Potencial relacionado con eventos

Un potencial evocado ( ERP ) es la respuesta cerebral medida que resulta directamente de un evento sensorial , cognitivo o motor específico. ^{[ 1 ]} De manera más formal, es cualquier respuesta electrofisiológica estereotipada a un estímulo. El estudio del cerebro de esta forma proporciona un método no invasivo para evaluar su funcionamiento.

Los ERP se miden mediante electroencefalografía (EEG). El equivalente en magnetoencefalografía (MEG) de los ERP es el ERF, o campo relacionado con eventos. ^{[ 2 ]} Los potenciales evocados y los potenciales inducidos son subtipos de ERP.

Con el descubrimiento del electroencefalograma (EEG) en 1924, Hans Berger reveló que se podía medir la actividad eléctrica del cerebro humano colocando electrodos en el cuero cabelludo y amplificando la señal. Los cambios de voltaje se pueden representar gráficamente a lo largo del tiempo. Observó que los voltajes podían verse influenciados por eventos externos que estimulaban los sentidos. El EEG demostró ser una herramienta útil para registrar la actividad cerebral durante las décadas siguientes. Sin embargo, resultaba muy difícil evaluar los procesos neuronales altamente específicos que son el foco de la neurociencia cognitiva, ya que el uso de datos de EEG puros dificultaba el aislamiento de procesos neurocognitivos individuales . Los potenciales relacionados con eventos (PRE) ofrecieron un método más sofisticado para extraer eventos sensoriales, cognitivos y motores más específicos mediante técnicas de promediado sencillas. En 1935-1936, Pauline y Hallowell Davis registraron los primeros ERP conocidos en humanos despiertos y sus hallazgos se publicaron unos años después, en 1939. Debido a la Segunda Guerra Mundial , no se realizó mucha investigación en la década de 1940, pero la investigación centrada en cuestiones sensoriales se retomó en la década de 1950. En 1964, la investigación de Grey Walter y sus colegas inició la era moderna de descubrimientos de componentes ERP cuando informaron el primer componente ERP cognitivo, llamado variación negativa contingente (CNV). ^{[ 3 ]} Sutton, Braren y Zubin (1965) hicieron otro avance con el descubrimiento del componente P3. ^{[ 4 ]} Durante los siguientes quince años, la investigación de componentes ERP se hizo cada vez más popular. La década de 1980, con la introducción de computadoras económicas, abrió una nueva puerta para la investigación en neurociencia cognitiva. Actualmente, los ERP son uno de los métodos más utilizados en la investigación de la neurociencia cognitiva para estudiar las correlaciones fisiológicas de la actividad sensorial , perceptiva y cognitiva asociada con el procesamiento de la información. ^{[ 5 ]}

Los ERP se pueden medir de forma fiable mediante electroencefalografía (EEG), un procedimiento que mide la actividad eléctrica del cerebro a lo largo del tiempo utilizando electrodos colocados en el cuero cabelludo . El EEG refleja miles de procesos cerebrales que ocurren simultáneamente . Esto significa que la respuesta del cerebro a un único estímulo o evento de interés no suele ser visible en el registro de EEG de un solo ensayo. Para observar la respuesta del cerebro a un estímulo, el experimentador debe realizar muchos ensayos y promediar los resultados, lo que provoca que la actividad cerebral aleatoria se promedie y que la forma de onda relevante permanezca, denominada ERP. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

La actividad cerebral aleatoria ( de fondo ), junto con otras bioseñales (p. ej., EOG , EMG , EKG ) e interferencias electromagnéticas (p. ej., ruido de línea , lámparas fluorescentes), constituyen la contribución de ruido a los potenciales evocados registrados (ERP). Este ruido enmascara la señal de interés, que es la secuencia de ERP subyacentes en estudio. Desde un punto de vista de ingeniería, es posible definir la relación señal-ruido (SNR) de los ERP registrados. El promedio aumenta la SNR de los ERP registrados, haciéndolos discernibles y permitiendo su interpretación. Esto tiene una explicación matemática sencilla, siempre que se hagan algunas suposiciones simplificadoras. Estas suposiciones son:

1. La señal de interés está compuesta por una secuencia de potenciales evocados (ERP) sincronizados con eventos, con latencia y forma invariables.
2. El ruido puede aproximarse mediante un proceso aleatorio gaussiano de media cero con varianza${\displaystyle \sigma ^{2}}$que no está correlacionada entre ensayos y no está sincronizada con el evento (esta suposición puede ser fácilmente violada, por ejemplo, en el caso de un sujeto que realiza pequeños movimientos de la lengua mientras cuenta mentalmente los objetivos en un experimento).

Habiendo definido${\displaystyle k}$, el número de juicio y${\displaystyle t}$, el tiempo transcurrido después del${\displaystyle k}$^evento , cada ensayo registrado se puede escribir como${\displaystyle x(t,k)=s(t)+n(t,k)}$dónde${\displaystyle s(t)}$es la señal y${\displaystyle n(t,k)}$es el ruido (Bajo las suposiciones anteriores, la señal no depende del ensayo específico, mientras que el ruido sí).

El promedio de${\displaystyle N}$Los ensayos son

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

El valor esperado de${\displaystyle {\bar {x}}(t)}$es (como se esperaba) la señal misma,${\displaystyle \operatorname {E} [{\bar {x}}(t)]=s(t)}$.

Su varianza es

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

Por esta razón, la amplitud del ruido del promedio de${\displaystyle N}$Se espera que los ensayos se desvíen de la media (que es${\displaystyle s(t)}$) por menos o igual que${\displaystyle \sigma /{\sqrt {N}}}$en el 68% de los casos. En particular, la desviación en la que se encuentra el 68% de las amplitudes de ruido es${\displaystyle 1/{\sqrt {N}}}$veces que en un solo ensayo. Una mayor desviación de${\displaystyle 2\sigma /{\sqrt {N}}}$Se prevé que ya abarque el 95% de todas las amplitudes de ruido.

El ruido de gran amplitud (como los parpadeos o los artefactos de movimiento ) suele ser varios órdenes de magnitud mayor que los potenciales evocados subyacentes. Por lo tanto, los ensayos que contienen dichos artefactos deben eliminarse antes de promediarlos. El rechazo de artefactos puede realizarse manualmente mediante inspección visual o utilizando un procedimiento automatizado basado en umbrales fijos predefinidos (que limitan la amplitud o pendiente máxima del EEG) o en umbrales variables en el tiempo derivados de las estadísticas del conjunto de ensayos.

Las formas de onda de los ERP consisten en una serie de deflexiones de voltaje positivas y negativas, que están relacionadas con un conjunto de componentes subyacentes . ^{[ 8 ]} Aunque algunos componentes de los ERP se denominan con acrónimos (por ejemplo, variación negativa contingente  – CNV, negatividad relacionada con el error  – ERN), la mayoría de los componentes se denominan con una letra (N/P) que indica la polaridad (negativa/positiva), seguida de un número que indica la latencia en milisegundos o la posición ordinal del componente en la forma de onda. Por ejemplo, un pico negativo que es el primer pico sustancial en la forma de onda y que suele ocurrir unos 100 milisegundos después de que se presenta un estímulo se suele llamar N100 (lo que indica que su latencia es de 100 ms después del estímulo y que es negativo) o N1 (lo que indica que es el primer pico y es negativo); a menudo le sigue un pico positivo, generalmente llamado P200 o P2. Las latencias indicadas para los componentes de los potenciales evocados (ERP) suelen ser bastante variables, especialmente para los componentes posteriores relacionados con el procesamiento cognitivo del estímulo. Por ejemplo, el componente P300 puede presentar un pico en cualquier punto entre 250 ms  y 700 ms.

En ocasiones, los médicos y neurólogos utilizan un estímulo visual intermitente en forma de tablero de ajedrez para detectar cualquier daño o traumatismo en el sistema visual. En una persona sana, este estímulo provoca una fuerte respuesta en la corteza visual primaria , ubicada en el lóbulo occipital , en la parte posterior del cerebro.

Se han demostrado anomalías en los componentes de los potenciales evocados relacionados con eventos (ERP) en investigaciones clínicas en afecciones neurológicas como:

• TDAH ^{[ 10 ]}
• Demencia ^{[ 11 ] [ 12 ]}
• enfermedad de Parkinson ^{[ 13 ]}
• Esclerosis múltiple ^{[ 14 ]}
• Lesiones en la cabeza ^{[ 15 ]}
• Accidente cerebrovascular ^{[ 16 ]}
• Trastorno obsesivo-compulsivo ^{[ 17 ]}
• Esquizofrenia ^{[ 18 ] [ 19 ]}
• Depresión ^{[ 20 ]}
• Trastorno del espectro autista ^{[ 21 ]}
• Epilepsia : para monitorear la eficiencia de los procesos cognitivos ^{[ 22 ]}

Los ERP se utilizan ampliamente en neurociencia , psicología cognitiva , ciencia cognitiva e investigación psicofisiológica . Psicólogos experimentales y neurocientíficos han descubierto muchos estímulos diferentes que provocan ERP fiables en los participantes. Se cree que la temporalidad de estas respuestas proporciona una medida de la temporalidad de la comunicación cerebral o la temporalidad del procesamiento de la información. Por ejemplo, en el paradigma del tablero de ajedrez descrito anteriormente, la primera respuesta de la corteza visual de los participantes sanos es de alrededor de 50-70 ms. Esto parecería indicar que este es el tiempo que tarda el estímulo visual transducido en llegar a la corteza después de que la luz entra por primera vez en el ojo . Alternativamente, la respuesta P300 ocurre alrededor de los 300 ms en el paradigma oddball , por ejemplo, independientemente del tipo de estímulo presentado: visual , táctil , auditivo , olfativo , gustativo , etc. Debido a esta invariancia general con respecto al tipo de estímulo, se entiende que el componente P300 refleja una respuesta cognitiva superior a estímulos inesperados y/o cognitivamente relevantes . La respuesta P300 también se ha estudiado en el contexto de la detección de información y memoria. ^{[ 23 ]} Además, existen estudios sobre anomalías de la P300 en la depresión. Los pacientes deprimidos tienden a tener una amplitud reducida de P200 y P300 y una latencia prolongada de P300. ^{[ 20 ]}

Debido a la consistencia de la respuesta P300 a estímulos novedosos, se puede construir una interfaz cerebro-computadora que se base en ella. Al organizar múltiples señales en una cuadrícula, alternando aleatoriamente el brillo de las filas de la cuadrícula como en el paradigma anterior, y observando las respuestas P300 de un sujeto que mira fijamente la cuadrícula, este puede comunicar qué estímulo está observando y, por lo tanto, "escribir" palabras lentamente. ^{[ 24 ]}

Otra área de investigación en el campo de los ERP radica en la copia eferente . Este mecanismo predictivo desempeña un papel central, por ejemplo, en la verbalización humana. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Sin embargo, las copias eferentes no solo ocurren con palabras habladas, sino también con el lenguaje interno, es decir, la producción silenciosa de palabras, lo cual también se ha demostrado mediante potenciales relacionados con eventos. ^{[ 27 ]}

Otros potenciales evocados (ERP) utilizados frecuentemente en la investigación, especialmente en la neurolingüística , incluyen el ELAN , el N400 y el P600/SPS . El análisis de datos de ERP también se apoya cada vez más en algoritmos de aprendizaje automático. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

• Potencial de preparación
• C1 y P1
• Variación negativa contingente
• Diferencia debida a la memoria
• Negatividad anterior izquierda temprana
• Erich Schröger
• Negatividad relacionada con el error
• Potencial evocado
• Actividad inducida
• Potencial de preparación lateralizado
• Negatividad de desajuste
• Negatividad: N100 • Visual N1 • N170 • N200 • N2pc • N400
• Positividad: P200 • P300 • P3a • P3b • Componente positivo tardío • P600
• Potencial evocado somatosensorial

• – El curso de verano ERP 2017 se celebró en la Facultad de Psicología de la Universidad de Bangor del 25 al 30 de junio de 2017.
• EEGLAB Toolbox : una caja de herramientas de Matlab de código abierto y disponible gratuitamente para el procesamiento y análisis de datos EEG.
• ERPLAB Toolbox : una caja de herramientas de Matlab de código abierto y disponible gratuitamente para procesar y analizar datos ERP.
• El curso intensivo sobre ERP se archivó el 28/11/2016 en Wayback Machine : una serie de talleres de capacitación para investigadores de ERP dirigidos por Steve Luck y Emily Kappenman.
• Curso intensivo virtual sobre ERP : un blog con información, anuncios y consejos sobre metodología ERP.