodengel auf jeder Elektrode zu verwenden, um eine Überbrückung zu vermeiden.
Teilnehmer, die berichten, dass die Platzierung unangenehm ist
Der häufigste Grund für einen verminderten Komfort ist, dass das Gitter zu nahe an der Rückseite des Ohres platziert ist. Man sollte darauf achten, 1 mm bis 2 mm zwischen dem C-Gitter und der Rückseite des Ohres zu lassen. Ein kleines Stück Klebeband, das hinter dem Ohr angebracht ist, hilft, den Komfort zu erhöhen.
Modifikationen der Methode
Das C-Gitter ist in einer Größe erhältlich. Es ermöglicht jedoch eine gewisse Flexibilität in Bezug auf seine Größe. Durch das Schneiden des Kunststoffs an der Innenseite kann die Größe verkleinert werden, um größere Ohren zu passen. Man sollte besonders darauf achten, nicht in die Elektroden oder die Leiterbahnen zu schneiden.
Je nach verwendetem Verstärker und Aufnahmeszenario gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, den Verstärker auf dem Körper zu platzieren. Die feste Länge des Gitterschwanzes und die Tatsache, dass es horizontal vom Ohr weg zeigt, begrenzt die möglichen Positionen für die Platzierung des Steckers des Verstärkers. Verschiedene Hersteller bieten Adapterkabel an, die das Netz mit einem bestimmten Verstärker (entweder mobil oder laborbasiert) verbinden. Für die Platzierung des Verstärkers wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Einige Forscher verwenden ein Stirnband3, während andere es in eine Basecap27 integrieren. Für kürzere Experimente eignet sich ein Stirnband. Für längere Experimente kann der Verstärker an die Kleidung6 oder den Körper2 geklebt, in speziell angefertigten Gurten aufbewahrt, an Kopfhörer geklebt werden, die um den Hals getragen werden1 oder an einen Nackenschutz geklebt werden, der üblicherweise beim Mountainbiken verwendet wird. Wir haben einen Prototypen entwickelt, der einen Halslautsprecher (zur Darstellung von Hörreizen) mit einem mobilen EEG-Verstärker und Anschlüssen an das C-Grid kombiniert (eine Bauanleitung finden Sie hier: https://github.com/mgbleichner/nEEGlace). Wir haben diesen Ansatz erfolgreich in einer aktuellen Studie (in Vorbereitung) angewendet, in der wir das Ohr-EEG für 4 h aufgezeichnet haben, während die Teilnehmer in einem Büro arbeiteten.
Zukünftige Anwendungen
Das C-Grid ist ein vielversprechendes Werkzeug für Langzeitaufnahmen im Alltag. Zum Beispiel kann man damit die Klangverarbeitung im Alltaguntersuchen 1. Mit Langzeitaufzeichnungen können auch circadiane Variationen der Kognition und der Hörfunktion untersucht werden28,29. Für diagnostische Zwecke kann das Raster zur Langzeitüberwachung von epileptischen Anfällen2, Schlafstadien6 oder zur Messung der Aufmerksamkeit für Hörgeräte 7,11 verwendet werden.
Schlussfolgerung
Dieses Protokoll rüstet Forscher umfassend aus, um mit diesen C-Gittern innerhalb und außerhalb des Labors zu experimentieren. Wenn die Forscher dieses Protokoll befolgen und die Schritte, einschließlich der wichtigsten, wie die Hautreinigung und die Anpassung des C-Gitters, sorgfältig durchführen, können sie qualitativ hochwertige Daten für ihre Ohr-EEG-Experimente erwarten.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy-Noether-Programms BL 1591/1-1 – Projekt-ID 411333557 gefördert. Wir danken Suong Nguyen, Manuela Jäger und Maria Stollmann für ihre Unterstützung bei den Dreharbeiten zum Video. Wir danken Joanna Scanlon für das Video-Voiceover.
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 |
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