Dieses Proof-of-Concept-Protokoll beschreibt die EEG-Aufzeichnung somatosensorisch ausgelöster Potentiale, die durch elektrische und mechanische Stimulation mit Oddball- und Roving-Paradigmen ausgelöst werden.
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Dieses Proof-of-Concept-Protokoll beschreibt die EEG-Aufzeichnung somatosensorisch ausgelöster Potentiale, die durch elektrische und mechanische Stimulation mit Oddball- und Roving-Paradigmen ausgelöst werden.
Die Entwicklung realistischer taktiler Rückkopplungen in haptischen Schnittstellen hängt vom Verständnis der neuronalen Verarbeitung elektrischer versus mechanischer Reize ab. Ein Protokoll wird vorgestellt, um die beiden Modalitäten direkt mittels Elektroenzephalographie (EEG) zu vergleichen. Das Protokoll beschreibt Verfahren zur präzisen EEG-Stimulator-Synchronisation, zur Kalibrierung subjektspezifischer elektrischer und mechanischer Reize sowie zur Implementierung sowohl Oddball- als auch Roving-Paradigmen, um frühes ereignisbezogenes Potenzial (ERPs) und die Mismatch-Negativitätskomponente (MMN) zu vergleichen. Das Proof-of-Concept-Protokoll wurde an vier gesunden Teilnehmern validiert, die jeweils einer eigenen experimentellen Bedingung zugeordnet waren: mechanische oder elektrische Stimulation der rechten Zeigefingerspitze unter Roving- oder Oddball-Paradigmen, wobei die Dauer (100 ms vs. 145 ms) manipuliert wurde. Zusätzlich durchlief einfünfter Teilnehmer ein Roving-Paradigma mit wechselnden Modalitäten und allen Reizen bei 100 ms. Unter unimodaler Stimulation erwies sich das Roving-Paradigma als empfindlicher als der Oddball beim Erkennen somatosensorischer ERPs für beide Modalitäten und einer erkennbaren MMN-ähnlichen Komponente für elektrische Stimulation. Der intermodale Vergleich mit dem Roving-Paradigma zeigte ähnlich eine klare MMN-ähnliche Komponente, jedoch nur für den elektrischen Reiz. Diese Ergebnisse zeigen, dass das aktuelle Protokoll geeignet ist, neuronale Aktivität mit Wahrnehmung zu korrelieren und die kortikale Verarbeitung künstlicher und natürlicher Empfindungen direkt zu vergleichen. Dieses Rahmenwerk ist ein notwendiger Schritt zur Entwicklung elektrischer Stimulationsprotokolle, die kortikale Reaktionen hervorrufen, die von mechanischer Berührung nicht zu unterscheiden sind.
Eine grundlegende Herausforderung in der haptischen Technologie besteht darin, natürliche taktile Empfindungen über Haut-Maschine-Schnittstellen nachzubilden. Dies erfordert die genauen räumlich-zeitlichen Muster neuronaler Aktivität, die natürliche Reize hervorrufen. Während mechanische Aktuatoren physikalische Wechselwirkungen nachbilden können, stellt die epidermale elektrische Stimulation der Mechanorezeptoren eine kompakte und vielseitigeAlternative dar. Elektrische Stimulation führt jedoch oft zu unnatürlichen oder unangenehmen Parästhesien. Ein direkter Vergleich neuronaler Reaktionen auf elektrische und mechanische Stimulation stellt ein neues Interessensgebietdar 2,3 und wirft die Frage auf: Können verfeinerte elektrische Protokolle kortikale Reaktionen hervorrufen, die natürliche mechanische Berührung eng nachahmen?
Die Elektroenzephalographie (EEG) bietet ein ideales Werkzeug, um diese Frage zu beantworten, indem kortikale Reaktionen auf somatosensorische Reize mit hoher temporaler Auflösung erfasstwerden 4. Kritische Kennzahlen sind frühe ereignisbezogene Potentiale (ERPs), die die anfängliche kortikale Verarbeitung der Reizmerkmale5 widerspiegeln, sowie die Mismatch-Negativitätskomponente (MMN) 6,7. Das MMN ist eine vor-aufmerksame Veränderungserkennungsreaktion, typischerweise in einem Oddball-Paradigma, die eine Verletzung der sensorischen Vorhersage signalisiert, wenn eine Folge wiederholender Standardreize durch einen seltenen abweichenden Reiz8 unterbrochen wird. Diese Reaktion ist eine robuste elektrophysiologische Korrelation zwischen sensorischer Diskriminierung und Gedächtnis. Ein komplementärer Ansatz ist das Roving-Paradigma, das MMN effizient erzeugt, indem es kurze Reihen eines sich wiederholenden Reizes präsentiert; Der erste Reiz eines neuen Zuges wirkt aufgrund seiner Neuheit als Abweichung und bietet eine ausgewogenere Anzahl von Standards und Abweichungen als das klassische Oddball-Paradigma9.
Obwohl MMN in auditiven und visuellen Bereichen umfassend charakterisiert wurde, fehlt ein standardisierter Rahmen zum Vergleich von MMN zwischen somatosensorischen Submodalitäten. Frühere Arbeiten haben separat zuverlässige MMN-Antworten auf mechanische 6,7 und elektrische Reize 10,11,12 festgestellt. Das Fehlen eines direkten, subjektnahen Vergleichs mit zeitlich präzisen und wahrnehmungsmessig abgestimmten Reizen verhindert jedoch sinnvolle Schlussfolgerungen. Diese methodische Lücke schränkt grundlegend die Fähigkeit ein, zu beurteilen, ob künstlich ausgelöste elektrische Reaktionen dieselben vor-aufmerksamen Veränderungserkennungsmechanismen wie die natürliche mechanische Berührung aktivieren.
Um diese methodologische Einschränkung zu beheben, wurde ein standardisiertes EEG-Protokoll entwickelt, das einen direkten neuronalen Vergleich elektrischer und mechanischer Stimulation ermöglicht. Die aktuelle Methode gewährleistet: präzise EEG-Stimulator-Synchronisation, teilnehmerspezifische elektrische Kalibrierung auf einem auffälligen, aber nicht aversiven Niveau, Anwendung eines standardisierten mechanischen Reizes sowie die Implementierung von Oddball- und Roving-Paradigmen zum Vergleich von ERPs und MMN über verschiedene Modalitäten hinweg.
Die Fähigkeit jedes Paradigmas, klare ERPs und MMN als Reaktion auf mechanische und elektrische Reize unterschiedlicher Dauer hervorzurufen, wurde zunächst bewertet. Das Oddball-Paradigma erzeugte nur für elektrische Stimulation erkennbare ERPs und konnte für keine der beiden Modalitäten MMN hervorrufen. Im Gegensatz dazu erzeugte das Roving-Paradigma erfolgreich ERPs für beide Modalitäten und eine bemerkenswerte MMN-ähnliche Komponente für elektrische Stimulation. Unter Ausnutzung der Empfindlichkeit des Roving-Paradigmas wurde ein direkter Cross-Modal-Vergleich mit wechselnden Reihen mechanischer und elektrischer Reize durchgeführt. Für beide Modalitäten wurden klare ERPs beobachtet, während eine klare MMN-ähnliche Komponente nur durch elektrische Stimulation hervorgerufen wurde. Obwohl diese ersten Ergebnisse auf einem einzelnen Teilnehmer pro Erkrankung basieren, zeigen sie das Potenzial dieses standardisierten Rahmens, die Entwicklung elektrischer Stimulationsprotokolle zu steuern, die schließlich kortikale Reaktionen hervorrufen können, die von denen natürlicher mechanischer Berührung nicht zu unterscheiden sind.
Erst kürzlich wurden die MMN-Reaktionen auf elektrische und mechanische Stimulation direkt verglichen, bisher nur mit Magnetoenzephalographie12,13. Das vorgeschlagene Protokoll ist somit das erste, das einen einheitlichen und detaillierten EEG-Rahmen zur Aufzeichnung somatosensorischer MMN bereitstellt – einen, der sowohl durch elektrische als auch mechanische Stimulation ausgelöst und als Standard- und Abweichungsreize im selben experimentellen Design implementiert wird. Die zentrale Neuheit dieses Protokolls liegt nicht in der EEG-Präparation selbst, sondern in der Integration von Stimulation, Aufzeichnung, Synchronisation und Analyse in eine umfassende, End-to-End-Methodik, die einen direkten crossmodalen Vergleich der somatosensorischen Verarbeitung ermöglicht. Die EEG-Vorbereitungsverfahren folgen bewährten Verfahren und basieren auf zuvor veröffentlichten Protokollen14. Während Aspekte des EEG-Aufbaus auch in videobasierten Formatendemonstriert wurden, wurden diese Ansätze weder mit präzise kontrollierter elektrischer und mechanischer taktiler Stimulation kombiniert noch auf MMN-Paradigmen angewandt. Durch die Integration dieser Elemente erweitert das vorliegende Protokoll bestehende Methodologien und bietet einen übertragbaren Rahmen für die mechanistische Untersuchung der somatosensorischen Vorhersage und Devianzerkennung.
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Das aktuelle experimentelle Protokoll wurde gemäß den ethischen Richtlinien des Human Investigation Committee der Sirius University durchgeführt (Genehmigungsdatum: 10.06.2025). Vor der Datenerhebung wird von jedem Teilnehmer eine schriftliche informierte Zustimmung eingeholt. Ausschlusskriterien umfassten das Vorhandensein implantierter Herzschrittmacher oder anderer elektronischer Geräte, eine Vorgeschichte von Epilepsie- oder Anfallserkrankungen, Schwangerschaft oder dermatologische Erkrankungen an der Stimulationsstelle.
1. Multimodales Stimulationssystem
2. Experimentelle Einrichtung
3. EEG-Vorbereitung
4. Stimulationsaufbau und Schwellenwertbestimmung
5. Vorbereitung von Stimulationssequenzen
6. EEG-Aufzeichnung während der Stimulation
7. EEG-Datenvorverarbeitung und -analyse
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Oddball-Paradigma
Die Präsentation seltener abweichender Reize (145 ms) unter häufigen Standardreizen (100 ms) während der mechanischen Stimulation konnte keine klaren und zuverlässigen ERPs hervorrufen. Folglich wurde kein signifikanter Unterschied zwischen Standard- und abweichenden Antworten beobachtet (Abbildung 1). Im Gegensatz dazu erzeugte das elektrische Oddball-Paradigma erkennbare bilaterale ERP-Wellenformen. Der Vergleich von S...
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Diese Arbeit etabliert ein standardisiertes EEG-Protokoll für den direkten, inner-subjekten neuronalen Vergleich künstlicher elektrischer und natürlicher mechanischer taktiler Stimulation. Der zentrale methodologische Beitrag ist ein Rahmenwerk, das eine präzise zeitliche Kontrolle, teilnehmerspezifische Wahrnehmungskalibrierung und die Anwendung verschiedener experimenteller Paradigmen zur Bewertung kortikaler Antworten sicherstellt. Die ersten Proof-of-Concept-Ergebnisse, obwohl sie au...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Arbeit wurde durch die Förderung des staatlichen Programms des Bundesterritoriums «Sirius» «Wissenschaftliche und technologische Entwicklung des Bundesgebiets «Sirius» (Abkommen Nr. 28-03, Datum 27.09.2024) unterstützt.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| actiCHamp Plus Vielseitiger All-in-One-Laborverstärker | Brain Products GmbH | S/N ACBM17120955 | Primäres EEG-Datenerfassungssystem |
| actiCAP slim / snap | Brain Products GmbH | BP-185-2200 | Aktiver Elektrodenkappe mit 64 Kanälen |
| Digitimer DS7A | Digitimer Ltd | UDI-DI 5060490360003 | Elektrostimulator |
| MatLab | The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA | ||
| Mini-Schüttler Typ 4810 | Brü EL & Kjæ r | BP-0232 | Mechanischer Stimulator |
| Fotosensor | Brain Products GmbH | N/A | Zur optischen Detektion des Reizbeginns |
| Geschützter Raum Neiroiconica "Experte | Neiroiconica Assistive Ltd | S/N 20210119011 | Elektromagnetisch abgeschirmte Kammer |
| TriggerBox Plus | Brain Products GmbH | S/N TB-A100009-0624 | Synchronisationsschnittstelle für TTL-Trigger |
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