Investigating the Effects of Antipsychotics and Schizotypy on the N400 Using Event-Related Potentials and Semantic Categorization

Vivian Gu; Ola Mohamed Ali; Katherine L'Abb&#233;e Lacas; J. Bruno Debruille

doi:10.3791/52082

JoVE Journal > Behavior

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Davranış

Étude des effets des antipsychotiques et schizotypie sur la N400 en fonction des potentiels d'événements liés et catégorisation sémantique

Published: November 19, 2014

doi:

10.3791/52082

Vivian Gu¹, Ola Mohamed Ali¹, Katherine L’Abbée Lacas², J. Bruno Debruille^3,4

¹Psikoloji Bölümü,McGill University, ²Department of Cognitive Science,McGill University, ³Douglas Institute, Department of Psychiatry,McGill University, ⁴Neurology and Neurosurgery Department,McGill University

Özet

Utilisation potentiels EEG liés à l'événement (ERP), nous étudions les effets des médicaments antipsychotiques sur anormales activations cérébrales sémantiques chez des sujets sains avec des traits schizotypiques. Nous utilisons ERP pour suivre les changements distincts dans l'activité cérébrale, en versant un aperçu des processus cognitifs associés à la catégorisation sémantique.

Abstract

Dans le domaine de la neuroscience cognitive, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une méthode populaire de visualiser le fonctionnement du cerveau. Ceci est en partie en raison de son excellente résolution spatiale, qui permet aux chercheurs d'identifier les zones du cerveau associées à des processus cognitifs spécifiques. Cependant, dans la quête de localiser les fonctions du cerveau, il est intéressant de noter que de nombreux, et les processus cognitifs, sensoriels moteurs ont distinctions temporelles qui sont des impératifs pour capturer, un aspect qui reste lettre morte par la résolution temporelle optimale de l'IRMf. Afin de mieux comprendre les processus cognitifs, il est donc avantageux d'utiliser le potentiel (ERP) enregistrement relié aux événements comme une méthode de collecte d'informations sur le cerveau. Certains de ses avantages sont sa résolution temporelle fantastique, qui donne aux chercheurs la possibilité de suivre l'activité du cerveau à la milliseconde près. Il aussi directement indices deux potentiels post-synaptiques excitateurs et inhibiteurspar lequel la plupart des calculs sont effectués cérébrales. Ceci se trouve en contraste avec IRMf, qui capture un indice de l'activité métabolique. En outre, la méthode ERP non-invasive ne nécessite pas une condition de contraste: ERP premières peuvent être examinées pour une seule condition expérimentale, une distinction de l'IRMf où les conditions de contrôle doivent être soustraites de la condition expérimentale, engendrant des incertitudes associant observations expérimentales ou contraste conditions. Bien qu'il soit limité par sa résolution spatiale et de l'activité sous-corticale pauvres, l'utilité des enregistrements ERP, le rapport coût-efficacité et les avantages associés offrent une forte justification de son utilisation en neurosciences cognitives à suivre les changements temporels rapides de l'activité neuronale. Dans un effort pour favoriser augmentation de son utilisation comme méthode d'imagerie de recherche, et d'assurer la collecte correcte et précise des données, le présent article expose – dans le cadre d'un paradigme en utilisant la catégorisation sémantique pour examiner les effets de antipsychotiques et schizotypie sur la N400 – la procédure et les aspects clés associés à l'acquisition de données de l'ERP.

Introduction

Bien que les progrès de neuro-imagerie ont indéniablement augmenté notre compréhension des fonctions du cerveau, ces progrès ont un accent en grande partie statique sur l'élucidation des structures du cerveau. Cela laisse ensuite les caractéristiques temporelles dynamiques de réseaux cérébraux relativement enveloppées dans l'obscurité, comme méthodes de neuroimagerie qui ne traitent ces aspects temporels, tels que l'IRMf et spectroscopie proche infrarouge (NIRS), produisent des résolutions temporelles qui sont insuffisants par rapport à celle de l'EEG. Il est donc pertinent de mieux comprendre et d'utiliser l'utilisation de l'enregistrement de l'ERP, qui est capable de produire de grandes quantités d'informations significatives qui seraient autrement inconnu. enregistrement ERP est un outil d'analyse non-invasive qui permet aux neuroscientifiques cognitifs de suivre les modulations temporelles rapides de l'activité neuronale qui sont provoquées par des processus sensoriels, cognitifs et moteurs. Il consiste à placer des électrodes sur le cuir chevelu pour capturer les réponses post-synaptiques électriques de grande npopulations euronal ² à des événements ou à des stimuli spécifiques. ERP sont des changements électroencéphalographiques qui prennent du temps à verrouillage sensorielles, motrices, cognitives ou événements, et sont soupçonnés de représenter la somme des potentiels post-synaptiques produites au cours de traitement de l'information ^3. Ces formes d'onde ERP sont caractérisés par leur temps de latence, l'amplitude, la polarité, de la distribution et du cuir chevelu, en fournissant une riche palette de données neurologiques qui peuvent stimuler d'autres renseignements sur les connexions neuronales qui contribuent à la cognition.

Le but de l'enregistrement de l'ERP et l'électroencéphalographie (EEG) est d'obtenir des informations sur les processus neuronaux fondamentaux impliqués dans d'ordre supérieur, des opérations cognitives complexes ^4. ERP sont définis par leur fluctuation positive ou négative, ainsi que leur emplacement sur le cuir chevelu et le moment où ils apparaissent après l'apparition du stimulus. Divers ERP ont été associées à différents aspects de latraitement cognitif. Par exemple, nous avons cherché à l'événement lié potentiel du cerveau N400 ^5, une forme d'onde négative qui a suscité 400 ms après l'apparition des stimuli significatifs tels que des mots ^{de 6,} et dont la distribution sur le cuir chevelu est connue pour dépendre de la catégorie sémantique de ces stimuli. Le N400 est un indice d'activations sémantiques, et des études ont montré qu'il a une plus grande amplitude des mots qui activent plusieurs représentations, telles que des mots concrets (par exemple., Banane) qui activent les deux représentations visuelles et verbales, que pour les mots abstraits (par exemple, , idée), qui activent seulement représentations verbales ^7,8. La recherche appuie également l'idée que même de légers symptômes de la schizophrénie, tels que mesurés par l'échelle schizotypie, sont associés à l'activation sémantique anormalement excessive de la N400 ^9. En tant que tel, nous étudions si un médicament antipsychotique, ce qui diminue la présentation des symptômes de schizophrénie, normalise soi anormalactivations sémantiques de la N400 chez les personnes en bonne santé avec des niveaux élevés de schizotypie. Ici, l'utilisation des ERP dans un paradigme de catégorisation sémantique est avantageux pour étudier les effets des antipsychotiques sur la N400.

Comme l'enregistrement ERP est une méthode non-invasive et relativement économique pour évaluer le fonctionnement neural, il peut être appliqué dans un large éventail de domaines, comme en témoigne le nombre important d'études ERP en neurosciences cognitives, neurologie, neuropsychologie, la psycholinguistique et la psychologie cognitive . Sa polyvalence permet aux enquêteurs de poser des questions de recherche pertinentes sur la chronologie relative des événements de neurones dans une grande variété de domaines, y compris la langue, la connaissance et l'étude de divers troubles psychiatriques ¹⁰ tels que la schizophrénie, le trouble affectif bipolaire, la dépression et le trouble de dépendance à l'alcool , et elle offre des avantages considérables par rapport d'autres méthodes de neuro-imagerie, comme fonctional imagerie par résonance magnétique (IRMf). Certains de ces comprennent son excellente résolution temporelle, qui met en lumière l'activité du cerveau à la milliseconde près. enregistrement ERP aussi directement indices potentiels excitateurs post-synaptiques (EPSPS) et les potentiels post-synaptiques inhibitrices (PPSI) à travers laquelle de nombreux calculs du cerveau sont effectuées, quelque chose que l'IRMf ne le fait pas. Un autre avantage de l'enregistrement ERP est qu'il offre la possibilité de distinguer l'activité inhibitrice (de hyperpolarisations neuronales) de l'activité excitatrice (dépolarisation neuronale de), alors que dans l'IRMf, les signaux ne sont pas plus clairement différenciées entre les deux. En outre, la méthode ERP ne nécessite pas une condition de contraste: ERP premières peuvent être examinées pour une seule condition expérimentale, une distinction de l'IRMf où les conditions de contrôle doivent être soustraites de la condition expérimentale, engendrant des incertitudes associant observations avec des conditions expérimentales ou de contraste. l'utilité des enregistrements ERP, par rapportcoût-efficacité et les avantages associés offrent une forte justification de l'utilisation des ERP en neurosciences cognitives comme un moyen de suivre les changements temporels rapides de l'activité neuronale. Suivi est un guide étape par étape pour les rudiments de la gestion d'une expérience EEG et l'enregistrement des potentiels liés à l'événement.

Protocol

Ce protocole suit les lignes directrices énoncées par le Conseil de recherche et d'éthique de l'Institut Douglas. 1. Préparation du patient Lorsque le participant arrive, expliquer l'expérience et obtenir une signature sur un formulaire de consentement éclairé qui a reçu l'approbation éthique de l'Institutional Review Board des institutions. Faire une marque à l'aide du crayon rouge sur le pont du nez (nasion), entre les sourcils. En utilisant un ruban à mesurer, mesurer à partir du nasion à la base inférieure du crâne, l'inion. Discerner cet endroit en glissant une main le cou jusqu'à une bosse sur le dos de la tête du participant se fait sentir. Prenez 1/10 e de la mesure entre le nasion et l'inion et faire une marque près de la racine des cheveux de la nasion, en prenant soin de veiller à ce que ces mesures sont en ligne avec le nez. Enroulez le ruban de la tête de mesure (4 ruban couleur) autour de la tête au niveau de la marquefaite à l'étape 1.3. Déterminer la taille du plafond basé sur où la fin de non-couleur du ruban rencontre l'extrémité de couleur: utiliser un capuchon bleu si elle traverse dans la région bleu, utiliser un bouchon bleu-rouge si elle traverse entre les régions bleues et rouges, etc. 2. Placement des électrodes Placez le capuchon sur la tête du participant. Alignez les deux électrodes sur le devant de la casquette avec les yeux. Insérer les disques en éponge à usage unique sur les électrodes frontales (FP1 et FP2), pour maintenir l'électro-gel de se propager. Tenez les deux électrodes frontales contre la marque près de la racine des cheveux et tirez le capuchon sur la tête. Assurez-vous que le bouchon bien ajusté sur la tête des participants. Placer les électrodes de l'oreille SUR DES les lobes des oreilles des participants comme électrodes de référence. Nettoyez les lobes d'oreilles avec de l'alcool. L'utilisation d'un applicateur coton-tige, répartis EEG peau abrasif gel préparant sur les lobes des oreilles pour faciliter la conductivité. Prenez une seringue et remplissez-le avec de l'électrolyte gel. Ensuite, presser le gel sur l'électrode de l'oreille. Placez délicatement l'oreille électrode remplie de gel sur les lobes des oreilles des participants. Attachez les fils de la PAC et les électrodes de l'oreille à l'amplificateur EEG. Régler le gain de l'amplificateur à 20.000. Fixez le harnais à la casquette avec les sangles de capitalisation, en vous assurant qu'il est parfaitement en gardant le bouchon en place. Commencer à appliquer un gel de l'électrolyte à l'électrode de masse, qui se trouve dans la partie antérieure médiane de la calotte. gel de l'électrolyte augmente la connectivité électrique entre le cuir chevelu et l'électrode. Utilisez la seringue pour presser gel d'électrolyte dans l'électrode. Commencer par l'insertion de la seringue dans l'électrode et le basculer d'avant en arrière jusqu'à ce qu'il soit en contact avec le cuir chevelu. Ensuite, presser simultanément la seringue et tirer vers le haut, créant une colonne verticale de gel. Répétez l'étape 2.7 pour toutes les électrodes. Poncer le cuir chevelu sous les électrodes avec une aiguille émoussée. Pour ce faire, tout en observing l'écran de l'ordinateur, qui doit afficher un schéma d'électrodes. Viser à gratter le cuir chevelu jusqu'à ce que l'électrode correspondante sur l'écran devient noir en couleur. Il est recommandé de commencer avec les électrodes de l'oreille, et de passer ensuite aux électrodes de terre. 3. électroencéphalographie EEG Expérience Lisez les instructions pour l'expérience sur le sujet. Ouvrez le logiciel d'acquisition EEG sur l'ordinateur. Observer l'activité de repos des électrodes. Résoudre les problèmes pour les électrodes de «mauvais», tels que les signaux de ligne plate, ou des signaux trop actifs. Si il y en a, répétez les étapes 2,7 et 2,9 pour minimiser l'impédance. strong> Remarque: L'impédance, qui est mesurée en utilisant un courant de 30 Hz, doit être maintenue en dessous de 5 kQ. Commencez l'enregistrement une fois que les signaux d'électrode air bien et il n'y a pas de signaux de ligne plats ou excessivement signaux actifs. Recherchez tout myograms ou œil mouvement, et veiller à ce que la particirefrains pantalon de clignoter et tendre leurs mâchoire et le front muscles, car ceux-ci de produire un bruit excessif dans les données. Au repos, il peut y avoir des rythmes alpha et bêta actuelle. Lancer l'expérience sur le deuxième ordinateur. Le moment de la conception expérimentale est important. Observez attentivement pour vous assurer que le logiciel d'expérimentation, tels que E-Prime, envoie des «marqueurs» pour indiquer le début du stimulus. Ceci est crucial que le début du stimulus est souvent utilisé comme un point de départ pour un événement dans les paradigmes de l'ERP de référence. Une fois l'expérience terminée, s'assurer que les données ont été saved- ce processus sera différent en fonction du logiciel utilisé. Retirez délicatement le couvercle, et d'aider le participant à se laver les cheveux et le séchage. Retirez le capuchon et des électrodes de l'oreille de l'amplificateur, retirez les disques d'éponges jetables, et nettoyer les bouchons d'oreille et des électrodes sous l'eau courante à l'aide d'un bâton ou la fin d'un coton-tige. Utilisez un savon doux ou du shampoing, ainsi que d'une brosse à dents, de douceur cloreille le gel à partir des électrodes. Rincer abondamment. Laisser sécher l'appareil sécher à l'air. 4. Traitement des données Pour obtenir des composants ERP de l'EEG, de déterminer qui sera étudié époque. Par exemple, pour calculer l'amplitude N400, utilisez les tensions moyennes dans le ms fenêtre temporelle 300-500 pour le calcul. Avant la moyenne des époques EEG, rejeter des essais avec les mouvements des yeux excessifs ou saturations de l'amplificateur. Selon le modèle de l'expérience, il peut être pertinent pour rejeter les essais qui correspondent aux réponses incorrectes. Après calcul de la moyenne, filtrer les ERP et tracer les données (voir Figure 1 Animation des instructions spécifiques sur le traitement des données à l'aide de Matlab, EEGLAB, et ERPLab).

Representative Results

Cinq chiffres ont été inclus pour aider les chercheurs à obtenir l'enregistrement ERP optimale La figure 1 illustre les formes d'onde ERP obtenus suite à la réussite de ce protocole. il constitue un «bon» résultat en raison de son enregistrement précis. Figure 2, d'autre part, illustre les formes d'onde de l'ERP qui caractériseraient une mauvaise exécution du protocole, ce qui entraîne des résultats «mauvais», qui sont plus particulièrement identifiés dans les signaux trop bruyants. La figure 3 montre les problèmes courants qui peuvent survenir lors de l'enregistrement de l'ERP qui peuvent entraver la collecte de données appropriée. Haute activité peut être interprétée à la haute fréquence et de grande amplitude dans les vagues. En revanche, un "Flatline" indique un manque d'activité ou de la connectivité mauvaise. Les figures 4 et 5 montrent les grandes moyennes pour les principaux résultats de notre enquête sur les effets des antipsychotiques et schizotypie surla N400, telle que mesurée en utilisant un paradigme de catégorisation sémantique. Figure 1. bon résultat. Ce chiffre représente les formes d'onde ERP moyennes d'un sujet sur tous les essais suivants exécution réussie de la technique, résultant en aucun lignes droites ou bruit excessif. Notez que les vagues seront légèrement différents en fonction des tâches de paradigme expérimental qui dépendent fortement des différents processus (cognitif, sensoriel, moteur et) va produire différentes formes d'onde en fonction du contenu de la tâche et les compétences requises par la tâche. Se il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/52082/52082fig2highres.jpg" /> Figure 2. mauvais résultat. Ce chiffre représente les formes d'onde ERP moyennes d'un sujet sur toutes les affaires suivantes mauvaise exécution de la technique. Les formes d'ondes présentées ici sont pauvres à cause du bruit, ainsi que la ligne horizontale en FP2. A noter également l'absence de composants ERP reconnaissables dans l'EEG. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. . Figure 3. Problèmes courants Ce chiffre représente les problèmes communs qui se posent à cette technique; à savoir, le mouvement des yeux, le mouvement des muscles, ou saturation. Notez que ces problèmes peuvent se produire dans l'un des canaux, alors assurez-vous de vérifier chacun d'eux. Se il vous plaît cliquez ici pour lutterwa version agrandie de cette figure. Figure 4. Effet de schizotypie. Ce chiffre représente les grands ERP moyenne dans la condition placebo. Les lignes rouges correspondent aux participants avec des scores élevés sur le questionnaire de personnalité schizotypique. Les lignes noires correspondent aux participants à faible schizotypie tel que déterminé par le questionnaire. Figure 5. Effets des médicaments chez les personnes de haute schizotypie. Ce chiffre représente les grands ERP moyenne, où le rouge correspond à la médication (Olanzapine) et noir correspond à un placebo. Se il vous plaît cliquer ici pour voir un plus grand versisur ce chiffre. Figure animée 1. Ce chiffre peut être utilisé comme un guide pour le traitement des données et l'obtention ERP.

Discussion

Dans notre enquête sur les effets des médicaments antipsychotiques sur la N400, nous avons constaté que dans la condition placebo, N400s antérieures étaient plus grandes chez les personnes ayant élevé schizotypie que chez les sujets ayant une faible schizotypie. Dans la condition de médicaments cependant, fronto-centrale N400s étaient plus petites, mais seulement chez les individus à haut schizotypie. Ainsi, le médicament a été vu pour diminuer ces grandes N400s __gVirt_NP_NN_NNPS<__ fronto-centrale chez les personnes schizotypiques élevés, ce qui confirme des recherches antérieures montrant petits N400s antérieures chez les patients schizophrènes traités avec des médicaments antipsychotiques, par rapport aux patients recevant un placebo ^11,12. Chez les personnes à faible schizotypie, il n'y avait pas d'effet de médicaments. Ces résultats ont été obtenus avec la bonne mise en œuvre du protocole, et parler de l'importance de la collecte de données claires et précises.

Pour garantir des résultats précis et valides, il ya quelques points critiques à prendre en compte. Àobtenez un bon signal, il est crucial que le bouchon est parfaitement en forme et placé de telle sorte que les électrodes sagittal sont exactement dans la moyenne et que l'impédance est réglée. Un chapeau qui est trop grand peut réduire la qualité d'enregistrement, car il sera beaucoup plus difficile de réduire les impédances ^13. Il est également important que les participants comprennent qu'ils doivent éviter les mouvements excessifs, clignant des yeux, ou fléchir leurs muscles du visage et de la mâchoire, que ces actions seront introduire des changements dans les traces de l'EEG et potentiellement faire l'interprétation des données très difficile ^14. Après l'expérience, l'équipement doit être correctement nettoyé afin d'assurer que les électrodes ne sont pas obstruées par des résidus de gel, ce qui pourrait affecter l'avenir collection de signal.

Si il ya des problèmes dans le signal, comme le bruit ou les lignes plates, assurez-vous que les électrodes à la fois le sol et de référence sont correctement connectés. Réduire l'impédance de ces électrodes peut réduire le bruit, siil ya des problèmes dans la connectivité, réappliquer le gel et re-rayures sur le cuir chevelu sous les électrodes. Si il ya myograms, permettre au sujet de se détendre avant de poursuivre. Dans la conception de l'expérience, il est pertinent pour l'enregistrement ERP que la conception expérimentale représente synchronisation aspects, tels que la durée de la présentation du stimulus et de brèves périodes de temps qui permettent au participant à clignoter.

Avant de commencer une expérience EEG, il est important de comprendre les limites associées. La résolution spatiale relativement faible peut être quelque chose à envisager, ainsi que la difficulté d'utiliser l'EEG pour élucider l'activité sous-corticale. Le bruit introduit par le témoin clignote et l'activité musculaire est également désavantageux, et les signaux obtenus sont tachées de neurones lors de leur passage à travers le fluide, les méninges, le crâne et céphalo-rachidien. Ces limitations peuvent être traités avec des méthodes de neuroimagerie alternatives independently- tels que l'IRMf, SPIR & #8211; ou en combinant EEG avec ces approches. Cependant, comme mentionné précédemment, ces méthodes comportent également leurs propres limites. Les conditions de contraste nécessaires et le manque de base et la polarité en IRMf sont des exemples notables. En ce qui concerne les techniques d'imagerie du cerveau de remplacement, l'enregistrement de l'ERP a beaucoup plus avantages- en particulier sa résolution temporelle remarquable, qui est au niveau de millisecondes. Il est également non-invasive et peu mal à l'aise pour le participant, et est associée à aucun des risques ou des dangers importants. enregistrement ERP est économiquement viable, surtout lorsqu'on les compare à d'autres techniques de neuro-imagerie telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et la tomographie par émission de positons (PET) ^15. Il offre un regard sur les événements de neurones qui se produisent dans les processus cognitifs, sensoriels et moteurs, et à l'avenir, pourrait être appliquée à explorer les processus préconscient.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs tiennent à remercier la Fondation du cerveau et le comportement de recherche pour leur généreux soutien.

Materials

EEG acquisition software (Scan 4.5)	Neuroscan	http://www.neuroscan.com/scan.cfm
Digital EEG Amplifier (NuAmp)	Neuro Scan Labs	http://www.neuroscan.com/documents/AF573-01%20CURRY%20NuAmpsExpressPRESSD4.pdf
2 computers
Matlab	The MathWorks, Inc	http://www.mathworks.com/products/matlab/
EEGLab Matlab toolbox		http://sccn.ucsd.edu/eeglab/
ERPLAB Toolbox		http://erpinfo.org/erplab
Stimulus generation software	E-Prime
ECI Electrode cap	Electro-cap International, Inc	http://www.electro-cap.com/index.cfm/caps/
Special Head Measuring Tape (4 Colour ribbon)	Electro-cap International, Inc	http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Disposable Sponge Disks	Electro-cap International, Inc	http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
EEG Abrasive Skin Prepping Gel (Nuprep)	Weaver and Company	http://www.weaverandcompany.com/nuprep.html
Body harness	Electro-cap International, Inc	http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Cap straps	Electro-cap International, Inc	http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Electro-gel	Electro-cap International, Inc
Blunt needle (BD Vacutainer PrecisionGlide Multiple Sample Needle)	Becton, Dickinson and Company	367211; see http://www.bd.com/resource.aspx?IDX=7559
Syringe	Electro-cap International, Inc	http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
2 Ear Electrodes	Electro-cap International, Inc	http://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Alcohol wipes
Red pencil
Cotton swabs
Facilities and supplies for participants to wash their hair after the experiment- sink, shampoo, comb, towels, hair dryer

Referanslar

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Gu, V., Mohamed Ali, O., L’Abbée Lacas, K., Debruille, J. B. Investigating the Effects of Antipsychotics and Schizotypy on the N400 Using Event-Related Potentials and Semantic Categorization. J. Vis. Exp. (93), e52082, doi:10.3791/52082 (2014).