[ERP Decoding] EEG - Electronencephalography

🧠 Key Words

ERP Decoding
EEG - Electronencephalography
ERP Activity
Temporal resolution
Working memory

 

 

무슨 생각을 하는지 어떻게 알 수 있을까?

 

EEG

• Hans Berger (1873 ~ 1941)
• It is amazing that we can record brain activity from the surface of the head !!!
• 사람의 두뇌를 열지 않고도 우리는 이를 brain activity를 측정할 수 있다.
• Non-invasive method
• 사람의 몸에 상처를 가하지 않고, electron을 두피에 붙임으로써, 뇌파를 측정할 수 있다.
• 이는 근육의 움직임이 아닌 뉴런의 움직임이다.
• voltage의 차이가 우리가 기억하고 생각하는 정보를 반영할 것인가를 볼 수 있을 것이다.

출처 : https://stock.adobe.com/kr/images/electroencephalogram-eeg-the-use-of-electrodes-to-read-small-electromagnetic-waves-from-the-human-brain/228822933

 

위와 같은 장비를 사용한다.

 

 

출처 : https://www.researchgate.net/figure/Single-trial-EEG-at-channel-Cz-from-the-imaginary-tasks-BL-and-ML-The-black-trace-shows_fig3_26790050

 

 

위와 같은 Single-trial EEG에서,

 

• trial 별로 자극에 대한 voltage의 변화를 나타낸다.
• 여러 채널에 대해 voltage의 변화를 시간의 순서대로 나타낸다.
• 여기서 보려고 하는 것은, EEG trials간의 공통점이 무엇이냐 하는 것이다.
  • What's the commonality in these EEG trials ?
• 그 방법이 ERP 이다.

 

ERPs (Event-Related Potentials)

출처 : http://faculty.washington.edu/losterho/erp_tutorial.htm

 

 

• 사건 관련 전위.
• 일정 구간 평균을 내어 random한 noise들이 많이 없어지며 EEG Trial 간의 공통점이 무엇인지 볼 수 있다.
• 하나의 site만 보기 때문에 univariate analysis라고 함.
• 각각의 컴포넌트들(N1, P1, ...)에 대해 보여줌.
• 무엇을 알 수 있을까?
  • 위와 같은 패턴이 인지적 프로세스를 반영함.
  • ERPs reflect a variety of cognitive Processes.
    • Stimulus Onset
    • Initial Sensory Response
    • Higher perceptual processes
    • Task-dependent Categorization
    • Response Selection
    • Working Memory Encoding
    • Post-Response Evaluation
    • Emotional Response 
  • 굉장히 높은 temporal resolution(시간적 해상도)을 가지고 있다.
    • 즉, 굉장히 짧은 시간 뇌에서 일어나는 무수히 많은 일들이 ERPs에 반영이 된다.
    • 이것이 ERP의 강점이다.
    • fMRI는 이와 달리 special resolution이 높음.
  • 자극이 어떻게 처리되는지 알 수 있다.
    • The Standard ERP analysis 
    • 아래는 간단히 색에 따라 초록색이면 왼쪽 화살표, 핑크색이면 오른쪽 화살표를 누르는 OddBall Task이다.
    • 이와 같이 간단한 task에서도 뇌는 전혀 다르게 처리함을 ERPs 결과를 통해 알 수 있다는 것이다.
    • As we change the stimulus or task conditions, do we see consistent differences in the EEG/ERP signals?
    • "이 자극이 어떻게 처리되는지 볼 수 있다."
    • 높은 temporal resolution을 이용해서 어떻게 자극이 처리가 되는지 알 수 있다.
   

출처 : https://www.researchgate.net/figure/Example-of-an-oddball-paradigm-in-the-visual-domain-Visual-stimuli-are-presented-in-a_fig3_263707712

 

 

 

또 다른 예시로 Contra-lateral delay activity가 나오는 것을 볼 수 있다.

출처 : https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/jn.00978.2009

 

• 위와 같은 자극에 대해 Cue가 방향을 가리키면 해당 방향에 있는 것들을 기억하고, 그 다음 Test에서 그 방향에 있는 것들의 유사성을 키보드 입력으로 받는 것이다.
• 이 경우, cue가 오른쪽이므로, 오른쪽 channel은 Ipsi , 왼쪽 channel은 Contra라고 보고, 이 두 채널의 엄청나게 큰 차이를 볼 수 있다.
• 이 둘을 overlab하면 큰 차이를 볼 수 있다.
  • 이 둘의 차이 영역이 내가 얼마나 많은 것을 기억하냐에 따라 바뀐다는 것이다.
  • This difference increases with the number of items to remember.
  • 많이 기억할 수록 이 차이가 커진다.
  • 이 ERP activity가 나의 Working memory 속 기억하고 있는 양의 정보를 반영한다.
• Does this effect reflect the actual memory representation or a support process?
• 컨텐츠인지 neural process인지 알 수 없다.

 

 

Physical Stimulus에 대해서 이 자극에 대한 표상을 갖는다.

 

즉, Mental representation of the stimulus.

 

이 표상이 45도로 기울어진 orientation인가, 빨간색인가, motion direction인가에 대한 정보가 존재하고,

 

이 표상을 바탕으로 computation이 일어나고, 그에 대한 Behavioral Response를 하게 된다.