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方法文章

来自口面皮肤拉伸刺激的躯体感觉事件相关电位

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DOI：

10.3791/53621

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2015年12月18日

 ,  , 
1Haskins Laboratories, 2Speech and Cognition Department, Gipsa-lab, CNRS, 3Univ. Grenoble-Alpes, 4Department of Psychology, McGill University, 5School of Communication Science and Disorders, McGill University

本文内容

摘要

本文介绍了一种在口面部皮肤拉伸刺激后获取体感事件相关电位的方法。该方法可用于评估体感传入神经在言语产生和言语感知中的作用。

摘要

由于难以提供精确且受控的刺激，与言语相关的口面部躯体感觉功能的皮层处理过程在实验研究中受到的关注有限。本文介绍了一种记录躯体感觉事件相关电位（ERP）的技术，该技术采用一种新颖的机械刺激方法，通过机器人装置引起皮肤形变来实现。通过对面部皮肤进行受控形变，可激活皮肤机械感受器，从而调节本体感觉输入。通过将躯体感觉刺激与脑电图记录相结合，能够在皮层水平成功测量躯体感觉诱发反应。躯体感觉刺激还可与其他感觉模式的刺激结合，以评估多感觉模态间的相互作用。在言语研究中，将口面部刺激与语音声音刺激相结合，可用于评估包括时间差异效应在内的多感觉加工的贡献。在言语感知和言语产生过程中，结合ERP记录实现对口面部躯体感觉刺激的精确控制，是一项重要的研究工具，为言语的神经组织机制和神经表征提供了新的见解。

引言

言语产生依赖于听觉和本体感觉信息。听觉和本体感觉反馈从婴儿最早发出的发声行为开始就共同存在，并共同参与言语运动学习。最近的研究结果表明，本体感觉过程不仅参与言语产生，也参与言语感知。例如，当受试者聆听听觉刺激时，若由机器人装置牵拉其面部皮肤，其对语音的识别会发生改变1。当气流脉冲作用于脸颊且与听觉语音刺激同步时，也会改变受试者的知觉判断2。

这些躯体感觉效应涉及皮肤变形引起的皮肤机械感受器的激活。运动过程中皮肤会以多种方式发生变形，已知皮肤机械感受器参与本体感觉3,4。近期研究发现5-7，与运动相关的皮肤应变可被准确感知为屈曲或伸展运动，具体取决于皮肤拉伸的模式6，这证明了皮肤机械感受器在本体感觉中的作用。在言语运动训练过程中，重复特定的言语发声并同时伴随面部皮肤拉伸，可导致言语构音模式发生适应性改变7。这些研究表明，在动作过程中调节皮肤拉伸可为评估皮肤传入信号对感觉运动系统本体感觉功能的贡献提供一种方法。

口面部皮肤机械感受器的本体感觉功能主要通过心理生理学方法7,8和感觉神经的微电极记录技术进行研究9,10。本实验方案重点介绍结合口面部躯体感觉刺激（伴随面部皮肤形变）与事件相关电位（ERP）记录的研究方法。该方法利用计算机控制的机器人装置，精确控制面部皮肤形变的方向和时序。这使得我们能够在言语运动学习、言语产生及言语感知过程中，通过选择性且精确地在多种方向上施加面部皮肤形变，检验躯体感觉在言语产生和感知中的具体作用假设。采用ERP记录技术可无创评估躯体感觉刺激对口面部行为影响的时间模式和时序特征。因此，本方案可用于探究本体感觉功能的神经相关机制，并评估躯体感觉系统在言语加工、言语产生和言语感知中的贡献。

为了展示将皮肤拉伸刺激应用于事件相关电位（ERP）记录的实用性，以下实验方案重点研究了体感输入与听觉输入在言语感知中的相互作用。研究结果突显了一种评估言语过程中体感-听觉交互作用的潜在方法。

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方案

本实验方案遵循耶鲁大学人体研究委员会关于伦理行为的指导原则。

1. 脑电图（EEG）准备

  1. 测量头部尺寸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. 将脑电图帽放置于头部，以前述确定的头顶点作为Cz电极位置。佩戴脑电帽后，再次使用卷尺检查Cz位置是否准确，方法同步骤1.2。注意，脑电帽配备有电极固定器，64个电极（或电极固定器）的布局基于以Cz为基准的改良版10-20系统，并采用预设的坐标系统11。
    注意：本代表性应用采用64导电极配置，用于评估头皮分布变化及进行源分析。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，其对应的电极固定器也已集成在脑电帽中。
  4. 使用一次性注射器向电极固定器中注入导电膏。
  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固定器的标签一一对应，插入相应的固定器中。
  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所述的位置。
  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，并参照步骤1.8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（注意标签与接口形状匹配）。
  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：本实验方案通过对面部皮肤施加牵拉以实现体感刺激。配备脑电图（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1,7,12-14。简而言之，使用双面胶将两个小型塑料标签（宽2 cm，高3 cm）固定于面部皮肤上，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）记录的实验设置步骤如下：

  1. 将受试者的头部置于头托中，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线缆移开。
  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12,13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相同。
  4. 调整绳索、绳索支架和机器人的配置，以避开脑电（EEG）电极和线缆。
  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（通常表现为相较于电生理反应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. 在结合体感刺激与听觉刺激的代表性测试中12，将与皮肤形变相关的体感刺激施加于口角外侧皮肤。拉伸模式为单周期正弦波（3 Hz），最大作用力为4 N。听觉刺激采用一个合成语音片段，该语音位于从“"head"到“"had"的10级语音连续体的中间位置。
    2. 分别或同时呈现两种刺激。在联合刺激条件下，测试三种刺激起始时间关系（体感与听觉刺激起始时间相差90毫秒的领先、滞后以及同时起始：见图3A）。
    3. 随机呈现五种刺激条件（单独体感刺激、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，以避免预期反应和习惯化。实验任务是判断所呈现的语音（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回应。在仅含体感刺激（无听觉刺激）的条件下，要求受试者回答“不是‘"head"’”。
    4. 使用刺激呈现软件记录受试者的判断结果以及从刺激开始到按键反应的反应时间。要求受试者注视显示屏上的注视点，以减少由眼动引起的伪迹。
    5. 每完成10次刺激后移除注视点，给予短暂休息。（另见其他实验任务与刺激呈现示例12,13）
  2. 启动ERP记录软件，采样频率设为512 Hz，该软件同时记录刺激在ERP数据时间线上的起始时间。注意，每次刺激的时间戳（包含刺激类型信息）均由刺激呈现软件发送。两个程序（ERP记录程序与刺激呈现程序）分别运行在通过并行端口连接的两台独立计算机上。
  3. 将体感刺激软件设置为触发等待模式，然后通过启动刺激呈现软件开始刺激呈现。注意，体感刺激软件也在与上述两台计算机分离的第三台独立计算机上运行。每种条件记录100个ERP。
    注意：体感刺激的触发信号通过连接至感觉刺激用计算机数字输出设备的模拟输入设备接收。每个触发信号产生一次单独的体感刺激。

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结果

本部分展示了面部皮肤变形引起的体感刺激所诱发的典型事件相关电位。实验装置见图1。正弦波刺激施加于口角外侧的面部皮肤（参见图3A作为参考）。每位受试者记录100次拉伸刺激试验，共测试12名受试者。根据水平和垂直眼电图信号（超出±150 µV）在离线状态下剔除包含眨眼和眼动伪迹的试验后，对超过85%的有效试验进行平均。脑电（EEG）信号采用0.5-50 Hz带通滤波器进行滤波，并重新参考为所有电极的平均值。图2显示了来自部分代表性电极的平均体感ERP。在额区，刺激开始后100-200毫秒出现负向波峰，随后在200-300毫秒出现正向电位。最大反应出现在中线电极上。与以往的体感ERP研究15-18不同，本研究未观察到更早潜伏期（<100毫秒）的电位。该时间模式与听觉刺激后典型的N1-P2序列较为相似19。比较左右半球对应电极对时，其时间模式非常相似，这可能是由于采用了双侧刺激所致。

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讨论

本研究报道的结果表明，由面部皮肤变形产生的精确控制的躯体感觉刺激可诱发皮层事件相关电位（ERPs）。已知皮肤传入神经在人体肢体运动3,4和言语运动5,6,21中是本体感觉信息的重要来源7,8。以反映说话时实际运动方向的方式牵拉面部皮肤，可诱发类似于相应运动的本体感觉。当前结合精确控制的皮肤牵拉与事件相关电位记录的方法，可用于研究多种言语行为中口面部功能的神经基础。

在使用机械刺激并同时记录脑电图（EEG）时，必须持续监测信号中的伪迹。特别是由于用于牵拉皮肤的细线靠近EEG电极和导线，可能会在EEG信号中引入电学和运动伪迹。此类伪迹通常具有相对较大的振幅和较低的频率，因此可与电生理反应相区分。在记录前，需要仔细检查包括细线布置在内的刺激装置，以识别并消除由刺激引起的任何机械伪迹。尽管伪迹可通过后续信号处理方法（如滤波或独立成分分析22，类似于处理眼动和眨眼伪迹的方法）予以去除，但始终更期望获得更干净的原始信号。

以往对躯体感觉事件相关电位的研...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由美国耳聋与其他沟通障碍研究所资助，资助项目编号为 R21DC013915 和 R01DC012502，加拿大自然科学与工程研究理事会，以及欧洲研究理事会根据欧洲共同体第七个框架计划（FP7/2007-2013，资助协议编号 339152）提供支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
脑电图记录系统BiosemiActiveTwo
皮肤拉伸机器人装置GeomagicPhantom Premium 1.0
兼容脑电图的耳机Etymotic researchER3A
视觉与听觉刺激软件Neurobehavioral SystemsPresentation
电极凝胶Parker Laboratories, INCSigna gel
双面胶带3M1522
一次性注射器Monoject412 Curved Tip
模拟输入设备National Instuments PCI-6036E
数字输出设备Measurement computingUSB-1208FS

参考文献

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