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触觉半自动被动手指角度刺激器（TSPAS）

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DOI：

10.3791/61218

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2020年7月30日

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1Cognitive Neuroscience Laboratory, Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University, 2Cognitive Neuroscience Laboratory, Graduate School of Interdisciplinary Science and Engineering in Health Systems, Okayama University, 3Center for Information and Neural Networks, National Institute of Information and Communications Technology, 4Section on Functional Imaging Methods, National Institute of Mental Health, 5School of Education, Suzhou University of Science and Technology, 6Beijing Institute of Technology

本文内容

摘要

本文介绍了一种触觉半自动被动指腹角度刺激器TSPAS，这是一种评估触觉空间敏锐度和触觉角度分辨能力的新方法。该方法采用计算机控制的触觉刺激系统，将凸起的角度刺激施加于受试者的被动指腹上，同时对移动速度、距离和接触持续时间进行精确控制。

摘要

被动触觉感知是指被动且静态地感知来自皮肤的刺激信息的能力；例如，手部皮肤对空间信息的感知能力最强。这种能力被称为触觉空间敏锐度，通常通过触觉阈值或分辨阈值来衡量。目前，两点阈值被广泛用作评估触觉空间敏锐度的指标，但已有大量研究表明，两点分辨测试存在关键性缺陷。因此，研究人员开发了一种由计算机控制的触觉刺激系统——触觉半自动被动指腹角度刺激器（TSPAS），采用触觉角度分辨阈值作为评估触觉空间敏锐度的新指标。TSPAS 是一种结构简单、易于操作的系统，可在控制移动速度、距离和接触时间的同时，向受试者的被动指腹施加凸起的角度刺激。本文详细描述了 TSPAS 的各个组成部分，以及计算触觉角度分辨阈值的操作流程。

引言

触觉感知是躯体感觉系统处理的感觉中一种基本形式，包括触压觉和触觉感知。被动触觉感知与主动探索相对，指的是物体移动并与静止的皮肤发生接触1,2。与其他感觉类似，触觉感知中的空间分辨能力，也称为触觉空间敏锐度，通常以触觉阈值、检测阈值或辨别阈值来表示2,3。在过去100年中，两点辨别阈值常被用作衡量触觉空间敏锐度的指标4。然而，许多研究表明，两点辨别阈值作为触觉空间能力的指标是无效的，因为两点辨别（TPD）无法排除非空间线索（例如，若两点过于接近，可能仅位于单个传入神经的感受野内，从而容易引发增强的神经活动），且难以维持稳定的行为反应标准3,4,5。由于TPD存在诸多缺陷，目前已发展出若干新的、有前景的替代方法，例如触觉光栅方向辨别（GO）3,6、两点方向辨别5、凸起字母识别、缝隙检测7、点阵图案、Landolt C环8以及角度辨别（AD）9,10。目前，由于GO在操作上的优势，以及所用刺激在空间结构和复杂性方面的特点，GO正被越来越多地用于测量触觉空间敏锐度11,12,13。

尽管触觉方位辨别（GO）被认为依赖于潜在的空间机制，从而能够可靠地测量触觉空间敏锐度，但目前仍存在争议，即GO的表现是否部分受到非空间线索的影响14（例如，可能提供线索以区分不同方位刺激的强度性信号）。此外，GO仅包含简单的空间方位任务（即水平与垂直方向），且主要涉及感觉处理过程，这限制了其在探究初级躯体感觉皮层中的触觉初级处理与后顶叶皮层（PPC）及缘上回（SMG）参与的触觉高级加工之间层级交互作用时的应用15,16,17。为了弥补这些局限性，研究者开发了触觉角度辨别（AD）任务以测量触觉空间敏锐度9,10。在AD任务中，成对的角度被动地滑过指尖，其大小各不相同，受试者需要判断哪一个角度更大。为了持续完成该任务，必须在工作记忆中表征并存储触觉角度的空间特征，随后对其进行比较和辨别。因此，触觉AD不仅涉及初级感觉处理，还涉及触觉感知的高级认知功能，如工作记忆和注意力。

与多种线条方向感知测试类似，在触觉角度辨别（tactile AD）测试中，受试者会依次感知一个参考角度和一个比较角度，并被要求指出哪个角度更大18,19,20,21。构成角度的线条长度相等，并沿一条假想的角平分线对称分布。通过对面状线条的空间维度进行对称调整，可形成各种凸起的平面角度。因此，该方法的一个关键优势在于，待区分的角度具有相似的空间结构。此外，在AD测试中获得的空间表征比在GO测试中更具序列性。然而，AD阈值表明，触觉空间敏锐度足以支持对物体进行空间分辨22。进一步地，角度的触觉空间感知可能从点到线逐步形成，最终构成一个二维平面角度，在此过程中非空间线索可能仅起较小作用。

AD 阈值随年龄增长而升高，这可能是由于触觉 AD 任务需要较高的认知负荷所致。因此，该指标可能为认知功能障碍的诊断提供一种监测机制9,10。尽管 AD 表现会受到与年龄相关功能下降的影响，但在年轻人中，通过持续训练或类似的触觉任务训练可显著提升其表现23。此外，fMRI 研究表明，延迟匹配样本的触觉角度任务可激活与工作记忆相关的大脑皮层区域，例如顶叶后皮层17,24。这些发现提示，触觉角度辨别是一种有前景的评估方法，可用于测量涉及高级认知功能的触觉空间敏锐度。本文详细描述了触觉 AD 设备及其使用方法，其他触觉研究者可据此复制该设备并应用于自身研究中。

触觉AD设备，即触觉半自动被动式手指角度刺激器（TSPAS），利用电子滑台将一对角度刺激物被动地滑过皮肤（图1）。受试者的手臂舒适地平放在桌面上。右手置于桌面的手板上，食指指腹略低于手板开口处。计算机软件可控制滑台，以恒定速度前后移动。当滑台向前移动时，角度刺激物从指尖开始，以固定速度被动滑过皮肤。当滑台返回起始位置并更换为另一对角度刺激物时，受试者需将食指抬起，等待指令后再次轻轻放回开口处。因此，该设备能够以可控的速度、稳定的接触时长和恒定的刺激间间隔呈现触觉角度刺激。受试者口头报告序列号，实验者将其记录为反应，并继续进行下一次试验。

触觉角度刺激电滑装置示意图，含PC信息线缆；感觉装置设置。
图1：TSPAS系统概览。
该设备由四个部分组成：1）触觉角度刺激装置（即一个参考角度和十个比较角度）；2）手部固定板，用于固定受试者的手部位置，仅使食指与刺激物接触；3）承载触觉刺激物的电子滑块；4）个人计算机（PC）控制系统，用于控制电子滑块的移动速度和行程距离。请点击此处查看此图的放大版本。

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方案

所有受试者均按照冈山大学当地医学伦理委员会的规定签署了书面知情同意书。测试程序已通过冈山大学当地医学伦理委员会的审查并获得批准。

1. 仪器设备的详细组成与功能

  1. 触觉角度刺激
    1. 触觉空间感知系统（TSPAS）利用二维（2D）凸起角度被动滑过皮肤，形成角度的触觉空间表征（图2）。这些触觉角度由塑料线条和方形基座组成，均采用透明亚克力板制成。由于构成角度的线条长度相等且对称，通过对称地改变线条的空间尺寸，可生成各种类型的凸起平面角度。
    2. 使用铣床将亚克力板切割成由两条等长线条（8.0 mm 长、1.5 mm 宽、1.0 mm 高）组成的折线，两条线沿假想角平分线对称分布，并同时切割出方形基座（40.0 mm 长、40.0 mm 宽、3.0 mm 高）。
    3. 将折线粘贴至方形基座中心，制成一个二维凸起触觉角度刺激物。
    4. 制作角度大小从50°到70°、以2°为增量的刺激样品。这些角度的端点间距（d，见 图2）分别为6.8 mm、7.0 mm、7.3 mm、7.5 mm、7.8 mm、8.0 mm（60°角）、8.2 mm、8.5 mm、8.7 mm、8.9 mm 和 9.2 mm。为将端点间距对角度辨别能力的影响降至最低，选用60°角作为参考角度，其余角度作为比较角度。
    5. 共制作20对用于辨别测试的角度刺激，包括20个相同的参考角度和10对相同的比较角度，其测量精度为±0.2°。确保在每对角度测试中，参考角度有50%的概率首先呈现。该实验可方便快捷地通过更换触觉角度刺激物进行更新。

带测量值的角度比较示意图；小角度、参考角度、大角度；结构分析。
图 2：触觉角度刺激示例。
（A）参考角度（60°）及实验中使用的十个比较角度中的两个（50° 和 70°）的示例。特别地，图中绘制了参考角度的详细参数。d 表示端点间距，R 表示局部顶点处的曲率半径，r 表示端点处的曲率半径。（B）三维视角下的凸起角度示例。从三维视图可见，凸起线条的高度为 1.0 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 手部固定板
    1. 为稳定受试者的手部，制作一个垂直于电子滑轨的手部固定板（图3）。首先，使用铣床将一块5.0 mm厚的丙烯酸板切割成14.0 cm × 22.0 cm的矩形板，然后用胶带和胶水将该矩形板固定在一个底座上（底座宽14.0 cm，长14.0 cm，高8.5 cm）。随后，使用铣床在板的左上角切割出一个矩形开口（宽2.5 cm，长5.0 cm），以便仅允许食指接触角度刺激。实验前，用尼龙绑带固定受试者的右手腕部，然后指导受试者将右食指轻轻放置在板的开口处。

静态平衡；显示固定的手、食指、角度刺激移动方向的示意图。
图3：受试者的手部位置及触觉角度刺激的移动方向。
受试者的右手用尼龙胶带固定，并被要求将右手指尖放入平板上的开口中。角度刺激物被夹在装置上，并通过电子滑台进行水平移动，以被动滑过指尖指腹区域。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 电动线性滑台
    1. 该电子滑台的最大移动距离为 51.0 cm，通过一个尺寸为高 5.0 cm、宽 5.4 cm、长 71.0 cm 的直线运动电机进行直线移动（参见材料表），构成一个直线运动系统。将电机连接至个人计算机，并使用专用的数据编辑软件设置和编辑各项数据（参见材料表）。确保这些设置能够使电子滑台从参考点开始，以指定速度移动到指定距离的位置。在将角度刺激从任意位置直接移动到特定位置时，此功能是必需的。
  2. 计算机控制系统
    1. TSPAS 是一个半自动、由计算机控制的系统。用于控制滑台运动的数据编辑软件是基于 PC 的软件，用于编辑电动执行器运行所需的数据。在实验中，设定每次试验时滑台的运动速度为 20 mm/s，移动距离为 80 mm。每次点击按钮时，滑台即按照预先设定的参数进行移动。

2. 运行实验

  1. 实验前，首先在数据编辑软件中将运动模式设置为“INC”，运动距离设置为“80 mm”，运动速度设置为“20 mm/s”，运动方式设置为“single”，轴设置为“ID = 0”（参数设置方法详见材料表中的操作手册），以确保电子滑台能够以80 mm的距离和20 mm/s的速度前后移动，同时也可实现其他距离和速度的运动。
  2. 招募手指无损伤和老茧的受试者。尽量招募年龄在18–35岁之间的男性和女性受试者数量相等。需注意，女性与男性受试者之间，以及老年与年轻受试者之间在触觉空间敏锐度上存在差异25,26。
  3. 将受试者双眼蒙住，并让其坐在装有实验装置的桌旁（图1）。使用尼龙绑带固定受试者的右手，随后指导其将右手中指轻轻放置于手板的开口处（图3）。
  4. 在滑台上夹持一对角度刺激器，包括参考角度和比较角度。点击按钮后，这对角度刺激器将滑动总距离80 mm，并以20 mm/s的速度被动地滑过中指指腹。由于参考角度与比较角度之间距离为31.8 ± 0.8 mm，因此其刺激间时间间隔约为1.6 s。
  5. 当受试者感知到两个角度的大小后，口头报告哪一个角度更大。若受试者无法判断哪个角度更大，可表明两个角度相同。将受试者的回答记录为反应数据。随后，下一对角度将以相同方式持续更换、呈现并被感知。
  6. 正式实验中共有10对角度刺激。每对角度以伪随机顺序呈现10次，其中参考角度有50%的概率先通过。因此，实验共包含100次试验。为避免中指产生不适感，每完成20次试验后让受试者休息3分钟。实验前，每位受试者需使用其他角度进行10次练习试验，以熟悉实验流程。整个实验持续时间约为40分钟。

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结果

本研究采用三点强迫选择法（3AFC）和逻辑斯蒂曲线来估计触觉角度辨别（AD）阈值。要求受试者口头报告感知到的两个角度中较大的一个；如果未能察觉差异，也可报告两者相同。逻辑斯蒂曲线方程已被广泛应用于心理物理学实验以测量阈值27,28,29，其方程为：

逻辑斯谛增长方程 y=1/(1+e^(a+βx))，数学公式，统计分析。

在此方程中，有两个关键参数 α 和 β。β 代表逻辑曲线的增长速率，而 -α...

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讨论

本文介绍了一种新的触觉空间敏锐度测量方法——触觉角度辨别（tactile AD）。在该系统中，一对角度被动地滑过受试者固定不动的食指指腹。触觉AD结合了两点辨别觉（GO）和两点辨别距离（TPD）的优点，减少了强烈刺激线索和单个触点神经峰电位频率的影响。本研究表明，随着参考角度与比较角度之间的角度差发生变化，感知辨别能力也随之呈现渐进式变化4。除了可用于评估年龄效应、训练效应以及认知功能障碍的诊断监测外9,10,23，触觉AD也是一种有价值的触觉空间敏锐度测量指标。然而，其变异性仍需在后续研究中进一步验证。例如，触觉AD应与其他已被验证的触觉空间敏锐度测量方法（如图形或盲文字符辨别能力）存在相关性7,8。

与其他测量触觉空间感知的方法类...

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披露

作者声明不存在任何竞争性利益冲突，无论是财务方面还是其他方面。

致谢

本工作得到了日本促进科学振兴会（JSPS）科研资助项目JP17J40084、JP18K15339、JP18H05009、JP18H01411、JP18K18835和JP17K18855的支持。我们还感谢实验室技术人员（Yoshihiko Tamura）在制作抬高角度装置方面提供的帮助。

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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
亚克力板（3 mm）MonotaRO Co.,Ltd.33159874优质材料
亚克力板（1 mm）MonotaRO Co.,Ltd.45547101优质材料
EZ limo（简易直线运动电机）ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in JapanEZS3优质电动线性滑台
数据编辑软件ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in JapanEZED2易于使用
操作手册（Orientalmotor）ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in JapanHL-17151-2优质指南手册

参考文献

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