Hipervarredura de EEG domiciliar para interações sociais entre bebês e cuidadores

Este protocolo descreve como eletroencefalografia sincronizada, eletrocardiografia e registros comportamentais foram capturados de díades bebê-cuidador em um ambiente doméstico.

Estudos anteriores de hipervarredura que registram as atividades cerebrais de cuidadores e crianças simultaneamente foram conduzidos principalmente dentro dos limites do laboratório, limitando assim a generalização dos resultados para ambientes da vida real. Aqui, é proposto um protocolo abrangente para capturar eletroencefalografia sincronizada (EEG), eletrocardiografia (ECG) e registros comportamentais de díades bebê-cuidador durante várias tarefas interativas em casa. Este protocolo demonstra como sincronizar os diferentes fluxos de dados e relatar as taxas de retenção de dados de EEG e verificações de qualidade. Além disso, são discutidos problemas críticos e possíveis soluções com relação à configuração experimental, tarefas e coleta de dados em ambientes domésticos. O protocolo não se limita a díades bebê-cuidador, mas pode ser aplicado a várias constelações diádicas. No geral, demonstramos a flexibilidade das configurações de hipervarredura de EEG, que permitem que experimentos sejam conduzidos fora do laboratório para capturar as atividades cerebrais dos participantes em ambientes mais ecologicamente válidos. No entanto, o movimento e outros tipos de artefatos ainda restringem as tarefas experimentais que podem ser realizadas no ambiente doméstico.

Com o registro simultâneo das atividades cerebrais de dois ou mais sujeitos interagindo, também conhecido como hipervarredura, tornou-se possível elucidar a base neural das interações sociais em sua dinâmica complexa, bidirecional e acelerada¹. Essa técnica mudou o foco do estudo de indivíduos em ambientes isolados e rigidamente controlados para examinar interações mais naturalistas, como interações entre pais e filhos durante brincadeiras livres ^2,3, resolução de quebra-cabeças⁴ e jogos de computador cooperativos ^5,6. Esses estudos demonstram que as atividades cerebrais são sincronizadas durante as interações sociais, ou seja, mostram semelhanças temporais, um fenômeno denominado sincronia neural interpessoal (INS). No entanto, a grande maioria dos estudos de hipervarredura foi confinada a ambientes de laboratório. Embora isso permita um melhor controle experimental, pode ocorrer às custas da perda de alguma validade ecológica. Os comportamentos observados no laboratório podem não ser representativos dos comportamentos interativos cotidianos típicos dos participantes devido ao ambiente desconhecido e artificial e à natureza das tarefas impostas⁷.

Avanços recentes em dispositivos móveis de neuroimagem, como eletroencefalografia (EEG) ou espectroscopia funcional de infravermelho próximo (fNIRS), aliviam esses problemas, removendo a necessidade de os participantes permanecerem fisicamente conectados ao computador de gravação. Assim, eles permitem medir as atividades cerebrais dos participantes enquanto eles interagem livremente na sala de aula ou em suas casas ^8,9. A vantagem do EEG em comparação com outras técnicas de neuroimagem, como o fNIRS, é que ele tem uma excelente resolução temporal, o que o torna particularmente adequado para investigar dinâmicas sociais aceleradas¹⁰. No entanto, vem com a ressalva de que o sinal de EEG é altamente vulnerável ao movimento e outros artefatos fisiológicos e não fisiológicos¹¹.

Apesar disso, os primeiros estudos implementaram com sucesso configurações de hipervarredura de EEG em ambientes e condições realistas. Por exemplo, Dikker et ^al.12 mediram o sinal de EEG de um grupo de alunos enquanto eles se envolviam em várias atividades em sala de aula, incluindo assistir a palestras, assistir a vídeos e participar de discussões em grupo. Este estudo, juntamente com outros estudos ^8,9, utilizou predominantemente eletrodos de EEG secos para facilitar o processo de realização de medições em ambientes não laboratoriais. Em comparação com os eletrodos úmidos, que requerem a aplicação de gel ou pasta condutora, os eletrodos secos oferecem vantagens notáveis em termos de usabilidade. Eles demonstraram exibir desempenho comparável aos eletrodos úmidos em populações adultas e condições estacionárias; no entanto, seu desempenho pode diminuir em cenários relacionados ao movimento devido ao aumento dos níveis de impedância¹³.

Aqui, apresentamos um protocolo de trabalho para capturar gravações sincronizadas de um sistema de EEG de gel líquido de sete canais de baixa densidade com um eletrocardiograma (ECG) de derivação única conectado ao mesmo amplificador sem fio (taxa de amostragem: 500 Hz) de díades bebê-cuidador em um ambiente doméstico. Enquanto os eletrodos ativos foram usados para adultos, os eletrodos passivos foram usados para bebês, uma vez que este último normalmente vem na forma de eletrodos de anel, facilitando assim o processo de aplicação do gel. Além disso, as gravações de EEG-ECG foram sincronizadas com três câmeras e microfones para capturar os comportamentos dos participantes de diferentes ângulos. No estudo, bebês de 8 a 12 meses e seus cuidadores se envolveram em uma tarefa de leitura e brincadeira enquanto seu EEG, ECG e comportamentos eram registrados. Para minimizar o impacto do movimento excessivo na qualidade do sinal de EEG, as tarefas foram conduzidas em um ambiente de mesa (por exemplo, utilizando a mesa da cozinha e uma cadeira alta infantil), exigindo que os participantes permanecessem sentados durante toda a tarefa de interação. Os cuidadores receberam três livros apropriados para a idade e brinquedos de mesa (equipados com ventosas para evitar que caíssem). Eles foram instruídos a ler para seus filhos por aproximadamente 5 minutos, seguido de uma sessão de brincadeiras de 10 minutos com os brinquedos.

Este protocolo detalha os métodos para coletar dados sincronizados de EEG-ECG, vídeo e áudio durante as tarefas de leitura e reprodução. O procedimento geral, no entanto, não é específico para este projeto de pesquisa, mas é apropriado para diferentes populações (por exemplo, díades pai-filho, díades de amigos) e tarefas experimentais. O método de sincronização de diferentes fluxos de dados será apresentado. Além disso, um pipeline básico de pré-processamento de EEG baseado em Dikker et ^al.12 será delineado, e as taxas de retenção de dados de EEG e métricas de controle de qualidade serão relatadas. Uma vez que as escolhas analíticas específicas dependem de uma variedade de fatores (como design da tarefa, questões de pesquisa, montagem de EEG), a análise de hipervarredura-EEG não será detalhada mais detalhadamente, mas, em vez disso, o leitor será encaminhado para diretrizes e caixas de ferramentas existentes (por ^exemplo,14 para diretrizes;^15,16 para caixas de ferramentas de análise de hipervarredura). Finalmente, o protocolo discute desafios e possíveis soluções para hipervarredura de EEG-ECG em casa e em outras configurações do mundo real.

O protocolo descrito foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional (IRB) da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura. O consentimento informado foi obtido de todos os participantes adultos e dos pais em nome de seus bebês.

1. Considerações sobre equipamentos e espaço em sessões domiciliares

1. Prepare-se para diferentes condições de umidade e temperatura, dependendo do país e da estação. Para ambientes com altos níveis de temperatura e umidade, certifique-se de que haja fluxo de ar adequado e ligue o aparelho de ar condicionado em casa, se possível.
2. Mantenha distância de transmissores WiFi, equipamentos Bluetooth (por exemplo, telefones celulares, teclado, mouse, etc.) e fornos de micro-ondas, pois máquinas próximas operando na mesma banda de frequência podem causar interferência. Além disso, tente manter a configuração experimental longe de dispositivos de carregamento em casa, pois isso pode causar ruído significativo na linha de energia nos dados. Observe que ventiladores de pé próximos ou ventiladores de teto em alta velocidade podem fazer com que os cabos de EEG balancem e contribuam para artefatos mecânicos.
3. Prepare um espaço propício para o experimento a ser realizado dentro da casa do participante. Certifique-se de que a área de teste tenha espaço livre suficiente para acomodar um cuidador e um bebê em uma cadeira alta sentada ao redor de uma mesa, bem como três câmeras em tripés. Limpe todos os itens da mesa, se possível, para reduzir possíveis distrações.
4. Certifique-se de que haja brilho adequado na área de teste para que as filmadoras capturem as expressões do participante. Se as mesas estiverem perto de janelas, não posicione as câmaras de vídeo viradas para a janela para evitar o encandeamento da lente.

2. Preparativos antes da sessão

1. Informe aos participantes que, para a medição do EEG, os adultos devem lavar os cabelos no dia anterior à sessão sem aplicar produtos capilares. Pergunte se eles poderiam se abster de usar maquiagem no dia da sessão de EEG.
2. Certifique-se de que todos os equipamentos de gravação (microfones e filmadoras), laptops, amplificadores e o banco de energia usado pela caixa de gatilho sejam carregados no dia anterior à sessão. Verifique se todo o equipamento está totalmente carregado algumas horas antes da sessão. Leve carregadores ou de preferência bancos de energia portáteis para casos inesperados de baixos níveis de bateria no equipamento.
3. Embale todos os formulários e equipamentos de gravação necessários para a sessão.

3. Preparação do experimento na casa do participante

1. Preparação para gelificação de EEG
   1. Coloque um par de luvas ao manusear o gel. Encha quatro seringas com gel, duas seringas com a ponta romba para os eletrodos passivos e duas seringas com a ponta mais fina para os eletrodos ativos.
   2. Prepare dois pedaços quadrados de fita adesiva para os eletrodos de ECG infantis e adultos.
2. Preparação do equipamento de controlo
   1. Remova as luvas ao manusear equipamentos eletrônicos.
   2. Ligue todos os laptops e conecte os dongles EEG aos respectivos laptops. Certifique-se de que o software de gravação de EEG esteja em execução.
   3. Conecte o adulto e infantil amplifiers ao software de gravação EEG nos respectivos laptops por meio de uma conexão sem fio.
   4. Verifique e certifique-se de que ambos os amplificadores (adulto e infantil) têm as mesmas configurações de porta de disparo, ou seja, se o marcador de disparo é produzido na borda ascendente (alta ativa) ou descendente (baixa ativa) do pulso de entrada.
   5. Monte as três filmadoras em cada tripé. Certifique-se de que cada câmera de vídeo capture o cuidador, o bebê e o cuidador e o bebê (exibição combinada), respectivamente (consulte a Figura 1). Antes de iniciar a sessão, certifique-se de que os ângulos da filmadora possam capturar consistentemente os rostos dos participantes, considerando que o cuidador geralmente se move para o olho do bebê durante as interações.
3. Coloque a cadeira alta do bebê e a cadeira do cuidador na borda da mesa para que fiquem de frente uma para a outra em um ângulo em que as câmeras de vídeo possam capturar suas expressões faciais (consulte a Figura 1). Se não houver espaço suficiente na mesa, coloque a cadeira alta do bebê e a cadeira do cuidador uma ao lado da outra em ângulo reto.

Figura 1: Vista de cima para baixo da configuração. (1) Câmara de vídeo virada para bebés. (2) Câmara de vídeo de vista combinada. (3) Filmadora voltada para o cuidador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Aplicação de sensor de EEG e ECG para o cuidador

1. Fixando firmemente o amplifier para a tampa de EEG
   1. Para o cuidador, use o bolso traseiro da tampa de EEG para armazenar o amplificador a fim de reduzir o movimento do cabo e o ruído do EEG. Antes de aplicar a tampa no participante, certifique-se de que o amplifier foi armazenado com segurança e conectado ao conector.
   2. Certifique-se de que não haja contato com a água durante o manuseio do amplificador (ou seja, remova as luvas se estiver embebido em gel).
2. Peça ao cuidador para remover seus óculos, máscara ou brincos. Se o cabelo estiver preso, peça que retirem a faixa para soltar.
3. Usando luvas e com a permissão do cuidador, limpe a testa com compressas embebidas em álcool (álcool isopropílico 70% (IPA)).
4. Em ambos os lados da cabeça do cuidador, divida o cabelo no ponto mais alto da orelha para garantir que a orelha esteja totalmente visível, seguindo as linhas naturais de separação do cabelo.
5. Meça a circunferência da cabeça do cuidador colocando a fita métrica em torno de quatro pontos de referência na cabeça: o násio (nível da sobrancelha), sobre a crista do ínion (o ponto mais alto na parte de trás da cabeça) e entre os tragus esquerdo e direito (as pontas das orelhas).
6. Estique a touca de EEG por dentro com um gesto de mão em forma de coroa e comece a colocar a touca da testa do cuidador em direção à parte de trás da cabeça. Sem soltar a tampa, deslize as mãos para baixo para segurar as alças, puxe-as para baixo em direção ao queixo e aperte as pontas do gancho e do laço. Ajuste as alças de acordo com o conforto do participante.
   1. Certifique-se de que qualquer franja ou fio de cabelo no rosto do participante seja removido do rosto para evitar desconforto ou obstrução da visão.
   2. Alise suavemente a tampa para garantir que os eletrodos fiquem em contato próximo com o couro cabeludo. Certifique-se de que não há rugas na tampa.
7. Coloque a fita métrica sobre os eletrodos na linha média e meça a distância entre o násio e o íon. Certifique-se de que o eletrodo Cz do sistema internacional 10-20 esteja no ponto médio da medição. Use o método de amassar e soltar para mudar as posições da tampa para frente e para trás, se necessário.
8. Meça a distância entre o tragus esquerdo e direito para garantir que o eletrodo Cz corresponda ao ponto médio da medição e ajuste se necessário.
9. Aplicação de gel de EEG e ECG
   1. Comece aplicando gel nos eletrodos de referência e terra. Prossiga para gelificar os eletrodos restantes. Comece com os eletrodos na parte de trás porque pode levar mais tempo para que a impedância seja reduzida a uma faixa aceitável (normalmente < 25 kΩ), pois os adultos geralmente têm mais pelos na parte de trás.
   2. Ao aplicar o gel no cuidador, use uma seringa com uma ponta mais longa e fina. Insira a ponta da seringa na abertura do eletrodo e separe o cabelo usando a curva inferior da seringa. Esguiche pequenas quantidades de gel enquanto a seringa é retirada. Se houver um grande espaço entre o couro cabeludo e o eletrodo, pressione firmemente o eletrodo para garantir o contato.
   3. Use a luz como um guia de referência de impedância se a configuração do eletrodo ativo fornecida permitir isso. Como alternativa, consulte as leituras de impedância no software de gravação de EEG para identificar quais eletrodos requerem melhoria de contato.
      NOTA: Eletrodos com baixa impedância e boa qualidade de sinal (garantida pela verificação de artefatos antes de iniciar a sessão) serão coloridos de verde na tampa e/ou na montagem do EEG. Se a impedância de um eletrodo for alta, repita o esforço para separar o cabelo e mova bem o gel no eletrodo até o ponto de contato claro com o couro cabeludo.
   4. Observe que a tampa geralmente não se encaixa perfeitamente em cada cabeça, e áreas côncavas da cabeça podem causar uma lacuna natural entre o eletrodo e o couro cabeludo. Se a impedância permanecer alta, aplique um pequeno monte de gel para garantir uma ponte de gel entre o eletrodo e o couro cabeludo. Tenha cuidado para não mover o gel lateralmente depois disso para evitar formar pontes com eletrodos vizinhos embaixo da tampa.
   5. Esteja atento para não encher demais os poços com gel para evitar que os eletrodos adjacentes passem pela tampa também.
   6. Uma vez que todos os eletrodos de EEG tenham baixa impedância, limpe a área mole sob a clavícula esquerda do participante usando lenços umedecidos com álcool e comece a conectar o eletrodo de ECG.
      1. Prenda uma fita circular na parte inferior do eletrodo de ECG e aplique gel suficiente para cobrir o poço do eletrodo.
      2. Conecte o eletrodo à área macia sob a clavícula esquerda. Aplique fita adesiva branca na parte superior do sensor.

5. Aplicação do sensor de EEG e ECG para o bebê

1. Peça ao cuidador para ajudar o bebê a usar um colete, fornecido pelos experimentadores, com bolso traseiro, que posteriormente armazenará o amplificador.
2. Com a permissão do cuidador, limpe a testa com lenços umedecidos com álcool. Meça o perímetro cefálico do bebê colocando a fita métrica ao redor dos quatro pontos de referência.
3. Se o bebê estiver de bom humor aparente e brincando alegremente sozinho ou com um cuidador, prossiga com a colocação da touca de EEG. Consulte o cuidador quanto ao humor do bebê e à predisposição para usar chapéus. Prepare alimentos secos ou brinquedos para ocupar as mãos do bebê antes de tampar, se concordar com os pais. Além disso, coloque o bebê no colo do cuidador para que ele se sinta confortado durante o processo de gelificação.
4. Coloque a tampa na cabeça do bebê com o mesmo movimento de alongamento semelhante a uma coroa e prenda as pontas do gancho e do laço sob o queixo. Peça ao segundo experimentador ou cuidador que peça ao bebê que olhe para cima, usando um chocalho, para que seja mais fácil prender as pontas do gancho e do laço.
   1. Certifique-se de que qualquer franja ou pêlos soltos no rosto do bebê estejam bem encaixados embaixo da touca para evitar desconforto ou obstrução da visão.
   2. Alise suavemente a tampa para garantir que os eletrodos fiquem em contato próximo com o couro cabeludo. Certifique-se de que não há rugas na tampa.
5. Use a fita métrica para garantir que a tampa esteja posicionada corretamente, com o eletrodo Cz no ponto médio ou no topo da cabeça e use o método de amassar e soltar para ajustar, se necessário (consulte a etapa 4.7).
6. Prenda firmemente o amplifier à tampa. Uma vez conectado, exiba as leituras de impedância.
7. Coloque o amplificador conectado no bolso na parte de trás do colete do bebê.
8. Aplicação de gel de EEG e ECG
   1. Comece aplicando gel nos eletrodos de referência e terra. Prossiga com a gelificação dos eletrodos restantes começando pela parte de trás.
      NOTA: Os bebês podem ficar um pouco agitados com os experimentadores tocando suas cabeças ou com a sensação de resfriamento do gel. Se for esse o caso, aguarde algum tempo para que o cuidador acalme o bebê antes de continuar. O segundo experimentador pode distrair o bebê (por exemplo, soprando bolhas, usando brinquedos ou dando um pouco de comida).
   2. Preencha todas as aberturas dos eletrodos com gel e, em seguida, use as pontas de algodão para separar o cabelo em um movimento suave da esquerda para a direita se estiver usando eletrodos passivos (como aqui); consulte a montagem no software de gravação de EEG para verificar a impedância durante a gelificação.
   3. Certifique-se de que todos os eletrodos demonstrem baixa impedância no software de gravação de EEG, normalmente < 50 kΩ, uma vez que os bebês são menos tolerantes ao processo de gelificação em comparação com os adultos.
   4. Limpe a área macia sob a clavícula esquerda do bebê com lenços umedecidos e coloque o ECG abaixo da clavícula esquerda do bebê seguindo o mesmo procedimento do ECG adulto.

6. Criando uma caixa de gatilho para sincronização de dados multimodais

NOTA: Como diferentes fluxos de dados do sensor (ou seja, EEG, ECG, vídeo e áudio) começarão a gravar em diferentes momentos durante a sessão, eles precisam ser sincronizados manualmente para criar uma única linha do tempo de eventos. Assim, é necessário um evento comum que possa ser capturado tanto pela filmadora (ou seja, luz LED) quanto pelo amplificador (ou seja, sinal digital ou analógico). Para conseguir isso, é usada uma caixa de gatilho de sincronização interna, que pode ser construída usando um programa simples de unidade de microcontrolador, conforme detalhado abaixo.

1. Para construir a caixa de disparo, use uma placa de desenvolvimento de microcontrolador, LED, conector BNC, banco de potência, um dispositivo de entrada digital (ou seja, um botão de pressão) e saída de pulso/sinal elétrico (ou seja, fios de disparo) que se conectam ao ampporta de disparo do amplificador (consulte a Figura 2B).
   1. Conecte o conector BNC fêmea ao botão de pressão, que serve como entrada (por exemplo, pino de entrada: 8), e a luz LED e o sinal de pulso elétrico atuam como saída (por exemplo, pino de saída: 12; consulte a Figura 2A).
   2. Conecte o conector BNC aos dois amplificadores através dos cabos elétricos de 2.5 mm, produzindo gatilhos de um bit marcando as amostras na gravação de EEG-ECG quando lê o sinal TTL digital do botão (consulte a Figura 2C).
2. Defina as configurações da porta de disparo do adulto e do bebê amplifiers de maneira idêntica para garantir uma sincronização EEG-EEG precisa e precisa.
   1. Projete o sistema de gatilho de forma que os marcadores de gatilho sejam produzidos em ambas as gravações do amplificador quando o botão de gatilho for liberado (após ser pressionado) em vez de quando estiver sendo pressionado.
   2. Identifique o estado atual da porta de disparo nos amplificadores. Se estiver inicialmente em 0 ou LOW, defina a porta como low-active para produzir um marcador quando o botão for liberado. Como alternativa, se o estado inicial da porta for 1 ou HIGH, defina a porta como high-active para produzir um marcador quando o botão for liberado (consulte a Figura 3).

Figura 2: Construção da caixa de gatilho. (A) Diagrama de circuito do microcontrolador para caixa de gatilho; (B) Interiores da caixa de gatilho construída; (C) Caixa de disparo conectada aos amplificadores de EEG-ECG para adultos e bebês, o botão de disparo e o banco de potência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Configurações de porta de disparo altamente ativa e baixa ativa. Dependendo do estado inicial do pino de disparo (0 ou 1), a configuração da porta de disparo (High Active, HA ou Low Active, LA) é escolhida de forma que o marcador seja produzido no final do pulso (quando o botão de disparo é liberado). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

7. Sincronização de fluxos de sensores

1. Para facilitar a sincronização, conecte o receptor de microfone à respectiva câmera de vídeo, sincronizando automaticamente o vídeo (filmadora) com o áudio (microfone).
   NOTA: Como os microfones estão conectados às filmadoras e os eletrodos de EEG e ECG vêm do conjunto de ramificações de eletrodos de EEG conectados ao mesmo amplificador, esses fluxos de dados são pré-sincronizados automaticamente.
2. Prenda o respectivo transmissor de microfone na gola da parte superior do cuidador e no colete do bebê.
3. Inicie as gravações da filmadora para todas as três filmadoras depois de garantir que seu posicionamento possa capturar o sinal de luz LED da caixa de gatilho na sala.
4. Inicie a gravação do EEG no laptop e no amplificador (versão com cartão SD) para o bebê e o cuidador. Para facilitar a sincronização pós-sessão, inicie as câmeras primeiro, seguidas pelos sensores de EEG em ordem adulto-bebê, pois o EEG infantil é o sensor mestre com o qual todos os outros sensores estão sincronizados (para evitar deslocamentos negativos de vídeo-EEG).
5. Conecte os dois amplificadores à configuração da caixa do gatilho usando o conector de 2.5 mm firmemente para evitar marcadores espúrios (Figura 2C).
   NOTA: Um marcador de gatilho deve ser visto no fluxo contínuo de EEG enquanto o conector é conectado ao amplificador.
6. Sincronize os fluxos de dados usando a Caixa de Acionamento.
   1. Execute pressionamentos longos de botão, pois a diferença na aparência do marcador entre as duas configurações (início vs fim do pressionamento do botão) só é perceptível quando os pressionamentos são consideravelmente longos (pelo menos 1 a 2 s de comprimento).
   2. Execute vários pressionamentos longos para produzir vários gatilhos para aumentar a precisão e a confiabilidade dos deslocamentos estimados entre os sensores e auxiliar na sincronização post-hoc em situações em que alguns gatilhos não são registrados por alguns dos sensores.
   3. Verifique todas as câmeras para verificar se o sinal de LED da caixa de disparo está visível nas gravações e verifique se há marcadores simultâneos exibidos nas gravações de EEG em andamento no laptop.
7. Remova o amplifiers da configuração da caixa de gatilho e certifique-se de que o amplifiers estão firmemente presos às respectivas tampas de EEG.
8. Execute esse procedimento de sincronização no início e no final da sessão experimental, especialmente se as câmeras da Web forem usadas para monitorar quadros de vídeo perdidos, o que faz com que a sincronização se desvie.

8. Experimento de interação pais-bebê

1. Antes de iniciar a tarefa de interação pai-bebê, remova todo o equipamento da mesa para remover possíveis distrações para os experimentos de interação cuidador-bebê.
2. Conduza as tarefas experimentais.
   NOTA: As tarefas foram escolhidas para enfatizar as interações naturalistas entre a díade com instruções mínimas ou envolvimento do experimentador (por exemplo, leia com seu bebê por 5 minutos, como você normalmente faria em casa). A duração da tarefa depende do conforto dos participantes e das limitações do equipamento, por exemplo, a vida útil da bateria do amplificador.
3. Se possível, certifique-se de que todos os experimentadores estejam escondidos da visão do bebê durante todo o experimento para evitar distrações. Um experimentador deve permanecer por perto com os laptops de gravação para poder intervir caso surja algum problema de streaming do sensor. Certifique-se de que os laptops de gravação estejam próximos aos amplificadores (< 10 m) para evitar a perda de samples devido à degradação sem fio (Wi-Fi, Bluetooth).

9. Esclarecendo no final do experimento

1. Pare as gravações nas filmadoras e o software de gravação de EEG no laptop e no amplificador. Desligue o amplificador e retire-o da tampa.
2. Removendo tampas de EEG
   1. Remova cuidadosamente as fitas e eletrodos de ECG a partir do cuidador ou peça ao cuidador para remover o ECG do bebê, se necessário. Como a pele do bebê é sensível, use lenços umedecidos ou água morna para molhar a fita para facilitar a remoção.
   2. Comece removendo as extremidades do gancho e do laço da tampa, depois retire a tampa para trás e vire-a do avesso. Use lenços umedecidos para limpar o resíduo de gel da cabeça do bebê e remova a tampa do cuidador.
   3. Aconselhe o cuidador que o excesso de gel sai facilmente no chuveiro.
3. Preparativos para o transporte
   1. Coloque a tampa de EEG junto com os eletrodos de EEG e ECG em um saco plástico. Certifique-se de que o gel na tampa não entre em contato com a caixa divisória da tampa. Mantenha os fios e a caixa divisória em uma caixa estruturada durante o transporte.
   2. Para evitar danos mecânicos durante o transporte, embale o amplifier em uma caixa acolchoada para minimizar a vibração.
4. Limpeza pós-tampa no laboratório
   1. Comece a limpar as tampas de EEG o mais rápido possível.
   2. Coloque as tampas de EEG em uma cuba de limpeza e coloque os fios com panos secos longe da fonte de água. Certifique-se de que a caixa divisória não entre em contato com a água.
   3. Despeje aproximadamente 1 L de água na banheira e adicione 10 mL de desinfetantes à base de aldeído. Deixe a tampa descansar dentro da solução por 10 min. Não mantenha a tampa na solução por muito tempo ou coloque muito desinfetante, pois isso acelerará a deterioração das tampas ao longo do tempo.
   4. Após 10 min, use uma escova de dentes para limpar o resíduo de gel dos eletrodos em água corrente. Seja particularmente cauteloso ao limpar eletrodos ativos, pois eles possuem pequenos circuitos eletrônicos embutidos em cada eletrodo.
   5. Enxágue bem a tampa com água para remover a solução desinfetante.
   6. Usando um pano seco, seque a tampa e insira um pano seco dentro da tampa para absorver a umidade restante. Feche as extremidades do gancho e laço para manter o pano seco dentro da tampa.
   7. Pendure a tampa para secar e certifique-se de que as extremidades molhadas da tampa não encontrem os conectores. Para conseguir isso, coloque a tampa em uma posição mais baixa do que a caixa divisória e os conectores enquanto estiver pendurada.
5. Economia de dados
   1. Certifique-se de que os dados dos cartões SD das filmadoras, amplificadores e gravações do laptop sejam exportados e copiados para o local de armazenamento de dados.

10. Garantia da qualidade dos dados

1. Dados de vídeo-áudio
   1. Verifique se o som está ligado, se nenhuma visão foi obstruída durante as tarefas e se os marcadores foram capturados.
2. Dados de EEG-ECG
   1. Certifique-se de que a gravação do cartão SD esteja presente e não corrompida. Verifique se os marcadores são capturados em ambas as gravações de EEG.
   2. Verifique se há falhas técnicas, ou seja, desconexão do amplificador e interferência elétrica ou mecânica no sinal EEG / ECG.

11. Processamento de dados

1. Sincronização de gravações multissensor
   1. Importe os vídeos do cuidador, do bebê e da câmera de vídeo de visualização combinada para o software de edição de vídeo.
   2. Percorra o vídeo para marcar os quadros específicos em que cada luz de gatilho de LED aparece pela primeira vez. Continue a percorrer o vídeo e adicione outro marcador no quadro específico em que a luz LED desaparece completamente para cada gatilho.
   3. Conclua estes passos para todos os três vídeos. Depois de concluído, anote os números dos quadros dos marcadores de todos os vídeos em uma planilha.
   4. Abra o marcador de EEG files do cartão SD do amplifier para o bebê e o adulto. Anote as informações da amostra do marcador em uma planilha.
   5. Como o vídeo é gravado em quadros por segundo (FPS, por exemplo, 25 FPS) e o EEG-ECG é gravado em amostras por segundo (por exemplo, 500 Hz), converta os números de quadros e amostras em uma unidade de medida comum, como milissegundos (ms), para poder criar uma única linha do tempo.
   6. Para cada sensor (vídeos e gravações de fisiologia), calcule os tempos entre os gatilhos, aqui chamados de intervalos entre disparos (ITI), subtraindo o carimbo de data/hora ms para cada par de marcadores consecutivos.
      NOTA: Embora os horários de início dos sensores de gravação sejam diferentes, os ITIs em ms para o mesmo conjunto de gatilhos nos diferentes sensores (vídeos e EEGs) ainda devem corresponder. Portanto, para validar isso, calcule a diferença em cada ITI (ITI Lag) entre cada sensor e o EEG mestre.
   7. Verifique a qualidade do vídeo-EEG ITI Lags. Como a taxa de amostragem / FPS é diferente entre os dois sensores, normalmente, o EEG tem uma taxa de amostragem muito maior do que os vídeos, permitindo um erro com tolerância ± 1 quadro de vídeo (aqui, 40 ms) para os atrasos ITI de vídeo EEG computados.
   8. Verifique a qualidade do EEG adulto - EEG infantil ITI Lags. Como eles têm a mesma taxa de amostragem, permitem uma tolerância de erro de ± 1 amostra de EEG (aqui, 2 ms).
   9. Quando essas verificações estiverem concluídas, calcule os deslocamentos entre cada sensor e a linha do tempo do sensor mestre (neste caso, EEG infantil).
   10. Subtraia o carimbo de data/hora ms de cada marcador de disparo do EEG Mestre dos respectivos marcadores de cada sensor (vídeos, EEG adulto). Isso produz N [sensor - EEG mestre] deslocamentos (N = número de gatilhos) para cada sensor.
   11. Para cada sensor, calcule a média desses deslocamentos e arredonde-os para produzir o número de deslocamento final em relação ao EEG mestre. Use esses números de deslocamento para cortar os dados de vídeo e EEG para iniciar ao mesmo tempo que o EEG mestre.
2. Codificação de vídeo simples
   1. Para identificar os diferentes estágios do experimento nos vídeos (por exemplo, início e fim das tarefas experimentais ou interrupções), anote os carimbos de data/hora específicos nos quadros usando um software de edição de vídeo.
3. Pré-processamento de EEG
   1. Corte os arquivos de EEG dos adultos e bebês no início e no final da tarefa.
   2. Identifique e remova canais defeituosos
      1. Anote todos os canais que parecem continuamente barulhentos ou não contêm sinal durante toda a gravação da tarefa.
         NOTA: Para gravações de baixa densidade, o objetivo é manter o maior número possível de canais. Assim, para canais que são ruins apenas por curtos períodos de tempo, é preferível remover o segmento de dados corrompido em um estágio posterior da análise, em vez do próprio canal.
      2. Plote e inspecione visualmente a densidade espectral de potência (PSD) para identificar canais periféricos.
   3. Para remover tendências lineares lentas (mais de 2 s), filtre os dados usando um filtro passa-alta FIR básico com uma frequência de corte de 0,5 Hz.
   4. Para remover o ruído de alta frequência de fontes miogênicas e externas, filtre os dados usando um filtro passa-baixa Basic FIR com uma frequência de corte de 35 Hz.
   5. Segmente os dados em épocas consecutivas e não sobrepostas de 1 s.
   6. Rejeite automaticamente todos os segmentos com o valor mínimo abaixo de -100 μV (para adultos) e -150 (para bebês) e/ou o valor máximo acima de +100 μV (para adultos) e +150 (para bebês).
   7. Inspecione visualmente todos os segmentos que não foram excluídos em 11.3.6. Rejeite manualmente todos os segmentos que contêm artefatos. Se apenas um único segmento de 1s for aceitável localizado entre os segmentos rejeitados, remova todo o período para que nenhum segmento de 1s seja retido.
   8. Para a análise INS/diádica, analise apenas os segmentos aceitos que são comuns para adultos e lactentes. Ao remover todos os segmentos do adulto que são rejeitados no bebê e vice-versa, certifique-se de que as séries temporais do EEG de adulto e bebê permaneçam perfeitamente alinhadas.

Os participantes incluídos neste estudo eram bebês de 8 a 12 meses de idade, com desenvolvimento típico, e sua mãe e/ou avó que falava inglês ou inglês e uma segunda língua em casa. Os EEGs de 7 eletrodos e um ECG de derivação única de adultos e bebês, bem como gravações de vídeo e áudio de três câmeras e microfones, foram adquiridos simultaneamente durante as tarefas. As atividades neurais foram medidas em F3, F4, C3, Cz, C4, P3 e P4 de acordo com o sistema internacional 10-20. Os diferentes fluxos de dados foram alinhados temporalmente e cortados no início e no final do experimento para que todas as gravações começassem no ponto t = 0 (Figura 4).

Figura 4: Sincronização de fluxos de dados. Três câmeras (visão infantil, visão combinada e visão do cuidador), ECG bruto do cuidador e do bebê, bem como EEG bruto do cuidador e do bebê, são sincronizados com a mesma linha do tempo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

As taxas de retenção de dados de EEG e as métricas de qualidade para as 5 primeiras díades do conjunto de dados com um total de 10 participantes são apresentadas na Tabela 1. Após a rejeição do canal ruim (Figura 5), os segmentos de dados contendo artefatos foram rejeitados usando um limite de tensão automatizado seguido de inspeção visual dos segmentos restantes (Figura 6). Os resultados mostraram que os registros de EEG tiveram uma duração média de M = 562,96 s (DP ± 148,94 s). Destes, M = 34,30% (DP ± 13,00%) dos dados de adultos e M = 46,32% (DP ± 16,63%) dos dados de bebês foram aceitos após rejeição automática e manual. Se considerarmos apenas os dados pareados entre adultos e bebês, a taxa de retenção caiu para M = 20,58% (DP ± 9,51%), deixando M = 215,00 s (DP ± 117,54 s) de dados de tarefas pareadas. Além disso, um total de 0 a 2 canais por díade foram excluídos devido à qualidade dos dados consistentemente ruim.

Figura 5: Identificando canais defeituosos. Um gráfico de rolagem de dados de EEG infantil e densidade espectral de potência (PSD) para 7 canais de EEG nos quais o canal Cz é observado como uma linha plana (A: rolagem de dados, B: gráfico PSD) ou o canal F3 é excessivamente ruidoso (C: rolagem de dados, D: gráfico PSD). A detecção de canais ruins foi realizada no EEGLAB¹⁷. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Rejeição de artefato. Épocas com artefatos foram rejeitadas automaticamente de acordo com um (A) limite de rejeição, (B) seguido de rejeição manual por meio de inspeção visual. A parte destacada do gráfico mostra os segmentos rejeitados de acordo com o limite de rejeição (A) ou rejeição manual (B), respectivamente. Os dados foram visualizados no EEGLAB¹⁷. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1. Relatório de qualidade de dados de EEG para 5 díades durante as tarefas experimentais.

Neste protocolo, realizamos medições nas casas dos participantes, onde bebês e cuidadores podem se sentir mais confortáveis e seus comportamentos podem ser mais representativos de suas interações na vida real, em oposição a um ambiente de laboratório, aumentando assim a validade ecológica⁷. Além disso, as gravações no ambiente doméstico podem aliviar a carga dos participantes, por exemplo, no que diz respeito aos tempos de viagem, e podem, assim, tornar certos grupos de participantes mais acessíveis. No entanto, junto com essas vantagens, as gravações naturalistas de hipervarredura de EEG em contextos do mundo real apresentam seu próprio conjunto de desafios e limitações em relação ao projeto e protocolo experimental, bem como artefatos de dados. A seguir, são discutidos os desafios e possíveis soluções para gravações caseiras.

O ambiente naturalista pode introduzir um conjunto de variáveis de confusão, como espaço, temperatura e interrupções, que podem diferir entre os grupos de participantes em casa, mas permanecem constantes em um ambiente de laboratório controlado. O protocolo de hipervarredura de EEG requer muitos equipamentos técnicos, por exemplo, várias câmeras, microfones e laptops de gravação e, portanto, a falta de espaço suficiente nas casas dos participantes às vezes pode ser um problema. Os pesquisadores devem estar cientes de não configurar o equipamento ao acaso ou em algum lugar cercado por desordem. Por exemplo, é importante estar atento para não colocar dispositivos em mesas com alimentos ou bebidas e garantir que os tripés das câmeras não bloqueiem o caminho em espaços estreitos. Uma maneira de evitar problemas com espaço seria visitar a casa do participante com antecedência para planejar adequadamente com antecedência quaisquer restrições de espaço. Também é útil enviar lembretes aos participantes para que o espaço necessário seja limpo de itens. Câmeras e tripés devem ser colocados fora do caminho o máximo possível, especialmente quando fora do alcance de onde o bebê está sentado durante a sessão. Acima de tudo, a segurança de todas as partes deve ser considerada em todas as etapas da configuração. Outro fator que os pesquisadores podem encontrar em ambientes naturalistas é a variação das temperaturas. Em Cingapura, onde as temperaturas são altas ao longo do dia e do ano, podem ocorrer artefatos de suor nos dados de EEG, que podem ser melhor controlados no ambiente de laboratório com ar condicionado adequado. O uso de ventiladores para manter os participantes resfriados também introduz outros artefatos devido à proximidade de aparelhos elétricos, e o ar soprado pode mover o cabelo dos participantes, assim como os fios de EEG, resultando em dados de baixa qualidade. Idealmente, o ar condicionado deve ser usado durante a sessão, pois manterá os participantes frescos. Ainda assim, se isso não for possível, um ventilador de teto ou ventilador de pé pode ser usado, certificando-se de que não seja colocado muito perto dos participantes para evitar a criação de ruído nos dados de EEG. Outras alternativas seriam agendar a sessão durante um horário mais frio do dia, se possível, para que os artefatos de suor possam ser evitados. Finalmente, os pesquisadores também precisam ser cautelosos com o fato de que interrupções podem ocorrer em um ambiente naturalista, especialmente se conduzirem a sessão nas casas dos participantes. Os membros da família podem estar nas proximidades, o que pode causar uma violação de privacidade ao filmar a sessão em uma sala comum por onde possam estar passando. Também pode ser uma distração para o bebê ver outros cuidadores ou membros da família durante a tarefa, o que pode influenciar as medições do EEG. Seria melhor lembrar aos participantes que, para que a sessão ocorra sem problemas, seria ideal ter outros membros da família em uma sala diferente. Os pesquisadores também podem tentar conduzir a sessão da maneira mais eficiente possível para não incomodar muito os outros membros da família. Por fim, os pesquisadores devem garantir que todos os dados sejam coletados e que os itens necessários sejam preenchidos antes de sair da casa do participante. Ter uma lista de verificação clara e organizada de documentos e itens a serem preenchidos pode ajudar a evitar a perda de etapas importantes e também ajudar a concluí-las com eficiência e em tempo hábil.

Além das variáveis de confusão encontradas em um ambiente naturalista, também existem alguns aspectos do protocolo que precisarão ser ajustados para cada sessão em um ambiente natural que são controlados em um ambiente de laboratório. A padronização não será possível para certos aspectos, como ângulos de câmera e iluminação. A flexibilidade na configuração e, ao mesmo tempo, a garantia de dados comparáveis e de alta qualidade são cruciais. Os ângulos da câmera podem mudar com a casa de cada participante como resultado de diferenças no layout e no espaço, o que pode dificultar anotações posteriores de vídeos para eventos específicos e métricas comportamentais. Da mesma forma, a iluminação também será diferente em cada casa, o que pode afetar a qualidade do vídeo. Os pesquisadores podem estar adequadamente preparados criando um conjunto geral de padrões que podem ser adaptados, como garantir que os participantes não estejam sentados contra uma fonte principal de luz e saber quais ângulos de câmera priorizar. Outro fator variável seria o mobiliário disponível para uso em cada sessão. Como os pesquisadores provavelmente não podem levar móveis para as casas dos participantes, eles terão que confiar nos móveis que os participantes já possuem. Devido a isso, os diferentes móveis utilizados podem alterar a dinâmica física entre o cuidador e o bebê. Por exemplo, vários tipos de cadeiras de bebê mudarão a altura e a posição em que o bebê está sentado durante a tarefa. Isso pode afetar a maneira como o cuidador interage com a criança e também afetar os dados do EEG devido a possíveis artefatos de movimento muscular ou outros fatores. Durante a fase de pré-processamento da análise dos dados, os pesquisadores podem identificar os artefatos de EEG causados por movimentos específicos, buscando orientação nos vídeos sincronizados. Além disso, ter uma ideia geral de quais tipos de comportamentos serão observados ou analisados pode ajudar a garantir que os dados necessários sejam capturados, apesar da dinâmica física variável.

Uma outra implicação da configuração naturalista do ambiente doméstico dos experimentos de EEG diz respeito à qualidade e usabilidade dos dados do sensor fisiológico. Os registros de EEG são propensos à interferência de artefatos de fontes ambientais (não fisiológicas, como ruído de linha¹⁸) e fisiológicas (ocular, suor, miogênica) ¹⁹. Embora o EEG sem fio seja geralmente menos vulnerável ao ruído da linha, os dispositivos elétricos em casa, por exemplo, ventiladores, telas de TV e ar-condicionado, introduzirão artefatos de ruído. Os artefatos de movimento, por outro lado, são ainda mais proeminentes em um ambiente naturalista e contribuem para menor retenção de dados^11,20, redução na relação sinal-ruído²¹ e vulnerabilidade na análise de dados na interpretação¹¹. O EEG diádico e o EEG infantil apresentam um desafio adicional na retenção de dados devido a menores durações de registro, apresentações de artefatos menos estereotipadas e, no caso de hipervarredura, a necessidade de segmentos analisáveis limpos para serem combinados no tempo 14,22,23. A mitigação desses fatores depende de um projeto experimental cuidadoso e de uma configuração experimental bem calibrada²². Embora as composições de EEG de alta densidade permitam algumas técnicas de correção de artefatos e aumento de dados, como a remoção de análise de componentes independentes (ICA) de componentes de ruído canônico, isso não é recomendado com configurações de baixa densidade. Em contraste, confiar na anotação manual de artefatos e na remoção de canais e segmentos de EEG afetados leva a uma maior perda de dados. O protocolo proposto também pode ser realizado com mais canais de EEG, mas ao custo de um tempo de preparação mais longo. Essas vantagens de um tempo de aquisição mais curto versus dados de EEG mais ricos devem ser cuidadosamente ponderadas umas contra as outras. Aqui, uma estimativa realista das taxas de retenção de dados das gravações caseiras naturalistas é relatada, aderindo a rígidos padrões de qualidade usando uma combinação de rotulagem automatizada de picos de tensão e rejeição manual de artefatos. Embora as taxas de retenção tenham sido baixas (M = 34% para adultos e M = 46% para bebês), elas estão dentro da faixa de exceção para registros naturalísticos de EEG infanto-adulto, por exemplo, como comparação, Dikker et ^al.12 relataram uma taxa de retenção de 38% durante a tarefa de discussão em EEG adulto usando eletrodos secos. A quantidade de dados limpos recuperados do paradigma pode ser alimentada em análises adicionais, como análises de conectividade baseadas em frequência de tempo. Pipelines semiautomatizados alternativos para correção de artefatos de gravações de EEG de baixa densidade (por exemplo, HAPPILEE²⁴), embora fora do escopo do artigo atual, podem ajudar a remover artefatos sem o uso de ICA e, assim, reduzir significativamente a perda de dados.

Para garantir EEG de alta qualidade, mas coleta de dados viável, os pesquisadores precisarão considerar como o ambiente naturalista afeta as tarefas escolhidas para a sessão experimental. Por exemplo, a escolha das tarefas pode ser baseada no que seria comumente encontrado nas casas dos participantes, como mesa de jantar, cadeiras, cadeiras de bebê, tapete de brincar, etc. Isso permitiria equipamentos ou móveis menos volumosos que precisam ser transportados de um lado para o outro e também reduziria o tempo de configuração e limpeza. Neste experimento, foram utilizados livros e brinquedos adequados para brincadeiras de mesa, permitindo que o cuidador e a criança mantivessem uma dinâmica de brincadeira naturalista, ao mesmo tempo em que limitavam o movimento livre para que os artefatos de EEG do movimento muscular pudessem ser reduzidos. Como resultado, no protocolo atual, os brinquedos foram escolhidos com base no que refletiria as interações naturais. Por exemplo, brinquedos com sucção que podem ser colocados em uma posição estacionária para o cuidador e a criança se envolverem na mesa têm a vantagem de não poderem cair da mesa, o que pode causar artefatos de movimento quando o cuidador tenta pegá-los. Os pesquisadores também precisam ter cuidado com o tempo de preparação e limpeza para reduzir a carga dos participantes.

Embora a escolha de realizar medições de hipervarredura de EEG em um ambiente naturalista tenha muitos benefícios para dados mais ecologicamente válidos, os pesquisadores devem estar cientes das limitações e desafios que podem surgir do projeto experimental e implementar etapas suficientes para mitigar os efeitos o máximo possível. Os pesquisadores devem se esforçar para encontrar um equilíbrio entre um design ecológico e o controle experimental ao otimizar seu paradigma e planejar suas visitas. Conforme descrito acima, é necessária alguma flexibilidade em relação à configuração experimental, o que, no entanto, introduz mais variabilidade entre os participantes. Embora isso seja indesejável de uma perspectiva experimental, pode refletir mais os ambientes do mundo real dos participantes. Além disso, a configuração naturalística pode introduzir mais e outros tipos de artefatos nos dados de EEG, conforme discutido acima. Isso pode, até certo ponto, ser mitigado por técnicas apropriadas de pré-processamento e análise de EEG, mas geralmente pode levar a uma maior perda e menor qualidade dos dados. Além disso, o equipamento utilizado, em particular as câmeras e tripés, apresenta as desvantagens de ser relativamente volumoso e pesado, dificultando o transporte e menos adequado para espaços confinados. Finalmente, o sistema de eletrodo úmido precisa de materiais experimentais adicionais (por exemplo, gel, seringas, luvas, lenços umedecidos) e tempos de preparação mais longos. Os experimentadores devem ter muito cuidado para não deixar bagunça nas casas dos participantes, por exemplo, colocar gel em partes dos móveis, e explicar com antecedência que existe o risco de que o bebê possa fazê-lo. Os eletrodos secos podem ser uma boa alternativa para contornar esses problemas e economizar tempo de configuração. Assim, para gravações de hipervarredura em grupos maiores (por exemplo, salas de aula), esse pode ser o método de escolha (por exemplo, ver ¹²). Portanto, ao refinar e adaptar este protocolo às circunstâncias em questão, ele tem o potencial de ser aplicado em muitos tipos diferentes de ambientes naturalistas, como escolas e locais de trabalho, para capturar uma variedade maior de dados comportamentais e de hipervarredura.

Não devem ser declarados conflitos de interesse.

O trabalho foi financiado por uma bolsa presidencial de pós-doutorado da Universidade Tecnológica de Nanyang, concedida à VR.