Psychophysikalisch-verankert, Robust Thresholding bei der Untersuchung schmerzbezogenes Lateralisa von Oszillierende Prästimulus Aktivität

Zusammenfassung

Psycho-physischen Methoden wie die QUEST Schätzverfahren effizient robuste Schätzungen der Stimulationsintensität ergeben, bei der schmerzhafte Empfindungen Übergang in schmerzhafte Empfindungen. Durch die Stimulation immer wieder an der Schwelle Intensität kann die Variabilität in der Bewertung Antworten direkt auf Wahrnehmungs Einstufungen in den nachfolgenden Analysen zurückgeführt werden.

Zusammenfassung

In Wahrnehmungsstudien, ist es oft wichtig, objektiv die Gleichheit der abgegebenen Stimulation zu beurteilen über Teilnehmer oder die intra-individuelle Empfindung Größe zu quantifizieren, die durch Stimulation über mehrere Studien hervorgerufen wird. Dies erfordert eine stabile Zuordnung des Reizes Größenordnung empfundenen Intensität und wird allgemein durch psychophysische Schätzverfahren wie das Treppenverfahren erreicht. Neuere, effizientere Verfahren wie der QUEST-Algorithmus eine psycho-physischen Funktion, um die Daten in Echtzeit angepasst, während gleichzeitig die Effizienz der Datenerhebung zu maximieren. Eine robuste Schätzung der Schwellenintensität zwischen schmerzhaften und schmerzhafte Wahrnehmung kann dann den Einfluss von Schwankungen in sensorischen Input in nachfolgenden Analysen oszillatorischer Hirnaktivität zu reduzieren werden. Durch die Stimulation durch eine adaptive Schätzverfahren bestimmt bei einer konstanten Schwellenintensität kann die Varianz in den Ratings direkt an Wahrnehmungsprozesse zurückzuführen.Oszillierende Aktivität kann dann zwischen "Schmerz" und "no-Schmerz" Studien direkt gegenübergestellt werden, die Tätigkeit ergibt, die Wahrnehmungsklassifizierungsverfahren in Nozizeption steht in enger Beziehung zu.

Einleitung

Bei Verhaltensexperimenten Durchführung menschlichen Teilnehmern ist es wichtig, genau zu können, um die Intensitäten der dargebotenen Stimuli steuern. Verwendung Stimuli gleicher Intensität für alle Teilnehmer, jedoch wird in einigen Einstellungen einzuführen, um die Vorspannung der subjektiven Wahrnehmung. Für einige Wahrnehmungsqualitäten wie Schmerzen, gibt es hohe inter- und intraindividuellen Schwankungen empfundene Intensität auf einem konstanten Stimulus Stufe ^{1, 2.} Für Experimente, die gleiche subjektive percepts annehmen, ist es somit eine Notwendigkeit, die subjektiv empfundene Intensität über Teilnehmer anzupassen. Dies ist auch wichtig , wenn Wahrnehmung bei Schwellenniveau untersuchen, beispielsweise zwischen schmerzhaften und schmerzhafte Stimulation. Psycho Forschung hat diese Art von Problemen seit Jahrzehnten angegangen, und heute gibt es anspruchsvoll, aber einfach zu bedienende Methoden zur Verfügung, robuste psycho-physischen Verankerung zu erreichen.

ntent "> A simple, klassische Methode der Kartierung der Intensität eines Reizes zu einem individuellen Empfindung Größenordnung ist das Treppenverfahren ^3. Hierdurch wird die Intensität aufeinanderfolgender Stimuli erhöht oder verringert wird , bis es eine Änderung in der Antwort des Teilnehmers wird an die im Zusammenhang gewünschte Schwelle oder die Position auf der subjektiven Wahrnehmungsskala. Wiederholen Sie diesen Vorgang einige Male, eine plausible Schätzung des Umkehrpunktes ergibt. die klassischen Methoden versagen jedoch bei Verwendung aller Informationen in jeder Rating Studie enthalten zu machen. Dies führt zu einem unnötig hohe Anzahl von Studien erforderlich Konvergenz zu erreichen. Methoden wie (linear) Regression oder Funktion Fitting könnte fehlschlagen, wenn die Annahmen für die Beziehung zwischen Reizstärke und Gefühl groß sind falsch oder nicht halten für den getesteten Stimulus-Bereich. das adaptive Verfahren nicht nur eine robuste Punktschätzung für eine gewisse subjektive Intensität ergeben, aber nicht so effizienter zu gestalten. Especially für mehr Experimente, die auf genaue Schätzung eines Schwellen oder Empfindung Größenordnung stark verlassen, ist es erforderlich, dass die psychophysische Verfahren sowohl robust und gleichzeitig in Bezug auf die Anzahl der erforderlichen Prüfungen effizient. Dies ist besonders wichtig in Bereichen wie der Schmerzforschung, wo die Gesamtexposition gegenüber schmerzhafte Stimulation sollte so gering wie möglich für die Teilnehmer profitieren gehalten werden.

Obwohl die klassischen Treppe Methoden sind immer noch zu weit verbreitet, zum Beispiel in der quantitativen sensorischen Prüfung, die Verwendung von fortgeschrittenen Schätzmethoden , die eine bessere Nutzung der gewonnenen Informationen über Versuche machen stetig. In dem Fall der Maximum - Likelihood - Schätzverfahrens QUEST ^{4, 5} hier verwendet wird , ist dies wahrscheinlich auf die leicht verfügbar Umsetzung in der beliebten Matlab PsychToolbox ⁶ Suite. Die moderne, überarbeitete Fassung dieser procedure überlegen klassischen Schätzverfahren sowohl in Robustheit und die geringe Anzahl von Studien mit einer ausreichenden Schätzung ankommen erforderlich, wenn ⁷ mit den richtigen Einstellungen verwendet.

Die Logik hinter der QUEST Verfahren ist eine Weibull-Funktion auf die eingehenden Daten zu passen, die psycho-physischen Transformation zwischen Reizstärke und Gefühl Größe zu modellieren. Die Parameter für die psycho - physischen Weibull - Funktion sind teilweise durch den Experimentator gegeben, zum Beispiel die Steilheit der Funktion oder der Offset aufgrund der falsch - positive Rate und Responder Inkonsistenz. Die Positionierung des Parameters von Interesse entlang der Intensitätsdimension wird durch das Verfahren unter Verwendung von angenäherten Bayesian Maximum-Likelihood-Schätzung. Hierdurch wird eine Wahrscheinlichkeitsverteilung über die Position des Zielparameters angenommen, dh , die Schwellenintensität. Bei einer vernünftigen vor Annahme für eine solche Verteilung, wird der Algorithmus bestimmen ter informativsten Intensität, dass der Teilnehmer sollte zu reagieren. Für die aktuelle Implementierung des Verfahrens, das ist der Mittelwert der vorausgehenden Wahrscheinlichkeitsverteilung ^8. Für jeden nachfolgenden Versuch ist der Stand der Wahrscheinlichkeitsverteilung Essenz mit der Wahrscheinlichkeit, dass der gegebene Antwort des Teilnehmers bei der getesteten Reizpegel multipliziert, wie durch die Weibull-Funktion aus. Jede Antwort wird verwendet, um kontinuierlich die geschätzte Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Schwellenparameter zu aktualisieren. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis eine befriedigende Schätzung erzeugt wird. Das Verfahren ist effizienter als eine einfache Regressions weil es sofortige Verwendung der gesammelten Reaktionen macht nächsten zu bestimmen, welche Stimulationsintensität zu testen. Außerdem wird das Verfahren speziell um den Punkt von Interesse Sonde, zB eine Schwelle oder bestimmte Empfindung Intensität. Mit nur in Testdaten aus einer solchen begrenzten Bereich in der Regression würde zu einem instabilen führenschätzen, so dass adaptive Verfahren in den Einstellungen robuster, wo nur eine relativ geringe Anzahl von Studien möglich sind.

Solche robusten können psycho-physischen Verankerung verwendet werden, um Veränderungen in der Schmerzempfindlichkeit im Laufe der Zeit zu messen, modulierende Wirkungen in Hyperalgesie / Allodynie Forschung oder analgetische Wirkungen in pharmakologischen Interventionen unter anderem Einstellungen. Eine weitere interessante Aussicht, Reize nur zwischen zwei Sinnes continua an der Schwelle zur Intensität zu verankern , ist die subjektive Wahrnehmung über den Übergang von nicht-schmerzhaft schmerzhafte Empfindung ^{9, 10, 11} zu untersuchen. Dieses Szenario ist sehr interessant , weil , wenn die Schmerzschwelle robust geschätzt wurde, Schmerz und nicht-Schmerzzuständen kann in elektroenzephalographischen (EEG) Aktivität gegenübergestellt werden, beispielsweise , ohne dass die physikalischen Reizstärke ¹² zu verändern. Dies ermöglicht für die observation Schmerzspezifische Wahrnehmungsprozesse unter ständiger Reizbedingungen durch den Unterschied in der Gehirnaktivität zwischen so schmerzhaft und nicht-schmerzhaften bewertet Studien zu untersuchen.

Wir werden zeigen, wie die ohne weiteres verfügbar Implementierung von adaptiven Schätz in PsychToolbox zu verwenden, um kräftig die individuelle Schmerzschwelle in einem EEG Experiment bestimmen, wo der Kontrast zwischen Schmerz und nicht-Schmerz-Aktivität für lateralization Wirkungen untersucht wird, in Abhängigkeit von der Stimulationsstelle. Da die Stimulationsintensität nach der Schwellwertbildung Verfahren konstant gehalten werden kann, ist es nicht notwendig für die Aktivität EEG Konto co variierende mit Reizintensität in der nachfolgenden Analyse.

Protokoll

Das Experiment wurde von der Ethikkommission der Hamburger Ärztekammer (PV4509) zugelassen.

1. Teilnehmer Auswahl

1. Neben Standard-Auswahlkriterien, wie etwa Eignung für Schmerzstimulation, Kopf Implantate oder bereits bestehenden neurologischen Erkrankungen sicher, dass die Teilnehmer nicht von akuten oder chronischen Schmerzen leiden, nehmen keine Schmerzmittel, und haben keine bekannte Geschichte von Drogenmissbrauch. Die Teilnehmer sollten auch nicht an einem pharmakologischen Studien, die während der letzten 4 Wochen vor dem Experiment genommen.
2. Fügen Sie Teilnehmer jeden Geschlechts, aber darauf achten , es werden nur weibliche Teilnehmer , die hormonelle Verhütungsmittel ^{13, 14} verwenden , die Wirkung von zyklischen Veränderungen der Schmerzwahrnehmung zu minimieren.
3. Bevor jede Art von Stimulation Verabreichung sicherstellen müssen, dass die Teilnehmer informiert schriftlich zugestimmt.

_title "> 2. EEG-Setup

1. Wählen Sie eine geeignete Größe der Kappe und bereiten die EEG-Elektrodenanordnung gemäß der Bedienungsanleitung des Systems.
2. Stellen Sie die Abtastrate und High / Low-Cutoff sowie die Impedanz Grenzen des Kontrollgeräts (empfohlen: 500 Hz, 0,5 Hz Hochpassfilter, Impedanzen <20 kOhm).
3. Machen Sie das Stimulationsgerät sicher und die EEG-Gerät nicht elektrisch gekoppelt durch das EEG-System über einen Akku betrieben.
4. Stellen Sie sicher, dass eine Verbindung zwischen dem EEG-System und dem Computer die elektrische Stimulationsgerät zu steuern ist potentialfrei.

3. Elektrische Stimulation-Setup

1. Zur optimalen Nutzung der Zeitauflösung der EEG-Aufzeichnung zu machen, halten Sie die elektrische Stimulation so kurz wie möglich. Stellen Sie den Stimulator zu einem einzigen, monophasischen Stimulationsimpuls mit 1 ms Dauer und 400 V maximale Spannung. Wenn ein intensiver Schmerzniveau benötigt wird, oder der genaue Zeitpunkt des Post-Stimulus-EEG-Aufzeichnung tut not haben Vorrang, können andere Stimulationsprotokolle verwendet werden.
2. Sicherstellen, daß der elektrische Stimulator eingeschaltet ist, aber der Ausgang an die Elektrode abgeschaltet wird. Für die DS7A die "OUTPUT" auf der rechten Seite des Gerätes sollte in der unteren Position sein gekennzeichneter Schalter Stimulator.
3. Suchen Sie den Orientierungspunkt (e), die die gewählte Stimulationsstelle zu identifizieren. Für eine Stimulation an der Hand, verwenden Sie den Muskel zwischen Daumen und Zeigefinger (Entführers / Flexor pollicis brevis). Fragen Sie die Teilnehmer ihre Hand auf eine flache Oberfläche zu legen, wobei alle Ziffern ausgestreckt und apposed. Identifizieren Sie die Stimulationsstelle, indem der Abstand zwischen den ersten Knöchel des Daumen und Zeigefinger Halbierungs.
4. Reinigen Sie die Haut durch Elektrodenvorbereitung Gel anwenden. Achten Sie darauf, nicht zu verwenden, Alkohol oder Desinfektionsmittel, die Rückstände auf der Haut hinterlassen könnte, die zu einer Reizung oder unzuverlässige Stimulation führen kann.
5. Bringen Sie die Stimulationselektrode und befestigen Sie ihn mit Textilband.
6. Stellen Sie the Teilnehmer eine bequeme Position für die Hand zu finden und, wenn möglich, zu versuchen, nicht die Hand während des Experiments zu bewegen. Für die Bequemlichkeit der Teilnehmer, eine weiche Gewebe unter der Hand um die Feuchtigkeit zu absorbieren, abhängig von der Oberfläche Permeabilität.
7. Aktivieren Sie den Ausgang des Stimulators durch Umschalten des "OUTPUT" Schalter in die obere Position.

4. Bestimmen Sie Startpunkte

1. Weisen Sie den Teilnehmer, wie die Rating-Skala auf dem Bildschirm zu arbeiten mit der Maus. Die linke Hälfte stellt nicht-schmerzhaften Empfindungen; die rechte Hälfte entspricht einer Standard-Schmerz VAS-Skala, ein visuelles Äquivalent für eine Reihe von kontinuierlichen Empfindung Intensitäten in Form einer horizontalen Linie bereitstellt. Weisen Sie darauf hin zu dem Teilnehmer, dass der absolute Mittelpunkt der Skala nicht ausgewählt werden können. Geben Sie den Teilnehmer mit den standardisierten Anweisungen über die Ankerpunkte ¹⁵ (Tabelle 1).
2. Geben Sie dem Teilnehmer die Möglichkeit, mit den Rating-Prozess, um sich bequem durch Reize unterschiedlicher Intensität und die Aufzeichnung der Antworten anwenden. Verwenden Sie die Informationen in dieser Phase gesammelt eine Schätzung für zwei Intensitäten zu erhalten, die konsequent evozieren starke, aber schmerzhafte Empfindungen (Tiefpunkt) und mäßig schmerzhafte Empfindungen (Höhepunkt) sind. Fortsetzung der Stimulation für etwa 25 bis 30 Versuche oder bis zufrieden mit guten Schätzungen erreicht zu haben. Während dieser Zeit kann es vorteilhaft sein, die Teilnehmer für die verbalen Rückmeldungen über die Intensitäten und die subjektive Ähnlichkeit wiederholt präsentierten Reizstärken abfragen.
3. Versuchen Sie, die Intensitäten zufällig zu holen Antworten rund um die Skalenmitte zu evozieren. Für die besten Ergebnisse, nicht erhöhen oder zu verringern nicht nur die Intensitäten linear, und auch die extremen Enden der schmerzhaften Seite erkunden. Diese Phase sollte auch dem Teilnehmer die Möglichkeit geben, die möglicherweise nicht vertraut stimulat zu gewöhnenIon und einen Hinweis für eine einheitliche Bewertung Bereich ermittelt. Aus diesem Grund ist es ratsam, Intensitäten aus dem gesamten Bereich der möglichen Reizstärken anzuwenden, wobei auch einige Intensitäten zu wiederholen.
4. Sobald zufrieden mit erhaltenen Schätzungen für mit sowohl einem Hochpunkt und Tiefpunkt Start Intensität, informieren Sie den Teilnehmer, der erste Teil des Experiments, über den Start und (e) er auf Rating halten sollte geübt, während zufällige Reizstärken werden vorgestellt .

5. Ermitteln Sie Threshold

HINWEIS: Die QUEST-Algorithmus einige Parameter erfordert vor dem Start Schätzung angegeben werden. Diese Parameter umfassen die Steilheit der psychophysischen Funktion (beta, üblicherweise 3,5), der Anteil der Studien, bei denen eine zufällige Antwort erwartet wird (delta, typischerweise 0,01), und der Anteil der Studien, bei denen eine positive Antwort erwartet wird, auch wenn keine Anregung gegeben wird (Gamma, keine Empfehlung). Für Bayesian EstimatIon, muss der Bereich (SD) der erwarteten Ratings und der Abstand der möglichen Antworten (Korn) angegeben werden. Für eine VAS, Getreide sollte auf die Auflösung der Skala (typischerweise 1) eingestellt werden, und die SD sollte groß genug eingestellt werden, umfassen sowohl die Skalennullpunkt und die maximal mögliche Intensität sowie einige Sicherheitsmarge. Die Empfehlungen und "typisch" hier angegebenen Werte sind im Detail in dem mit PsychToolbox ⁶ enthalten Code QuestCreate Quelle ^{erklärt, 16.} Schmerzen an der Schwelle, ein Gamma-Wert von höchstens 0,01 sollte plausibel sein. Das Schätzverfahren ist relativ robust in Bezug auf Fehlspezifikation der Parameter, jedoch für Einstellungen mit nur wenigen Versuchen, Versagen vernünftige Parameter angeben könnte die Unsicherheit der endgültigen Schätzung erhöhen. Wenn die Standardabweichung zu niedrig eingestellt ist, wird das Verfahren Probleme auf Schätzungen konvergierenden haben, die außerhalb des Bereichs liegen, der durch die Standardabweichung um th spannte vorherige Schätzung für den Parameter. So ist es wichtig, sich auf der Seite einer zu großen Standardabweichung nicht irren.

1. Erstellen Sie zwei QUEST-Sitzungen mit den oben angegebenen Parametern. Starten Sie eines von dem Hochpunkt Intensität und einer aus dem Tiefpunkt. Informationen über die Implementierung Logik des Schätzungsprozesses kann in dem Zusatzmaterial (S1) gefunden werden.
2. Wähle zufällig eine Sonde Intensität von einem der beiden durch die jeweilige QuestMean Funktion gegeben läuft.
3. Stellen Sie den elektrischen Stimulator an die Sonde Intensität. Wenn eine andere Intensität als die durch den Algorithmus vorgeschlagen ein angewendet werden muss oder die vorgeschlagene Intensität außerhalb des Bereichs liegt, füttern die präsentierten Intensität zurück in die QuestUpdate Funktion in Schritt 5.5.
4. Lösen Sie den Reiz.
5. Nachdem der Teilnehmer den Reiz bewertet wurde, führen QuestUpdate für die jeweilige Einschätzung Sitzung und versorgen sie mit dem eigentlichen Reizintensität präsentiert sowie das Rating des Teilnehmers.
6. Weiter Bewertung Versuche laufen, bis die Schätzungen sind stabil oder ein vorgegebenes Abbruchkriterium (> 40 Versuche) erreicht ist.
7. Notieren Sie sich die mittlere Schwellenschätzung zwischen den beiden Schätzung läuft, von der hohen und niedrigen Ausgangspunkt beginnen, wie durch QuestMean gegeben.
8. Lassen Sie die Teilnehmer eine Pause in diesem Stadium zu nehmen, falls gewünscht.

6. Stimulieren bei Schwellenniveau

Hinweis: Es ist möglich, die Bewertung und Blockanzahl an Ihre Bedürfnisse anpassen, solange es dem Teilnehmer tolerierbar ist.

1. Informieren Sie den Teilnehmer, für den verbleibenden Teil des Experiments, mehr Blöcke mit zufälligen Stimulation werden folgende und sie sollten Rating halten, wie sie zuvor. Falls nötig, aktualisieren Sie die Anweisung auf der Skala Ankerpunkte.
2. Starten Sie die EEG-Aufzeichnung.
3. Stellen Sie den elektrischen Stimulator auf die mittlere Schwellenschätzung in Schritt 5.7 und halten Sie die Einstellung konstant über den Rest the Experiment.
4. Starten Sie eine Bewertung Block (30 Versuche) und die Datenqualität der EEG-Aufzeichnung beobachten. In Abhängigkeit von der Datenqualität EEG, laufen 4 - 5 Bewertung Blöcke und lassen Sie die Teilnehmer kurze Pausen zwischen den Blöcken zu nehmen.
   HINWEIS: Versuchen Sie während dieser Pausen auf ein Minimum soziale Interaktion mit dem Teilnehmer zu halten oder die Interaktion so weit wie möglich zu standardisieren.
5. Wenn Sie fertig sind, stoppen Sie die EEG-Aufzeichnung, schalten Sie den Stimulator-Ausgang, und die Elektrode zu entfernen. Besprechen Sie die Teilnehmer nach der EEG-Kappe zu entfernen.

Ergebnisse

Mit Hilfe einer Bewertungsskala aufgeteilt in eine Hälfte für schmerzhafte und eine Hälfte für Schmerzempfindungen (Abbildung 1a), können ständige Stimulation über viele Studien angewendet werden , während immer noch nachgebenden Bewertungen über die Skala Mittelpunkt (Abbildung 1b). Auf diese Weise Änderungen in der sensorischen Input kann vermieden werden, und die Rating-Ergebnis direkt an intrinsischer Wahrnehmungsklassifizierungsverfahren im Zusammen...

Diskussion

Hier haben wir das auch theoretisch Methode gegründet QUEST, um effizient eine robuste psycho-physischen Schwelle zwischen Nicht-Schmerz und Schmerzwahrnehmung schätzen. Mit konstanter Stimulation an dieser Schwelle ermöglicht eine Analyse der Wahrnehmungs Entscheidungen unabhängig von Veränderungen der Reiz Größenordnung. Während wir Schwellenintensität am Übergang zwischen harmlos und schädlichen Gefühl Domänen, andere Punkte entlang der Schmerzskala ( zum Beispiel 50 auf einer 100-Punkte - Schmerzskala) unte...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
EasyCap Elektrodenkappe	EasyCap, Wörthsee-Etterschlag, Deutschland	CUCHW-58
actiCap aktives Ag/Cl EEG-Elektrodenset	BrainProducts GmbH, Gliching,	Deutschland-SuperVisc
EEG Eletrode Gel	EasyCap, Wörthsee-Etterschlag, Deutschland	V16
BrainAmp EEG-Verstärker	BrainProducts GmbH, Gliching, Deutschland	BrainAmp Standard
PsychToolbox-3	Mario Kleiner / Open	Source-Verfügbar	bei http://psychtoolbox.org/
Matlab	MathWorks, Natick, MA	Matlab R2015b
DigiTimer DS7A Konstantstrom-Elektrostimulator	DigiTimer Ltd., Hertfordshire, Vereinigtes Königreich	DS7A