同步采集功能性磁共振成像/脑电图数据以研究差异性热觉注意暗示的方法

摘要

我们介绍了一种同步采集脑电图（EEG）/功能性磁共振成像（fMRI）数据以及同步记录MR时钟信号的实验方案。本方法采用一种独特的实验范式：在扫描过程中，受试者接受“冷手套”指令，并在催眠诱导前后同步记录脑电图/功能磁共振成像数据以及手部温度测量结果。

摘要

在本研究中，我们展示了一种同步采集脑电图（EEG）与功能性磁共振成像（fMRI）数据的方法。在我们的实验设置中，EEG 数据通过一个高密度的 256 通道传感器网采集。EEG 放大器本身置于磁场隔离封闭系统（FICS）内，且 MRI 时钟信号与 EEG 数据采集同步，以便后续对 MR 伪影进行表征与去除。我们首先以静息态数据采集为例演示该方法。随后，我们展示了一种 EEG/fMRI 数据记录方案，受试者在实验中聆听一段录音，要求其想象自己的左手浸入冷水浴中，该实验范式在此称为“冷手套范式”。在整个 EEG/fMRI 数据采集过程中，我们使用专为此目的开发的 MR 兼容温度传感器，持续测量双手之间的温度差异。我们在催眠诱导前后，同步采集冷手套范式下的 EEG/fMRI 数据以及双手的温差测量数据。在诱导前与诱导后阶段之间，于催眠诱导及深度评估过程中单独采集单模态 EEG 数据。我们具有代表性的结果表明，在催眠诱导期间可检测到 EEG 功率谱的显著变化，且利用我们开发的 MR 兼容差分测温装置，能够快速检测冷手套范式期间手部温度的变化。

引言

自从催眠术出现以来，关于它究竟是什么以及如何在易感个体中产生可测量的生理变化，一直存在相当大的争议。旨在理解催眠的神经相关性及对催眠暗示反应的研究，通常得到各不相同的结果¹，这至少部分可能是由于催眠诱导和暗示技术的差异所致²，因此有必要对方法学和实验方案进行详细描述。

尽管催眠传统上被定义为一种内在专注和集中注意力的状态^1,3，但更完整的操作性定义还包括：对外部刺激的意识减弱⁴、吸收能力增强⁵，或对实验者言语的无 effort 注意以及自发思维减少⁶。催眠诱导通常被定义为一组促进催眠和吸收状态的言语指导⁶。个体间的催眠感受性差异很大，但在个体内部通常随时间保持稳定^7,8；易感性通常通过个体对暗示的行为反应来测量，最常用的指标是斯坦福催眠感受性量表（SHSS）C型^9-12。

研究催眠神经相关性的研究通常分为两类：一类是考察在“静息态”催眠期间内在激活的活动网络，另一类是研究对催眠暗示所引发的神经活动变化⁶。在最近一项脑电图（EEG）研究中，高度易受暗示的个体在催眠状态下，其额顶网络在α-2频段表现出比低易感性受试者更高的事件相关去同步化⁴。最近，功能性磁共振成像（fMRI）还发现，在“静息态”催眠期间，前部默认模式网络出现变化，而其他脑区的活动并未相应增强²。汇聚的证据表明，催眠与前部注意力控制的分离有关¹³。

最近也有报道称，针对多种催眠暗示，fMRI 血氧水平依赖性（BOLD）信号会发生变化^14-23。大多数关于暗示反应的研究将脑信号变化与主观感知改变的评分进行关联分析。然而，催眠暗示还被用于改变生理参数，如血压 、心率以及受试者手部温度²⁴。

在此，我们通过建立一种实验范式（本文称之为“冷手套”范式）拓展了先前的研究发现。该范式通过口头指令引导受试者感知其一只手的温度低于另一只手，而实际上并无任何外部物理温度操控。这些口头指令在数据记录期间通过与磁共振兼容的耳机传递给受试者。

在本研究中，我们首先展示同步记录脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）数据的方法。随后，我们演示冷手套实验范式，该范式包括在催眠诱导前后同步采集EEG/fMRI数据以及手部温度测量。我们的催眠诱导方法包括采用文献¹所述的意动运动暗示，随后使用SSHS C型量表进行催眠深度评估。我们检测到催眠诱导后EEG功率谱出现可靠的变化。同时，我们证明所使用的磁共振兼容差分测温装置能够在同步EEG/fMRI数据采集过程中准确测量手部温度的变化。该方法可为评估内在“静息态”催眠期间发生的脑信号变化，以及测量对改变温度感知的催眠暗示所引发的信号变化，提供重要的定量EEG/fMRI测量指标。

方案

以下实验方案已通过加州大学洛杉矶分校机构审查委员会的审核和批准。在实验开始前，受试者需接受电话初筛，排除可能怀孕、年龄未满十八岁、曾在机械车间工作或体内有金属植入物的个体。左利手受试者或有精神疾病史者亦被排除在受试人群之外。符合条件的参与者被要求在实验当天避免摄入咖啡因、药物和酒精。每位参与者在实验当天均签署了书面知情同意书，并确认理解同意书内容。

1. EEG 传感器网的应用

使用256通道磁共振兼容的地理传感器网（Geodesic Sensor Net）记录脑电图（EEG）数据。在整个实验过程中，应每隔约20分钟监测一次电极的阻抗水平（步骤1.5），以确保电极未干燥且阻抗保持在阈值以下。

1. 通过测量从眉间眉嵴到枕外隆突上方约 2.5 cm 处的头围，确定合适的网帽尺寸。
2. 根据 EGI 说明配制 HydroCel Saline 氯化钾电解液。随后将 EEG 电极帽（256 导）浸入电解液中 10 分钟。
3. 通过测量鼻根点与枕外隆突之间的中点，并将该点与两侧耳前点连线的中点对齐，确定头部的头顶点（即 Cz 点）。然后放置 EEG 电极帽，使 Cz 参考电极与头顶点对齐。
4. 使用 EGI Geodesic 摄影测量系统（GPS）采集头部及电极的影像，以校准传感器空间，用于后续 EEG 源分析。
5. 随后测量电极阻抗。对阻抗高于阈值的电极，检查其与头皮的接触情况。必要时调整电极位置，并向电极添加额外电解液以降低阻抗。

2. 催眠前同步 EEG/fMRI 及温度记录方案

脑电帽正确佩戴后，受试者进入磁共振扫描室。移除所有金属物品。使用西门子Allegra 3T扫描仪采集结构磁共振成像（MRI）和功能磁共振成像（fMRI）数据。在实施催眠诱导前，同步采集脑电图（EEG）/功能磁共振成像数据，以建立每位受试者各自的功能基线。

1. MPRAGE 结构扫描
2. T2 匹配带宽——一种专门设计的扫描序列，旨在为图像配准提供良好的对比度，同时与后续的功能扫描具有相同的度量畸变。
3. 功能扫描——采用TR=2.5秒、TE=40毫秒、视野=200 mm × 200 mm、翻转角=90°的T2*加权回波平面脉冲序列，采集全脑图像，分辨率为64 × 64 × 28，体素大小为3 mm³。数据采集总时长为五分钟。
4. 在五分钟的功能磁共振成像记录期间，同步使用MR兼容的Electrical Geodesics (EGI) 256通道系统记录脑电图（EEG）数据，以建立催眠诱导前的基线EEG。本实验室已率先开发出利用软硬件实时去除MR伪影和心动图噪声的同步fMRI/EEG采集方法（详见参考文献²⁵获取更多细节）。
5. 静息态扫描结束后，受试者聆听一段录音，指导其想象自己的左手浸入一桶冰冷的冰水中。使用下文所述的差分测温装置量化每只手之间的温度差异。

3. 催眠诱导

随后，受试者被安置在光线昏暗、安静的房间内舒适就座。在整个催眠诱导及渐进式放松加深技术过程中，持续记录脑电图（EEG）数据。

1. 催眠诱导开始时，催眠治疗师首先进行简短访谈，以确定能够引起受试者放松的个体化空间线索。随后向受试者提出一系列问题，以判断其是否具备视觉化能力。
2. 接着，催眠治疗师采用一种称为手臂抬升技术的意动性暗示开始诱导。在此过程中，治疗师持续向受试者暗示其手臂感觉越来越轻，最终会不受主观意志控制地自动抬升至空中。当受试者的手臂抬起后，治疗师会指导其弯曲手臂，并用指尖触碰前额。一旦受试者完成该动作，治疗师即要求其闭上双眼，进入类似深度睡眠的放松状态。
3. 随后采用12分制的斯坦福催眠感受性量表C型测试（Stanford Scale of hypnotic susceptibility, form C）评估受试者的催眠感受性水平。
4. 随后使用渐进性放松作为深化技术，以使受试者进入更深的催眠状态。
5. 在整个催眠诱导过程中，受试者处于光线昏暗的铜屏蔽室内，同步记录脑电图（EEG）数据。

4. 催眠诱导后的脑电图/功能性磁共振成像数据采集与差异性测温

1. 在催眠诱导和渐进性放松之后，受试者再次进入MRI扫描室，同时持续佩戴磁共振兼容的EEG传感器网。此时，将温度传感器用胶带固定于双侧手腕内侧。随后在固定好的温度传感器外侧佩戴腕带，以帮助稳定传感器位置。
2. 温度传感器应按照图2中的示意图进行配置。实验前需进行校准，方法是将传感器探头浸入两种不同温度的溶液中（37 °C ± 5）。通过与温度计读数比对，检查传感器输出结果。
3. 随后，受试者通过磁共振兼容的耳机聆听由催眠治疗师预先录制的渐进性放松音频。在此期间，根据步骤1.1中描述的脉冲序列采集fMRI数据，并同步记录EEG信号。
4. 催眠诱导后静息态EEG/fMRI数据的采集按照步骤2.2–2.4进行。
5. 随后，催眠治疗师向受试者施加“冷手套”暗示，用于接下来的EEG/fMRI数据采集，该过程再次依照步骤2.2–2.5进行。在施加暗示期间，催眠治疗师反复引导受试者想象其手部浸入冷水浴中，并感受左手从指尖到手腕逐渐变冷。在整个该阶段持续记录差分测温数据。

结果

图1 显示了一名受试者在催眠诱导前的清醒警觉期间，某一代表性通道（图1a）在1000毫秒时间窗内的平均脑电功率谱（图1b）。需要注意的是，此处的谱图呈现出功率与频率（f）之间的典型反比关系，衰减趋势符合1/f规律。图1c 显示了同一名受试者在接受催眠诱导及加深技术后的脑电功率谱，可见脑电图theta和beta亚频段的功率减弱，整体谱图不再遵循1/f规律。图2 展示了我们设计的与磁共振成像兼容的温度传感器示意图，该传感器采用LM34/LM35高精度温度传感器，并与Arduino设备相连。

图1. 单个受试者代表性电极通道的脑电图（EEG）功率谱 (a255通道脑电图电极阵列，其中用于功率分析的通道选择位置以蓝色标出b催眠诱导前的脑电功率谱，以及（c)催眠诱导及加深技术后，同一电极通道的功率谱。右上角的条形标记 图1c 表示各 EEG 子频段及其频率的图例：delta（0.1–4 Hz）、theta（4–8 Hz）、alpha（8–12 Hz）、beta（12–20 Hz）和 gamma（20 Hz 以上频率）。

图2. MRI兼容的差分温度传感器配置示意图。（上）差分测温电路，（下）测温测量过程概览。

讨论

用于诱导受试者进入催眠状态的暗示方法似乎存在较大差异¹。本文表明，采用非自主性运动暗示，随后进行哈佛催眠感受性量表C式（SHSS, form C），可改变脑电图（EEG）功率谱。需要注意的是，尽管本研究中的受试者既往曾接受过催眠，但并未通过哈佛群体催眠感受性量表或其他方法特意筛选出高感受性受试者。我们推测，EEG频率子带的变化幅度可能因受试者的感受性水平不同而有所差异，这一点已有文献报道⁴。

我们还展示了一种用于测量在同步进行 EEG/fMRI 实验期间可能出现的手部温度波动的装置。尽管受试者最终可以通过生物反馈提示学会在无催眠状态下实现手部温度的改变，但这通常需要多次训练²⁶。Frischholz 和 Tryon²⁶ 未能在使用“冷手套”暗示范式时重复出手部温度变化与催眠深度之间的关联，这与其他研究者的报告结果相反²⁷。解决这一争议尚需进一步研究。然而，在功能神经影像实验过程中测量手部温度变化的方法，可能有助于评估催眠诱导后催眠性“冷手套”暗示的神经相关性。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
精密单片温度传感器	National Semiconductor Corporation	LM34/LM35	100 mV/°C；在室温下精度可达 ±0.4 °C
精密仪器放大器	National Semiconductor Corporation	INA114	磁屏蔽室I/O接口的组成部分
HydroCel生理盐水	Electrical Geodescis Inc.	N-PRT-KCL-1000-000
配备256通道高密度电极阵列的HydroCel大地测量传感器网	Electrical Geodescis Inc.	256通道 HCGSN
大地测量摄影测量系统	Electrical Geodescis Inc.	EGI GPS
移液器	Electrical Geodescis Inc.	N-ACC-PIP-1000-000