微分热感集中注意建议期间同步 fMRI/EEG 数据收集方法
January 5th, 2014
我们提出同时收集 EEG/fMRI 数据的协议，并同步 MR 时钟信号记录。我们使用一种独特的范式来证明这种方法，即受试者在扫描过程中收到"冷手套"指令，EEG/fMRI 数据与催眠感应前后的手部温度测量一起记录下来。
嗨，我是 Pamela Douglas，加州大学洛杉矶分校 Semi 研究所的博士后学者和持牌催眠师。在下面的演示中，我们演示了同时收集 E-E-G-F-M-R-I 数据的方法和用于差分测温的 MR 兼容设备。我们使用此处称为冷手套实验的独特范式来介绍这种方法，并记录催眠诱导前后的数据。
我们首先收集并发的 E-E-G-F-M-R-I 数据和手部温度测量值，同时受试者通过兼容 MRI 的耳机收听录音带，该耳机指示他们想象他们的左手越来越冷，也称为冷手套范式。然后在催眠诱导期间记录单模态 EEG 数据。在催眠诱导后再次同时记录 E-E-G-F-M-R-I 冷手套数据，并使用我们的 MR 兼容差温测量设备在整个实验过程中记录手部温度测量值。
最终，我们的 E-E-G-F-M-R-I 数据收集方法通过非侵入性地提供具有高时间和空间分辨率的多模态数据，在许多实验范式中可能有用。重要的是，大脑信号处理的非平稳方面使并发记录比串行数据收集非常有利。大家好，我是 Mark Cohen，加州大学洛杉矶分校 （UCLA） 塞米尔神经科学与人类行为研究所 （Semial Institute for Neuroscience and Human Behavior） 的 Staglin 认知神经科学中心的技术总监。
在本视频中，我们将演示如何同时记录脑电图或脑电图数据、功能性磁共振图像和手部温度测量，所有这些都在催眠下进行定量改变。我们开发并利用了用于这些测量的专用技术，并结合了专为适应实验方案而设计的催眠诱导程序。同时收集 EEG 和 FMRI 特别困难，因为每个设备都会在另一个设备中产生伪影。
MRI 对 EEG 的影响尤其具有挑战性，因为成像系统的 RF 部分利用高达数百伏的信号，而梯度以每秒 45 特斯拉的速度施加时变磁场。同时，头皮上微小的脑电图信号只有几微伏。即使在 MRI 中测量温度也有障碍。
通过电子设备传播的寄生射频电流是一个先验的安全问题，数字温度记录设备的低水平发射会污染 MR 图像。EEG 放大器由电测地线专门设计，可在非常非常靠近成像磁体的地方工作。几乎所有 AMP 的铁磁成分都被移除，然后将其封闭在现场隔离围堵系统或固定装置中。
您可以通过将固定外壳的大小与同一家公司的标准 EEG AMP 进行比较来了解固定外壳。每个 EEG 输入都经过电滤波，以排除射频能量耦合到电池供电放大器中。为了同时收集 EEG 和 FMRI，两台仪器的计时必须以纳秒精度对齐。
但是，为了保护屏蔽，不应将有线电信号带入或带出扫描室。为了确保这一点，Electrical Geodesics 的工程师构建了我们的同步 E-E-G-F-M-R-I 系统，以便定时信号和数字化数据都通过光纤通过这些端口传输。催眠诱导从催眠治疗师的简短访谈开始。
然后使用称为手臂举臂技术的 idio 运动建议进行催眠诱导过程。EEG 数据使用 2 56 通道 MRI 兼容记录。在整个实验过程中，应每隔大约 20 分钟监测一次 GEODESIC 传感器电极中的净阻抗水平。
然后通过 12 点斯坦福催眠易感性量表 C 评估催眠易感性，然后受试者进入 MRI 扫描室同时收集 E-E-G-F-M-R-I 数据。催眠诱导后，我们开发了一种设备，可以在催眠冷手套建议的同时 E-E-G-F-M-R-I 期间收集手部温度差异测量值。该设备由两个连接到放大器和数字显示器的 L 34 温度传感器组成。
两节 9 伏电池为内部电子设备供电。我们之所以选择 LN 34 传感器，是因为其在生理范围内的线性温度响应。我们执行了校准步骤，以解决组件中的任何 nonies。
就在实验之前，我们通过将两个温度传感器浸入水浴中来确定设备的零点。在实验过程中，与零点的任何偏差都表明受试者手部的温度之间存在差异。这个记录的温差使我们能够量化冷手套建议的效果，我希望你想象和想象你看到从指尖到你的手指，到你的手，到你的手腕完全被淹没了。
左手下方完全浸没在冰水中。当你继续观想、想象、创造这种惊人的感觉时，你的左手完全冰冷和麻木，麻木和冰冷，手完全没有感觉。你越是尝试感受它，你的感觉就越少，右手继续变得更暖和。
随着左手继续变得冰冷、冰冷，几乎就像你的手变成了蓝色。你甚至可以相信它有能力做到这一点，但它从指尖到手指再到手腕都在做。我们提出了一种多模态记录方法，以揭示原本不可见的认知过程的电生理、运动和神经血管关联。
与收集 FMRI 或 EEG 和隔离的既定方法不同，组合方法可以暴露两个大脑信号之间的联系，Quint 与超高密度 256 通道 EEG 耦合。可以共同定位信号，并对在磁共振研究中表现为血流改变区域的电源做出合理的推断。
概述
本文介绍了一种用于同时收集脑电图和功能性核磁共振成像数据的新型协议，以及同步的核磁共振时钟信号记录。该方法通过一种独特的范式（冷手套实验）进行演示，在这个实验中，受试者在催眠诱导过程中会体验到手部温度的变化。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 功能成像
背景
- 由于设备产生的伪影，同时进行脑电图和功能性核磁共振成像数据采集具有挑战性。
- 催眠可以改变生理反应，使其成为一个有价值的实验范式。
- 差分温度计可以提供对认知过程的洞察。
- 现有的方法通常仅孤立脑电图或功能性核磁共振成像，限制了多模态数据分析。
研究目的
- 开发一种用于同时采集脑电图和功能性核磁共振成像数据的方法。
- 探索催眠诱导对手部温度感知的影响。
- 通过多模态数据增强对认知过程的理解。
使用的方法
- 使用专门设备进行同时脑电图和功能性核磁共振成像数据采集。
- 在催眠诱导过程中实施冷手套范式。
- 使用核磁共振兼容的差分温度计进行温度测量。
- 校准温度传感器以确保准确读数。
主要结果
- 成功收集了揭示大脑和生理反应的多模态数据。
- 证明了同时进行脑电图和功能性核磁共振成像记录的可行性。
- 量化了催眠暗示对手部温度的影响。
- 显示该方法可以揭示认知过程和生理变化之间的联系。
结论
- 开发的方法允许进行高分辨率、无创数据采集。
- 同时记录相比传统的串行数据采集具有优势。
- 这种方法可以应用于神经科学的各种实验范式。
常见问题
Executive Industry Relevance
Concurrent EEG/fMRI data collection enables high-resolution, non-invasive assessment of brain activity and physiological responses, supporting mechanistic de-risking in target validation. The method provides predictive confidence by linking cognitive processes to measurable neurovascular and electrophysiological changes. This approach enhances translational continuity from discovery through preclinical research by capturing multimodal outputs under controlled experimental conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by measuring EEG power spectrum changes during hypnotic induction.
- Operational Value: Enables biological de-risking through simultaneous detection of hand temperature differentials and neural activity.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by quantifying physiological responses to cognitive manipulations.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows via MR-compatible differential thermometry.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through synchronized EEG/fMRI data collection.
- Scalability: Highlights platform reuse potential with ultra-high density 256-channel EEG and optical fiber signal transmission.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Discusses disease relevance through cognitive process modeling via the cold glove paradigm.
- Operational Value: Describes continuity from discovery through preclinical validation by capturing linked electrophysiological and motoric responses.
- Risk-Adjusted Advancement: Addresses mechanistic de-risking by exposing linkages between brain signals and physiological changes.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions itself within the discovery continuum from hypothesis testing to lead identification by enabling multimodal data capture under controlled cognitive states.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification through concurrent EEG/fMRI and temperature measurements.
- Screening: Describes assay readiness and quantitative outputs via MR-compatible differential thermometry and synchronized data acquisition.
- Analytics: Highlights measurements and statistical outputs that help teams compare pre- and post-hypnotic induction states.
- Translational Research: Connects the method to preclinical continuity by linking cognitive suggestions to measurable physiological responses.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable capability through field isolation containment systems and optical fiber-based signal transmission.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in EEG/fMRI synchronization and hypnotic induction protocols.
- Needs instrumentation including high-density 256-channel EEG, field isolation containment system, and MR-compatible differential thermometry.
- Demands cross-team standardization for optical fiber signal transmission and nanosecond timing alignment.
- Involves adaptation considerations across model systems due to subject-specific hypnotic susceptibility.
- Practical limitations include managing RF artifacts and gradient-induced EEG noise during simultaneous acquisition.
