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Methode zur gleichzeitigen fMRI/EEG-Datenerfassung während eines Focused Attention Suggestions for Differential Thermal Sensation

DOI:

10.3791/3298

⸱

January 5th, 2014

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1Neuropsychiatric Institute, University of California, Los Angeles, 2Laboratory of Neuroimaging Technology, University of California, Los Angeles, 3Yale School of Medicine, 4Korean Basic Science Institute

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir präsentieren ein Protokoll zur gleichzeitigen Erfassung von EEG/fMRI-Daten und zur synchronisierten MR-Uhrsignalaufzeichnung. Wir demonstrieren diese Methode anhand eines einzigartigen Paradigmas, bei dem Probanden beim Scannen Anweisungen zum "kalten Handschuh" erhalten und EEG/fMRI-Daten zusammen mit Handtemperaturmessungen sowohl vor als auch nach hypnotischer Induktion aufgezeichnet werden.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In der vorliegenden Arbeit zeigen wir eine Methode zur gleichzeitigen Erfassung von EEG/fMRI-Daten. In unserem Setup werden EEG-Daten mit einem 256-Kanal-Sensornetz mit hoher Dichte erfasst. Der EEG-Verstärker selbst ist in einem Field Isolation Containment System (FICS) enthalten, und MRT-Taktsignale werden mit der EEG-Datenerfassung zur nachfolgenden MR-Artefaktcharakterisierung und -entfernung synchronisiert. Wir demonstrieren diese Methode zuerst für die Datensammlung des Ruhezustands. Danach zeigen wir ein Protokoll zur EEG/fMRI-Datenaufzeichnung, während die Probanden ein Band hören, auf dem sie aufgefordert werden, sich vorzustellen, dass ihre linke Hand in ein Kaltwasserbad getaucht ist und hier als Kalthandschuhparadigma bezeichnet wird. Thermische Differenzen zwischen den einzelnen Handdaten werden während der gesamten EEG/fMRI-Datenerfassung mit einem MR-kompatiblen Temperatursensor gemessen, den wir zu diesem Zweck entwickelt haben. Wir erfassen Kalthandschuh-EEG/fMRI-Daten zusammen mit gleichzeitigen Differential-Handtemperaturmessungen sowohl vor als auch nach hypnotischer Induktion. Zwischen Pre- und Post-Sitzungen werden während des hypnotischen Induktions- und Tiefenbewertungsprozesses einzelne Modalitäts-EEG-Daten gesammelt. Unsere repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass signifikante Veränderungen im EEG-Leistungsspektrum während der hypnotischen Induktion gemessen werden können und dass Handtemperaturänderungen während des Kalthandschuhparadigmas mit unserem MR-kompatiblen Differentialthermometriegerät schnell erkannt werden können.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Seit seiner Gründung gab es erhebliche Kontroversen darüber, was Hypnose ist und wie genau messbare physiologische Veränderungen bei anfälligen Individuen entstehen. Studien, die darauf abzielen, die neuronalen Korrelationen von Hypnose und Reaktionen auf hypnotische Suggestion zu verstehen, haben in der Regel unterschiedlicheErgebnisse1 hervorgebracht, die zumindest teilweise auf Unterschiede in hypnotischen Induktions- und Suggestionstechniken2zurückzuführen sein können, was eine Motivation für eine detaillierte Methodik und Protokollbeschreibung liefert.

Obwohl Hypnose konventionell als ein Zustand der inneren Konzentration und fokussierte Aufmerksamkeit definiert wurde1,3, umfasst eine vollständigere operative Definition auch: vermindertes Bewusstsein für exogene Reize4, erhöhte Absorption5, oder mühelose Aufmerksamkeit auf Worte des Experimentators und vermindertes spontanes Denken6. Eine hypnotische Induktion ist im Allgemeinen definiert als eine Reihe von verbalen Anweisungen, die Hypnose und Absorption erleichtern6. Hypnotizabilität variiert stark zwischen Individuen, ist aber im Allgemeinen stabil innerhalb der Individuen im Laufe der Zeit7,8; Die Suggestibilität wird in der Regel in Form der Verhaltensreaktion auf Vorschläge gemessen, wobei die am häufigsten angewendete Metrik die Stanford Hypnotic Susceptibility Scale (SHSS) Form C9-12ist.

Studien, die die neuronalen Korrelate der Hypnose untersuchen, lassen sich im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen. Entweder untersuchen sie Aktivitätsnetzwerke, die während der "Ruhezustandshypnose" intrinsisch aktiviert wurden, oder sie untersuchen Veränderungen der neuronalen Aktivität, die als Reaktion auf hypnotische Vorschläge auftreten6. In einer kürzlich durchgeführten EEG-Studie wurde festgestellt, dass hochgradig suggestible Individuen eine höhere ereignisbedingte Desynchronität des frontal-parietalen Netzwerks im Alpha-2-Band während der Hypnose im Vergleich zu niedrig suggestierbarenProbanden4 zeigten. Kürzlich hat die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) auch Veränderungen in vorderen Standardmodusnetzwerken während der "Ruhezustandshypnose" ohne eine entsprechende Erhöhung der Aktivität in anderenHirnbereichen2 aufgedeckt. Konvergierende Beweise deuten darauf hin, dass Hypnose mit dissoziierter vorderer Aufmerksamkeitskontrolle in Verbindung gebracht wird13.

Veränderungen der fMRI Blutsauerstoffspiegel abhängig (BOLD) Signale als Reaktion auf eine Vielzahl von hypnotischen Vorschlägen wurden auch vor kurzem berichtet14-23. Die Mehrheit der Suggestion-Response-Studien korreliert Gehirnsignalveränderungen mit subjektiven Bewertungen veränderter Wahrnehmung. Jedoch, hypnotische Vorschlag wurde auch verwendet, um physiologische Parameter wie Blutdruck, Herzfrequenz, und Subjekt Handtemperatur in Reaktion24zu ändern.

Hier erweitern wir diese früheren Erkenntnisse durch die Entwicklung eines experimentellen Paradigmas, das hier als "Kalthandschuh"-Paradigma bezeichnet wird, bei dem die Probanden angewiesen werden, wahrzunehmen, dass eine ihrer Hände in der Temperatur kälter ist als die andere, ohne eine externe physikalische Manipulation der Temperatur. Diese mündlichen Anweisungen werden über MR-kompatible Kopfhörer während der Datenaufzeichnung geliefert.

In der vorliegenden Arbeit zeigen wir zunächst unsere Methode zur simultanen EEG/fMRI-Datenerfassung. Anschließend zeigen wir das Kalthandschuhparadigma, das die Erfassung von EEG/fMRI-Daten zusammen mit Handtemperaturmessungen vor und nach hypnotischer Induktion umfasst. Unsere Methode zur hypnotischen Induktion umfasst einen ideomotorischen Vorschlag, der durch1beschrieben wird, gefolgt von einer Tiefenbewertung mit dem SSHS, Formular C. Wir erkennen zuverlässige Veränderungen im EEG-Leistungsspektrum, die nach hypnotischer Induktion auftreten. Wir zeigen auch, dass unser MRT-kompatibles Differentialthermometriegerät in der Lage ist, Handtemperaturänderungen während der gleichzeitigen EEG/fMRI-Datenerfassung zu messen. Dieses Verfahren kann wichtige quantitative EEG/fMRI-Messungen zur Beurteilung von Hirnsignaländerungen, die während der intrinsischen "Ruhezustand"-Hypnose auftreten, sowie die Messung von Signaländerungen als Reaktion auf hypnotische Hinweise auf eine veränderte thermische Wahrnehmung liefern.

Protocol

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Das folgende Versuchsprotokoll wurde vom UCLA Institutional Review Board überprüft und genehmigt. Vor Beginn des Experiments wurden die Probanden einer Telefonvorprüfung unterzogen, die Personen ausschloss, die potenziell schwanger waren, unter 18 Jahre alt waren oder in einer Maschinenschau gearbeitet hatten oder auf andere Weise metallische Implantate hatten. Linkshänder oder Personen mit einer vorscheine psychischen Erkrankung wurden ebenfalls aus dem Themenpool ausgeschlossen. Die Teilnehmer wurden dann angewiesen, am Tag des Experiments auf Koffein, Drogen und Alkohol zu verzichten. Die schriftliche Einwilligung in Kenntnis der Sachlage und das Verständnis der Einwilligung wurde von jedem Teilnehmer am Tag des Experiments eingeholt.

1. EEG Sensor Net Anwendung

Die EEG-Daten werden mit einem 256-Kanal-MRT-kompatiblen Geodäten-Sensornetz aufgezeichnet. Die Impedanzwerte in Elektroden sollten während des gesamten Experiments in etwa 20 min Intervallen überwacht werden, um sicherzustellen, dass die Elektroden nicht ausgetrocknet sind und die Impedanzen unter der Schwelle bleiben.

  1. Bestimmen Sie die richtige Netzgröße, indem Sie den Kopfumfang vom Glabella-Braurücken bis etwa 2,5 cm über dem Inion messen.
  2. HydroCel Saline Kaliumchlorid Elektrolyt Lösung wurde nach EGI Anweisungen hergestellt. EEG Electrogeodesic 256 Sensornetz wurde dann in Elektrolytlösung für 10 min getränkt.
  3. Der Scheitelpunkt, oder Cz, Punkt auf dem Kopf wurde bestimmt, indem der Mittelpunkt zwischen Nasion und Inion gemessen und mit dem Mittelpunkt ausgerichtet wurde, der die präauricularen Punkte seziert. Das EEG-Netz wurde dann so platziert, dass die Cz-Referenzelektrode am Scheitelpunkt ausgerichtet ist.
  4. Mit dem EGI Geodesic Photogrammetry System (GPS) haben wir fotografische Bilder des Kopfes und der Elektroden gesammelt, um den sensorischen Raum zu kalibrieren, der bei der EEG-Quellanalyse verwendet werden soll.
  5. Anschließend wurden Elektrodenimpedanzen gemessen. Der Kontakt mit der Kopfhaut wurde auf die Elektroden mit Impedanzgehalten oberhalb der Schwelle überprüft. Die Elektrodenplatzierungen werden angepasst, und elektrolytlösung wurde bei Bedarf zu Elektroden hinzugefügt, um die Impedanz zu reduzieren.

2. Gleichzeitiges EEG/fMRI- und Temperaturaufzeichnungsprotokoll vor hypnose

Nachdem das EEG-Netz entsprechend aufgebracht wurde, geht das Motiv in den MR-Scannerraum. Alle Metallobjekte werden entfernt. Strukturelle MRT- und funktionelle MRT-Scans werden auf einem Siemens Allegra 3T Scanner gesammelt. Vor der hypnotischen Induktion werden gleichzeitigE EEG/fMRI-Daten erhoben, um für jedes Thema eine funktionale Ausgangsbasis zu erstellen.

  1. MPRAGE Struktur-Scan
  2. T2 Matched Bandwidth – eine spezielle Scansequenz, die einen guten Kontrast für die Bildregistrierung bietet und dabei dieselben metrischen Verzerrungen wie die folgenden funktionsreichen Scans aufweist.
  3. Funktioneller Scan - T2*-gewichtete echo-planare Pulssequenz mit tr=2,5 sek,TE=40 msec, Sichtfeld=200 mm x 200 mm, Flip Angle=90°, Erfassung ganzer Gehirnbilder mit einer Auflösung=64 x 64 x 28, Voxelgröße=3 mm3. Die Daten werden für insgesamt fünf Minuten gesammelt.
  4. EEG-Daten werden gleichzeitig mit einem MR-compatible Electrical Geodesics (EGI) 256-Kanal-System während der fünfminütigen funktionellen MRT-Aufnahmen aufgezeichnet, um ein Basis-EEG vor der hypnotischen Induktion zu erstellen. Unser Labor hat Pioniermethoden für die gleichzeitige fMRI/EEG-Sammlung mit Software und Hardware entwickelt, die MR-Artefakte und Balistokardiogramm-Rauschen in Echtzeit entfernt (weitere Details siehe Referenz25).
  5. Nach dem Ruhezustandsscan hören die Probanden ein Band, das sie anweist, sich vorzustellen, dass ihre linke Hand in einen Eimer kalten Eiswassers getaucht ist. Die Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Handdaten werden mit unserem unten beschriebenen Differentialthermometriegerät quantifiziert.

3. Hypnotische Induktion

Die Probanden saßen dann bequem in einem schwach beleuchteten, ruhigen Raum. EEG-Daten wurden während der gesamten Dauer der hypnotischen Induktion und progressiven Entspannungsvertiefungstechnik aufgezeichnet.

  1. Hypnotische Induktion begann mit einem kurzen Interview des Hypnotherapeuten, um fachspezifische räumliche Hinweise zu bestimmen, die Entspannung verursachen. Den Probanden wurde dann eine Reihe von Fragen gestellt, um festzustellen, ob sie in der Lage waren, sich zu visualisieren.
  2. Der Hypnotherapeut begann dann die Induktion mit einem Ideomoter-Vorschlag, der als Armanhebungstechnik bekannt ist. Während dieser Zeit gab der Hypnotherapeut dem Thema immer wieder den Vorschlag, dass sich ihr Arm anfühlte, als würde er leichter werden, und irgendwann würde ihr Arm ohne volitionalen Aufwand automatisch in die Luft steigen. Nachdem der Arm des Subjekts erhöht war, wurden sie angewiesen, ihren Arm zu biegen und ihre Stirn mit den Fingerspitzen zu berühren. Sobald das Thema erfüllt war, bat der Hypnotherapeut das Subjekt, die Augen zu schließen und sich wie im Tiefschlaf zu entspannen.
  3. Der Grad der hypnotischen Anfälligkeit wurde dann über die 12-Punkte-Stanford-Skala der hypnotischen Anfälligkeit, Form C-Test, beurteilt.
  4. Eine Vertiefungstechnik in Form einer fortschreitenden Entspannung wurde dann verwendet, um das Subjekt in eine größere hypnotische Tiefe zu bringen.
  5. EEG-Daten werden während der hypnotischen Induktion während der hypnotischen Induktion in einem schwach beleuchteten kupferabgeschirmten Raum aufgezeichnet.

4. EEG/fMRI Datenerfassung und Differentialthermometrie Post Hypnotische Induktion

  1. Nach hypnotischer Induktion und fortschreitender Entspannung betritt das Subjekt mit dem MR-kompatiblen EEG-Sensornetz wieder den MR-kompatiblen EEG-Sensornetz. Zu diesem Zeitpunkt wurden Temperatursensoren auf den medialen Teil beider Handgelenke geklebt. Die Armbänder wurden dann über die verklebten Temperatursensoren gelegt, um die Platzierung zu stabilisieren.
  2. Temperatursensoren sollten gemäß dem Schaltplan in Abbildung 2konfiguriert werden. Die Kalibrierung wurde vor dem Experiment durchgeführt und durch Eintauchen von Sensorspitzen in zwei Lösungen unterschiedlicher Temperaturen (37 °C± 5) durchgeführt. Die Sensorleistung wurde auf Thermometerwerte überprüft.
  3. Das Motiv hört dann ein vorab aufgenommenes progressives Entspannungsband, das der Hypnotherapeut über MR-kompatible Kopfhörer angefertigt hat. Während dieser Zeit werden fMRI-Daten nach pulsierenden Sequenzen in Schritt 1.1 mit gleichzeitiger EEG-Aufzeichnung gesammelt.
  4. Erhebung von Ruhezustand EEG/fMRI-Daten nach hypnotischer Induktion erfolgt nach den Schritten 2.2-2.4.
  5. Der Hypnotherapeut verwaltet dann den "Kalthandschuh"-Vorschlag für die anschließende EEG/fMRI-Datenerhebung, die wiederum nach den Schritten 2.2-2.5 erfolgt. Während des Vorschlags bittet der Hypnotherapeut das Subjekt immer wieder, sich vorzustellen, dass seine Hand in ein kaltes Wasserbad getaucht ist, und sich vorzustellen, dass ihre linke Hand von den Fingerspitzen bis zum Handgelenk zunehmend kälter wird. Differenzielle Thermometriemessungen werden in diesem Block aufgezeichnet.

Results

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Abbildung 1 zeigt das EEG-Leistungsspektrum in einem repräsentativen Kanal (Abbildung 1a) durchschnittlich über 1.000 msec in einem einzelnen Subjekt während der Wachzeit, die der hypnotischen Induktion vorausging (Abbildung 1b). Es sei darauf hingewiesen, dass die Muster hier der charakteristischen umgekehrten Beziehung zwischen Leistung und Frequenz (f) folgen, mit Falloff bei 1/f. Abbildung 1c zeigt das Leistungsspektrum, das aus diesem Thema nach hypnotischer Induktion und einer Vertiefungstechnik entnommen wurde. Die Dämpfung der Leistung ist in EEG-Theta- und Beta-Subbands zu beobachten, und das Gesamtdiagramm folgt nicht mehr 1/f. Abbildung 2 zeigt unseren Schaltplan für einen MRT-kompatiblen Temperatursensor, der LM34/LM35-Präzisionstemperatursensoren verwendet, die an ein Arduino-Gerät gekoppelt sind.

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Abbildung 1. Elektroenzephalogramm (EEG) Leistungsspektrum in einem einzigen Subjekt für einen repräsentativen Elektrodenkanal. (a) 255-Kanal-EEG-Elektrodenarray mit der räumlichen Position der Kanalauswahl für die in blau markierte Leistungsanalyse (b) EEG-Leistungsspektrum vor hypnotischer Induktion und (c) Leistungsspektrum im selben Elektrodenkanal nach hypnotischer Induktion und einer Vertiefungstechnik. Der Balken in der oberen, rechten Ecke von Abbildung 1c zeigt die Legende für jedes EEG-Subband mit Frequenzen an: Delta (0,1-4 Hz), Theta (4-8Hz), Alpha (8-12 Hz), Beta (12-20 Hz) und Gamma (Frequenzen über 20 Hz).

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Abbildung 2. Schaltplan der MRT-kompatiblen Differenztemperatursensorkonfiguration. (oben) Differential-Thermometrie-Schaltung, (unten) Übersicht über den Messprozess der Thermometrie.

Discussion

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Es scheint eine große Variabilität in Denkmethoden zu geben, die verwendet werden, um Probanden in einen Hypnosezustand zu induzieren1. Wir zeigen hier, dass ein Vorschlag für eine nichtvolitäre Motorbewegung gefolgt von der SHSS, Form C, zur Änderung des EEG-Leistungsspektrums verwendet werden kann. Wir stellen fest, dass, obwohl das in dieser Studie verwendete Thema in der Vergangenheit hypnotisiert worden war, es keinen Versuch über die Harvard Group Suggestibility Scale oder einen anderen Mechanismus gab, ein hochanfälliges Thema zu finden. Wir gehen davon aus, dass das Ausmaß der Veränderungen in EEG-Frequenz-Subbands wahrscheinlich je nach Anfälligitätsniveau variiert, wie berichtet wurde4.

Wir haben auch eine Einrichtung zur Messung von Handtemperaturschwankungen demonstriert, die während einer gleichzeitigen EEG/fMRI-Sitzung auftreten können. Obwohl Probanden schließlich lernen können, Handtemperaturänderungen ohne Hypnose mit Biofeedback-Cues zu erreichen, dauert dies in der Regel viele Trainingseinheiten26. Frischholz und Tryon26 waren nicht in der Lage, den Zusammenhang zwischen Veränderungen der Handtemperatur und hypnotischer Tiefe mit dem Kalthandschuh-Vorschlagsparadigma zu replizieren, im Gegensatz zu dem, von anderen27berichteten. Um diese Kontroverse beizulegen, sind zusätzliche Arbeiten erforderlich. Nichtsdestotrotz kann sich die Methode zur Messung von Handtemperaturänderungen während einer funktionellen Neuroimaging-Sitzung als nützlich bei der Beurteilung der neuronalen Korrelate des hypnotischen "Kalthandschuh"-Vorschlags nach hypnotischer Induktion erweisen.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nach der Annahme und Veröffentlichung hat Electrical Geodesics, Inc. die Open-Access-Gebühr für diesen Artikel

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde durch Mittel des Korean Basic Science Institute (KBSI) Stipendiums, Neuroimaging Studies of Hypnotically Induced Deception, unterstützt.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Monolithischer Präzisions-TemperatursensorNational Semiconductor CorporationLM34/LM35100 mV/° C; genau innerhalb ± 0.4  ° C bei Raumtemperatur
PräzisionsmessverstärkerNational Semiconductor CorporationINA114Teil der Magnetraum-I/O-Schnittstelle
HydroCel SalineElectrical Geodescis Inc.N-PRT-KCL-1000-000
HydroCel Geodätisches Sensornetz mit einem 256-Kanal-Elektrodenarray mit hoher DichteElectrical Geodescis Inc.256-Kanal-HCGSN
Geodätisches Photogrammetrie-SystemElectrical Geodescis Inc.EGI GPS-Pipetten
Elektrische Geodescis Inc.N-ACC-PIP-1000-000

References

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