残疾儿童皮层听觉-触觉加工的定量评估

摘要

在无语言能力或脆弱的儿科患者中，对感觉处理进行客观且简便的测量极为困难。我们开发了一种新方法，可定量评估婴儿和儿童对轻触觉、语音声音以及这两种刺激多感官处理的皮层加工过程，且无需受试者主动参与，也不会对脆弱患者造成不适。

摘要

对于无语言能力或脆弱的儿科患者，客观且简便地测量感觉处理功能极为困难。我们开发了一种新方法，可定量评估儿童对轻触觉、语音声音以及这两种刺激多感觉整合的皮层处理过程，且无需受试者主动参与，也不会引起儿童不适。为实现这一目标，我们研制了一种双通道、时间和强度校准的气流刺激器，可同时提供触觉刺激和假刺激对照。结合事件相关电位方法，能够高时间分辨率地记录来自初级和次级体感皮层以及更高级加工脑区的信号。该方法还可用于测量听觉-触觉多感觉刺激引发的多感觉反应。

引言

研究发育中的皮层感觉过程对于理解大多数高级功能的基础至关重要。在婴儿期和儿童期，感觉经验通过塑造大脑的组织结构，为认知、交流以及运动发育等复杂过程奠定基础^1-3。目前大多数关于儿童感觉过程的研究集中于听觉和视觉领域，主要原因在于这些刺激更容易开发、标准化和测试。然而，触觉处理在婴儿和儿童中具有特殊意义，因为它是胎儿最先发育的感觉系统^4,5，且躯体感觉信息对其他皮层系统（例如运动、记忆、联想学习、边缘系统）的功能至关重要⁶。当前评估躯体感觉处理的方法受限于所选用的触觉刺激类型。一种常用方法是直接电刺激正中神经^7,8，但可能引起不适。其他有效方法采用主动任务，如刺激的辨别、识别和定位，但需要受试者具备注意力和较高的理解能力⁹。因此，这些方法在年幼儿童和婴儿中的应用均受到限制。

因此，我们的目标是开发一种触觉范式，通过非侵入性设计并减少对受试者主动参与的需求，以克服上述局限性。此外，该范式需要具备标准化的刺激强度以及假刺激对照。为此，我们开发了"puffer"系统，即一种双通道、定时且经过校准的气流刺激递送系统，使我们能够测量轻触刺激在婴儿及其他脆弱人群中的效应。

功能磁共振成像研究表明，气流刺激可激活感觉皮层，但此类研究存在持续时间长、实施困难等问题，例如需要固定体位、检查时间较长以及环境易引发焦虑，因此在幼儿中难以开展。为此，我们将新型递送系统与事件相关电位（ERP）技术相结合，以在短暂且适合儿童的测试过程中，实现对轻触觉感觉加工的时间分辨率检测。

这种新范式提供了必要的灵活性，可用于在不同人群、年龄组及临床环境中研究感觉处理。此外，该方法还可与听觉刺激兼容，从而实现多感官评估。迄今为止，在婴儿或因智力/语言障碍而无法可靠回应的儿童中，尚无法进行准确且可靠的触觉评估。本方法旨在填补这一空白 ，以期在大脑可塑性最强的时期促进感觉处理障碍的早期识别与干预。婴儿期感觉处理能力的改善可能会影响神经发育的连锁过程

以下所有操作程序均包含在范德比尔特机构审查委员会批准的方案中。

方案

1. 轻触觉反应的评估

1. 放置电极网（例如 128通道的地理定位传感器网）戴在儿童或婴儿头部。使用温热的生理盐水溶液调节传感器，确保其与头皮充分接触。若受试者为儿童，应让其舒适地坐在父母或照护者的腿上。若受试者为婴儿，应将其轻轻包裹，并由照护者抱在怀中，或平卧于开放式婴儿床内。
2. 将1 mm喷嘴置于受试手示指指尖下方0.5 cm处。对于幼儿，将其手指或婴儿的手掌放入模具支架中，并使用魔术贴在关节近端和远端固定，以确保喷嘴与手指或手部之间的距离保持一致。在整个测试过程中，儿童必须始终保持正确的手指位置，这一点至关重要。应定期检查手指和手部的位置，并让年幼儿童由看护人陪同以确保正确执行。若测试对象为婴儿，一旦婴儿哭闹，应立即停止测试程序，待其情绪稳定并得到安抚后再重新开始。若测试对象为年幼儿童，应请看护人在整个短暂的测试过程中持续提供安抚和鼓励。
3. 通过调压阀将气动压缩机压力设定为40 psi，以为空气阀输入提供触觉刺激气源。
4. 运行刺激呈现程序。
   1. 对于被测手，随机呈现60次气流刺激，其间随机插入60次假刺激试验（通过单独的喷嘴输送气流，喷嘴方向偏离手指）。
   2. 不要连续呈现超过两次的喷气刺激或假刺激。试次间间隔应在2,000–2,500毫秒之间随机变化，目的是减少习惯化现象，即刺激不再被感知的情况。120次试次序列的总时长应为4.5–5分钟。
   3. 如果研究非对称性躯体感觉障碍，则对另一只手重复相同的实验方案。
5. 对于无需注意刺激的实验方案，无需进一步设置。此情况适用于婴儿测试。为了增强幼儿的注意力（这会在记录中产生更大的特定事件相关电位波峰），需提供一项任务。
   1. 5岁儿童任务示例：将气流描述为 "气泡" 吹制 "鱼" 在一个 "鱼缸" （一个装饰过的盒子，用于隐藏喷气装置）。要求儿童猜测每一种情况 "气泡" 由蓝色或红色递送 "鱼"告诉儿童在执行此任务时无需也不应说任何话（参见使用模拟水族箱的设置） 图1).

2. 多感官方案反应的评估（听觉-触觉同步刺激与单独刺激叠加反应的比较）

1. 按照上述步骤 1.1–1.3 进行操作。刺激参数详见表 1。
2. 运行刺激呈现程序（例如 使用 E-Prime 软件）。对于被测试的手，可随机呈现以下 4 种刺激，每种刺激重复 60 次：puff、puff-/ga/、/ga/-sham、sham。同样，为避免习惯化的可能，任何条件下均不应连续呈现超过两次 puff 或 sham 刺激，并将试次间间隔随机设置在 2,000–2,500 毫秒之间。每组 240 次试次的序列应持续 9–10 分钟。
3. 对另一只手重复相同的实验流程。
4. 在实验开始时播放一部无声的、适合年龄的动画片，并在整个实验过程中持续播放，以防止因受试者不安而增加运动伪迹，同时减少因受试者感到无聊而产生的大幅患者自发电压 delta 波背景干扰。例如，在 5 岁儿童中，我们使用了一段购买的 20 分钟视频 ，以静音模式循环播放，并在每位受试者测试前重新启动。由于无需关注刺激内容，因此循环播放的动画片可提供与刺激无关的视觉背景。

3. 软件与设备设置

1. 为编程软件，设置由刺激控制应用程序发送的两条串行指令，一条用于标识喷气刺激，另一条用于标识假刺激。使刺激控制应用程序将这些指令发送至微控制器。
2. 让微控制器生成一个TTL脉冲（例如 将20毫秒持续时间的信号发送至相应的数字输出通道。该输出信号必须分为两条线路，一条连接至脑电图（EEG）记录系统的数字输入端，另一条连接至电磁阀控制的空气阀门。在EEG数据流中标记两个阀门的开启时刻。
3. 使用示波器和麦克风测量真实刺激和假刺激条件下的脉冲到喷气延迟时间。该延迟应保持一致，约为10–15毫秒。在记录后对延迟进行校正。
4. 使用压力计测量喷嘴处的压力（PSI），并通过测量喷嘴直径计算喷嘴所受作用力。采用公式 F(N) = 压力 × 面积。例如，直径为1 mm的喷嘴在6 psi压力下产生的作用力为 F(N) = 0.03 磅。
5. 要修改多感官实验协议的控制程序，需向微控制器发送两条串行指令，分别标识一次真实气流刺激或假刺激，以及一个已录制的语音声音或静音。注：在我们的实验范式中，除其他音素如 /da/、/du/、/bu/ 外，使用了计算机生成的、无口音偏向的 /ga/ 音。 等等.
6. 通过放置在受试者正前方2英尺处中线位置的扬声器呈现听觉刺激。
7. 将声音起始时间与喷气起始时间或步骤3.3中测得的延迟时间对齐，具体取决于测试者所期望的条件。

4. 数据采集与准备

1. 根据标准ERP方法选择滤波器和参考设置以采样数据。此处使用1,000 Hz的采样率，滤波器设置为0.1–400 Hz。在数据采集期间，将所有电极参考至Cz，并在离线分析时重新参考为平均参考。
2. 对数据进行分段时，使用所需的滤波器对记录的数据进行滤波并分段。本研究中采用0.3–40 Hz的带通滤波器，并根据刺激 onset 对连续EEG进行分段，包含刺激前200毫秒的基线期和刺激后500毫秒的时间窗。
3. 进行数据质量控制。使用ERP软件中包含的计算机算法筛查每个片段中的运动和眼动伪迹（如高频肌电活动），随后进行人工复查。
4. 本方案中自动筛查标准设定如下，但可根据需要调整：对于眼电通道，电压>140 µV定义为眨眼，电压>55 µV定义为眼球运动。
5. 使用眼动伪迹校正工具对受污染的试验数据进行校正。注意：任何电压>200 µV的通道均视为质量不佳。若质量不佳的通道>15个，出于可重复性考虑，我们选择舍弃整个试验。
6. 叠加平均ERP波形。将其重新参考至平均参考，然后根据步骤4.2中选定的标准进行基线校正。从预定义人群的总平均波形中提取各个波峰的平均振幅和峰值潜伏期。注意：在本研究中，我们依据较大年龄儿童对正中神经刺激反应的已有文献^10–14，选取了P50（30–80毫秒）、N70（50–100毫秒）、P100（80–150毫秒）、N140（130–230毫秒）和P2（250–350毫秒）波峰。
7. 仅纳入电极位置与预设区域重叠的数据（图2）。提取各单个电极的数据，并对每个电极簇内的数据进行平均。

结果

轻触觉评估（图3）：

使用Puffer系统进行触觉刺激时皮层反应的特征：对气流刺激产生的峰形模式与使用正中神经刺激在正常成人中获得的皮层反应非常相似^10,11。早期反应（P50、N70、P100峰）主要反映初级感觉皮层的活动¹²，且不依赖于对刺激的意识感知。 次级反应（N140峰）主要反映次级感觉皮层的活动以及对躯体感觉刺激的意识感知，已有发表的研究对此有记载^13,14。在我们的实验范式中，该峰反映了次级感觉皮层中的神经过程，并受到对触觉注意（“鱼吐气泡任务”）的调节。晚期反应（P2峰） 主要反映与感觉刺激相关的认知神经活动的起始阶段。该峰可能反映对触觉的主观注意及非自主性定向反应^15,16。

喷气刺激与假刺激的比较：尽管假刺...

讨论

这种将气流刺激与事件相关电位（ERP）相结合的新方法（称为“"Puffer系统"），用于测量皮层对轻触觉及触觉-听觉反应的加工过程，能够被残疾儿童和婴儿良好耐受。无论是否加入注意力任务，该方法在单感觉和多感觉模式下均适用于幼儿。该方法之所以能够成功用于评估年幼且脆弱的人群，原因在于既采用了无害的触觉刺激，又结合了ERP技术和设备。单感觉范式总共仅需5分钟即可完成，而多感觉范式也仅需10分钟，这对于幼儿或存在行为挑战的受试者尤其适用。刺激本身可校准至始终不超过轻触或轻微压力，因此耐受性不成问题，这与电神经刺激形成鲜明对比。此外，测量装置开放灵活，实验环境贴近日常生活，且无需对受试者进行身体约束，从而营造出令人安心且适合儿童的实验氛围。这一点在婴儿中尤为明显，他们可通过轻度包裹和由照护者怀抱获得安抚。因此，该方法适用于从婴儿期到成年晚期、涵盖健康与疾病各种状态的广泛人群。

尽管这些特性使得"Puffer系统"在儿童中的应用比功能磁共振成像更简便，但事件相关电位（ERP）无法提供同等水平的空间分辨率²⁴。即使对于研究较为充分的躯体感觉...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
大地测量传感器网	EGI, Inc., Eugene, OR	取决于尺寸
Net Station EEG 软件 v. 4.2	EGI, Inc., Eugene, OR	NA
E-Prime 刺激控制程序	PST, Inc. Pittsburgh, PA	NA
压力计（型号 6 英寸，0-60 psi）	H. O. Trerice Co, Oak Park, MI
定制喷气装置	Nathalie Maitre