本方案描述了一种利用同步脑电图和心电图记录来研究心脏相位依赖性视觉事件相关电位调制的方法。该方案详细说明了刺激同步化、心脏相位分割以及在收缩期和舒张期进行事件相关电位分析的过程,适用于传统的二维环境和沉浸式虚拟现实环境。
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本方案描述了一种利用同步脑电图和心电图记录来研究心脏相位依赖性视觉事件相关电位调制的方法。该方案详细说明了刺激同步化、心脏相位分割以及在收缩期和舒张期进行事件相关电位分析的过程,适用于传统的二维环境和沉浸式虚拟现实环境。
心跳是一种基本的生理节律,不仅维持生命活动,还能调节感知和神经过程,从而影响事件相关电位(ERPs)的可重复性。尽管虚拟现实(VR)相比传统的二维(2D)屏幕能提供高度沉浸的环境,但也为电生理记录带来了独特挑战,包括运动伪迹、呈现延迟以及可能更强的心源性调制。这些因素会降低标准脑电图(EEG)预处理的效率,导致大量数据丢失。本研究提出了一项详细方案,结合同步记录脑电图(EEG)和心电图(ECG),以在VR和2D条件下研究心-脑相互作用。该方法包括将刺激精确地与心脏信号对齐、校正VR引起的延迟,以及扩展的伪迹管理。根据刺激发生于心脏收缩期或舒张期对EEG片段进行分段分析,结果显示在收缩期视觉ERP振幅受到显著抑制。关键的是,这种抑制效应在VR和2D环境中几乎完全相同,证明了该方案的有效性,并确认这一基本的心-脑相互作用对沉浸程度的变化具有较强抵抗力。因此,该方案为研究心脏对认知的影响提供了一个标准化框架,可适用于多种视觉呈现方式。
心脏的节律性活动正日益被认识到,不仅是一种重要的稳态过程,而且是脑功能和认知的基本调节因素1越来越多的证据表明,心脏信号持续影响着广泛的神经认知过程,包括感知、注意力、情绪调节和意识2,3该心脑轴由来自心血管压力感受器和机械感受器的传入性内感受信号介导,这些信号投射至 通过 脑干至皮层区域,在这些区域与外感受性感觉信息进行整合4,5因此,大脑并非被动地处理外部刺激,而是在身体内部状态的背景下进行处理,而心脏周期的时相正是这种内部状态的关键指标之一。
核心方法学挑战在于揭示心脏神经活动如何影响对外部刺激的加工过程,该过程通过视觉事件相关电位(ERPs)进行测量。这种相互作用最显著的电生理表现是心搏诱发电位(HEP),即一种与心脏收缩时间锁定的特定脑电图(EEG) 活动模式6。HEP 被视为内感受性注意的神经标志,反映了大脑对即将到来的心跳及其对感觉加工影响的预测编码7,8。根据当代模型,大脑利用这些心脏信号在其外部环境中构建身体内部状态的统一表征9,10。实证证据表明,外部刺激的加工过程(包括其感知显著性及潜在的神经相关性)会因刺激呈现于心脏收缩期或舒张期而表现出显著差异11,12,13。在收缩期(即心脏收缩阶段)呈现的刺激始终与受抑制的神经加工相关,表现为事件相关电位(ERP)振幅降低以及行为反应改变,而相比之下,在舒张期(即心脏舒张阶段)呈现的刺激则无此现象14,15,16。这一效应可通过“躯体感觉门控”"(somatosensory gating")假说加以解释,该假说认为大脑在收缩期会暂时抑制外感受信号的加工,以优先处理心脏的内感受信号15,17。
尽管人们对心-脑轴的兴趣日益增长,但标准的事件相关电位(ERP)分析流程仅关注外部刺激,以刺激 onset 为参考对数据片段进行分段,从而忽略了持续的心动周期所引入的显著的试次间变异性。为了准确捕捉视觉事件相关电位(ERPs)在心动周期中的调制效应,需要采用一种根本不同的方法。这种方法要求将刺激呈现精确地与特定心动周期时相同步,并通过同步记录心电图(ECG)加以验证18。目前的文献中尚缺乏标准化、详细且易于重复的完整实验流程,能够全面描述从原始数据采集到统计分析的所有处理阶段,并纳入心动周期时相的影响因素。
随着虚拟现实(VR)等沉浸式技术在神经科学领域的快速应用,出现了额外的方法学挑战。VR 环境提供了高度沉浸和引人入胜的情境,能够创建受控但又具有现实感的实验条件19,20 。然而,在 VR 环境中同步获取高质量的脑电图(EEG)和心电图(ECG)数据存在若干技术难题。这些问题包括潜在的运动伪迹、头戴设备引起的电磁干扰,以及刺激呈现(通常存在固有延迟)、数据采集和运动追踪系统之间实现精确时间同步的关键需求21。这些技术挑战导致目前缺乏专为直接比较传统二维(2D)范式与沉浸式 VR 范式下心源性神经调节而设计的可靠分析流程。这种统一框架的缺失最终阻碍了对沉浸感和临场感如何调节基本脑-体交互机制的研究。
为应对这些挑战,本研究提出了一种全面且分步详述的方法学方案,通过同步记录脑电图(EEG)和心电图(ECG),系统研究心脏周期对视觉事件相关电位(ERPs)的调节作用。该方法的核心在于以心脏R波峰值为参考点对神经数据进行分段,从而根据刺激呈现于收缩期或舒张期对其进行分类。关键步骤是采用一种基于数据驱动的分析方法,对刺激后整个时间窗进行分析,以识别出心脏相位对神经反应产生显著调节作用的特定时间段。本研究的主要贡献有三个方面:(1)提供了一套完整且可视化的实验流程,便于直接复现;(2)对该流程进行了适应性调整并加以验证,用于比较使用标准2D显示器与沉浸式虚拟现实(VR)头显所采集的数据;(3)通过揭示不同情绪效价的面部刺激如何因环境沉浸程度的不同而差异性地调节心脏对神经加工的影响,展示了该方案的实际应用价值。
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本研究经萨马拉国立医科大学生物伦理委员会批准(协议编号 195,日期为 2018 年 10 月 10 日)。所有参与者在研究开始前均签署了知情自愿同意书。最终样本包括 27 名年龄在 19 至 21 岁之间的健康男性志愿者。在测试过程中,每位参与者单独完成了一系列标准化评估。所用试剂和设备列于材料表中。
1. 材料与仪器
注意:在适当情况下使用功能等效的硬件和软件。实验装置的总体布局和连接方式参见图1。实验前请准备好以下设备和软件。一般要求如下所述,具体配置详见材料表。
2. 系统设置与延迟检测
3. 受试者准备
4. 虚拟现实头戴设备佩戴(仅限虚拟现实条件)
5. 记录
6. 脑电图预处理
7. 心脏相位分割(离线)
8. 分段与平均
9. 质量控制与故障排除
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本研究采用一种分析方案,旨在探讨在两个实验环境(标准2D显示器与沉浸式虚拟现实环境)中,心脏周期时相(收缩期与舒张期)内传入性内感受信号对事件相关电位(ERP)的调节作用。脑电图(EEG)片段根据同步记录的心电图(ECG)R波峰值进行提取和分析。
对整个时间窗内在枕区电极(O1、Oz、O2)记录的视觉事件相关电位(ERP)应用的非参数基于簇的置换检验显示,在两种实验环境中,收缩期与舒张期之间的ERP波形均存在持续且具有统计学意义的差异(p < .001,经错误发现率校正)。
在二维环境中,显著性簇从刺激后186毫秒开始,并持续到分析时段的结束。在此簇内,与舒张期相比,锁定于收缩期的试验波形振幅持续降低(图3)。在虚拟现实环境中,观察到几乎相同的结果模式:显著性簇从刺激后178毫秒开始,并延续至整个分析时段。与二维条件相同,收缩期的波形振幅受到抑制(图4)。
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方案中的关键步骤
本方案中有多个步骤对于获得有效的、依赖于心脏相位的事件相关电位(ERP)效应至关重要。首先,刺激呈现与脑电图(EEG)记录之间的精确同步至关重要,必须使用光电二极管量化特定环境下的显示器延迟,并在事件标记层面进行校正,因为未校正的延迟或过大的时间抖动会导致ERP成分的时间弥散。其次,准确检测心电图(ECG)R波峰值并可靠定义心脏相位至关重要,因为对收缩期和舒张期起始的错误分类会直接导致相位分配偏差。第三,必须利用与R波峰值时间锁定的ERP显式评估心脏场效应(CFA),以识别可能对刺激锁定ERP产生差异性影响的残余心脏干扰25,27。第四,应考虑刺激锁定ERP与心电诱发脑电位(HEP)之间可能存在的重叠,因为如果未对重叠的神经反应进行适当建模或控制,其可能导致看似存在的心脏相位效应26。最后,应识别并剔除ERP分析时间窗跨越多个心脏相位的试验,以避免相位混合以及对心脏调制效应的错误解释。
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作者声明不存在利益冲突。
本工作由“天狼星”联邦领土国家项目“天狼星”联邦领土的科技发展(协议 № 28-03,日期 2024.09.27
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| actiCAP slim / snap | Brain Products GmbH | BP-185-2200 | 具有 64 个通道的主动式电极帽。 |
| actiCHamp Plus 多功能一体化实验室放大器 | Brain Products GmbH | S/N ACBM17120955 | 主要的脑电图(EEG)数据采集系统。 |
| Ag/AgCl 一次性电极 26 mm | Nika-Medical Ltd | N/A | 用于三导联心电图(ECG)的一次性电极。 |
| BIP2AUX 适配器 | Brain Products GmbH | N/A | 将心电图输出连接至脑电图辅助输入端口。 |
| Desktop ROG Srtix | ASUSTeK Computer Inc. | G835LR-SA117 | 高性能工作站,用于同时运行虚拟现实系统(HTC Vive)、刺激呈现软件和脑电记录平台(BrainVision Recorder)。 |
| HTC Vive Pro Eye | HTC Corporation | S/N FA1142100443 | 用于沉浸式刺激呈现的虚拟现实系统。 |
| 光电传感器 | Brain Products GmbH | N/A | 用于光学检测刺激起始时间。 |
| Samsung 27" ViewFinity S8 | Samsung Electronics Co., Ltd | S/N 0UYMHNBXB00044D | 二维条件下的主显示设备。 |
| Samsung 27" ViewFinity S8 | Samsung Electronics Co., Ltd | S/N 0UYMHNBXB00030E | 实验者用显示器,用于运行脑电记录软件并在实验过程中监控数据。 |
| Shielded-room Neiroiconica "Expert" | Neiroiconica Assistive Ltd | S/N K20210119011 | 电磁屏蔽室。 |
| Snap Lead Cable | Neurosoft ltd | N/A | 将心电图电极连接至适配器。 |
| TriggerBox Plus | Brain Products GmbH | S/N TB-A100009-0624 | 用于 TTL 触发信号的同步接口。 |
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