I potenziali evento-correlati e il paradigma dell'odd-ball

Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel—University of Southern California

Data la quantità schiacciante di informazioni catturate dagli organi sensoriali, è fondamentale che il cervello sia in grado di dare priorità all'elaborazione di determinati stimoli, di spendere meno sforzi su ciò che potrebbe non essere attualmente importante e di occuparsi di ciò che è. Un'euristica che il cervello usa è ignorare gli stimoli che sono frequenti o costanti a favore di stimoli inaspettati o unici. Pertanto, gli eventi rari tendono ad essere più salienti e catturano la nostra attenzione. Inoltre, gli stimoli che sono rilevanti per i nostri attuali obiettivi comportamentali hanno la priorità rispetto a quelli che sono irrilevanti.

I correlati neurofisiologici dell'attenzione sono stati esaminati sperimentalmente attraverso l'uso del paradigma oddball. Originariamente introdotto nel 1975, il compito oddball presenta al partecipante una sequenza di stimoli audio o visivi ripetitivi, raramente interrotti da uno stimolo inaspettato. ¹ È stato dimostrato che questa interruzione da parte di uno stimolo target suscita eventi elettrici specifici registrabili sul cuoio capelluto noti come potenziali correlati agli eventi (ERP). Un ERP è la risposta cerebrale misurata risultante da uno specifico evento sensoriale, cognitivo o motorio. Gli ERP sono misurati utilizzando l'elettroencefalografia (EEG), un mezzo non invasivo per valutare la funzione cerebrale in pazienti con malattia e individui normalmente funzionanti. Un componente ERP specifico che si trova nella regione parietale del cuoio capelluto, noto come P300, viene migliorato in risposta a eventi strani. Il P300 è una deflessione positiva nel segnale EEG che si verifica tra 250 e 500 ms dopo l'inizio dello stimolo. In generale, i potenziali precoci riflettono l'elaborazione sensoriale-motoria, mentre i potenziali successivi come il P300 riflettono l'elaborazione cognitiva.

In questo video, mostriamo come amministrare l'attività oddball usando EEG. Il video coprirà la configurazione e l'amministrazione dell'EEG e l'analisi degli ERP relativi sia al controllo che agli stimoli target nel compito oddball. In questo compito, i partecipanti sono impostati con gli elettrodi EEG, quindi l'attività cerebrale viene registrata mentre visualizzano gli stimoli di controllo, intervallati da stimoli target. La procedura è simile a quella di Habibi et al. ² Ogni volta che viene presentato uno stimolo target, il partecipante preme un pulsante. Quando gli ERP sono mediati attraverso gli stimoli di controllo e target, i correlati neurali di ciascun evento possono essere confrontati in una finestra temporale selezionata.

1. Reclutamento dei partecipanti

1. Recluta 20 partecipanti per l'esperimento.
2. Assicurarsi che i partecipanti siano stati pienamente informati delle procedure di ricerca e abbiano firmato tutti i moduli di consenso appropriati.

2. Raccolta dei dati

1. Preparazione EEG (Nota: questi passaggi sono per l'uso con il sistema Neuroscan 4.3 con amplificatore Synamps 2 e un tappo rapido a 64 canali.)
   1. I partecipanti a uno studio EEG non dovrebbero avere prodotti per capelli(ad esempiogel, topo o balsamo leave-in) nei loro capelli prima della loro partecipazione.
   2. Riempire 2-4 siringhe da 10 ml con elettrodo-gel conduttivo(cioèQuick-gel). Si consiglia di mescolare il gel prima di usarlo per rilasciare bolle d'aria.
   3. Spazzolare accuratamente i capelli e il cuoio capelluto (circa 5 min).
   4. Testa pulita con alcool e garza di cotone. Pulire anche la pelle per il posizionamento degli elettrodi: due mastoidi (dietro ogni orecchio), sotto e sopra l'occhio sinistro VEO (elettro-oculare verticale), e i lati più lontani di ciascun occhio HEO (elettro-oculare orizzontale; Figura 1, a sinistra).
   5. Utilizzando dischi adesivi su due lati, posizionare gli elettrodi.
   6. Misura la testa dalla parte anteriore (direttamente tra le sopracciglia, a metà occhio) all'inion (sotto la protuberanza della testa nella parte posteriore). Questa distanza determinerà la dimensione del cappuccio (piccolo, medio o grande). Per posizionare il cappuccio, segnare il 10% della distanza misurata sulla fronte e assicurarsi che l'elettrodo medio-frontale (FPz) sia posizionato su questo punto contrassegnato.
   7. Collegare gli elettrodi facciali ai rispettivi cavi sul cappuccio
   8. Inizia a riempire gli elettrodi con gel, usando la punta smussata dell'ago per raschiare i capelli da parte sotto l'elettrodo, in modo che l'elettrodo sia a diretto contatto con il cuoio capelluto. Fai attenzione a non ferire la pelle.
      1. Sollevare un po 'l'elettrodo rende più facile l'inserimento del gel. Nella maggior parte dei casi, ci saranno capelli sotto l'elettrodo. Spostarlo fuori mano consentirà una migliore impedenza.
   9. Porta il partecipante nella stanza insonorizzata e collega il cappuccio e i singoli elettrodi.
   10. Controllare l'impedenza della connessione elettrodo-cuoio capelluto per mantenerla al di sotto di 10 KΩ. Se l'impedenza è elevata, assicurarsi che l'elettrodo abbia gel conduttivo e sia in contatto con il cuoio capelluto.
       1. L'impedenza è la tendenza a impedire il flusso di una corrente alternata. L'alta impedenza può aumentare il rumore nei dati e dovrebbe essere ridotta al minimo prima dell'inizio dello studio.
       2. Nella maggior parte dei casi, i capelli sono nel modo dell'elettrodo. Toglierlo di mezzo dovrebbe ottenere una migliore impedenza.
   11. Una volta che l'impedenza è accettabile per tutti gli elettrodi e le tracce EEG sono prive di rumore, la raccolta dei dati può iniziare.

Figura 1: Posizionamento dell'elettrodo. Posizionamento degli elettrodi facciali per rilevare artefatti EOG (a sinistra). Diagramma di misurazione da direttamente tra le sopracciglia a appena sotto la protuberanza nella parte posteriore della testa. Il 10% di questa misurazione viene misurato sopra il segno dell'occhio medio, ed è qui che viene posizionato l'elettrodo FPZ del cappuccio (a destra).

2. Raccolta dati EEG
   1. Preparare il partecipante a svolgere l'attività.
      1. Posizionare il partecipante su una sedia a 75 cm dallo schermo del computer da 16 pollici, in una stanza attenuata dal suono e dalla luce (schermata acusticamente ed elettricamente).
      2. Dì al partecipante che vedrà apparire cerchi colorati sullo schermo. Ogni volta che si vede un cerchio verde, il partecipante deve premere un pulsante tenuto nella mano destra (Figura 2).
         1. Mostra ogni stimolo per 1000 ms, con un intervallo interstimolo di 1000 ms tra le presentazioni degli stimoli.
         2. Mostra i 64 stimoli target, intervallati casualmente tra 96 presentazioni dei cerchi rossi non target. Ripeti questa sequenza due volte, per un totale di 128 studi di stimolo target e 192 studi di controllo non target.
   2. Avviare il sistema e avere una registrazione continua dell'EEG durante la presentazione dell'attività funzionale.
   3. L'EEG è amplificato da amplificatori con un guadagno di 1024 e un passa-banda di 0,01-100 Hz.
   4. Le prove contaminate da battiti di ciglia e rigetto di artefatti (circa il 15% delle prove) saranno eliminate off-line.

Figura 2: Progettazione dello studio per l'attività oddball. Al partecipante viene presentato un cerchio rosso o un cerchio verde. Ogni stimolo appare per 1 s, seguito da uno schermo vuoto 1-s. Ogni volta che il partecipante vede un cerchio verde, gli viene chiesto di premere un pulsante tenuto nella mano destra.

3. Analisi dei dati

1. Offline, dati di riferimento per mastoidi medi.
2. Segmentare i dati EEG continui in epoche, iniziando 200 ms prima e terminando 1000 ms dopo l'inizio dello stimolo.
3. Le epoche sono corrette al basale usando l'epoca 200 ms prima dell'inizio dello stimolo.
4. Per correggere gli artefatti di movimento, le epoche con un cambiamento di segnale superiore a 150 microvolt a qualsiasi elettrodo EEG non sono state incluse nella media.
5. I dati vengono filtrati digitalmente offline (passabanda 0,05-20 Hz).
6. Utilizzare le medie ERP visualizzate dai siti di registrazione Pz per gli stimoli target e di controllo.
   1. Il picco (ampiezza e latenza) del P300 parietale si ottiene automaticamente all'elettrodo Pz.
7. Analisi statistica
   1. Tracciare le medie ERP dagli elettrodi Pz parietali.
   2. Per l'ampiezza di picco e le latenze, utilizzare i test F per ogni intervallo di latenza per determinare se esiste una differenza tra gli stimoli target e di controllo.

Durante il compito oddball in cui i partecipanti sono stati istruiti a rispondere con la pressione di un pulsante ogni volta che hanno visto un cerchio verde, c'è stato un aumento parietale P300 rispetto a quando il partecipante ha visto il cerchio rosso di controllo. Questa traccia ha raggiunto un picco di circa 350 ms dopo l'inizio dello stimolo, mentre non c'era un picco P300 per la traccia di controllo (Figura 3).

Figura 3: Risposta parietale P300 alle immagini basali e oddball. Traccia temporale ERP media della risposta parietale alle immagini di base (rosso) e alle immagini oddball (verde). La risposta viene misurata in microvolt su millisecondi.

Questi risultati mostrano che l'attività nel lobo parietale aumenta quando viene presentato un elemento strano, riflettendo i processi neurali che identificano gli stimoli salienti rilevanti per il compito. Il cervello aumenta la sua efficienza identificando questi elementi e concentrando le risorse sulla loro elaborazione. Gli stimoli che catturano l'attenzione in questo modo vengono risposti più rapidamente e anche ricordati meglio in seguito.

L'approccio ERP, grazie alla sua altissima risoluzione temporale, consente la discriminazione tra gli eventi elettrici che corrispondono a processi psicologici estremamente veloci. Il compito strano dimostra questo potere, rivelando una firma elettrica dal lobo parietale che discrimina tra due stimoli simili meno di mezzo secondo dopo la loro presentazione. Il compito fornisce una finestra sul processo del cervello per identificare le caratteristiche nell'ambiente che hanno l'attuale importanza biologica. ³

Il paradigma oddball combina aspetti dell'attenzione sia dal basso verso l'alto che dall'alto verso il basso. L'attenzione dal basso verso l'alto si riferisce alla capacità esogena di uno stimolo di catturare la nostra attenzione indipendentemente dai nostri piani o obiettivi intenzionali. Questo entra in gioco nel compito strano in quanto gli obiettivi sono rari e diversi dagli altri stimoli nell'esperimento, il che li fa risaltare. L'attenzione dall'alto verso il basso si riferisce alla nostra capacità di filtrare le informazioni in arrivo in base ai nostri attuali obiettivi di attività. Il compito strano coinvolge aspetti di attenzione dall'alto verso il basso perché siamo istruiti a rispondere solo agli stimoli target, quindi stiamo consapevolmente cercando di occuparne. La ricerca ha scoperto che il potenziale P300 può avere sottocomponenti precoci e tardivi, il sottocomponente precoce (chiamato P3a) che riflette la salienza bottom-up che è guidata dalla novità dello stimolo e il sottocomponente successivo (chiamato P3b) che riflette la classificazione cognitiva top-down dello stimolo come bersaglio. Il compito strano è quindi una sonda robusta e complessa dei processi attentivi.

Come marcatore affidabile dei processi attenzionali nel cervello, il P300 suscitato dal compito oddball può essere un utile biomarcatore di disfunzione attenzionale. Ad esempio, i bambini con ADHD mostrano un potenziale P300 più piccolo e successivo,⁴ e queste differenze tendono a diminuire con una terapia farmacologica efficace. ⁵

1. Squires, N.K., Squires, K.C. & Hillyard, S.A. Two varieties of long-latency positive waves evoked by unpredictable auditory stimuli in man. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 38, 387-401 (1975).
2. Habibi, A., Wirantana, V. & Starr, A. Cortical Activity during Perception of Musical Rhythm; Comparing Musicians and Non-musicians. Psychomusicology 24, 125-135 (2014).
3. Halgren, E. & Marinkovic, K. Neurophysiological networks integrating human emotions. in The Cognitive Neurosciences (ed. Gazzaniga, M.S.) 1137-1151 (MIT Press, Cambridge, MA, 1995).
4. Doyle, A.E., et al. Attention-deficit/hyperactivity disorder endophenotypes. Biol Psychiatry 57, 1324-1335 (2005).
5. Winsberg, B.G., Javitt, D.C. & Silipo, G.S. Electrophysiological indices of information processing in methylphenidate responders. Biol Psychiatry 42, 434-445 (1997).