Método para la recopilación simultánea de datos de fMRI / EEG durante una sugerencia de atención enfocada para la sensación térmica diferencial

Summary

Presentamos un protocolo para la colección concurrente de datos de EEG/fMRI, y SR. sincronizado grabación de la señal de reloj. Demostramos este método utilizando un paradigma único por el que los sujetos reciben instrucciones de "guante frío" durante la exploración, y los datos de EEG / fMRI se registran junto con las mediciones de temperatura de la mano antes y después de la inducción hipnótica.

Abstract

En el presente trabajo, se demuestra un método para la recopilación simultánea de datos EEG /fMRI. En nuestra configuración, los datos de EEG se recopilan utilizando una red de sensores de alta densidad de 256 canales. El amplificador EEG en sí está contenido en un sistema de contención de aislamiento de campo (FICS), y las señales de reloj de MRI se sincronizan con la recopilación de datos de EEG para la posterior caracterización y eliminación de artefactos de RMN. Primero se demuestra este método para la recopilación de datos de estado en reposo. A partir de entonces, demostramos un protocolo para la grabación de datos de EEG /fMRI, mientras que los sujetos escuchan una cinta pidiéndoles que visualicen que su mano izquierda está sumergida en un baño de agua fría y se refiere, aquí, como el paradigma del guante frío. Los diferenciales térmicos entre cada mano se miden a lo largo de la recopilación de datos de EEG/fMRI utilizando un sensor de temperatura compatible con MR que desarrollamos para este propósito. Recopilamos datos de EEG/fMRI de guante frío junto con mediciones simultáneas de temperatura diferencial de la mano tanto antes como después de la inducción hipnótica. Entre las sesiones pre y post, los datos de EEG de modalidad única se recopilan durante el proceso de inducción hipnótica y evaluación de profundidad. Nuestros resultados representativos demuestran que los cambios significativos en el espectro de potencia de EEG se pueden medir durante la inducción hipnótica, y que los cambios de temperatura de la mano durante el paradigma del guante frío se pueden detectar rápidamente utilizando nuestro dispositivo de termometría diferencial compatible con MR.

Introduction

Desde su creación, ha habido una considerable controversia en cuanto a lo que es la hipnosis, y cómo se producen los cambios fisiológicos exactamente medibles en individuos susceptibles. Los estudios dirigidos a comprender los correlatos neuronales de la hipnosis y las respuestas a la sugestión hipnótica han producido generalmente resultados variados^1,que pueden deberse, al menos en parte, a las diferencias en las técnicas de inducción hipnótica y sugerencia^2,proporcionando así motivación para una metodología detallada y una descripción del protocolo.

Aunque la hipnosis se ha definido convencionalmente como un estado de concentración interna y atención focalizada^1,3,una definición operativa más completa también incluye: disminución de la conciencia de los estímulos exógenos^4,aumento de la absorción^5,o atención sin esfuerzo a las palabras del experimentador y disminución del pensamiento espontáneo^6. Una inducción hipnótica se define generalmente como un conjunto de instrucciones verbales que facilitan la hipnosis y la absorción^6. La hipnotización varía mucho entre los individuos, pero generalmente es estable dentro de los individuos a lo largo del tiempo^7,8; la sugestionabilidad se mide típicamente en términos de respuesta conductual a la sugestión, siendo la métrica más comúnmente aplicada la Escala de Susceptibilidad Hipnótica de Stanford, (SHSS) forma C^9-12.

Los estudios que examinan los correlatos neuronales de la hipnosis generalmente se dividen en dos categorías. O bien examinan las redes de actividad intrínsecamente activadas durante la hipnosis en "estado de reposo", o bien estudian los cambios en la actividad neuronal que ocurren en respuesta a la sugestión hipnótica^6. En un estudio reciente de EEG, los individuos altamente sugesibles fueron encontrados para exhibir una desincronía relacionada evento más alto de la red frontal-parietal en la venda alfa-2 durante hipnosis comparada a los temas sugesibles bajos^4. Recientemente, la resonancia magnética funcional (fMRI) también ha revelado cambios en las redes de modo predeterminado anterior durante la hipnosis en "estado de reposo" sin un aumento correspondiente de la actividad en otras áreas cerebrales^2. La evidencia convergente sugiere que la hipnosis está asociada con el control atencional anterior disociado¹³.

Los cambios en fMRI sangre nivel dependiente de nivel (BOLD) señales en respuesta a una variedad de sugerencias hipnóticas también se han reportado recientemente^14-23. La mayoría de los estudios de sugerencia-respuesta correlacionan los cambios en la señal cerebral con calificaciones subjetivas de la percepción alterada. Sin embargo, la sugestión hipnótica también se ha utilizado para alterar parámetros fisiológicos como la presión arterial, la frecuencia cardíaca y la temperatura de la mano en respuesta^24.

Aquí, ampliamos estos hallazgos anteriores mediante el desarrollo de un paradigma experimental, conocido aquí como el paradigma del "guante frío", por el cual los sujetos son dirigidos a percibir que una de sus manos es más fría en temperatura que la otra, en ausencia de cualquier manipulación física externa de la temperatura. Estas instrucciones verbales se entregan a través de auriculares compatibles con MR durante la grabación de datos.

En el presente trabajo, primero demostramos nuestro método para el registro simultáneo de datos EEG / fMRI. A continuación, demostramos el paradigma del guante frío, que incluye la recopilación de datos de EEG / fMRI junto con las mediciones de temperatura de la mano antes y después de la inducción hipnótica. Nuestro método para la inducción hipnótica incluye una sugerencia ideomotora descrita por^1,seguida de una evaluación de profundidad utilizando el SSHS, forma C. Detectamos cambios confiables en el espectro de potencia de EEG que ocurren después de la inducción hipnótica. También demostramos que nuestro dispositivo de termometría diferencial compatible con MRI es capaz de medir los cambios de temperatura de la mano durante la sesión simultánea de recopilación de datos de EEG / fMRI. Este procedimiento puede proporcionar importantes mediciones cuantitativas de EEG/fMRI en la evaluación de los cambios en la señal cerebral que ocurren durante la hipnosis intrínseca en "estado de reposo", así como la medición de los cambios en la señal en respuesta a la sugerencia hipnótica de alteración de la percepción térmica.

Protocol

El siguiente protocolo experimental fue revisado y aprobado por la Junta de Revisión Institucional de la UCLA. Antes de iniciar el experimento, los sujetos se sometieron a una preselección telefónica que excluyó a los sujetos que estaban potencialmente embarazadas, menores de dieciocho años, o que habían trabajado en un espectáculo de máquinas o tenían implantes metálicos. Los temas zurdos, o ésos con una historia de la enfermedad mental también fueron excluidos de la piscina sujeta. Los participantes incluidos entonces fueron instruidos para abstenerse del cafeína, de las drogas, y del alcohol en el día del experimento. Se obtuvo el consentimiento informado por escrito y la comprensión del consentimiento de cada participante el día del experimento.

1. Aplicación de red de sensores EEG

Los datos de EEG se registran utilizando una red de sensores geodésicos compatible con MRI de 256 canales. Los niveles de impedancia en los electrodos deben ser monitoreados (paso 1.5) a intervalos de aproximadamente 20 minutos a lo largo del experimento para asegurarse de que los electrodos no se han secado y que las impedancias permanecen por debajo del umbral.

1. Determine el tamaño adecuado de la red midiendo la circunferencia de la cabeza desde la cresta de la frente de la glabela hasta aproximadamente 2,5 cm por encima de la inion.
2. La solución de electrolito de cloruro de potasio HidroCel Saline se realizó de acuerdo con las instrucciones de EGI. La red del sensor electrogeodésico 256 de EEG entonces fue empapada en la solución del electrólito por 10 minutos.
3. El punto de vértice, o Cz, en la cabeza se determinó midiendo el punto medio entre nasion e inion y alineándolo con el punto medio que disecciona los puntos preauriculares. La red EEG se colocó de tal manera que el electrodo de referencia Cz se alinea con el punto de vértice.
4. Se recopilaron imágenes fotográficas de la cabeza y los electrodos utilizando el Sistema de Fotogrametría Geodésica (GPS) EGI para calibrar el espacio del sensor que se utilizará en el análisis de fuentes EEG.
5. Las impedancias del electrodo entonces fueron medidas. El contacto con el cuero cabelludo fue comprobado para esos electrodos con los niveles de la impedancia sobre umbral. Las colocaciones de los electrodos se ajustan, y se agregó una solución de electrolito adicional a los electrodos según sea necesario para reducir la impedancia.

2. EEG/fMRI concurrente y protocolo de registro de temperatura antes de la hipnosis

Después de que la red de EEG se aplique apropiadamente, el sujeto procede a la sala de escáneres de RMN. Se eliminan todos los objetos metálicos. La RESONANCIA MAGNÉTICA estructural y la resonancia magnética funcional se recogen en un escáner Siemens Allegra 3T. Los datos simultáneos de EEG/fMRI se recogen antes de la inducción hipnótica para establecer una línea de fondo funcional para cada tema.

1. Mprage exploración estructural
2. T2 Matched Bandwidth - una secuencia de escaneo especializada diseñada para proporcionar un buen contraste para el registro de imágenes, mientras comparte las mismas distorsiones métricas que los escaneos funcionales que siguen.
3. Exploración funcional - Secuencia de pulso eco-plano ponderada por T2* con un TR = 2.5 seg, TE = 40 milisegundos, Campo de visión = 200 mm x 200 mm, Flip Angle = 90 °, recopilando imágenes cerebrales enteras con una resolución = 64 x 64 x 28, tamaño del vóxel = 3 mm³. Los datos se recopilan durante un total de cinco minutos.
4. Los datos de EEG se registran simultáneamente utilizando un sistema de 256 canales de Geodésicas Eléctricas Compatibles con MR (EGI) durante las grabaciones de MRI funcionales de cinco minutos para establecer un EEG basal antes de la inducción hipnótica. Nuestro laboratorio ha sido pionero en métodos para la recolección simultánea de fMRI/EEG utilizando software y hardware que elimina el ruido de artefactos de RM y balistocardiograma, en tiempo real (consulte la referencia²⁵ para obtener detalles adicionales).
5. Después del escaneo del estado de reposo, los sujetos escuchan una cinta que les indica que visualicen que su mano izquierda está sumergida en un cubo de agua helada fría. Las diferencias de temperatura entre cada mano se cuantifican utilizando nuestro dispositivo de termometría diferencial que se describe a continuación.

3. Inducción hipnótica

Los sujetos estaban entonces sentados cómodamente en una habitación poco iluminada y tranquila. Los datos de EEG fueron registrados a través de la duración de la inducción hipnótica y de la técnica progresiva de la profundización de la relajación.

1. La inducción hipnótica comenzó con una breve entrevista por el hipnoterapeuta para determinar las señales espaciales específicas del sujeto que causan la relajación. A los sujetos se les hicieron una serie de preguntas para determinar si eran capaces de visualizar.
2. El hipnoterapeuta comenzó entonces la inducción usando una sugerencia ideomoter conocida como la técnica de levantamiento de brazos. Durante este tiempo, el hipnoterapeuta continuamente le dio al sujeto la sugerencia de que su brazo se sentía como si se estuviera volviendo más ligero, y en algún momento su brazo se elevaría en el aire automáticamente sin esfuerzo volitivo. Después de que el brazo del sujeto se elevó, se les instruyó a doblar el brazo y tocar su frente con las yemas de los dedos. Tan pronto como el sujeto cumplió, el hipnoterapeuta le pidió al sujeto que cerrara los ojos y se relajara como si estuviera en un sueño profundo.
3. El nivel de susceptibilidad hipnótica entonces fue evaluado vía la escala de Stanford de 12 puntos de la susceptibilidad hipnótica, prueba de la forma C.
4. Una técnica de profundización, en forma de relajación progresiva, se utilizó entonces para llevar al sujeto a un mayor nivel de profundidad hipnótica.
5. Los datos de EEG se registran a lo largo de la inducción hipnótica en una habitación blindada de cobre tenuemente iluminada durante la inducción hipnótica.

4. Recolección de datos EEG/fMRI y termometría diferencial post inducción hipnótica

1. Después de la inducción hipnótica y la relajación progresiva, el tema, entra otra vez en el cuarto de la exploración de MRI con SR. red compatible del sensor de EEG adentro continuamente en el lugar. En este momento, los sensores de temperatura se grabaron en la parte medial de ambas muñecas. Luego se colocaron pulseras sobre los sensores de temperatura grabados para ayudar a estabilizar la colocación.
2. Los sensores de temperatura deben configurarse de acuerdo con el esquema de la Figura 2. La calibración se realizó antes del experimento, y se logró sumergiendo las puntas de los sensores en dos soluciones de temperaturas variables (37 °C± 5). La salida del sensor se verificó con las lecturas del termómetro.
3. A continuación, el sujeto escucha una cinta de relajación progresiva pregrabada hecha por el hipnoterapeuta a través de auriculares compatibles con MR. Durante este tiempo, los datos de fMRI se recopilan de acuerdo con las secuencias de impulsos descritas en el paso 1.1, con registro de EEG simultáneo.
4. La recopilación de datos de EEG/fMRI en estado de reposo después de la inducción hipnótica procede de acuerdo con los pasos 2.2-2.4.
5. El hipnoterapeuta entonces administra la sugerencia del "guante frío" para la colección de datos subsecuente de EEG/fMRI, que procede otra vez según pasos 2.2-2.5. Durante la sugerencia, el hipnoterapeuta pide repetidamente al sujeto que visualice que su mano está sumergida en un baño de agua fría, y que imagine que su mano izquierda estaba creciendo progresivamente más fría desde las yemas de los dedos hasta la muñeca. Las mediciones de termometría diferencial se registran en todo este bloque.

Results

La Figura 1 muestra el espectro de potencia de EEG en un canal representativo (Figura 1a) promediado más de 1.000 milisegundos en un solo sujeto durante el período de activación de alerta que precedió a la inducción hipnótica (Figura 1b). Cabe señalar que los patrones aquí siguen la relación inversa característica entre potencia y frecuencia (f), con caída a 1/f. La Figura 1c muestra el espectro de potencia tomado de este mismo sujeto después de la inducción hipnótica y una técnica de profundización. La atenuación de la potencia se puede ver en las subbandas theta y beta de EEG, y la gráfica general ya no sigue 1/f. La Figura 2 muestra nuestro esquema para un sensor de temperatura compatible con MRI, que utiliza sensores de temperatura de precisión LM34/LM35 acoplados a un dispositivo Arduino.

Figura 1. Espectro de potencia del electroencefalograma (EEG) en un solo sujeto para un canal de electrodo representativo. (a)matrizde electrodos EEG de 255 canales con la ubicación espacial de la selección de canales para el análisis de potencia marcado en azul (b) espectro de potencia EEG antes de la inducción hipnótica, y (c) espectro de potencia en el mismo canal de electrodo después de la inducción hipnótica y una técnica de profundización. La barra en la esquina superior derecha de la Figura 1c indica la leyenda para cada subbanda EEG con frecuencias: delta (0,1-4 Hz), theta (4-8Hz), alfa (8-12 Hz), beta (12-20 Hz) y gamma (frecuencias superiores a 20 Hz).

Figura 2. Esquema de la configuración del sensor de temperatura diferencial compatible con MRI. (arriba) Circuito de termometría diferencial,(abajo)visión general del proceso de medición de termometría.

Discussion

Parece haber una amplia variabilidad en los métodos de sugestión utilizados para inducir a los sujetos a un estado de hipnosis¹. Demostramos aquí que una sugerencia para el movimiento no volátil del motor seguido por el SHSS, forma C, se puede utilizar para alterar el espectro de potencia de EEG. Observamos que aunque el tema utilizado en este estudio había sido hipnotizado en el pasado, no hubo ningún intento realizado a través de la Escala de Sugestionabilidad del Grupo de Harvard u otro mecanismo para encontrar un sujeto altamente susceptible. Presumimos que la magnitud de los cambios en las subbandas de frecuencia de EEG probablemente varía según el nivel de susceptibilidad del sujeto, como se ha reportado^4.

También demostramos una configuración para medir las fluctuaciones de temperatura de la mano que pueden ocurrir durante una sesión simultánea de EEG / fMRI. Aunque los sujetos pueden eventualmente aprender a realizar cambios de temperatura de la mano sin hipnosis usando señales de biorretroalimentación, esto típicamente toma muchas sesiones de entrenamiento²⁶. Frischholz y Tryon²⁶ no pudieron replicar la asociación entre los cambios en la temperatura de la mano y la profundidad hipnótica utilizando el paradigma de la sugestión de guante frío, contrariamente al reportado por otros²⁷. Se requiere trabajo adicional para resolver esta controversia. No obstante, el método para medir cambios de la temperatura de la mano durante una sesión neuroimaging funcional puede probar útil en la determinación de los correlativos de los nervios del ' cold glove' hipnótico sugerencia que sigue la inducción hipnótica.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sensor de temperatura monolítico de precisión	National Semiconductor Corporation	LM34/LM35	100 mV/° C; preciso dentro ± 0.4  ° C a temperatura ambiente
Amplificador de instrumentación de precisión	Semiconductor Corporation	INA114	Parte de la interfaz de E/S de la sala magnética
HydroCel Saline	Electrical Geodescis Inc.	N-PRT-KCL-1000-000
Red de sensores geodésicos HydroCel con una matriz de electrodos de alta densidad de 256 canales	Electrical Geodescis Inc.	HCGSN
Geodesics de	Geodescis Electrica Inc.	EGI Pipetas GPS
	Geodescis Eléctrica Inc.	N-ACC-PIP-1000-000