Potenciais relacionados a eventos e a tarefa Oddball

Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel - Universidade do Sul da Califórnia

Dada a quantidade esmagadora de informações capturadas pelos órgãos sensoriais, é crucial que o cérebro seja capaz de priorizar o processamento de certos estímulos, gastar menos esforço no que pode não ser atualmente importante e atender ao que é. Uma heurística que o cérebro usa é ignorar estímulos frequentes ou constantes em favor de estímulos inesperados ou únicos. Portanto, eventos raros tendem a ser mais salientes e captam nossa atenção. Além disso, estímulos relevantes para nossos objetivos comportamentais atuais são priorizados sobre aqueles que são irrelevantes.

Os correlatos neurofisiológicos de atenção foram examinados experimentalmente através do uso do paradigma oddball. Originalmente introduzida em 1975, a tarefa oddball apresenta ao participante uma sequência de estímulos sonoros ou visuais repetitivos, raramente interrompida por um estímulo inesperado. ¹ Esta interrupção por um estímulo-alvo tem sido demonstrada para provocar eventos elétricos específicos que são registrados no couro cabeludo conhecido como potenciais relacionados a eventos (ERPs). Um ERP é a resposta cerebral medida resultante de um evento sensorial, cognitivo ou motor específico. Os ERPs são medidos por meio da eletroencefalografia (EEG), um meio não invasivo de avaliar a função cerebral em pacientes com doença e indivíduos normalmente em funcionamento. Um componente ERP específico encontrado em toda a região parietal do couro cabeludo, conhecido como P300, é aprimorado em resposta a eventos estranhos. O P300 é uma deflexão positiva no sinal EEG que ocorre entre 250 e 500 ms após o início do estímulo. Em geral, os potenciais iniciais refletem o processamento sensorial-motor, enquanto potenciais posteriores como o P300 refletem o processamento cognitivo.

Neste vídeo, mostramos como administrar a tarefa oddball usando EEG. O vídeo cobrirá a configuração e administração do EEG, e a análise de ERPs relacionados tanto ao controle quanto aos estímulos de destino na tarefa oddball. Nesta tarefa, os participantes são configurados com os eletrodos EEG, em seguida, a atividade cerebral é registrada enquanto eles vêem estímulos de controle, intercalados com estímulos de destino. O procedimento é semelhante ao de Habibi et al. ² Cada vez que um estímulo-alvo é apresentado, o participante pressiona um botão. Quando os ERPs são mediados através do controle e estímulos de destino, as correlações neurais de cada evento podem ser comparadas em uma janela de tempo selecionada.

1. Recrutamento de participantes

1. Recrute 20 participantes para o experimento.
2. Certifique-se de que os participantes foram totalmente informados dos procedimentos de pesquisa e tenham assinado todos os formulários de consentimento adequados.

2. Coleta de dados

1. Preparação de EEG (Nota: Estas etapas são para uso com o sistema Neuroscan 4.3 com amplificador Synamps 2 e uma tampa rápida de 64 canais.)
   1. Os participantes de um estudo de EEG não devem ter nenhum produto para cabelo (por exemplo,gel, mouse ou condicionador de licença) em seus cabelos antes de sua participação.
   2. Encha 2-4, seringas de 10 ml com eletrodo-gel condutivo (ou seja,gel rápido). Sugere-se mexer o gel antes de usá-lo para liberar bolhas de ar.
   3. Escove bem o cabelo e o couro cabeludo (cerca de 5 min).
   4. Cabeça limpa com álcool e gaze de algodão. Limpe também a pele para colocação de eletrodos: dois mastoides (atrás de cada orelha), abaixo e acima do olho esquerdo VEO (eletro-ocular vertical), e os lados distantes de cada heo ocular (horizontal eletro-ocular; Figura 1, esquerda).
   5. Usando discos adesivos de dois lados, coloque os eletrodos.
   6. Meça a cabeça da frente (diretamente entre as sobrancelhas, meio-olho) até a inigestão (abaixo da colisão da cabeça na parte de trás). Essa distância determinará o tamanho da tampa (pequena, média ou grande). Para colocar a tampa, marque a distância medida de 10% na testa e certifique-se de que o eletrodo frontal médio (FPz) seja colocado neste ponto marcado.
   7. Conecte os eletrodos faciais aos seus respectivos cabos na tampa
   8. Comece a encher os eletrodos com gel, usando a ponta da agulha para raspar o cabelo de lado debaixo do eletrodo, para que o eletrodo esteja em contato direto com o couro cabeludo. Tenha cuidado para não ferir a pele.
      1. Levantar um pouco o eletrodo facilita a inserção do gel. Na maioria dos casos, haverá cabelo debaixo do eletrodo. Movê-lo para fora do caminho permitirá melhor impedância.
   9. Leve o participante para a sala à prova de som e conecte a tampa e eletrodos individuais.
   10. Verifique a impedância da conexão eletrodo-couro cabeludo para mantê-lo abaixo de 10 KΩ. Se a impedância for alta certifique-se de que o eletrodo tem gel condutivo e está em contato com o couro cabeludo.
       1. A impedância é a tendência de impedir o fluxo de uma corrente alternada. A alta impedância pode aumentar o ruído nos dados, e deve ser minimizada antes do início do estudo.
       2. Na maioria dos casos, o cabelo está no caminho do eletrodo. Tirá-lo do caminho deve ficar melhor.
   11. Uma vez que a impedância é aceitável para todos os eletrodos, e os traços de EEG são vazios de ruído, a coleta de dados pode começar.

Figura 1: Colocação de eletrodos. Colocação dos eletrodos faciais para detectar artefatos EOG (esquerda). Diagrama de medição diretamente entre as sobrancelhas até pouco abaixo da colisão na parte de trás da cabeça. 10% desta medida é medida acima da marca média dos olhos, e é aqui que o eletrodo FPZ da tampa é colocado (à direita).

2. Coleta de dados EEG
   1. Prepare o participante para fazer a tarefa.
      1. Coloque o participante em uma cadeira a 75 cm da tela do computador de 16 polegadas, em uma sala de som e luz atenuada (acústica e eletricamente blindada).
      2. Diga ao participante que verá círculos coloridos aparecerem na tela. Toda vez que um círculo verde é visto, o participante deve pressionar um botão segurado em sua mão direita(Figura 2).
         1. Mostre cada estímulo para 1000 ms, com um intervalo interestimulo de 1000 ms entre apresentações de estímulo.
         2. Mostre os 64 estímulos-alvo, intercalados aleatoriamente entre 96 apresentações dos círculos vermelhos não-alvo. Repita esta sequência duas vezes, para um total de 128 testes de estímulo de alvo e 192 testes de controle sem alvo.
   2. Inicie o sistema e tenha gravação contínua de EEG durante toda a apresentação da tarefa funcional.
   3. O EEG é amplificado por amplificadores com um ganho de 1024 e um passe de banda de 0,01-100 Hz.
   4. Ensaios contaminados por pisca-piscas e rejeição de artefatos (aproximadamente 15% dos ensaios) serão eliminados off-line.

Figura 2: Estude o projeto para a tarefa ímpar. O participante é apresentado com um círculo vermelho ou um círculo verde. Cada estímulo aparece para 1 s, seguido por uma tela em branco de 1 s. Cada vez que o participante vê um círculo verde, ele é instruído a pressionar um botão segurado em sua mão direita.

3. Análise de dados

1. Offline, dados de referência para mastoides médios.
2. Segmentar dados contínuos de EEG em épocas, começando 200 ms antes e terminando 1000 ms após o início do estímulo.
3. As épocas são corrigidas usando a época de 200 ms antes do início do estímulo.
4. Para corrigir artefatos de movimento, épocas com uma mudança de sinal superior a 150 microvolt em qualquer eletrodo EEG não foram incluídas na média.
5. Os dados são filtrados digitalmente offline (bandpass 0,05-20 Hz).
6. Use as médias ERP que são exibidas dos locais de gravação do Pz para estímulos de destino e controle.
   1. O pico (amplitude e latência) do parietal P300 é obtido automaticamente no eletrodo Pz.
7. Análise estatística
   1. Plot ERP médias dos eletrodos parietal Pz.
   2. Para amplitude máxima e latências, use testes F para cada faixa de latência para determinar se há diferença entre os estímulos de alvo e controle.

Durante a tarefa oddball onde os participantes foram instruídos a responder com um botão pressionar cada vez que viram um círculo verde, houve um aumento parietal P300 em comparação com quando o participante viu o círculo vermelho de controle. Este traço atingiu aproximadamente 350 ms após o início do estímulo, enquanto não houve pico P300 para o rastreamento de controle (Figura3).

Figura 3: Resposta parietal P300 às imagens de linha de base e oddball. Traço de tempo de ERP médio da resposta parietal às imagens de linha de base (vermelho) e imagens estranhas (verde). A resposta é medida em microvolts sobre milissegundos.

Esses resultados mostram que a atividade no lobo parietal aumenta quando um item estranho é apresentado, refletindo os processos neurais que identificam estímulos relevantes e salientes. O cérebro aumenta sua eficiência identificando esses itens e focando recursos no processamento deles. Estímulos que captam a atenção dessa forma são respondidos mais rapidamente, e também lembrados melhor depois.

A abordagem ERP, devido à sua altíssima resolução temporal, permite a discriminação entre os eventos elétricos que correspondem a processos psicológicos extremamente rápidos. A tarefa estranha demonstra esse poder, ao revelar uma assinatura elétrica do lobo parietal que discrimina entre dois estímulos semelhantes menos de meio segundo após sua apresentação. A tarefa fornece uma janela para o processo do cérebro para identificar características no ambiente que têm importância biológica atual. ³

O paradigma oddball combina aspectos tanto da atenção de baixo para cima quanto de cima para baixo. A atenção de baixo para cima refere-se à capacidade exógena de um estímulo para capturar nossa atenção, independentemente de nossos próprios planos ou objetivos serão. Isso entra em jogo na tarefa oddball em que os alvos são raros e diferentes dos outros estímulos no experimento, o que os faz se destacar. A atenção de cima para baixo refere-se à nossa capacidade de filtrar informações recebidas com base em nossos objetivos de tarefa atuais. A tarefa estranha envolve aspectos da atenção de cima para baixo porque somos instruídos a responder apenas aos estímulos alvo, portanto estamos conscientemente tentando atendê-los. Pesquisas descobriram que o potencial P300 pode ter subcomponentes precoces e tardios, o subcomponente inicial (chamado P3a) refletindo a saliency inferior para cima que é impulsionada pela novidade do estímulo, e o subcomponente posterior (chamado P3b) que reflete a classificação cognitiva de cima para baixo do estímulo como alvo. A tarefa oddball é, portanto, uma sonda robusta e complexa de processos de atenção.

Como um marcador confiável de processos atencionais no cérebro, o P300 provocado pela tarefa oddball pode ser um biomarcador útil de disfunção acionária. Por exemplo, crianças com TDAH mostram um potencial P300 menor e posterior,⁴ e essas diferenças tendem a diminuir com terapia medicamentosa eficaz. 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).