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一种传统冷加压试验的替代方法：冷加压臂带法

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DOI：

10.3791/50849

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2014年1月16日

1Department of Psychology, Marquette University

本文内容

摘要

冷加压试验是一种经典的压力诱导任务，广泛应用于研究压力与认知、情绪和行为之间关系的各类科研中。本文介绍了一种实用且多用途的冷加压试验替代方法：冷压臂部包裹法。

摘要

近年来，关于压力与认知、情绪及行为之间关系的研究显著增加。这些进展加深了人们对一系列重要问题的理解，从压力对成瘾的影响1，到压力在与决策改变相关的神经变化中所起的作用2,3。然而，随着该领域研究主题的不断演进，相关方法学也必须随之发展。本文介绍一种对经典压力诱发技术——冷加压试验（CPT）的实用且有效的替代方法：冷压臂 wraps（CPAW）。CPT 通常要求受试者将其惯用手浸入冰水中一段时间4。该技术可显著激活交感-肾上腺髓质（SAM）轴（并释放儿茶酚胺；例如 肾上腺素和去甲肾上腺素），并引起下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴的轻度至中度激活，伴随糖皮质激素（例如 皮质醇）的释放。尽管 CPT 已广泛应用于多种研究中，但在某些研究环境中可能不切实际。例如，在磁共振成像（MRI）过程中而非之前使用水，可能损坏敏感且昂贵的设备，或干扰 MRI 信号的采集。CPAW 是传统 CPT 的一种实用且有效的替代方案。它由一系列价格低廉且易于获取的组件构成，利用冷却至与 CPT 相似温度的 MRI 安全冰袋，而非实际用水。重要的是，CPAW 引起的 SAM 和 HPA 轴激活水平与 CPT 相当，并可轻松应用于多种研究场景。尽管使用该技术时需遵守特定的安全规程，但只要事先规划，这些措施易于实施。本文将讨论 CPAW 的制作与使用方法。

引言

压力暴露与两种应激反应性生物系统的激活有关：下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴和交感-肾上腺髓质（SAM）轴5当应激强度足以破坏机体的稳态平衡时，交感-肾上腺髓质系统（SAM）会迅速激活自主神经系统（ANS）中的交感神经分支，导致其活动增强。这一过程伴随儿茶酚胺的释放（例如 肾上腺素和去甲肾上腺素；CA）从肾上腺髓质和交感神经末梢释放。这些兴奋性化学物质水平的升高与心率和血压的上升相关，后者是典型的 "战斗或逃跑" 反应6尽管随后副交感神经系统的激活最终会抑制这种兴奋状态，但与脑干结构相连接的上行去甲肾上腺素能神经元会通过下丘脑促进较慢的HPA轴激活，并最终导致糖皮质激素的释放。即 肾上腺皮质释放皮质醇（cortisol）7理解应激方式与应激反应特异性动态之间的关系，对于研究应激与各种心理过程神经相关机制之间的关联至关重要例如 记忆、学习和决策）的进展。

已开发出多种应激诱导任务用于实验室研究。通常，这些任务可分为系统性（i.e. 指对体内稳态平衡直接受到威胁所引发的反射性反应）或过程性/心理源性（i.e. 在启动应激反应前需经前脑处理与评估）8。 值得注意的是，这两种不同的应激模式与SAM和HPA轴激活的不同模式相关。冷加压试验（CPT）是一种常用且经过充分验证的诱导系统性应激的方法，其操作包括将受试者的优势手浸入冰水中（通常温度为0–5 °C）一段时间4,9,10。CPT已被广泛应用于研究应激对记忆11–13、学习14和决策能力15–17的影响。 然而，使用CPT作为应激诱导手段的研究在皮质醇反应性方面结果不一。总体而言，CPT后可观察到轻度至中度的皮质醇升高13,18,19，尽管SAM系统的激活强烈且可靠4,20。相比之下，过程性实验室应激源，如特里尔社会应激任务（TSST）21,22——受试者在被观察和/或录像的情况下进行5分钟演讲，随后进行5分钟心算——通常与皮质醇水平升高两到三倍相关23。

为了最大程度地同时激活SAM轴和HPA轴，一些研究者采用了将冷加压试验（CPT）与类似TSST中的社会评价成分相结合的方法。例如，在社会评价性冷加压试验（SECPT）中，要求受试者在进行传统CPT的同时，被摄像并由实验人员现场观察。24同样，马斯特里赫特急性应激测试（Maastricht Acute Stress Test）将 SECPT 与 TSST 的公开演讲和心算部分相结合。25. 尽管这些方法代表了应激研究的重要进展，但仍需深入考察交感-肾上腺髓质系统（SAM）和下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA）激活对行为、认知及情绪神经相关机制的具体影响，以及这些影响可能存在的分离性。然而，冷压刺激试验（CPT）涉及用水，若未在进入磁共振成像（MRI）检查前完成，则在涉及磁共振成像的研究中往往难以实施。例如，洒出的水可能对灵敏且昂贵的MRI设备构成威胁。例如 头部线圈）并可能因其高质子密度而干扰MRI信号26. 因此，随着涉及冷加压测试（CPT）的研究逐步扩展至神经影像学领域，对传统CPT操作流程进行调整变得必要。为此，本文提出一种替代方法——冷加压臂缠绕法（CPAW）。

与将手浸入冰水中的传统方法不同，冷压臂带（CPAW）采用由冷却至接近传统冷加压试验（CPT）温度的磁共振成像（MRI）安全凝胶袋组成的臂部包裹装置。该装置可固定于受试者的前臂和手部，并可根据受试者要求随时轻松取下。此外，CPAW结构灵活，仅由一系列常见组件简单组装而成。需要注意的是，CPAW在使用过程中存在额外的安全隐患，因其可能被冷却至远低于液态水的温度。然而，研究人员只需采取极少的额外措施即可有效规避这些风险。本文将重点针对安全操作规程，演示CPAW的正确储存与使用方法 。

方案

1. CPAW 的构建

注意：CPAW 在其组件和构建方式上具有多样性。尽管本方案代表了作者所采用的方法，但其他方法也是可行的。

  1. 粘贴两到三块维可牢（每块约 4 英寸 x 1 英寸）分别加入两个凝胶包（6 英寸 × 12 使用橡胶胶水将尺寸相同的物体等间距固定，静置24小时使其干燥。
  2. 获取一块约12英寸见方的厚织物 x 16 英寸 大小，沿长度方向对折。示例 6 在 x 12 英寸 凝胶条将沿折叠织物内侧的每一半纵向排列。
  3. 将每块魔术贴的互补面（来自步骤1.1）粘贴至织物内侧，位置应与凝胶包上的魔术贴对应，可使用橡胶胶水或针线固定。此举便于将凝胶包取下清洗，并可重新安装以供储存。
  4. 获取两块较大的尼龙搭扣（约2英寸） x 10 英寸）。分离。将其中一侧剪裁至原始大小的约四分之一（其余部分丢弃），另一侧保持原始的 2 英寸 x 10 英寸 大小
  5. 将一小块维可牢（Velcro）粘附在织物外层同侧的前后面。最后，将维可牢较长部分粘附在织物另一侧外层的对应位置。完成后，应可将织物缠绕前臂和手部，并使用维可牢搭扣固定。

2. CPAW 的使用与安全注意事项

  1. 在使用CPAW的研究中，应在知情同意过程中以及实施CPAW前多次告知参与者，他们有权随时以任何理由退出并终止实验程序。建议提供三次明确的退出说明。此外，若参与者出现明显痛苦或情绪困扰，应随时准备主动终止实验。
  2. 示例指导语："在本研究中，我们可能会请您参与一项压力实验程序，该程序包括将由低温凝胶袋制成的臂部包裹装置放置于您的手臂上一段时间。该装置设计为可引发压力反应，因此会带来明显不适。您需要明确了解，无论当前是否正在使用臂部包裹装置，您均有权在任何时间、出于任何原因终止该实验程序。在磁共振成像（MRI）过程中，您可以通过口头告知我、用力踢动脚部，或在必要时使用我们将提供的紧急挤压球来表达终止意愿。您是否理解？是否愿意继续？"。此后，建议在开始MRI扫描前再次重复两次提醒语："请记住，您可随时要求我们立即移除臂部包裹装置并终止实验"。
  3. 将CPAW存放于温度严格监控的冷冻设备中。若冷冻设备无法设定至特定温度（e.g. 0–5 °C之间），且实际温度低于0 °C，则在取出CPAW后应留出足够时间使其升温至安全温度（不得低于0 °C）。否则，参与者存在发生低温冻伤的风险。
  4. 在使用CPAW前，应使用一层塑料薄膜覆盖凝胶袋，以避免凝胶袋与参与者皮肤直接接触。使用红外测温仪沿凝胶袋长度方向选取两到三个位置，测量其表面温度（覆盖塑料薄膜状态下），以确保温度处于安全范围。若测得温度过低，应延长回温时间并重新测量。
  5. 当达到目标温度后，将CPAW缠绕于参与者的前臂及手部，并使用前述维可牢（Velcro）绑带固定。保持CPAW在位至预定时间（建议2分钟）。一旦参与者提出要求或预定时间结束，应立即移除装置。

结果

在一项先前发表的研究中，使用CPAW来考察急性应激对参与者进行功能磁共振成像（fMRI）扫描期间神经奖赏加工的影响27。共32名参与者（16名女性，16名男性；平均年龄=23.41岁，标准差=4.07岁）被随机分配至CPAW组或无应激对照组（使用室温毛巾包裹手臂）。实验开始时采集基线唾液皮质醇样本，随后施加CPAW（或无应激对照）刺激持续2分钟，之后进行一项为期10分钟的行为任务。在完成第一项行为任务后，重复上述流程：采集第二份唾液样本，接着进行2分钟的CPAW（或无应激对照）刺激，然后执行第二项持续10分钟的行为任务。第二项行为任务结束后采集第三份唾液样本。实验结束后，参与者需填写问卷，报告主观感知应激水平，包括对手臂包裹感觉的评价（从好到差）以及对经历应激程度的评价（从高到低），均采用7点李克特量表进行评分。

与无应激组相比，经历 CPAW 的参与者报告称，手臂包裹感觉显著更具压力，t(30) = 3.46，p< 0.01，d = 1.22，且感觉显著更差，t(30) = 4.42，p< 0.001，d = 1.56。有三名参与者被排除在唾液皮质醇分析之外，其中一人因样本损坏，另外两人因实验期间无法采集样本。因此，最终的皮质醇分析基于32名参与者中的29人（13名为无应激对照组，16名为CPAW组）。采用梯形法计算两组的曲线下面积（相对于增加量，AUCI）（见表1，列出各实验组每份样本的平均唾液皮质醇浓度，单位为 nmol/L）28。对无应激对照组与CPAW组的AUCI进行单尾独立样本t检验，结果显示CPAW组唾液皮质醇显著升高，t(27) = 1.78，p< 0.05，d = 0.69（见图1）。仅有两名参与者在扫描过程中头部运动超过一个体素（i.e. 3 mm），但这两人均属于无应激组。无参与者因接受CPAW刺激而退出实验。对另一数据集的初步分析进一步支持了CPAW在激活交感肾上腺髓质系统（SAM）方面的有效性（i.e. 皮肤电导）29。共28名参与者（14名女性，14名男性；平均年龄 = 21.18岁，标准差 = 2.97岁）首先接受2分钟无应激对照手臂包裹（如前所述），随后进行15分钟行为任务；之后再接受2分钟CPAW刺激，接着进行第二次15分钟行为任务（均为被试内设计）。使用BIOPAC模块在每次手臂包裹期间（先无应激对照，后CPAW）测量皮肤电导水平（SCL），并通过AcqKnowledge软件进行分析。计算每个2分钟手臂包裹期间的平均SCL波形（单位为微西门子，µs），并采用平方根变换进行标准化30。配对t检验显示，CPAW刺激期间的SCL显著高于无应激对照条件，t(27) = 5.49，p< .001，d = .65（见图2）。

应激分析中的静态平衡；数据表；nmol/L 测量值；无应激与 CPAW 结果对比。
表 1. CPAW 组与无应激对照组在基线期、任务运行 1 后及任务运行 2 后的唾液皮质醇平均浓度（nmol/L）（均值 ± 标准误）。经许可改编自 Porcelli et al.27。点击此处查看高清图像。

比较无应激对照组与CPAW组的唾液皮质醇水平柱状图，实验结果。
图1. CPAW组与无应激对照组的唾液皮质醇曲线下面积（相对于增加量，AUCI）。负的AUCI值表示唾液皮质醇净下降，被保留作为“下降指数”28。 经许可改编自Porcelli et al.27。 点击此处查看高清图像。

皮肤电导水平（SCL）柱状图，显示应激条件：无应激对照与CPAW。
图 2. CPAW 或无应激对照手臂包裹期间皮肤电导水平的平方根转换均值（单位：微西门子；µs）。 点击此处查看大图。

讨论

本文介绍了一种传统冷加压试验的替代方法——冷加压臂缠法（cold pressor arm wrap, CPAW）。CPAW是一种能够产生与冷加压试验（CPT）相类似的神经内分泌和心理生理应激反应的实验程序。具体而言，该方法可显著激活交感肾上腺髓质系统（SAM）即. 交感神经系统（sympathetic ANS）激活以及下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA）的轻度至中度激活即. 皮质醇）活性的变化。CPAW 可由多种常见组分制备，可作为传统（基于水的）CPT 的有效替代方法。CPAW 的另一个优势在于，其可在使用 CPT 可能不切实际甚至不可行的研究情境中轻松应用。例如 磁共振成像（MRI）

如前所述，CPAW 所需的安全预防措施超出了 CPT 所涉及的范围。排除标准（与 CPT 大部分共用）应包括：冷性荨麻疹、雷诺病、动脉瘤、妊娠、心血管疾病史、糖尿病、慢性风湿性疾病以及未经治疗的血压异常。鉴于 CPAW 的温度可能降至低于液态水的安全温度，因此在使用前必须严格测量温度，以避免对受试者造成伤害。由于装置会物理固定在受试者手臂上，因此必须在多个环节明确告知受试者，他们可随时要求终止实验。此外，若受试者出现明显不适，实验人员必须准备立即终止实验。因此，研究人员需在多个方面保持高度警惕。

使用CPAW存在若干局限性。例如，在进行MRI研究时，可能需要采用短腔型MRI设备，因为在长腔型MRI中可能无法将CPAW固定在受试者的手臂上。尽管如此，将CPAW调整用于足部或腿部是可行的，并且可与长腔型MRI设备兼容。此外，将CPAW的温度精确调节至特定温度也较为困难。研究表明，即使温度偏差仅为2 °C，也会导致耐受时间及疼痛评分的差异31。为避免此问题，建议使用可冷却至精确设定温度的制冷设备。另外，若需在短时间内多次使用该装置，建议准备第二个CPAW，以防止设备因连续使用而升温超过目标温度。尽管在代表性结果中，CPAW的使用未见增加头部运动，研究人员在fMRI环境中仍应特别关注头部移动问题——尤其是当CPAW在fMRI扫描过程中（而非扫描前）施加时。虽然主观应激评分、HPA轴及SAM系统的激活表明CPAW作为一种应激源的有效性可与传统CPT相媲美，未来的研究应着重于系统比较CPAW与传统CPT所诱发的HPA轴和SAM系统激活程度，以及其他生理指标（e.g. 心率和血压）。

披露

作者声明不存在利益冲突。

致谢

感谢 Mauricio R. Delgado、Stephanie R. Potts 和 William T. McCuddy。代表性数据的获取得到了美国国家药物滥用研究所对 MRD 资助（R01DA027764）的支持

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2 个 Cryo-Max 冷敷包（6 英寸 × 12 英寸）Modular Thermal Technologiesn/a此为一种示例凝胶冷敷包– 其他尺寸相似的产品亦可使用。
红外温度计Fisher Scientific02-401-1
Biopac MP150 数据采集系统Biopac Systems, Inc.MP150
Biopac GSR EDA 皮肤电反应放大器Biopac Systems, Inc.GSR100C
2 根 Biopac 非屏蔽导联线Biopac Systems, Inc.LEAD110A
2 个 Biopac 一次性表皮电极Biopac Systems, Inc.EL507
唾液皮质醇酶联免疫检测试剂盒Salimetrics, LLC.I-3002若不进行内部检测，则仅需以下采集用品。
Salimetrics 口腔拭子Salimetrics, LLC.5001.02
拭子储存管Salimetrics, LLC.5001.05

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