Potentiel événementiel - Event-related potential

Une forme d'onde montrant plusieurs composants ERP, y compris le N100 (étiqueté N1) et le P300 (étiqueté P3). Notez que l'ERP est tracé avec des tensions négatives vers le haut, une pratique courante, mais pas universelle, dans la recherche ERP

Un potentiel lié à un événement ( ERP ) est la réponse cérébrale mesurée qui est le résultat direct d'un événement sensoriel , cognitif ou moteur spécifique . Plus formellement, il s'agit de toute réponse électrophysiologique stéréotypée à un stimulus. L'étude du cerveau de cette manière fournit un moyen non invasif d'évaluer le fonctionnement du cerveau.

Les ERP sont mesurés par électroencéphalographie (EEG). L' équivalent magnétoencéphalographique (MEG) de l'ERP est l'ERF, ou champ événementiel. Les potentiels évoqués et les potentiels induits sont des sous-types d'ERP.

Histoire

Avec la découverte de l' électroencéphalogramme (EEG) en 1924, Hans Berger a révélé que l'on pouvait mesurer l'activité électrique du cerveau humain en plaçant des électrodes sur le cuir chevelu et en amplifiant le signal. Les changements de tension peuvent ensuite être tracés sur une période de temps. Il a observé que les tensions pouvaient être influencées par des événements externes qui stimulaient les sens. L'EEG s'est avéré être une source utile pour enregistrer l'activité cérébrale au cours des décennies suivantes. Cependant, il avait tendance à être très difficile d'évaluer le processus neuronal hautement spécifique qui est au centre des neurosciences cognitives, car l'utilisation de données EEG pures rendait difficile l'isolement des processus neurocognitifs individuels . Les potentiels liés aux événements (ERP) ont offert une méthode plus sophistiquée pour extraire des événements sensoriels, cognitifs et moteurs plus spécifiques en utilisant des techniques de moyenne simples. En 1935-1936, Pauline et Hallowell Davis ont enregistré les premiers ERP connus sur des humains éveillés et leurs résultats ont été publiés quelques années plus tard, en 1939. En raison de la Seconde Guerre mondiale, peu de recherches ont été menées dans les années 1940, mais des recherches se sont concentrées sur les problèmes sensoriels. repris dans les années 1950. En 1964, les recherches de Gray Walter et de ses collègues ont commencé l'ère moderne des découvertes de composants ERP lorsqu'ils ont signalé le premier composant ERP cognitif, appelé variation négative contingente (CNV). Sutton, Braren et Zubin (1965) ont fait un autre progrès avec la découverte de la composante P3. Au cours des quinze années suivantes, la recherche sur les composants ERP est devenue de plus en plus populaire. Les années 1980, avec l'introduction d'ordinateurs bon marché, ont ouvert une nouvelle porte à la recherche en neurosciences cognitives. Actuellement, l'ERP est l'une des méthodes les plus largement utilisées dans la recherche en neurosciences cognitives pour étudier les corrélats physiologiques de l'activité sensorielle , perceptive et cognitive associée au traitement de l'information.

Calcul

Les ERP peuvent être mesurés de manière fiable à l' aide de l' électroencéphalographie (EEG), une procédure qui mesure l' activité électrique du cerveau au fil du temps à l'aide d' électrodes placées sur le cuir chevelu . L'EEG reflète des milliers de processus cérébraux en cours simultanément . Cela signifie que la réponse du cerveau à un seul stimulus ou événement d'intérêt n'est généralement pas visible dans l'enregistrement EEG d'un seul essai. Pour voir la réponse du cerveau à un stimulus, l'expérimentateur doit effectuer de nombreux essais et faire la moyenne des résultats ensemble, provoquant la moyenne de l'activité cérébrale aléatoire et le maintien de la forme d'onde pertinente, appelée ERP.

L' activité cérébrale aléatoire (de fond ) ainsi que d'autres bio-signaux (par exemple, EOG , EMG , ECG ) et les interférences électromagnétiques (par exemple, bruit de ligne , lampes fluorescentes) constituent la contribution du bruit à l'ERP enregistré. Ce bruit obscurcit le signal d'intérêt, qui est la séquence des ERP sous-jacents à l'étude. D'un point de vue technique, il est possible de définir le rapport signal sur bruit (SNR) des ERP enregistrés. Le moyennage augmente le SNR des ERP enregistrés, les rendant discernables et permettant leur interprétation. Cela a une explication mathématique simple à condition que certaines hypothèses simplificatrices soient faites. Ces hypothèses sont :

1. Le signal d'intérêt est constitué d'une séquence d'ERP à verrouillage d'événement avec une latence et une forme invariables
2. Le bruit peut être approximé par un processus aléatoire de variance gaussien à moyenne nulle qui n'est pas corrélé entre les essais et n'est pas verrouillé dans le temps à l'événement (cette hypothèse peut être facilement violée, par exemple dans le cas d'un sujet faisant de petits mouvements de langue tout en compter les cibles dans une expérience).${\displaystyle \sigma ^{2}}$

Après avoir défini , le numéro d'essai et , le temps écoulé après le ^e événement, chaque essai enregistré peut être écrit comme où est le signal et est le bruit (notez que, dans les hypothèses ci-dessus, le signal ne dépend pas de l'essai spécifique alors que le bruit le fait). ${\style d'affichage k}$${\style d'affichage t}$${\style d'affichage k}$${\style d'affichage x(t,k)=s(t)+n(t,k)}$${\style d'affichage s(t)}$${\style d'affichage n(t,k)}$

La moyenne des essais est ${\style d'affichage N}$

${\displaystyle {\bar {x}}(t)={\frac {1}{N}}\sum _{k=1}^{N}x(t,k)=s(t)+{\ frac {1}{N}}\somme _{k=1}^{N}n(t,k)}$ .

La valeur attendue de est (comme espéré) le signal lui-même, . ${\displaystyle {\bar {x}}(t)}$${\displaystyle \operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]=s(t)}$

Sa variance est

${\displaystyle \operatorname {Var} [{\bar {x}}(t)]=\operatorname {E} \left[\left({\bar {x}}(t)-\operatorname {E} [{ \bar {x}}(t)]\right)^{2}\right]={\frac {1}{N^{2}}}\operatorname {E} \left[\left(\sum _{ k=1}^{N}n(t,k)\right)^{2}\right]={\frac {1}{N^{2}}}\sum _{k=1}^{N }\operatorname {E} \left[n(t,k)^{2}\right]={\frac {\sigma ^{2}}{N}}}$.

Pour cette raison, l'amplitude du bruit de la moyenne des essais devrait s'écarter de la moyenne (qui est ) d'une valeur inférieure ou égale à celle de 68 % des cas. En particulier, l'écart dans lequel se trouvent 68 % des amplitudes de bruit est multiplié par celui d'un seul essai. On peut déjà s'attendre à ce qu'un plus grand écart de englobe 95 % de toutes les amplitudes de bruit. ${\style d'affichage N}$${\style d'affichage s(t)}$${\displaystyle \sigma /{\sqrt {N}}}$${\displaystyle 1/{\sqrt {N}}}$${\displaystyle 2\sigma /{\sqrt {N}}}$

Les bruits de grande amplitude (tels que les clignements des yeux ou les artefacts de mouvement ) sont souvent supérieurs de plusieurs ordres de grandeur aux ERP sous-jacents. Par conséquent, les essais contenant de tels artefacts doivent être supprimés avant de faire la moyenne. Le rejet d'artefact peut être effectué manuellement par inspection visuelle ou à l'aide d'une procédure automatisée basée sur des seuils fixes prédéfinis (limitant l'amplitude ou la pente maximale de l'EEG) ou sur des seuils variables dans le temps dérivés des statistiques de l'ensemble d'essais.

Nomenclature

Les formes d'onde ERP se composent d'une série de déviations de tension positives et négatives, qui sont liées à un ensemble de composants sous-jacents . Bien que certains composants ERP soient désignés par des acronymes (par exemple, variation négative contingente  - CNV, négativité liée aux erreurs  - ERN), la plupart des composants sont désignés par une lettre (N/P) indiquant la polarité (négative/positive), suivie d'un nombre indiquant soit la latence en millisecondes, soit la position ordinale du composant dans la forme d'onde. Par exemple, un pic négatif qui est le premier pic substantiel de la forme d'onde et se produit souvent environ 100 millisecondes après la présentation d'un stimulus est souvent appelé le N100 (indiquant que sa latence est de 100 ms après le stimulus et qu'il est négatif) ou N1 (indiquant qu'il s'agit du premier pic et qu'il est négatif) ; il est souvent suivi d'un pic positif, généralement appelé P200 ou P2. Les latences indiquées pour les composants ERP sont souvent assez variables, en particulier pour les derniers composants liés au traitement cognitif du stimulus. Par exemple, le composant P300 peut présenter un pic n'importe où entre 250 ms et 700 ms.

Avantages et inconvénients

Par rapport aux mesures comportementales

Par rapport aux procédures comportementales, les ERP fournissent une mesure continue du traitement entre un stimulus et une réponse, permettant de déterminer quelle(s) étape(s) sont affectées par une manipulation expérimentale spécifique. Un autre avantage par rapport aux mesures comportementales est qu'elles peuvent fournir une mesure du traitement des stimuli même lorsqu'il n'y a pas de changement de comportement. Cependant, en raison de la taille significativement petite d'un ERP, il faut généralement un grand nombre d'essais pour le mesurer correctement.

Par rapport à d'autres mesures neurophysiologiques

Invasivité

Contrairement aux microélectrodes, qui nécessitent l'insertion d'une électrode dans le cerveau, et aux TEP qui exposent les humains à des radiations, les ERP utilisent l'EEG, une procédure non invasive.

Résolution spatiale et temporelle

Les ERP offrent une excellente résolution temporelle, car la vitesse d'enregistrement de l'ERP n'est limitée que par le taux d'échantillonnage que l'équipement d'enregistrement peut prendre en charge, alors que les mesures hémodynamiques (telles que l' IRMf , la TEP et la fNIRS ) sont intrinsèquement limitées par la vitesse lente du BOLD. réponse. La résolution spatiale d'un ERP, cependant, est beaucoup plus faible que celle des méthodes hémodynamiques - en fait, l'emplacement des sources ERP est un problème inverse qui ne peut pas être exactement résolu, seulement estimé. Ainsi, les ERP sont bien adaptés aux questions de recherche sur la vitesse de l'activité neuronale, et sont moins bien adaptés aux questions de recherche sur l'emplacement d'une telle activité.

Coût

La recherche ERP est beaucoup moins chère à faire que d'autres techniques d'imagerie telles que l' IRMf , la TEP et la MEG . En effet, l'achat et la maintenance d'un système EEG sont moins coûteux que les autres systèmes.

Clinique

Les médecins et les neurologues utilisent parfois un stimulus visuel clignotant en damier pour tester tout dommage ou traumatisme dans le système visuel. Chez une personne en bonne santé, ce stimulus provoquera une forte réponse sur le cortex visuel primaire situé dans le lobe occipital , à l'arrière du cerveau.

Des anomalies des composants ERP dans la recherche clinique ont été démontrées dans des conditions neurologiques telles que :

• TDA/HD
• Démence
• la maladie de Parkinson
• Sclérose en plaque
• Blessures à la tête
• Accident vasculaire cérébral
• Trouble obsessionnel compulsif
• Schizophrénie
• Dépression
• Troubles du spectre autistique

Recherche

Les ERP sont largement utilisés dans les neurosciences , la psychologie cognitive , les sciences cognitives et la recherche psychophysiologique . Les psychologues expérimentaux et les neuroscientifiques ont découvert de nombreux stimuli différents qui suscitent des ERP fiables de la part des participants. On pense que le moment de ces réponses fournit une mesure du moment de la communication du cerveau ou du moment du traitement de l'information. Par exemple, dans le paradigme en damier décrit ci-dessus, la première réponse du cortex visuel des participants sains est d'environ 50 à 70 ms. Cela semblerait indiquer qu'il s'agit du temps qu'il faut au stimulus visuel transduit pour atteindre le cortex une fois que la lumière est entrée dans l' œil . Alternativement, la réponse P300 se produit à environ 300 ms dans le paradigme excentrique , par exemple, quel que soit le type de stimulus présenté : visuel , tactile , auditif , olfactif , gustatif , etc. En raison de cette invariance générale en ce qui concerne le type de stimulus, le P300 est comprise comme reflétant une réponse cognitive plus élevée à des stimuli inattendus et/ou cognitifs saillants . La réponse P300 a également été étudiée dans le cadre de la détection d'informations et de mémoire. En outre, il existe des études sur les anomalies de P300 dans la dépression. Les patients déprimés ont tendance à avoir une amplitude P200 et P300 réduite et une latence P300 prolongée.

En raison de la cohérence de la réponse du P300 aux nouveaux stimuli, une interface cerveau-ordinateur peut être construite qui en dépend. En organisant de nombreux signaux dans une grille, en faisant clignoter au hasard les lignes de la grille comme dans le paradigme précédent et en observant les réponses P300 d'un sujet regardant la grille, le sujet peut communiquer quel stimulus il regarde, et ainsi lentement "typer " mots.

Un autre axe de recherche dans le domaine de l'ERP réside dans la copie d'effférence . Ce mécanisme prédictif joue par exemple un rôle central dans la verbalisation humaine. Les copies efférentes, cependant, ne se produisent pas seulement avec les mots parlés, mais aussi avec le langage intérieur - c'est-à-dire la production silencieuse de mots - qui a également été prouvée par des potentiels liés aux événements.

D'autres ERP fréquemment utilisés dans la recherche, en particulier la recherche en neurolinguistique , comprennent l' ELAN , le N400 et le P600/SPS . L'analyse des données ERP est également de plus en plus soutenue par des algorithmes d'apprentissage automatique.

Nombre d'essais

Un problème courant dans les études ERP est de savoir si les données observées ont un nombre suffisant d'essais pour soutenir l'analyse statistique. Le bruit de fond dans tout ERP pour tout individu peut varier. Par conséquent, la simple caractérisation du nombre d'essais ERP nécessaires pour une réponse robuste des composants est inadéquate. Par conséquent, les chercheurs ERP peuvent utiliser des métriques telles que l'erreur de mesure standardisée (SME) pour justifier l'examen des différences entre les conditions ou entre les groupes ou des estimations de la cohérence interne pour justifier l'examen des différences individuelles.

Voir également

• Bereitschaftspotentiel
• C1 et P1
• Variation négative contingente
• Différence due à la mémoire
• Négativité antérieure gauche précoce
• Erich Schröger
• Négativité liée aux erreurs
• Potentiel évoqué
• Activité induite
• Potentiel de préparation latéralisé
• Négativité de non-concordance
• Négativité : N100 • Visuel N1 • N170 • N200 • N2pc • N400
• Positivité : P200 • P300 • P3a • P3b • Composante positive tardive • P600
• Potentiel évoqué somatosensoriel

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes

• [1] - L'école d'été ERP 2017 s'est tenue à l'École de psychologie de l'Université de Bangor du 25 au 30 juin 2017
• EEGLAB Toolbox - Une boîte à outils Matlab open source et disponible gratuitement pour le traitement et l'analyse des données EEG
• ERPLAB Toolbox - Une boîte à outils Matlab open source et disponible gratuitement pour le traitement et l'analyse des données ERP
• The ERP Boot Camp - Une série d'ateliers de formation pour les chercheurs ERP dirigés par Steve Luck et Emily Kappenman
• Virtual ERP Boot Camp – Un blog avec des informations, des annonces et des conseils sur la méthodologie ERP