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5.2: Antecedentes- Comprensión de los electrodos activos, de referencia y de tierra

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    En esta sección, revisaremos cómo funcionan los electrodos activos, de referencia y de tierra en las grabaciones de EEG. Puedes encontrar una discusión detallada en el Capítulo 5 de Suerte (2014). Aquí, voy a explicar los conceptos utilizando las formas de onda ERP artificiales que se muestran en la Figura 5.1. Ayuda a utilizar datos artificiales en este contexto porque sabemos cuáles son las verdaderas señales. Más adelante en el capítulo, aplicarás lo que has aprendido a los datos reales.

    En el ejemplo artificial mostrado en la Figura 5.1A, el dipolo generador está representado por la flecha, con el lado positivo apuntando hacia el electrodo Pz. La línea discontinua representa la transición entre los lados positivo y negativo del dipolo, y el voltaje es cero a lo largo de esta línea. Desafortunadamente, no sabemos la ubicación de esta línea cero cuando estamos viendo datos reales, y no tenemos una sola línea cero cuando hay más de un dipolo activo (que es casi siempre el caso).

    Figura 5.1. Ejemplo de electrodos activos, de tierra y de referencia. (A) Generación del ERP. La flecha representa el dipolo del generador, y la forma de onda de la fuente muestra el cambio de voltaje a lo largo del tiempo en este dipolo. La línea discontinua representa la banda de voltaje cero en la transición entre los lados positivo y negativo del dipolo. (B) Voltaje absoluto en cada sitio de electrodo (que se conoce en esta simulación pero no se puede registrar directamente). El voltaje absoluto en un sitio dado es la forma de onda de la fuente multiplicada por el peso para ese sitio. (C) Voltaje de un solo extremo en cada sitio de electrodo (es decir, el potencial entre un sitio dado y el electrodo de tierra). En la mayoría de los sistemas, esta señal está presente solo dentro del amplificador y no está disponible en la salida del sistema. Tenga en cuenta que una pequeña cantidad de ruido de 60 Hz del circuito de tierra del amplificador contamina estas señales. (D) Voltaje en cada sitio referenciado al electrodo mastoideo izquierdo (Lm). Esta señal se obtiene restando (ya sea en hardware o en software) la señal Lm de un solo extremo de la señal en cada uno de los otros electrodos.

    El voltaje es el potencial (presión) para que las cargas se muevan de un lugar a otro, por lo que no existe tal cosa como la tensión en un solo sitio de electrodo. Sin embargo, es conveniente utilizar el término voltaje absoluto para referirse al potencial entre un electrodo y el promedio de toda la superficie de la cabeza. Utilizamos el promedio de la superficie de la cabeza en nuestra definición de voltaje absoluto porque se supone que el voltaje promedio en toda la superficie de la cabeza es cero. Esta suposición es cierta sólo para cabezas perfectamente esféricas (Yao, 2017), pero es una aproximación razonable para nuestros propósitos actuales.

    La Figura 5.1B muestra el voltaje absoluto que esperaríamos en cada uno de nuestros electrodos de grabación. El voltaje absoluto en un sitio de electrodo dado es igual a la forma de onda de la fuente multiplicada por un factor de ponderación que representa el grado en que se conduce el voltaje desde el generador específico a un sitio de electrodo dado. Por ejemplo, estamos asumiendo que el 10% del voltaje del dipolo del generador se conduce al sitio del electrodo Pz, por lo que el peso para ese sitio es de 0.10. La forma de onda de la fuente tiene una amplitud máxima de 100 µV, por lo que la forma de onda de voltaje absoluto a Pz picos a 10 µV. Los pesos son negativos para los electrodos en el lado negativo del dipolo, por lo que las formas de onda son negativas en esos sitios. (Los pesos que se muestran en la Figura 5.1A no son los pesos verdaderos, sino que son solo ejemplos que producen buenos números redondos). Si no te resulta familiar este conjunto de conceptos sobre la generación de ERP, puedes aprender más leyendo el Capítulo 2 de la Suerte (2014) o tomando mi curso en línea de Introducción a los ERPs.

    No hay manera de medir el voltaje absoluto en un sitio de electrodo dado. El voltaje absoluto es solo una entidad hipotética conveniente para explicar cómo funcionan los electrodos de referencia. El amplificador EEG realmente mediría el voltaje entre cada sitio de electrodo y el electrodo de tierra. El voltaje entre dos electrodos es simplemente la diferencia entre los voltajes absolutos en esos dos sitios. Por ejemplo, el voltaje absoluto en Pz alcanza un máximo de 10 µV y el voltaje absoluto en el electrodo de tierra alcanza un pico de -4 µV, por lo que el voltaje entre Pz y tierra es de 14 µV (10 menos -4). Llamamos al voltaje entre un sitio dado y el electrodo de tierra, que es lo que realmente mide un amplificador EEG, la señal de un solo extremo (mostrada en la Figura 5.1C).

    Los amplificadores EEG contienen ruido en el circuito de tierra (que es la parte del amplificador a la que está conectado el electrodo de tierra). Debido a que todos los electrodos se miden inicialmente con respecto al electrodo de tierra, el ruido en el circuito de tierra está presente con una amplitud aproximadamente igual en las señales de un solo extremo de todos los sitios de electrodo. En la Figura 5.1C, agregué un ruido de 60 Hz a cada señal para simular este ruido. Sin embargo, este ruido suele ser mucho mucho más grande, oscureciendo las señales EEG reales.

    Por lo tanto, los sistemas de grabación EEG contienen amplificadores diferenciales, que utilizan un truco para restar el ruido del circuito de tierra. El truco es usar otro electrodo como electrodo de referencia. La señal de un solo extremo en el electrodo de referencia también se registra en relación con el electrodo de tierra, por lo que también contiene el ruido del circuito de tierra. En consecuencia, si restamos la señal del electrodo de referencia de las señales en nuestros otros electrodos (nuestros electrodos activos), el ruido es aproximadamente el mismo en los electrodos activo y de referencia, por lo que se resta el ruido. Esto se muestra en la Figura 5.1D, en la que la señal de un solo extremo del electrodo mastoideo izquierdo (Lm) se resta de la señal en cada uno de los otros electrodos para crear una señal referenciada o diferencial. Se puede ver que las formas de onda referenciadas ya no tienen el ruido de 60 Hz que es visible en las señales de un solo extremo. Si no seguiste este breve resumen de las referencias, puedes ver este breve video del curso en línea Introducción a los ERPs o leer la descripción más detallada en el Capítulo 5 de la Suerte (2014).

    En la mayoría de los sistemas EEG, la resta de referencia se realiza en el hardware del amplificador, por lo que no tiene forma de acceder a las señales de un solo extremo. Solo verás las señales referenciadas. Hay, sin embargo, algunas excepciones. El sistema BioSemi ActiveTWO (que utilizamos para los experimentos ERP CORE) no resta la referencia en hardware y en su lugar emite las señales de un solo extremo. Luego, el investigador resta la referencia de las señales de un solo extremo en el software, una vez terminada la sesión de grabación. Durante la grabación, este sistema mostrará las señales referenciadas en la pantalla (para minimizar el ruido del circuito de tierra), pero solo las señales de un solo extremo se guardan en el archivo. Esto confunde a muchos investigadores, que no se dan cuenta de que los datos guardados no han sido referenciados. Si usas BioSemi, ¡no olvides restar la referencia! El sistema Brain Products ActiChamp también obtiene las señales de un solo extremo, pero el software de recolección de datos realiza la resta de referencia antes de que los datos se guarden en un archivo. Esto es menos confuso.

    Sí, soy un fanático del control

    Para grabar el EEG desde el sistema ActiChamp, Brain Products proporciona un programa de código abierto llamado Pycorder además de su software Recorder de código cerrado. Mi laboratorio ha modificado el software Pycorder para que podamos guardar las señales de un solo extremo en lugar de las señales referenciadas. Luego hacemos la referencia offline en software. Esto produce el mismo resultado final que obtendríamos al guardar los datos referenciados, pero me gusta tener los datos sin procesar de un solo extremo y hacer la referencia yo mismo. Supongo que soy un poco fanático del control...

    En el ejemplo mostrado en la Figura 5.1, el electrodo Lm está cerca de la línea cero para el dipolo generador. Como resultado, los voltajes referenciados en cada sitio son cercanos en amplitud a los voltajes absolutos. Sin embargo, ese no suele ser el caso, por lo que no debe asumir que los voltajes referenciados son una buena aproximación de los voltajes absolutos. En cambio, siempre se debe pensar en el voltaje en un sitio de electrodo dado como la diferencia entre la señal en el llamado electrodo activo y la señal en el llamado electrodo de referencia. Yo uso la frase “los llamados” aquí porque simplemente estamos haciendo una diferencia entre dos sitios, y ambos contribuyen por igual al voltaje referenciado. Si hay una gran desviación en el voltaje absoluto en el electrodo de referencia, entonces una versión invertida de esta deflexión estará presente en cada uno de los llamados sitios activos. (Se invierte porque restamos la referencia.) Entonces, cuando ves una forma de onda etiquetada como “Cz”, no estás mirando el voltaje en el sitio del electrodo Cz. Está viendo el potencial entre el sitio Cz y el sitio de referencia, que es equivalente al voltaje absoluto en Cz menos el voltaje absoluto en el sitio de referencia. Los llamados sitios activos y los llamados de referencia son contribuyentes iguales a este voltaje. De hecho, en algunas áreas de investigación, se utiliza Cz como referencia (lo que equivale a invertir la forma de onda). Por lo tanto, es más preciso decir que una forma de onda es del “canal Cz” en lugar del “electrodo Cz”.

    Si hay algo que espero que aprendas de este capítulo, es que necesitas pensar en una forma de onda ERP dada como señales que reflejan igualmente las señales de los llamados sitios activos y los llamados sitios de referencia, no como siendo principalmente del sitio activo. El sitio de referencia que elija para sus análisis puede tener un gran impacto en cómo se ven las formas de onda y qué canales muestran los efectos experimentales. Desafortunadamente, no existe un sitio de referencia perfecto. En la mayoría de los casos te recomiendo simplemente usar lo que sea común en tu subcampo. De esa manera, tus datos pueden ser comparados con los datos de otros estudios. Si usas un sitio de referencia diferente, tus datos pueden terminar pareciendo bastante impares, y puedes pensar que has descubierto nuevos efectos.


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