前臂间的触觉掩蔽测试

摘要

本文探讨了前臂之间的对侧触觉掩蔽现象，即远程部位施加的振动可调节触觉检测阈值。哪些远程部位会产生影响的详细信息，有助于揭示大脑对身体的表征方式。

摘要

掩蔽是指一种刺激影响另一种刺激的检测能力，这是一种经典技术，已广泛应用于视觉、听觉和触觉研究中，通常使用空间上邻近的刺激来揭示局部相互作用。已有研究证明，触觉掩蔽效应也可发生在远距离部位，即一个部位的触觉刺激会改变对远端位置触觉感知的判断。此类效应有助于理解大脑中身体表征各组成部分之间可能存在的关联方式。偶有报道指出，一只手或前臂上的触觉刺激会影响对侧相应部位的触觉敏感性。为了探究身体两侧对应点之间的匹配关系，我们可以测量对侧掩蔽的空间调谐特性及其受姿势影响的程度。在实验中需要设置严谨的对照，以排除远端刺激的直接效应，例如通过机械传导产生的影响，以及注意力效应——即被试的注意力被吸引至非目标刺激而导致感知阈值发生变化。该技术作为一种行为学测量手段，有助于揭示身体哪些区域在功能上相互连接，以及身体两侧是否以躯体拓扑映射的方式进行交互。本文描述了一种可用于研究对侧触觉掩蔽的行为学实验方案。

引言

触觉掩蔽是指身体某一位置的触觉刺激改变另一位置触觉感知的现象。该技术由 von Bekesy 率先提出。¹揭示皮肤表面相邻区域之间的位置相互作用，尤其是侧向抑制。尽管触觉掩蔽现象多年来已被广泛研究，但相关研究主要采用电刺激来探究同侧触觉掩蔽。^2,3压力⁴以及振动触觉刺激^5,6相比之下，很少有研究关注对侧触觉掩蔽效应，其中掩蔽刺激和探测刺激的作用位点可能相距较远。已有研究证明，在手部和前臂的镜像对称点之间存在长距离触觉掩蔽效应。^5,7-9但这些研究在很大程度上局限于对手部和手指的观察^7,10，而身体其他更大部分则在很大程度上被忽略。此类长距离掩蔽实验的目的在于揭示身体表征在大脑中可能存在的功能连接方式。本文通过研究施加于一侧前臂的振动如何影响对侧前臂的触觉敏感性阈值，来探讨长距离触觉掩蔽现象。阈值是指能够感知刺激所需的最小刺激强度，我们将其定义为刺激在75%的试验中被检测到时的强度。我们采用了一种触觉掩蔽技术，即在身体其他部位施加振动刺激（掩蔽刺激）的同时，测量一侧前臂的触觉敏感性（阈值的倒数）。有效的掩蔽表现为检测阈值的升高 即，敏感性降低。该技术可与其他操作结合使用，例如改变肢体位置或运动，以探究这些因素对掩蔽效果的影响。

本研究采用振动触觉刺激作为掩蔽刺激。其优势在于可以控制刺激频率，从而控制被激活的感受器类型。该技术可进一步扩展，使用电刺激作为探测刺激或掩蔽刺激，或两者同时使用，以研究疼痛机制。此外，掩蔽刺激可作用于身体任意部位，从而可用于研究例如针灸穴位等特定部位的作用。

方案

所有实验均经约克大学伦理委员会批准，所有参与者均签署了知情同意书。实验均遵循《赫尔辛基宣言》的规定进行。

1. 刺激材料

1. 触觉检测刺激
   1. 使用一个触觉刺激器（直径1.17英寸，厚度0.30英寸）传递频率为250 Hz、持续时间为100毫秒的振动刺激。采用特制的触觉刺激器可确保位移量与施加电压之间呈线性关系。
   2. 使用64位声卡控制触觉刺激的传递。
      1. 将驱动器视为扬声器进行操作。将立体声音频放大器连接至64位计算机的立体声声卡，再将驱动器连接至放大器的其中一个输出端口例如，即“左声道输出”）。连接第二个通道（例如将放大器的“右声道输出”（right speaker out）连接至普通扬声器，以为受试者提供听觉信号。
      2. 在控制实验的计算机代码中，生成用于驱动触觉刺激器振动的波形例如，一个持续时间为100毫秒、频率为250 Hz的正弦波），以及另一个用于听觉信号的波形（例如，一个持续时间为100毫秒的3,000 Hz正弦波）。参见补充代码文件中的示例代码1。
      3. 将这两个波形分别放入一个二维数组中。对于触觉刺激器阵列，将信号置于第一维，第二维设为全零；对于声音阵列，将信号置于第二维，第一维设为全零。在程序的相应位置将对应的数组发送至声卡播放。参见补充代码文件中的示例代码1，了解具体实现方法。
   3. 使用基于机械固定的扣具将振动触点装置固定在绑带上。
2. 掩蔽刺激
   1. 使用电动手持振动器（直径4 cm；调至“低”档时频率为83 Hz）提供掩蔽刺激。
   2. 根据需要测试掩蔽效应的区域，选择施加掩蔽刺激的部位。

2. 实验设置与设计

1. 为实验人员在桌前摆放好计算机和设备，并在桌前放置一把椅子。
2. 设置一张桌子，供参与者放置左侧（测试）手臂。在桌子右侧放置一把椅子，并在椅子旁边放置一个臂托架，供参与者支撑右侧（掩蔽）手臂的肘部。在桌面和臂托上添加缓冲垫以提高舒适度。
3. 将扬声器放置在机械隔离的表面上。安置脚踏板（连接到计算机鼠标左右按键），使参与者的双脚能舒适地放在上面（图1）。
4. 确定研究参数，包括获得可靠阈值估计所需的适当试验次数（通常为40–50次试验），以及实验需划分的区块数量（例如，每种条件下分为两个区块，每个区块20–25次试验）。
5. 列出各实验条件的执行顺序。使用此列表确定每个区块中掩蔽刺激的施加位置。
6. 直接在计算机程序代码中输入试验次数（例如，ntrials = 25；参见补充代码文件）。确保每个区块持续时间不超过10分钟，以维持参与者的注意力。
7. 编写一个两选项强制选择的触觉检测任务程序¹¹，其中刺激强度由贝叶斯自适应心理物理阶梯法控制¹²。
   1. 在每次试验中，呈现两个持续1秒的时间间隔，由三声提示音标记（5 kHz、3 kHz 和 5 kHz，持续时间100毫秒），触觉刺激出现在其中一个间隔的中间。要求参与者通过脚踏板选择刺激出现的时间间隔（左踏板表示第一个，右踏板表示第二个）。参见示例代码2，其中展示了时间间隔的运行和评分方式。
      注意：计算机将反应评分标记为“正确”或“错误”，自适应阶梯程序据此选择下一个呈现的刺激强度。
      注意：该方法用于确定在测试部位检测振动的阈值。

图 1. 实验设计。该图展示了实验的装置布局及所用材料。详见正文。

3. 实验步骤

1. 获得书面知情同意书。让受试者坐在椅子上，双脚舒适地放在反应脚踏板上，并向其解释实验流程。
2. 测量并记录左前臂背侧的长度。绑上绑带，使触觉刺激器位于肘内侧夹角与腕横纹之间前臂中点处。
3. 用弹力绷带在手臂上松散缠绕数圈，以固定触觉刺激器。
4. 指导受试者将左臂放在桌面上，右肘置于扶手上。为受试者佩戴眼罩，防止其看到刺激或掩蔽刺激的位置，并指示其在整个实验过程中直视前方。
5. 首先进行20次练习试验（不使用掩蔽刺激），以使受试者熟悉触觉检测任务，并适应触觉刺激。
6. 完成练习试验后，开始正式实验，以随机且交叉平衡的顺序运行各条件组块。在开始每个组块前，确保手臂和掩蔽刺激处于正确位置。
   1. 对于每种条件，将掩蔽刺激置于预先设定列表中的指定位置，并在完成每项条件后将其划去。在整个数据采集试验组块期间持续保持掩蔽刺激的位置，施加的压力应大致恒定。掩蔽刺激可通过薄衣物施加。
   2. 运行实验程序，程序将自动执行预先设定数量的试验。每完成一个短的试验组块后，安排2分钟的休息时间。完成某一组块后，选择下一个掩蔽刺激的位置，再次运行程序。重复此过程，直至所有试验完成。

4. 数据分析

1. 可视化并验证自适应阶梯程序返回的阈值估计结果¹²，使用累积高斯函数拟合参与者的数据。从50%（随机水平——0和1数量相等，即错误与正确反应数量相等）到100%（全部为1，全部正确）的累积高斯函数（S型函数）公式为：
   正确反应的概率 = 0.5 + 0.5/(1+exp(-(x-x0)/std))
   其中x为测试的强度值，x0为75%阈值，std为估计的标准差。该公式可使用任意曲线拟合软件对数据进行拟合，并将拟合得到的x0值与自适应阶梯法所得值进行比较。
   1. 确保曲线位于50%（随机水平）和100%之间。进行统计分析（例如，对实验各条件下获得的75%阈值数据进行t检验或方差分析（ANOVAs）例如，比较不同掩蔽位点之间的差异，以确定所测试条件之间是否存在任何差异。
2. 为了识别离群值，需计算给定条件下数据的均值和标准差。将每位参与者的得分与均值进行比较，若某个体得分与均值的差异超过2个标准差，则将其视为离群值，并从分析中剔除。如有需要，也可采用其他判定标准。
3. 为标准化触觉刺激器强度值（单位为任意单位）的数值，将其转换为相对于对照阈值的分贝值（该阈值在掩蔽刺激施加于对照位点时测得）。 例如，肩部）。使用此公式：
   分贝 = 10 × log₁₀ （阈值/对照阈值）

结果

数据分析结果已在文献¹³中报道。当对对侧前臂施加振动触觉掩蔽刺激时，受试者前臂的触觉敏感性显著降低（即感觉阈值显著升高）（图2A），表明前臂之间存在对侧掩蔽效应。该效应依赖于掩蔽刺激在掩蔽侧手臂上的位置，当掩蔽位点与测试位点相对应时，效应最强。图2B显示，肢体姿势也影响掩蔽效应的有效性。当双臂相互接触时，掩蔽效应明显强于双臂平行放置时（分别为3.3 dB和0.52 dB）。

图 2. 使用该技术获得的典型数据。 （

讨论

本文详细描述了一种对侧触觉掩蔽的实验方案，并展示了此前使用该技术测定触觉检测阈值的已发表结果。该方法的优势在于采用心理物理学上严格的技术来测量阈值。双选项强制选择（2AFC）程序对反应偏差相对不敏感，因而可减少注意力因素的影响。采用自适应阶梯法逼近真实阈值非常高效，因为大部分数据均在接近阈值强度的刺激条件下采集。在数据采集期间，通过蒙蔽受试者双眼并要求其始终直视前方，可进一步降低注意力带来的影响。

精确测量触觉刺激器施加的实际压力在技术上具有很高的挑战性。仅对设备进行预先校准是不够的，因为实际施加的压力还取决于刺激器与皮肤表面贴合的紧密程度。因此，我们只能对阈值的变化做出判断，而无法获得其绝对数值。由于本实验仅关注掩蔽刺激所引起的变化，因此在该实验设计中这一限制并不构成问题。

通过交替安排每个条件的相对较短的区块（约10分钟）即，每个遮蔽刺激的位置）并以在参与者之间交叉平衡的顺序呈现，以保持参与者的警觉性。

对侧掩蔽有助于揭示身体在大脑中的表征方式，通过...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
C-2 触觉刺激器	ATAC 技术；Engineering Acoustics, Inc.		http://www.atactech.com/PR_tactors.html
魔法棒	日立		http://magicwandoriginal.com/magic-wand-original/
FC5 脚踏板	雅马哈公司		http://ca.yamaha.com/en/products/music-production/accessories/footpedals/fc5/?mode=model
MATLAB	The Mathworks, Inc.		http://www.mathworks.com/products/matlab/
魔术贴	Velcro Industries B.V.		http://www.velcro.com/