标准化脑电图协议，用于比较皮层对机械和电触觉刺激的反应

摘要

该概念验证协议详细记录了通过奇异和游移范式对电和机械刺激引发的体感诱发电位的脑电图记录。

摘要

触觉界面中真实触觉反馈的发展依赖于理解电刺激与机械刺激的神经处理。提出了一种使用脑电图（EEG）直接比较两种方式的方案。该方案详细说明了实现精确脑电图-刺激器同步的程序，校准特定受试者的电和机械刺激，并实施奇数和流动范式，以比较早期事件相关电位（ERP）与不匹配负向（MMN）成分。概念验证方案在四名健康参与者中得到了验证，每位参与者分别对应不同的实验条件：右手食指在移动或奇数范式下进行机械或电刺激，操作持续时间（100毫秒对比145毫秒）。此外，第5^{名参与者在} 100毫秒时经历了交替模态的游移范式。在单模态刺激下，游荡范式在检测两种模态的体感ERP和电刺激中可辨识的MMN样成分方面比奇异范式更为灵敏。使用游荡范式进行的跨模态比较同样显示出明显的MMN样成分，但仅限于电刺激。这些结果表明，当前的协议适合将神经活动与感知相关起来，并直接比较人工与自然感觉的皮层处理。该框架是开发能够引发皮层反应、与机械触觉无异的电刺激协议的必要步骤。

引言

触觉技术的一个根本挑战是通过皮肤与机器的界面重现自然的触觉感受。这需要复制自然刺激所引发的精确时空神经活动模式。虽然机械执行器可以模拟物理相互作用，但表皮电刺激机械感受器则提供了一种紧凑且^{多功能的替代方案}。然而，电刺激常常引发不自然或不适的感觉异常。直接比较神经对电刺激和机械刺激的反应是一个新颖的兴趣领域 ^2,3，提出了一个问题：精细的电信号协议能否激发与自然机械触觉密切相似的皮层反应？

脑电图（EEG）为回答这一问题提供了理想的工具，能够以高^{时间分辨率捕捉}皮层对体感刺激的反应。关键指标包括早期事件相关电位（ERP），反映刺激特征^的初始皮层处理5，以及错配负性（MMN）成分^6,7。MMN是一种预注意变化检测反应，通常在奇异范式中引发，当一系列重复的标准刺激被罕见的偏差刺激8打断时，它发出感官预测被^{破坏的信号}。这种反应是感官辨别与记忆之间强烈的电生理相关。一种互补方法是游荡范式，通过呈现重复刺激的短序列高效生成MMN;新列车的第一个刺激因其新颖性而被视为偏差，提供了比经典奇异范式9更平衡的标准和偏差^数量。

尽管MMN在听觉和视觉领域已有广泛特征，但缺乏跨体感亚模态的标准化比较框架。以往的研究分别建立了对机械^刺激6,7和电刺激10,11,12的可靠MMN反应。然而，缺乏使用时间精确且感知匹配刺激进行直接的受试者内部比较，阻碍了有意义的结论。这一方法学上的空白从根本上限制了评估人工诱发电反应是否与自然机械触觉相同的预注意变化检测机制的能力。

为解决这一方法学限制，开发了一套标准化脑电图协议，实现电刺激和机械刺激的直接神经比较。现有方法确保：精确的脑电图-刺激器同步，参与者特异的电学校准至显著但非惩戒性水平，应用标准化机械刺激，并实施奇异和流动范式，以比较不同模态中的ERP和MMN。

首先评估了每种范式在不同持续时间的机械和电刺激下诱导清晰ERP和MMN的能力。奇异范式仅在电刺激时产生可辨识的ERP，且未能在任一模式下诱导MMN。相比之下，游荡范式成功引发了两种模态的ERP以及电刺激中显著的类似MMN成分。利用流动范式的敏感性，进行了直接的跨模态比较，使用交替的机械和电刺激链进行。两种方式均观察到清晰的ERP，而仅通过电刺激引发明显的MMN样成分。尽管这些初步结果基于每个病症的单个参与者，但它们展示了这一标准化框架指导电刺激方案开发的潜力，这些方案最终能够引发与自然机械触觉无异的皮层反应。

直到最近，MMN对电刺激和机械刺激的反应才被直接比较，且目前仅使用脑磁图^12,13。因此，拟议方案是首个提供统一且详尽的脑电图框架，用于记录体感MMN——该框架既由电刺激也通过机械刺激诱发，并作为标准和偏离刺激在同一实验设计中实现。该方案的关键创新不在于脑电图的准备本身，而在于将刺激、记录、同步和分析整合成一个全面的端到端方法，实现了体感处理的直接跨模态比较。脑电图准备程序遵循既定的最佳实践，基于先前发布的方案¹⁴。虽然脑电图设置的部分方面也已在基于视频的格式中得到^展示，但这些方法尚未与精确控制的电和机械触觉刺激结合，也未应用于MMN范式。通过整合这些要素，本协议扩展了现有方法，并为体感预测和偏差检测的机制性研究提供了可迁移的框架。

方案

当前实验方案按照天狼星大学人类调查委员会的伦理指南进行（批准日期：2025年6月10日）。在收集数据前，每位参与者都会获得书面知情同意。排除标准包括植入心脏起搏器或其他电子设备、癫痫或癫痫病史、怀孕或刺激部位的皮肤病。

1. 多模态刺激系统

1. 使用定制的多模态刺激器，以传递精确控制和同步的体感刺激。该系统由一个控制单元和一个刺激模块组成，专为高精度神经生理学研究而设计。
   注：虽然为本研究定制，但类似的实验需求也可由商业系统满足，如迷你震动器4810⁶ 型和Digitimer DS7A¹⁶。

2. 实验装置

1. 使用64频道主动脑电系统记录脑电信号。将接地电极定位在Fz（10–10系统），并将参考电极放在机头尖端。在10 kHz采样数据，并应用1–40 Hz的带通IIR滤波器。通过TTL触发同步刺激和脑电系统，触发时长针对每种刺激类型单独设置（20-100毫秒，20毫秒为单位）。使用MATLAB实现的定制脚本进行离线数据分析。
2. 执行一项控制任务，即在受试者的手保持在刺激表面之外时，向刺激器发送机械刺激，四名受试者，以确保ERP不是由振动执行器产生的听觉噪音引起的。

3. 脑电图准备

1. 测量参与者的头围，识别解剖标志（内侧、内侧和左右前耳前点）。请根据相应的电容选择脑电图帽的大小。
2. 将帽顶置于中心电极（Cz）位置。通过测量从Cz到鼻孔、离子点以及两个前耳点的距离来验证对齐，以确保对称性。使用国际的10-10电极放置系统。
3. 根据制造商规格，将所有电极引脚连接到脑电图放大器。
4. 每个电极部位的准备方法包括分开头发，用磨料凝胶轻轻磨擦皮肤，并用酒精清洁。用导电凝胶填充每个电极腔。先施加接地电极和参考电极以确保连接稳定。
5. 确认电极信号质量符合制造商推荐标准，确保低噪声水平和可靠记录生理活动，阻抗值（如有）在可接受范围内（通常低于10 kΩ）。
6. 布置电极电缆以减少运动伪影，并将其固定在参与者的衣物上，以减轻连接器的负担。
7. 让参与者舒适地坐在显示器前。为了在长时间录制时保持稳定的警觉，请播放一段无声、中立的视频。
8. 检查原始脑电信号，确保各通道的基线噪声一致。确认生理特征（如眨眼、肌肉活动）是否清晰可辨。

4. 刺激设置与阈值确定

1. 用酒精棉签清洁刺激部位（例如惯用手的食指），以减少皮肤阻抗，确保电极与皮肤接触稳定。
2. 将手指放在刺激垫上。让参与者在整个实验过程中保持放松且不动的手势。确保接触稳定。如有，使用装置的自动基线力定位确认稳定压力;否则，请手动确认接触点是否一致。
3. 使用标准化楼梯程序确定电刺激的个人感官阈值¹⁷。
   1. 从1毫安开始刺激，并以0.5毫安为单位逐步增加强度，直到参与者首次报告有感觉。
   2. 先降低0.5毫安，然后以0.1毫安为单位增加强度以精细阈值。
   3. 在每个候选强度下呈现10个刺激，并将阈值定义为最低强度，至少检测到10个刺激中的5个。
   4. 重复楼梯操作三次，计算平均值作为感觉阈值。
4. 确定电刺激的不适阈值。
   1. 从感觉阈值开始，以0.5毫安为单位增加强度。请参与者指出刺激何时变得不愉快或无法忍受。
   2. 将不适阈定义为低于该水平的最后耐受强度。通过施放4-7次测试脉冲确认耐受性。
5. 选择实验的最终刺激强度，作为感官阈值和不适阈值之间的值，通常是两者的算术平均值。
6. 将机械刺激强度设置为可清晰检测，且不会引起不适或可见的手指动作（例如，感觉阈值的两倍）。

5. 刺激序列的准备

1. 一般参数
   1. 将电刺激和机械刺激的脉冲宽度设为200微秒。除非另有说明，标准的持续时间定义为100毫秒，偏差者为145毫秒。刺激间隔（ISI）随机在3.0-5.5秒之间抖动。每种刺激类型至少出现100次。
2. 奇异与流动范式（电刺激和机械刺激）
   1. 在奇异范式中，呈现5到8个标准的序列，后面跟着一个偏差者。典型的怪异区块包括大约100个偏差者和650个标准（共750个刺激）。
   2. 在流动范式中，出现5-8个连续标准，随后是5-8个偏差者。典型的流动区块包括大约100条标准序列和100条偏离序列（每个序列包含5-8个刺激，总共约1300个刺激）。
   3. 同时应用电刺激和机械刺激的两种范式。调整机械刺激的强度，使其清晰可感知，同时保持在不适阈值以下。
3. 联合机电刺激（游荡范式）
   1. 根据模式而非持续时间来定义标准和偏差。同时呈现持续100毫秒的电刺激和机械刺激，以消除持续时间作为混杂因素。
   2. 针对此情况，采用游走序列结构，连续5-8个标准后接5-8个偏差。在这种设计中，标准和偏差者的角色在同一会话中自然交替，消除了跨会话的额外平衡需求。

6. 刺激期间的脑电记录

1. 向参与者解释实验程序，注意不需要对触觉刺激做出行为反应。为了帮助保持稳定的警觉状态，建议播放无声、中立的视频;不过，这只是可选的。告知参与者，他们可以随时退出实验，且不会有后果。
2. 指导参与者在录制过程中尽量减少眨眼、面部肌肉收缩和头部运动。
3. 让参与者使用带有主动降噪功能的耳机，以防止振动执行器的噪音影响大脑反应。
4. 每隔10-15分钟提供短暂休息，以减少疲劳并保持数据质量。在这些休息期间，评估参与者对刺激强度的感知，并在主观感知发生显著变化时调整强度。使用TTL触发器验证刺激器与脑电采集系统之间的同步。
5. 开始以10,000赫兹的采样率记录脑电图，频率至少是刺激频率的2倍。
6. 按照指定的参数（表1）运行刺激序列（电气、机械或机电）。
7. 每个条件至少收集100个偏差试炼。相应调整标准试验数量，保持每个偏差者大约5-8个标准的比例。
8. 除了主实验外，运行对照序列，刺激正常发送到刺激器，但受试者的手置于刺激表面之外，显示无预期ERP/MMN的条件，确认观察到的效果依赖于协议。

7. 脑电图数据预处理与分析

1. 通过检查连续脑电图并去除持续噪声污染的通道来去除伪影。排除因技术中断或过度肌肉活动而影响的时间段。
2. 通过从每个时间点减去每个信道的平均值来校正基线偏移量。
3. 对连续脑电图数据应用1-40 Hz带通四阶IIR滤波器。
4. 将数据分割为与刺激起始时间锁定的历时（−1000毫秒到+1000毫秒）。
   注意：根据我们的经验，使用对称的1秒刺激前后窗口可以更详细地评估数据质量，便于在不影响关键基线周期的情况下应用额外的频率过滤，并能检测与刺激相关的神经节律同步或非同步。
   1. 对于单模态刺激（电气或机械的奇异/流动范式），根据刺激持续时间（100毫秒对比145毫秒）定义标准和偏差纪元。
   2. 对于多模态刺激（结合机电流动范式），根据刺激模式（电刺激与机械模式，均为100毫秒时长）定义标准和偏差纪元。
5. 通过剔除振幅超过+50 μV或在−1000至+1000毫秒间内低于−50 μV的受污染纪元来拒绝。
6. 通过减去刺激前−200毫秒到−50毫秒间的平均值来调整历元基线。
7. 通过计算同一类型（标准或偏差）各时期的平均轨迹，得出平均波形。
8. 通过绘制单个通道或感兴趣区域的ERP来可视化ERP，重点关注刺激后150-350毫秒内的中心时间区域。
   对侧半球：FC5、FT7、C3、C5、T7、CP3、CP5、CP7、P3、P5、P7。
   同侧半球：FC6、FT8、C4、C6、T8、CP4、CP6、TP8、P6、P8、P4。

结果

奇异范式
在机械刺激期间，罕见偏差刺激（145毫秒）与频繁标准刺激（100毫秒）的呈现未能引发清晰可靠的ERP。因此，标准反应与偏差反应之间未观察到显著差异（见图1）。相比之下，电奇异范式产生了可辨识的双边ERP波形。然而，比较标准刺激和偏差刺激仍未得出显著或一致的MMN成分（见图1）。

流动范式
机械移动范式产生了可识别的双边ERP波形。尽管有此改善，比较偏差刺激和标准刺激仍未发现显著的MMN成分（见图2）。电游荡范式更为有效，产生清晰的双侧ERP，重要的是，刺激起始后240-280毫秒出现可辨识的双侧类MMN组分。该MMN在100毫秒和145毫秒刺激持续时间内均可观察到，但在较长持续时间中更为明显（见图2

讨论

本研究建立了一套标准化的脑电图协议，用于人工电刺激与自然机械触觉刺激的直接、受试者内神经比较。其核心方法贡献是一个框架，确保精确的时间控制、参与者特定的感知校准，以及应用不同的实验范式来评估皮层反应。初步概念验证结果虽然样本有限，但展示了该协议的有效性，并突出其指导更自然触觉界面开发的潜力。

ERP在不同范式间的差异性，直接源于它们在定义标准和偏差时采用截然不同的分析方法。在奇异范式中，ERP分别是通过平均所有标准刺激和所有偏差刺激推导出来的。该方法结合了来自不同适应状态的神经反应，导致平均信号变异，因此稀释。相比之动范式采用更为选择性的分析：标准ERP仅由列车内的最终刺激定义，而偏离ERP则由新列车⁹的第一个刺激定义。该方法利用了重复正向效应，即标准ERP的振幅随着列车内重复次数增加而变得更积极。这种渐进式增强使得与后续异常体形成更为鲜明的神经对比。关键是，偏差ERP变得更大，因为刺激在更长的标准序列后更为出乎意料，从而引发更强的神经反应。因此，通过比较高度适应的标...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
actiCHamp Plus 多功能一体化实验室放大器	Brain Products GmbH	声明ACBM17120955	主要脑电数据采集系统
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	64通道的主动电极帽
数码定时器DS7A	Digitimer 有限公司	UDI-DI的 5060490360003	电刺激器
MatLab	美国马萨诸塞州纳蒂克的MathWorks公司
迷你震动器4810型	布鲁姆尔;EL &Kjær	BP-0232	机械刺激器
光传感器	Brain Products GmbH	无	用于刺激起始的光学检测
屏蔽房间内罗科尼卡“专家”	Neiroiconica辅助有限公司	S/N 20210119011	电磁屏蔽室
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH	编号 TB-A100009-0624	TTL触发器的同步接口