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Este artículo describe el protocolo subyacente electroencefalografía (EEG) microestado análisis y análisis de complejidad de omega, que son dos medidas de EEG de referencia gratuita y muy valiosa para explorar los mecanismos neurales de los trastornos cerebrales.
Complejidad según los Estados y omega son dos medidas de referencia libre de electroencefalografía (EEG) que pueden representar la complejidad temporal y espacial de los datos de EEG y han sido ampliamente utilizadas para investigar los mecanismos neuronales en algunos trastornos cerebrales. El objetivo de este artículo es describir el protocolo subyacente EEG microestado y omega complejidad análisis paso a paso. La principal ventaja de estas dos medidas es que podría eliminar el problema de referencia dependientes inherente al análisis de espectro tradicional. Además, análisis de microestado hace buen uso de la hora de resolución de EEG estado descansando, y las cuatro clases de microestado obtenidos podrían coincidir respectivamente con las correspondientes redes de estado descansando. La complejidad de omega caracteriza la complejidad espacial del cerebro entero o las regiones específicas del cerebro, que tiene evidente ventaja en comparación con las medidas de complejidad tradicional centrado en la complejidad de la señal en un solo canal. Estas dos medidas de EEG podrían complementarse para investigar la complejidad cerebral del dominio espacial y temporal respectivamente.
Electroencefalografía (EEG) ha sido ampliamente utilizada para registrar la actividad eléctrica del cerebro humano tanto en diagnóstico clínico e investigación científica, ya que es no invasivo, bajo costo calculado y tiene una resolución temporal muy alta1. Con el fin de estudiar las señales de EEG en estado de reposo, los investigadores han desarrollado muchas EEG técnicas (por ejemplo, análisis de espectro de potencia, análisis de conectividad funcional)2,3. De estos, microestado análisis y complejidad de omega podrían hacer un buen uso de la información espacial y temporal inherentes en las señales de EEG4.
Investigaciones anteriores han demostrado que aunque la distribución topográfica de las señales EEG varía con el tiempo en ojo cerrado ojo-libre estado de descanso, la serie de mapas momentáneos muestra cambios discontinuos de paisajes, es decir, periodos de estabilidad alternados con períodos de transición corto entre algunos cuasi-estable de topografías de EEG5. Microestados se definen como estos episodios con topografías cuasi-estables de la EEG, que durar entre 80 y 120 ms1. Puesto que diferentes paisajes de potencial eléctricos deben se han generado por diversas fuentes neuronales, estos microestados pueden calificar como los bloques básicos de mentación y pueden considerarse como "átomos de pensamiento y la emoción"6. Usando algoritmos de clasificación de patrón moderno, cuatro clases de microestado de EEG de reclinación se han constantemente observado, que fueron etiquetados como clase A, clase B, clase C y clase D7. Por otra parte, investigadores revelaron que estas cuatro clases de microestado de datos EEG en reposo eran estrechamente con conocidos sistemas funcionales observados en estado reposo fMRI (resonancia magnética funcional) muchos estudios8,9 . Así, el análisis de microestado proporcionó un nuevo enfoque para estudiar las redes de estado reposo (RSNs) del cerebro humano. Además, la duración promedio y la frecuencia de ocurrencia de cada clase según los Estados, la forma topográfica de los cuatro mapas de microestado están significativamente influenciados por algún cerebro trastornos4,10,11, y se asocian con la inteligencia fluida12 y personalidad13.
En el otro aspecto, conectividad funcional tradicional de varios canales EEG podría describir solamente las conexiones funcionales entre dos electrodos, por lo tanto no se pudo evaluar la conectividad funcional global a través del cuero cabelludo o dentro de una cierta región del cerebro. La complejidad de omega, propuesto por Wackermann (1996)14 y calculados a través de un enfoque que combina análisis de componentes principales (PCA) y la entropía de Shannon, se ha utilizado para cuantificar la sincronización global de banda ancha entre espacial regiones del cerebro distribuidas. Para evaluar la complejidad de omega de cada banda de frecuencia, transformada de Fourier comúnmente se realizó como un primer paso25.
Los microestados y omega complejidad pueden utilizarse para reflejar dos conceptos estrechamente vinculados, es decir, la complejidad temporal y espacial de la complejidad4. Puesto que las clases de microestado representan ciertas operaciones mentales en el cerebro humano, reflejan la estructura temporal de las oscilaciones neuronales. Menor duración y mayor tasa de ocurrencia por segundo deben indicar mayor complejidad temporal. La complejidad de omega está relacionada positivamente con el número de fuentes independientes de nervios en el cerebro, así son comúnmente considerado como un indicador de complejidad espacial4.
El actual artículo describe el protocolo de análisis del microestado de EEG y omega complejidad en detalle. El análisis de complejidad EEG microestado y omega ofrecen la oportunidad de medir la complejidad temporal y espacial de la actividad cerebral respectivamente.
Este protocolo fue aprobado por el Comité de ética local. Todos los participantes y sus padres firmaron un consentimiento informado para este experimento.
1. los sujetos
2. registro de datos de EEG
3. EEG datos procesamiento previo
Nota: Datos de EEG podrían preprocesados usando varios de código abierto o software comercial. Las instrucciones siguientes son específicas para EEGLAB. Esta es sólo una de muchas opciones disponibles para preprocesar datos de EEG.
4. EEG microestado análisis
Nota: Se utiliza una versión modificada del clásico algoritmo K-means para microestado clase análisis16, que contiene un procedimiento y un procedimiento de abajo para arriba. En el procedimiento de abajo hacia arriba, las clases de nivel de grupo microestado se identifican usando la correlación espacial como un criterio de agrupamiento. Luego en el procedimiento de abajo para arriba, cada mapa topográfico de cada sujeto en cada grupo se asigna a la clase de microestado del EEG con la máxima correlación espacial. Para el análisis de microestado EEG estado descansando, la polaridad de mapas topográficos comúnmente es ignorada. Análisis de clase de microestado EEG podrían hacerse utilizando distintos software de código abierto, como CARTOOL, sLORETA, EMMA y MapWin. Las instrucciones siguientes son específicas para el plugin EEGLAB de microestados. Este plugin EEGLAB puede descargarse de https://sccn.ucsd.edu/wiki/EEGLAB_Extensions_and_plug-ins.
5. omega complejidad análisis
Microestado de EEG
Gran media Normalizada según los Estados de mapas se muestran en la figura 1. Los paisajes potenciales eléctricos de estas cuatro clases de microestado identificados aquí son muy similares a los encontrados en estudios anteriores4.
La media y desviación estándar (DS) de parámetros según los Estados de los sujetos sanos mostraron en la tabla 1. Para la clase de microestado A, la tasa de ocurrencia fue 3.44 ± 1.29 veces / s y la duración fue de 72 ± 13 Sra. para la clase de microestado B, la tasa de ocurrencia fue de 3.54 ± 0.85 veces / s y la duración fue de 71 ± 18 Sra. para clase de microestado C, la tasa de ocurrencia fue de 3.85 ± 0.63 veces / s y la duración fue de 69 ± 9 Sra. D a la clase según los Estados, la tasa de ocurrencia fue de 3.41 ± 0,78 veces / s y la duración fue de 66 ± 11 ms.
Complejidad de Omega
El valor (media ± SD) fue presentado de complejidad global omega de cada banda de frecuencia en los sujetos sanos en la tabla 2. Para la banda de delta, la complejidad global omega era 6.39 ± 1,34. Para la venda de la theta, la complejidad global omega fue 5.46 ± 0,85. Para la banda alfa-1, la complejidad global omega era 3.47 ± 0,8. Para la banda alfa-2, la complejidad global omega fue 3.87 ± 0,70. Para la banda de beta-1, la complejidad global omega fue 5.36 ± 0.84. Para la banda de beta-2, la complejidad global omega fue 6.16 ± 0,83. Para la banda de gamma-1, la complejidad global omega fue 6,95 ± 1,07. Para la banda de gamma-2, la complejidad global omega fue 6.88 ± 1,39.
El valor (media ± SD) fue muestra de la complejidad anterior omega de cada banda de frecuencia en los sujetos sanos en la tabla 2. Para la banda de delta, la complejidad anterior omega fue 4.84 ± 1.7. Para la venda de la theta, la complejidad anterior omega fue 4.23 ± 1,48. Para la banda alfa-1, la complejidad anterior omega fue 3.44 ± 1,09. Para la banda alfa-2, la complejidad anterior omega fue 3.87 ± 0.97. Para la banda de beta-1, la complejidad anterior omega fue 3.74 ± 0.81. Para la banda de beta-2, la complejidad anterior omega fue 2.94 ± 0,59. Para la banda de gamma-1, la complejidad anterior omega fue 1,98 ± 0.24. Para la banda de gamma-2, la complejidad anterior omega fue 3.02 ± 0,59.
El valor (media ± SD) fue muestra de la complejidad posterior omega de cada banda de frecuencia en los sujetos sanos en la tabla 2. Para la banda de delta, la complejidad posterior omega era 3.71 ± 1,48. Para la venda de la theta, la complejidad posterior de omega fue 2,47 ± 0,85. Para la banda alfa-1, la complejidad posterior de omega fue 2.11 ± 0,9. Para la banda alfa-2, la complejidad posterior omega era 3,16 ± 1.42. Para la banda de beta-1, la complejidad posterior de omega fue 4,32 ± 1,67. Para la banda de beta-2, la complejidad posterior de omega fue 3.84 ± 1.04. Para la banda de gamma-1, la complejidad posterior de omega fue 2.17 ± 0,37. Para la banda de gamma-2, la complejidad posterior de omega fue 2.99 ± 0,53.
Figura 1. Promedio normalizado mapas topográficos de las cuatro clases de microestado (A-d) del estado de reclinación EEG en los sujetos sanos. Microestado clase A y B tiene un frontal derecho a orientación occipital izquierdo y un frontal de izquierda a derecha orientación occipital, respectivamente. Clase según los Estados C y D tienen topografías simétricos, pero prefrontal a orientación occipital y frontocentral orientación occipital se observaron, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Clases según los Estados | ||||||||
A | B | C | D | |||||
Significa | SD | Significa | SD | Significa | SD | Significa | SD | |
Ocurrencia/s | 3.44 | 1.29 | 3.54 | 0.85 | 3.85 | 0,63 | 3.41 | 0,78 |
Duración (ms) | 72 | 13 | 71 | 18 | 69 | 9 | 66 | 11 |
Tabla 1. Parámetros según los Estados de los sujetos sanos (n = 15). La media y desviación estándar (SD) de la tasa de ocurrencia y duración de las cuatro clases de microestado se muestran en esta tabla.
Complejidad de Omega global | Complejidad anterior Omega | Complejidad posterior Omega | ||||
Banda de frecuencia | Significa | SD | Significa | SD | Significa | SD |
Delta | 6.39 | 1.34 | 4.84 | 1.7 | 3.71 | 1.48 |
Theta | 5.46 | 0.85 | 4.23 | 1.48 | 2.47 | 0.85 |
Alfa-1 | 3.47 | 0,8 | 3.44 | 1.09 | 2.11 | 0,9 |
Alfa-2 | 3.87 | 0,7 | 3.87 | 0.97 | 3.16 | 1.42 |
Beta-1 | 5,36 | 0.84 | 3.74 | 0.81 | 4.32 | 1.67 |
Beta-2 | 6.16 | 0,83 | 2.94 | 0,59 | 3.84 | 1.04 |
Gamma-1 | 6.95 | 1.07 | 1.98 | 0.24 | 2.17 | 0.37 |
Gamma-2 | 6.88 | 1.39 | 3.02 | 0,59 | 2.99 | 0.53 |
Tabla 2. Complejidad de omega global, anterior y posterior de los sujetos sanos (n = 15). La media y desviación estándar (SD) de la complejidad de omega global, anterior y posterior de las bandas de ocho frecuencia (delta, theta, alfa-1, alfa 2, beta 1, beta-2, gamma 1, gamma-2) se muestran respectivamente en esta tabla.
Archivos suplementarios. Para poder ejecutar los scripts utilizados en este manuscrito, abra las secuencias de comandos en el entorno de MATLAB, luego copie todo el contenido en la ventana de comando y presione la tecla "Enter". Tenga en cuenta que las secuencias de comandos sólo se aplican a los conjuntos de datos. Algunas modificaciones son necesarias cuando las secuencias de comandos se aplican a otros conjuntos de datos. Haga clic aquí para descargar este archivo.
En este artículo, dos tipos de métodos analíticos de EEG (es decir, análisis de microestado y análisis de complejidad de omega), medición de la complejidad temporal y espacial complejidad del cerebro humano respectivamente, fueron descritos en detalle. Hay varios pasos críticos en el protocolo que debe ser mencionado. En primer lugar, los datos de EEG se deben limpiar antes el cálculo de la complejidad según los Estados y omega. En segundo lugar, los datos de EEG deben ser remontaged contra la media de referencia antes el cálculo de la complejidad según los Estados y omega. En tercer lugar, los datos de EEG continuo deben ser segmentados en épocas antes del cómputo de la complejidad según los Estados y omega. La longitud de cada época debe ser de 2 s. por último, el software que puede ser utilizado en análisis de microestado incluyen Cartool (https://sites.google.com/site/cartoolcommunity/about), sLORETA (http://www.uzh.ch/keyinst/loreta.htm) y MapWin (http:// www.thomaskoenig.ch/index.php/software/mapwin). El análisis de microestado se realizó por medio de un plugin en el EEGLAB en este estudio.
Aunque el microestado realizado aquí fue aplicado a datos del estado del EEG de reclinación, podría aplicarse fácilmente a potenciales evento-relacionados (ERPs), que nos ayudará a descubrir más información sobre los cursos de tiempo de diversas operaciones cognitivas en trastornos cognitivos experimentos y proveer un enfoque libre de referencia para realizar análisis ERP18,19. Nota, para el descanso estado EEG, la polaridad de mapas topográficos comúnmente es ignorada; sin embargo, para sistemas ERP, la polaridad de mapas topográficos debe no ser tenida en cuenta. Una pequeña limitación de este plugin de EEG es que sólo podría ser utilizado para el descanso estado EEG. Para ERP, el software Cartool puede ser una de las mejores opciones. El valor de complejidad omega logra de 1 a N. Si omega complejidad computado es 1, se revela una máxima conectividad funcional global dentro de una cierta región del cerebro; mientras que si omega complejidad es igual a N, una mínima conectividad funcional global dentro de una cierta región del cerebro se encuentra. Por lo tanto, si queremos probar estadísticamente la complejidad omega de regiones diferentes del cerebro, el número de electrodos en estas regiones debe ser igual, ya que el número de electrodos podría influir significativamente el valor de omega complejidad estimada.
Para estudiar el EEG de reclinación, los investigadores han desarrollado muchas técnicas (por ejemplo, análisis de espectro de potencia, análisis de conectividad funcional) de EEG2,3. En comparación con las técnicas tradicionales, análisis de microestado aprovecha la excelente resolución temporal de la técnica de EEG. Las cuatro clases de microestado identificados se encontraron con cuatro sistemas funcionales estudiados en muchos estudios de fMRI estado descansando8,20: visual auditivo (microestado A), (según los Estados B), parcialmente cognitiva control y parcialmente por defecto (según los Estados C) y atención dorsal (microestado D). Así, el análisis de microestado proporcionó un nuevo enfoque para estudiar las redes de estado reposo (RSNs) del cerebro humano. En comparación con tradicionales técnicas de EEG, la complejidad de omega podría caracterizar la conectividad funcional global dentro de un determinado cerebro región4. Conectividad funcional tradicional sólo podría describir la conectividad funcional entre dos electrodos.
Sin embargo, las dos técnicas de EEG también tienen varias limitaciones que deben ser mencionadas. En primer lugar, el análisis de microestado existente se realiza con frecuencia en las señales de EEG de banda ancha, así no aprovecha la información de frecuencia rico de la técnica de EEG. Por otra parte, la significación funcional de estas cuatro clases de microestado y métricas relacionadas no son muy claras hasta ahora. En segundo lugar, la complejidad de omega sólo puede detectar dependencias lineales. Que no puede detectar las dependencias no lineales entre las regiones del cuero cabelludo, que pueden cuantificarse por algunos conectividad funcional tradicional métricas (por ejemplo, valor de bloqueo de fase, mutua información y sincronización de probabilidad)21,22 ,23.
En el futuro, el análisis de microestado debe aplicarse con técnicas de localización de fuente (por ejemplo, sLORETA, BESA, Beamforming), que mejorarán significativamente la resolución espacial de las señales EEG. Aunque el análisis de microestado ha sido ampliamente utilizado en la reclinación de EEG y ERP, sólo unos pocos estudios han aplicado esta técnica al dominio tiempo-frecuencia. Por ejemplo, Jia et al. 24 propone un enfoque basado en el análisis de segmentación topográfico a óptimamente y automáticamente identificar características detalladas de la tiempo-frecuencia. Este enfoque podría aprovechar eficazmente la información espacial de actividades oscilatorias. Sin embargo, estas aplicaciones están lejos de maduro. Para complejidad de omega, una complejidad de omega normalizado es necesario altamente, puesto que el valor de omega complejidad Estimado es dependiente en el número de electrodos seleccionadas. En el futuro, se debe aplicar el dominio de la frecuencia de tiempo.
Los autores no tienen nada que revelar.
Este artículo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China (31671141).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
ANT 20 channels EEG/ERP system | ASA-Lab, ANT B.V., Netherlands | company web address: http://www.ant-neuro.com/ | |
EEGLAB plugin for Microstates | Thomas Koenig | https://sccn.ucsd.edu/wiki/EEGLAB_Extensions_and_plug-ins | |
sLORETA | Roberto D. Pascual-Marqui | http://www.uzh.ch/keyinst/loreta.htm | |
MATLAB 2010a | The MathWorks Inc. | company web address: http://www.mathworks.com/ | |
eeglab | Swartz Center for Computational Neuroscience, University of California, San Diego | https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php |
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