从口面部皮肤拉伸中获取躯体感觉刺激相关信号

摘要

来源：Ito, T. 等，来自口面部皮肤拉伸刺激的躯体感觉事件相关电位。J. Vis. Exp. (2015)

本视频演示了通过使用配备电极以监测脑活动的脑电图（EEG）帽和产生皮肤拉伸的机器人装置，记录与口面部皮肤拉伸相关的躯体感觉刺激信号。

方案

所有涉及人类受试者的研究程序均按照机构、国家及国际有关人类福祉的指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审核。

1. 脑电图（EEG）准备

1. 测量头围以确定合适的脑电图（EEG）帽。
2. 使用卷尺找到鼻根与枕外隆凸之间的中点，确定头顶点（vertex）的位置。
3. 将脑电帽佩戴于头部，并以前述中点作为Cz点。佩戴后再次使用卷尺检查头部中线中央区域（Cz）的位置，方法同步骤1.2。注意，脑电帽配备有电极固定槽，64个电极（或电极槽）的布局基于以Cz为基准的改良版10-20系统及预设坐标系统。
   注意：本代表性应用采用64导电极配置，用于评估头皮电位分布变化及进行源定位分析。对于较简单的应用（如事件相关电位的幅值和潜伏期变化），可使用较少数量的电极。本实验所用脑电系统还包含两个额外的接地电极，其对应的电极槽也已集成在脑电帽中。
4. 使用一次性注射器将导电膏注入电极槽内。
5. 将脑电电极（包括接地电极）按照电极标签与脑电帽上电极槽的标识一一对应插入固定。
6. 使用酒精棉片清洁皮肤表面。
   注意：用于检测眼动（眼电图，EOG）的电极，其贴附位置分别为右眼上下方（垂直眼动）以及双眼外眦侧方（水平眼动）；用于体感刺激实验时，需清洁口角外侧的皮肤区域。
7. 向四个眼电图电极中填充导电膏，并使用双面胶带将其牢固固定于步骤1.6所述位置。
8. 使用魔术贴扎带固定所有电极导线。如有需要，可将导线用胶带固定于受试者身体或其他不会引入额外电或机械噪声的位置。
9. 将受试者安置在显示器和体感刺激机器人前方，并按步骤1.8的方法再次固定所有电极导线。
10. 将脑电和眼电图电极（包括接地电极）连接至脑电系统放大器箱上对应的接口（需匹配电极标签及接口形状）。
11. 检查脑电信号是否无明显伪迹，且偏移值处于可接受范围内（<50 µV 或更小）。若发现信号噪声较大或偏移值过高（通常提示阻抗过高），可通过添加更多脑电导电膏和/或调整电极下方的头发位置来校正电极信号。
12. 插入与脑电兼容的耳机，并根据受试者的反馈确认声音强度处于舒适范围内。

2. 体感刺激

注意： 当前方案应用面部皮肤牵拉以实现体感刺激。带有脑电图（EEG）系统的实验装置如图1所示。体感刺激装置的详细信息已在先前的研究中描述。简而言之，使用双面胶带将两个小型塑料标签（宽2 cm，高3 cm）固定于面部皮肤上。这些标签通过细绳与机器人装置相连。机器人根据实验设计产生系统性的皮肤牵拉负荷。事件相关电位（ERP）记录的设置方案如下：

1. 将受试者的头部放置于头托中，以尽量减少刺激过程中头部的移动。小心地将受试者头部与头托之间的电极导线移开。
2. 要求受试者握住机器人的安全开关。
3. 使用双面胶带将塑料标签固定在目标皮肤位置，用于体感刺激。在代表性结果中，目标位置为口角外侧皮肤，应将标签中心置于口角外侧数毫米处的口角结节上，且标签中心高度应与口角大致齐平。
4. 调整绳索、绳索支架和机器人的配置，以避开脑电（EEG）电极和导线。
5. 施加数次面部皮肤牵拉（3 Hz 的单周期正弦波，最大力为 4 N），以检查刺激是否引起伪迹（通常表现为相较于生理电信号具有较大振幅和较低频率）。若在脑电信号中观察到伪迹，则返回步骤 2.4。

3. ERP 记录

1. 向受试者解释实验任务，并提供练习试验（一个区块 = 10 次或更少的试验），以确认受试者是否清楚理解任务内容。
   注意：用于 ERP 记录的实验任务和刺激呈现已预先在刺激呈现软件中编程。
   1. 在代表性测试中，结合躯体感觉刺激与听觉刺激，将与皮肤形变相关的躯体感觉刺激施加于口角外侧的皮肤。拉伸模式为单周期正弦波（3 Hz），最大力为 4 N。听觉刺激采用一个合成的语音片段，该语音位于从“head”到“had”的 10 级声音连续体的中间位置。
   2. 分别或同时呈现两种刺激。在联合刺激中，测试三种起始时间关系（躯体感觉与听觉刺激的起始时间相差 90 毫秒的领先、滞后，以及同时起始：见图 2A）。
   3. 随机呈现五种刺激条件（单独躯体感觉刺激、单独听觉刺激，以及三种联合刺激：领先、同时和滞后）。将试次间间隔随机设置在 1,000 至 2,000 毫秒之间，以避免预期和习惯化。实验任务是判断所呈现的语音声音（即声学上介于“head”与“had”之间的声音）是否为“head”，通过按键盘上的按键作出反应。在仅含躯体感觉刺激的条件下（无听觉刺激），要求参与者回答“不是 head”。
   4. 使用刺激呈现软件记录参与者的判断结果以及从刺激开始到按键反应的反应时间。要求参与者注视显示屏上的固定点，以减少由眼动引起的伪迹。
   5. 每进行 10 次刺激后移除一次固定点，供短暂休息。
2. 以 512 Hz 的采样率启动 ERP 记录软件，该软件同时在 ERP 数据的时间轴上记录刺激的起始时间。注意，每次刺激的类型信息均包含在时间戳中，并由刺激呈现软件发送至 ERP 记录系统。两个程序（ERP 记录与刺激呈现）分别在通过并行端口连接的两台独立计算机上运行。

结果

图1. 实验装置。

图 2. 事件相关电位反映在言语感知背景下体感-听觉之间的相互作用。 （A）体感刺激与听觉刺激的时间模式。（B）...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
EEG 记录系统	Biosemi	ActiveTwo
用于皮肤拉伸的机器人装置	Geomagic	Phantom Premium 1.0
兼容 EEG 的耳机	Etymotic research	ER3A
视觉与听觉刺激软件	Neurobehavioral Systems	Presentation
电极凝胶	Parker Laboratories, INC	Signa gel
双面胶带	3M	1522
一次性注射器	Monoject	412 Curved Tip
模拟输入设备	National Instuments	PCI-6036E
数字输出设备	Measurement computing	USB-1208FS