人类婴儿伤害性感受的电生理测量与分析

以下实验的总体目标是记录并表征人类婴儿伤害性特异性脑和脊髓活动。通过脑电图（EEG）和肌电图（EMG）技术测量中枢神经系统中的电生理活动来实现这一目标。在实施临床必需的有害操作后，第一步是确保在婴儿接受实验性、触觉以及必需有害刺激时，能够获得高质量的生理记录数据。

接下来，需要对数据应用后处理分析技术，以表征诱发的活动模式。研究结果表明，无法从人类婴儿大脑中记录到明显的特异性脑和脊髓活动。该方法将有助于我们理解发育中的神经系统如何响应有害刺激。

开始本实验前，首先准备婴儿的皮肤，然后在头部放置至少16个独立的一次性脑电图银/氯化银杯状电极。根据改良的国际10-20电极放置系统，使用脑电图导电膏以优化电极与皮肤之间的电接触。此处可见根据国际10-20电极放置系统修改后的脑电图记录电极布局示意图。

使用 FCZ 作为记录的参考电极。ECG 和 EEG 使用相同的接地电极。将接地电极放置在胸部或头部。

然后进行心电图记录，先准备皮肤，并将心电图电极放置在胸部左右两侧。将电极导线绑在一起，以尽量减少电干扰。接下来，在腹部放置一个运动传感器，以测量呼吸。

下一步是准备皮肤，并在双侧腿的腓肠肌上放置肌电图（EMG）电极。现在将脉搏血氧仪探头放置在与将要受到刺激的脚对侧的脚上，并确保探头固定稳妥。检查监护仪上的脑电图（EEG）信号，并确认血氧饱和度和心率信号记录完整，无信号丢失。

最后，架设一台固定在三脚架上的摄像机，对准婴儿的面部，以便记录其面部表情的变化。在摄像机画面中放置一个发光二极管（LED）。该LED与定时电路相连，当给予刺激时会闪烁，以实现脑电图-肌电图（E-E-G-E-M-G）与视频记录的同步。

设置完成后，开始采集数据。启动视频录制，待婴儿状态稳定后，握住其足部，模拟足跟采血操作，同时在脑电图（EEG）和肌电图（EMG）记录中标记事件。该时间段将用于识别背景对照的一段数据。

接下来，通过用橡胶塞轻轻敲击足跟施加触觉刺激。刺激未连接脉搏血氧仪的一侧足部。此处的触觉刺激通过将连接在肌腱锤上的阻抗头的橡胶塞进行事件标记，该装置通过电子方式与记录设备相连。

视频记录通过LED闪光进行事件标记。可施加重复触碰刺激，并可将刺激应用于身体的不同区域，例如肩部。

现在通过将采血针旋转90度并将其贴附于足部以施加对照刺激，使得弹簧加载的刀片释放时不会接触皮肤。待脑电活动稳定后，按照临床常规操作对足跟进行临床必需的穿刺采血。此前视频中所展示的婴儿未接受足跟穿刺操作，此处显示的是另一名婴儿的足跟穿刺过程，其脑电活动已与足跟穿刺时间同步锁定。

应按照对照刺激时的方法进行足跟采血操作。采血后至少30秒内不要挤压足部，以确保记录到的反应完全由采血所致。采集到所需量的血液后，将样本进行临床分析前处理。保存数据并关闭所有记录设备。

然后移除电极。最后，记录婴儿的人口学信息和实验细节。将这些数据输入匿名数据库，以安全保存并供日后参考。

在研究所需的婴儿样本中重复此操作。开始脑电图（EEG）数据分析时，首先创建持续时间为1.7秒的EEG片段，分别对应每次触觉对照、足跟采血刺激以及背景脑电活动。这些片段应从每个事件发生前0.6秒开始。

每种模态对应的 epoch 数量应具有相同的基线，通过减去平均基线信号来校正 epoch。然后进行高通滤波，滤波截止频率为 0.1 赫兹。选择在 CPZ 或 CZ 电极记录的 epoch 进行后续分析，并排除在 50 毫秒内幅度变化超过 50 微伏、受运动伪迹污染的 epoch。

对所有记录重复此步骤。接下来，将从每个婴儿记录的轨迹进行对齐，以校正刺激后 50 至 30 毫秒之间的潜伏期抖动。

在此时间区间内进行主成分分析，以识别与触觉刺激相关的脑电活动——即触觉诱发电位。将EPOCH视为变量和时间点，作为观测值。

主成分分析。将脑电图（EEG）片段分解为基本波形，称为主成分（principle components 或 PCs），以表征信号在不同时间点上振幅的系统性变化。现在将轨迹对齐，以校正刺激后300至700毫秒之间的潜伏期抖动，并在此时间区间内进行主成分分析。对于肌电图（EMG）数据分析，首先计算控制刺激和 Lance 刺激条件下，刺激后前1000毫秒内 EMG 信号的均方根值。

然后对均方根值进行T检验，以确定伤害性特异性脊髓反射性回缩。此处显示的是在50至300毫秒时间窗对齐后，所有刺激类型在CZ导联的总体平均结果。加粗线条表示的主成分反映了一种由触觉和伤害性刺激共同诱发的感觉电位，因为与背景脑电图相比，该成分在触觉和伤害性刺激后的权重显著增大。

相比之下，刺激开始后300至700毫秒之间获得的主成分代表一种伤害性特异性电位。该成分在有害刺激后的权重显著大于触觉刺激和背景状态下的权重。此处显示的是三名婴儿在Cz导联由触觉刺激诱发的感觉电位（蓝色），以及三名婴儿在Cz导联由有害针刺刺激诱发的伤害性特异性电位（绿色）的示例。

最后，我们在此看到一个示例，展示了婴儿在足跟有害穿刺刺激以及无害触觉刺激后的肌电图（EMG）活动。与无害刺激相比，有害刺激后记录的均方根EMG活动显著增强。该技术将为神经科学领域的研究人员理解疼痛信息处理的发育过程提供重要途径。