Potencial relacionado ao evento - Event-related potential

Uma forma de onda que mostra vários componentes do ERP, incluindo o N100 (rotulado como N1) e o P300 (rotulado como P3). Observe que o ERP é plotado com tensões negativas para cima, uma prática comum, mas não universal, na pesquisa de ERP

Um potencial relacionado a eventos ( ERP ) é a resposta cerebral medida que é o resultado direto de um evento sensorial , cognitivo ou motor específico . Mais formalmente, é qualquer resposta eletrofisiológica estereotipada a um estímulo. O estudo do cérebro dessa forma fornece um meio não invasivo de avaliar o funcionamento do cérebro.

Os ERPs são medidos por meio de eletroencefalografia (EEG). A magnetoencefalografia (MEG) equivalente do ERP é o ERF, ou campo relacionado a eventos. Potenciais evocados e potenciais induzidos são subtipos de ERPs.

História

Com a descoberta do eletroencefalograma (EEG) em 1924, Hans Berger revelou que era possível medir a atividade elétrica do cérebro humano colocando eletrodos no couro cabeludo e amplificando o sinal. As mudanças na voltagem podem então ser plotadas ao longo de um período de tempo. Ele observou que as tensões podem ser influenciadas por eventos externos que estimulam os sentidos. O EEG provou ser uma fonte útil no registro da atividade cerebral nas décadas seguintes. No entanto, tendia a ser muito difícil avaliar o processo neural altamente específico que é o foco da neurociência cognitiva porque o uso de dados puros de EEG dificultava o isolamento de processos neurocognitivos individuais . Potenciais relacionados a eventos (ERPs) ofereceram um método mais sofisticado de extração de eventos sensoriais, cognitivos e motores mais específicos usando técnicas simples de média. Em 1935-1936, Pauline e Hallowell Davis registraram os primeiros ERPs conhecidos em humanos despertos e suas descobertas foram publicadas alguns anos depois, em 1939. Devido à Segunda Guerra Mundial, não foram realizadas muitas pesquisas na década de 1940, mas pesquisas com foco em questões sensoriais recuperou novamente na década de 1950. Em 1964, a pesquisa de Gray Walter e colegas deu início à era moderna das descobertas de componentes de ERP quando eles relataram o primeiro componente de ERP cognitivo, chamado de variação negativa contingente (CNV). Sutton, Braren e Zubin (1965) fizeram outro avanço com a descoberta do componente P3. Nos quinze anos seguintes, a pesquisa de componentes de ERP tornou-se cada vez mais popular. A década de 1980, com a introdução de computadores baratos, abriu uma nova porta para a pesquisa em neurociência cognitiva. Atualmente, o ERP é um dos métodos mais amplamente usados ​​na pesquisa da neurociência cognitiva para estudar os correlatos fisiológicos da atividade sensorial , perceptual e cognitiva associada ao processamento da informação.

Cálculo

Os ERPs podem ser medidos de forma confiável usando eletroencefalografia (EEG), um procedimento que mede a atividade elétrica do cérebro ao longo do tempo usando eletrodos colocados no couro cabeludo . O EEG reflete milhares de processos cerebrais em andamento simultaneamente . Isso significa que a resposta do cérebro a um único estímulo ou evento de interesse geralmente não é visível no registro EEG de uma única tentativa. Para ver a resposta do cérebro a um estímulo, o experimentador deve conduzir muitos testes e calcular a média dos resultados juntos, fazendo com que a atividade cerebral aleatória seja calculada e a forma de onda relevante permaneça, chamada de ERP.

A atividade cerebral aleatória (de fundo ) junto com outros bio-sinais (por exemplo, EOG , EMG , EKG ) e interferência eletromagnética (por exemplo, ruído de linha , lâmpadas fluorescentes) constituem a contribuição do ruído para o ERP registrado. Esse ruído obscurece o sinal de interesse, que é a sequência de ERPs subjacentes em estudo. Do ponto de vista da engenharia, é possível definir a relação sinal-ruído (SNR) dos ERPs registrados. A média aumenta o SNR dos ERPs registrados, tornando-os discerníveis e permitindo sua interpretação. Isso tem uma explicação matemática simples, desde que algumas suposições simplificadoras sejam feitas. Essas suposições são:

  1. O sinal de interesse é feito de uma sequência de ERPs bloqueados por evento com latência e forma invariáveis
  2. O ruído pode ser aproximado por um processo de variância aleatório Gaussiano de média zero que não está correlacionado entre as tentativas e não está bloqueado no tempo para o evento (esta suposição pode ser facilmente violada, por exemplo, no caso de um sujeito fazendo pequenos movimentos com a língua enquanto mentalmente contar os alvos em um experimento).

Tendo definido , o número da tentativa e , o tempo decorrido após o º evento, cada tentativa registrada pode ser escrita como onde está o sinal e é o ruído (Observe que, nas suposições acima, o sinal não depende da tentativa específica enquanto o ruído faz).

A média de tentativas é

.

O valor esperado de é (como esperado) o próprio sinal ,.

Sua variação é

.

Por esta razão, espera-se que a amplitude do ruído da média das tentativas se desvie da média (que é ) em menos ou igual a 68% dos casos. Em particular, o desvio em que 68% das amplitudes de ruído se encontram é vezes o de uma única tentativa. Um desvio maior de já pode ser esperado para abranger 95% de todas as amplitudes de ruído.

Ruídos de ampla amplitude (como piscar de olhos ou artefatos de movimento ) costumam ser várias ordens de magnitude maiores do que os ERPs subjacentes. Portanto, os testes contendo tais artefatos devem ser removidos antes de calcular a média. A rejeição de artefato pode ser realizada manualmente por inspeção visual ou usando um procedimento automatizado com base em limiares fixos predefinidos (limitando a amplitude ou inclinação máxima de EEG) ou em limiares variáveis ​​no tempo derivados das estatísticas do conjunto de tentativas.

Nomenclatura

As formas de onda do ERP consistem em uma série de deflexões de tensão positivas e negativas, que estão relacionadas a um conjunto de componentes subjacentes . Embora alguns componentes do ERP sejam referidos com siglas (por exemplo, variação negativa contingente  - CNV, negatividade relacionada ao erro  - ERN), a maioria dos componentes são referidos por uma letra (N / P) indicando a polaridade (negativa / positiva), seguida por um número que indica a latência em milissegundos ou a posição ordinal do componente na forma de onda. Por exemplo, um pico negativo que é o primeiro pico substancial na forma de onda e muitas vezes ocorre cerca de 100 milissegundos depois que um estímulo é apresentado é frequentemente chamado de N100 (indicando que sua latência é de 100 ms após o estímulo e que é negativo) ou N1 (indicando que é o primeiro pico e é negativo); geralmente é seguido por um pico positivo, geralmente chamado de P200 ou P2. As latências declaradas para componentes ERP são frequentemente bastante variáveis, particularmente para os componentes posteriores que estão relacionados ao processamento cognitivo do estímulo. Por exemplo, o componente P300 pode exibir um pico em qualquer lugar entre 250 ms - 700 ms.

Vantagens e desvantagens

Relativo a medidas comportamentais

Comparados com procedimentos comportamentais, os ERPs fornecem uma medida contínua de processamento entre um estímulo e uma resposta, tornando possível determinar quais fases estão sendo afetadas por uma manipulação experimental específica. Outra vantagem sobre as medidas comportamentais é que elas podem fornecer uma medida do processamento dos estímulos, mesmo quando não há mudança comportamental. No entanto, devido ao tamanho significativamente pequeno de um ERP, geralmente é necessário um grande número de tentativas para medi-lo corretamente.

Em relação a outras medidas neurofisiológicas

Invasividade

Ao contrário dos microeletrodos, que exigem a inserção de um eletrodo no cérebro, e dos exames PET que expõem os humanos à radiação, os ERPs usam o EEG, um procedimento não invasivo.

Resolução espacial e temporal

ERPs fornecem excelente resolução temporal - já que a velocidade de gravação de ERP é limitada apenas pela taxa de amostragem que o equipamento de gravação pode suportar, enquanto as medidas hemodinâmicas (como fMRI , PET e fNIRS ) são inerentemente limitadas pela velocidade lenta do BOLD resposta. A resolução espacial de um ERP, entretanto, é muito mais pobre do que a dos métodos hemodinâmicos - na verdade, a localização das fontes de ERP é um problema inverso que não pode ser resolvido exatamente, apenas estimado. Assim, os ERPs são adequados para questões de pesquisa sobre a velocidade da atividade neural e menos adequados para questões de pesquisa sobre a localização de tal atividade.

Custo

A pesquisa de ERP é muito mais barata do que outras técnicas de imagem, como fMRI , PET e MEG . Isso ocorre porque a compra e manutenção de um sistema de EEG é menos dispendiosa do que os outros sistemas.

Clínico

Os médicos e neurologistas às vezes usam um estímulo quadriculado visual piscante para testar qualquer dano ou trauma no sistema visual. Em uma pessoa saudável, esse estímulo eliciará uma forte resposta no córtex visual primário localizado no lobo occipital , na parte posterior do cérebro.

Anormalidades do componente ERP em pesquisas clínicas foram mostradas em condições neurológicas, tais como:

Pesquisar

ERPs são usados extensivamente em neurociência , psicologia cognitiva , ciência cognitiva , e psico-fisiológica pesquisa. Psicólogos experimentais e neurocientistas descobriram muitos estímulos diferentes que extraem PREs confiáveis ​​dos participantes. Acredita-se que o tempo dessas respostas forneça uma medida do tempo de comunicação do cérebro ou do processamento de informações. Por exemplo, no paradigma tabuleiro de xadrez descrito acima, a primeira resposta do córtex visual de participantes saudáveis ​​é de cerca de 50-70 ms. Isso parece indicar que essa é a quantidade de tempo que leva para o estímulo visual transduzido atingir o córtex depois que a luz entra pela primeira vez no olho . Alternativamente, a resposta do P300 ocorre em torno de 300ms no paradigma oddball , por exemplo, independentemente do tipo de estímulo apresentado: visual , tátil , auditivo , olfativo , gustativo , etc. Por causa dessa invariância geral em relação ao tipo de estímulo, o P300 componente é entendido como refletindo uma resposta cognitiva superior a estímulos inesperados e / ou cognitivamente salientes . A resposta do P300 também tem sido estudada no contexto da detecção de informação e memória. Além disso, existem estudos sobre anormalidades do P300 na depressão. Pacientes deprimidos tendem a ter uma amplitude reduzida de P200 e P300 e uma latência de P300 prolongada.

Devido à consistência da resposta do P300 a novos estímulos, pode ser construída uma interface cérebro-computador que dependa dele. Organizando muitos sinais em uma grade, piscando aleatoriamente as linhas da grade como no paradigma anterior e observando as respostas do P300 de um sujeito olhando para a grade, o sujeito pode comunicar para qual estímulo está olhando e, assim, lentamente "digitar " palavras.

Outra área de pesquisa na área de ERP está na cópia de eferências . Este mecanismo de previsão desempenha um papel central, por exemplo, na verbalização humana. Cópias de efferência, no entanto, não ocorrem apenas com palavras faladas, mas também com a linguagem interna - ou seja, a produção silenciosa de palavras - que também foi comprovada por potenciais relacionados a eventos.

Outros ERPs usados ​​com frequência em pesquisas, especialmente pesquisas neurolinguísticas , incluem o ELAN , o N400 e o P600 / SPS . A análise de dados ERP também é cada vez mais suportada por algoritmos de aprendizado de máquina.

Número de tentativas

Um problema comum em estudos de ERP é se os dados observados têm um número suficiente de testes para apoiar a análise estatística. O ruído de fundo em qualquer ERP para qualquer indivíduo pode variar. Portanto, simplesmente caracterizar o número de testes ERP necessários para uma resposta robusta do componente é inadequado. Portanto, os pesquisadores de ERP podem usar métricas como o erro de medição padronizado (SME) para justificar o exame de diferenças entre condições ou entre grupos ou estimativas de consistência interna para justificar o exame de diferenças individuais.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos

  • [1] - A Escola de Verão ERP 2017 foi realizada na Escola de Psicologia da Universidade de Bangor de 25 a 30 de junho de 2017
  • EEGLAB Toolbox - Uma caixa de ferramentas Matlab de código aberto disponível gratuitamente para processar e analisar dados de EEG
  • ERPLAB Toolbox - Uma caixa de ferramentas Matlab de código aberto disponível gratuitamente para processar e analisar dados ERP
  • The ERP Boot Camp - Uma série de workshops de treinamento para pesquisadores de ERP liderados por Steve Luck e Emily Kappenman
  • Virtual ERP Boot Camp - um blog com informações, anúncios e dicas sobre metodologia ERP