Protocolo estandarizado de EEG para comparar respuestas corticales a estímulos táctiles mecánicos y eléctricos

Resumen

Este protocolo de prueba de concepto detalla el registro EEG de potenciales evocados somatosensoriales provocados por estimulación eléctrica y mecánica utilizando paradigmas oddball y móvil.

Resumen

El desarrollo de retroalimentación táctil realista en interfaces hápticas depende de comprender el procesamiento neural de estímulos eléctricos frente a estímulos mecánicos. Se presenta un protocolo para comparar directamente ambas modalidades mediante electroencefalografía (EEG). El protocolo detalla procedimientos para lograr una sincronización precisa EEG-estimulador, calibrar estímulos eléctricos y mecánicos específicos del sujeto e implementar tanto paradigmas oddball como errante para comparar el potencial temprano relacionado con eventos (ERPs) y el componente de negatividad por desajuste (MMN). El protocolo de prueba de concepto se validó en cuatro participantes sanos, cada uno asignado a una condición experimental distinta: estimulación mecánica o eléctrica de la punta del índice derecho bajo paradigmas de movimiento o oddball, duración manipuladora (100 ms frente a 145 ms). Además, un^quinto participante pasó por un paradigma itinerante con modalidades alternas y todos los estímulos a 100 ms. Bajo estimulación unimodal, el paradigma itinerante resultó ser más sensible que el oddball para detectar ERP somatosensoriales para ambas modalidades y un componente similar al MMN discernible para la estimulación eléctrica. La comparación intermodal usando el paradigma itinerante reveló de forma similar un componente claro similar al MMN, pero solo para el estímulo eléctrico. Estos resultados demuestran que el protocolo actual es adecuado para correlacionar la actividad neuronal con la percepción y para comparar directamente el procesamiento cortical de sensaciones artificiales y naturales. Este marco es un paso necesario para desarrollar protocolos de estimulación eléctrica que provoquen respuestas corticales indistinguibles del tacto mecánico.

Introducción

Un desafío fundamental en la tecnología háptica es recrear sensaciones táctiles naturales a través de interfaces piel-máquina. Esto requiere replicar los patrones espaciotemporales precisos de actividad neuronal que evocan los estímulos naturales. Mientras que los actuadores mecánicos pueden replicar interacciones físicas, la estimulación eléctrica epidérmica de los mecanorreceptores presenta una alternativa compacta y versátil^. Sin embargo, la estimulación eléctrica a menudo provoca parestesias antinaturales o desagradables. Una comparación directa de las respuestas neuronales a la estimulación eléctrica y mecánica representa un área novedosa de interés ^2,3, planteando la pregunta: ¿pueden los protocolos eléctricos refinados evocar respuestas corticales que imiten estrechamente el tacto mecánico natural?

La electroencefalografía (EEG) proporciona una herramienta ideal para abordar esta cuestión capturando respuestas corticales a estímulos somatosensoriales con alta resolución temporal⁴. Las métricas críticas incluyen los potenciales relacionados con eventos tempranos (ERPs), que reflejan el procesamiento cortical inicial de las características del^{estímulo 5}, y el componente de negatividad por desajuste (MMN^{) 6,7}. La MMN es una respuesta preatenta, de detección de cambios, típicamente provocada en un paradigma peculiar, que señala una violación de la predicción sensorial cuando una secuencia de estímulos repetitivos estándar es interrumpida por un raro estímulo^{desviado 8}. Esta respuesta es una correlación electrofisiológica robusta entre la discriminación sensorial y la memoria. Un enfoque complementario es el paradigma itinerante, que genera eficientemente MMN presentando trenes cortos de un estímulo repetitivo; El primer estímulo de un tren nuevo actúa como un desviado debido a su novedad, proporcionando un número más equilibrado de estándares y desviados que el paradigma clásico^{de la excentricia 9}.

Aunque la MMN ha sido ampliamente caracterizada en los dominios auditivo y visual, no existe un marco estandarizado para comparar la MMN entre submodalidades somatosensoriales. Trabajos previos han establecido por separado respuestas fiables de MMN a estímulos^{mecánicos 6,7} y eléctricos 10,11,12. Sin embargo, la falta de una comparación directa dentro del sujeto utilizando estímulos temporalmente precisos y perceptualmente ajustados impide conclusiones significativas. Esta brecha metodológica limita fundamentalmente la capacidad de evaluar si las respuestas eléctricas evocadas artificialmente activan los mismos mecanismos preatentos de detección de cambios que el toque mecánico natural.

Para abordar esta limitación metodológica, se desarrolló un protocolo estandarizado de EEG que permitía la comparación neuronal directa de la estimulación eléctrica y mecánica. El método actual asegura: sincronización precisa EEG-estimulador, calibración eléctrica específica del participante a un nivel saliente pero no aversivo, aplicación de un estímulo mecánico estandarizado e implementación de paradigmas tanto oddball como itinerante para comparar ERPs y MMN entre modalidades.

Se evaluó primero la capacidad de cada paradigma para provocar ERP y MMN claros en respuesta a estímulos mecánicos y eléctricos de duración variable. El paradigma oddball generaba ERPs discernibles solo para estimulación eléctrica y no lograba provocar MMN para ninguna modalidad. En contraste, el paradigma itinerante logró provocar ERPs para ambas modalidades y un componente notable similar al MMN para la estimulación eléctrica. Aprovechando la sensibilidad del paradigma itinerante, se realizó una comparación directa entre modales utilizando cadenas alternas de estímulos mecánicos y eléctricos. Se observaron ERP claros en ambas modalidades, mientras que un componente claro similar al MMN solo se obtuvo mediante estimulación eléctrica. Aunque estos resultados iniciales se basan en un solo participante por condición, demuestran el potencial de este marco estandarizado para guiar el desarrollo de protocolos de estimulación eléctrica que puedan eventualmente provocar respuestas corticales indistinguibles de las del tacto mecánico natural.

Solo recientemente se han comparado directamente las respuestas de la MMN a la estimulación eléctrica y mecánica, y hasta ahora, solo utilizando magnetoencefalografía^12,13. Por tanto, el protocolo propuesto es el primero en proporcionar un marco EEG unificado y detallado para registrar MMN somatosensorial, uno provocado tanto por estimulación eléctrica como mecánica e implementado como estímulos estándar y desviados dentro del mismo diseño experimental. La novedad clave de este protocolo no radica en la preparación del EEG en sí, sino en la integración de la estimulación, el registro, la sincronización y el análisis en una metodología integral y completa que permite la comparación directa entre modales del procesamiento somatosensorial. Los procedimientos de preparación del EEG siguen las mejores prácticas establecidas y se basan en protocolos previamente^{publicados 14}. Aunque algunos aspectos de la configuración EEG también se han demostrado en formatos basados en^vídeo, estos enfoques no se han combinado con estimulación táctil eléctrica y mecánica controlada con precisión, ni se han aplicado a paradigmas MMN. Al integrar estos elementos, el protocolo actual amplía las metodologías existentes y proporciona un marco transferible para la investigación mecanicista de la predicción somatosensorial y la detección de desviaciones.

Protocolo

El protocolo experimental actual se llevó a cabo de acuerdo con las directrices éticas del Comité de Investigación Humana de la Universidad de Sirius (Fecha de aprobación: 10.06.2025). Se obtiene el consentimiento informado por escrito de cada participante antes de la recogida de datos. Los criterios de exclusión incluían la presencia de marcapasos cardíacos implantados u otros dispositivos electrónicos, antecedentes de epilepsia o trastornos convulsivos, embarazo o condiciones dermatológicas en el lugar de estimulación.

1. Sistema de estimulación multimodal

1. Utiliza un estimulador multimodal personalizado diseñado para entregar estímulos somatosensoriales controlados y sincronizados con precisión. El sistema consta de una unidad de control y un módulo de estimulación, diseñados para la investigación neurofisiológica de alta fidelidad.
   NOTA: Aunque fue construido a medida para este estudio, requisitos experimentales similares también podrían ser cubiertos por sistemas comerciales, como el mini-shaker tipo 4810⁶ y el Digitimer DS7A¹⁶.

2. Montaje experimental

1. Grabar señales EEG usando un sistema EEG activo de 64 canales. Coloca el electrodo de tierra en Fz (sistema 10–10) y coloca el electrodo de referencia en la punta de la nariz. Muestrea datos a 10 kHz y aplica un filtro IIR pasa-banda de 1–40 Hz. Sincroniza los sistemas de estimulación y EEG mediante disparadores TTL, con duraciones de disparo establecidas individualmente para cada tipo de estímulo (20-100 ms, en incrementos de 20 ms). Realizar análisis de datos offline utilizando scripts personalizados implementados en MATLAB.
2. Realizar una tarea de control, en la que se enviaron estímulos mecánicos al estimulador mientras la mano del sujeto permanecía fuera de la superficie estimulante, con cuatro sujetos, para asegurar que los ERP no resultaran del ruido auditivo producido por el actuador vibrador.

3. Preparación del EEG

1. Mide la circunferencia cerebral del participante e identifica los puntos anatómicos (nasion, inion y los puntos preauriculares izquierdo/derecho). Selecciona el tamaño de la tapa EEG en consecuencia.
2. Coloca la cápsula de modo que el electrodo central (Cz) esté situado en el vértice. Verifica la alineación correcta midiendo las distancias desde Cz hasta el nasion, el inion y ambos puntos preauriculares para asegurar la simetría. Utiliza el sistema internacional de colocación de electrodos 10-10.
3. Conecta todos los electrodos al amplificador EEG según las especificaciones del fabricante.
4. Prepara cada sitio del electrodo separando el pelo, abrasando suavemente la piel con gel abrasivo y limpiando con alcohol. Rellena cada cavidad de electrodo con gel conductor. Aplica primero los electrodos de tierra y de referencia para asegurar una conexión estable.
5. Confirmar que la calidad de la señal de electrodos cumple con los criterios recomendados por el fabricante, asegurando bajos niveles de ruido y un registro fiable de la actividad fisiológica, con valores de impedancia (cuando disponibles) dentro del rango aceptable (normalmente por debajo de 10 kΩ).
6. Coloca los cables de electrodos para minimizar artefactos de movimiento y fíjalos a la ropa del participante para reducir la tensión en los conectores.
7. Siéntate cómodamente al participante frente a un monitor. Para mantener una alerta estable durante grabaciones prolongadas, presenta un vídeo silencioso y neutral.
8. Inspecciona la señal EEG en bruto para asegurar un ruido base consistente entre canales. Verifica que los artefactos fisiológicos (por ejemplo, parpadeos, actividad muscular) sean claramente identificables.

4. Configuración de la estimulación y determinación del umbral

1. Limpia el sitio de estimulación (por ejemplo, el dedo índice de la mano dominante) con un hisopo de alcohol para reducir la impedancia de la piel y asegurar un contacto estable entre electrodo y piel.
2. Coloca el dedo sobre la almohadilla de estimulación. Pide al participante que mantenga una postura de manos relajada e inmóvil durante todo el experimento. Asegúrate de que se logre un contacto estable. Si está disponible, utiliza el registro automático de la fuerza base del dispositivo para confirmar la presión estable; de lo contrario, verifica manualmente que el contacto se mantenga consistente.
3. Determinar el umbral sensorial individual para la estimulación eléctrica utilizando un procedimiento estandarizado de^{escaleras 17}.
   1. Comienza la estimulación en 1 mA y aumenta la intensidad en incrementos de 0,5 mA hasta que el participante reporte por primera vez la sensación.
   2. Disminuye la intensidad en 0,5 mA y luego aumenta en pasos de 0,1 mA para refinar el umbral.
   3. Presenta 10 estímulos en cada intensidad candidata y define el umbral como la intensidad más baja en la que se detectan al menos 5 de cada 10 estímulos.
   4. Repite el procedimiento de escaleras 3 veces y calcula el valor medio como umbral sensorial.
4. Determina el umbral de incomodidad para la estimulación eléctrica.
   1. Partiendo del umbral sensorial, aumenta la intensidad en pasos de 0,5 mA. Pide al participante que indique cuándo el estímulo se vuelve desagradable o intolerable.
   2. Define el umbral de incomodidad como la última intensidad tolerada por debajo de este nivel. Confirma la tolerabilidad administrando entre 4 y 7 pulsos de prueba.
5. Selecciona la intensidad final de la estimulación para el experimento como un valor entre los umbrales sensorial y de incomodidad, normalmente la media aritmética de ambos.
6. Ajusta la intensidad de la estimulación mecánica para que sea claramente detectable sin causar molestias ni movimientos visibles de los dedos (por ejemplo, al doble del umbral sensorial).

5. Preparación de secuencias de estimulación

1. Parámetros generales
   1. Ajusta el ancho de pulso tanto de la estimulación eléctrica como mecánica a 200 μs. Define la duración de los estándares como 100 ms y los desviados como 145 ms, salvo que se especifique lo contrario. Jitter el intervalo entre estímulo (ISI) aleatoriamente entre 3,0 y 5,5 s. Presenta cada tipo de estímulo al menos 100 veces.
2. Paradigmas extravagantes y itinerantes (estimulación eléctrica y mecánica)
   1. En el paradigma oddball, se presentan secuencias de 5-8 estándares seguidas de un único desviado. Los bloques típicos de oddball incluían aproximadamente 100 desviados y 650 estándares (750 estímulos en total).
   2. En el paradigma itinerante, existen 5-8 estándares consecutivos seguidos de 5-8 desviantes. Los bloques móviles típicos incluían aproximadamente 100 secuencias estándar y 100 secuencias desviadas (cada secuencia contiene entre 5 y 8 estímulos, lo que resulta en un total de aproximadamente 1300 estímulos por bloque).
   3. Aplica ambos paradigmas con estimulación eléctrica y mecánica. Ajusta la intensidad de la estimulación mecánica para que sea claramente perceptible manteniéndote por debajo del umbral de incomodidad.
3. Estimulación electromecánica combinada (paradigma itinerante)
   1. Define estándares y desviantes por modalidad en lugar de por duración. Presenta estímulos eléctricos y mecánicos con la misma duración de 100 ms para eliminar la duración como factor de confusión.
   2. Para esta condición, utiliza una estructura de secuencia itinerante, con 5-8 estándares consecutivos seguidos de 5-8 desviantes. En este diseño, los roles de los estándares y los desviados se alternan de forma natural dentro de la misma sesión, eliminando la necesidad de contrapesos adicionales entre sesiones.

6. Grabación de EEG durante la estimulación

1. Explica el procedimiento experimental al participante, señalando que no se requiere respuesta conductual a los estímulos táctiles. Para ayudar a mantener un nivel estable de alerta, se recomienda presentar un vídeo silencioso y neutral; sin embargo, esto es opcional. Informa al participante de que puede retirarse del experimento en cualquier momento sin consecuencias.
2. Instruye al participante a minimizar el parpadeo, las contracciones de los músculos faciales y el movimiento de la cabeza durante la grabación.
3. Pide al participante que use auriculares con cancelación activa de ruido para evitar que las respuestas cerebrales se vean afectadas por el ruido del actuador vibrador.
4. Proporciona pausas cortas cada 10-15 minutos para reducir la fatiga y mantener la calidad de los datos. Durante estas pausas, evalúa la percepción del participante sobre la intensidad del estímulo y ajusta la intensidad si se reportan cambios significativos en la percepción subjetiva. Verifica la sincronización entre el estimulador y el sistema de adquisición EEG usando disparadores TTL.
5. Inicia la grabación EEG a una frecuencia de muestreo de 10.000 Hz que sea al menos el doble de la frecuencia de estimulación.
6. Ejecuta las secuencias de estimulación (eléctrica, mecánica o electromecánica) según el paradigma asignado (Tabla 1).
7. Recoge un mínimo de 100 pruebas de desviación por condición. Ajusta el número de ensayos estándar en consecuencia, manteniendo una proporción de aproximadamente 5-8 estándares para cada desviado.
8. Además del experimento principal, ejecuta la secuencia de control con estímulos enviados al estimulador de forma normal, pero la mano del sujeto se coloca fuera de la superficie estimulante, mostrando condiciones en las que no se espera ERP/MMN, confirmando que los efectos observados dependen del protocolo.

7. Preprocesamiento y análisis de datos EEG

1. Eliminar artefactos inspeccionando el EEG continuo y eliminando canales con contaminación por ruido persistente. Excluye los segmentos temporales afectados por pausas técnicas o actividad muscular excesiva.
2. Corrige el canal de desplazamientos base restando el valor medio de cada canal de cada punto temporal para corregir los desplazamientos base.
3. Aplicar filtrado usando un filtro IIR de cuarto orden pasa banda de 1-40 Hz a los datos EEG continuos.
4. Segmentar los datos en épocas bloqueadas en el tiempo de inicio del estímulo (−1000 ms a +1000 ms).
   NOTA: En nuestra experiencia, usar una ventana simétrica de 1 s antes y después del estímulo permite una evaluación más detallada de la calidad de los datos, facilita la aplicación de filtrado de frecuencia adicional sin afectar al periodo crítico de referencia y permite la detección de sincronización o desincronización relacionada con el estímulo de ritmos neuronales en curso.
   1. Para la estimulación unimodal (paradigmas eléctricos o mecánicos de bola extravagante/errante), define épocas estándar y desviada según la duración del estímulo (100 ms frente a 145 ms).
   2. Para la estimulación multimodal (paradigma combinado de desplazamiento electromecánico), definir épocas estándar y desviada según la modalidad del estímulo (eléctrica vs. mecánica, ambas con una duración de 100 ms).
5. Rechazar épocas contaminadas descartando aquellas que contienen amplitudes superiores a +50 μV o que caen por debajo de −50 μV dentro del intervalo de −1000 a +1000 ms.
6. Ajusta la línea base de las épocas restando el valor medio en el intervalo preestímulo de −200 ms a −50 ms.
7. Las formas de onda medias calculando trazas medias a través de épocas del mismo tipo (estándar o desviado) dentro de cada condición.
8. Visualiza las ERP graficando las ERPs para canales individuales o regiones de interés, centrándote en las regiones centro-temporales de interés dentro de la ventana temporal posterior al estímulo de 150-350 ms.
   Hemisferio contralateral: FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7.
   Hemisferio ipsilateral: FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4.

Resultados

Paradigma excéntrico
La presentación de estímulos desviados raros (145 ms) entre los estímulos estándar frecuentes (100 ms) durante la estimulación mecánica no logró obtener ERP claros y fiables. Por lo tanto, no se observó una diferencia significativa entre las respuestas estándar y desviadas (Figura 1). En contraste, el paradigma eléctrico oddball generó formas de onda ERP bilaterales discernibles. Sin embargo, comparar estímulos estánd...

Discusión

Este trabajo establece un protocolo estandarizado de EEG para la comparación neuronal directa dentro del sujeto entre la estimulación táctil eléctrica artificial y la estimulación táctil mecánica natural. La contribución metodológica central es un marco que garantiza un control temporal preciso, calibración perceptiva específica de cada participante y la aplicación de diferentes paradigmas experimentales para evaluar las respuestas corticales. Los resultados iniciales de la prueba de con...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Amplificador de laboratorio todo en uno actiCHamp Plus versátil	Brain Products GmbH & nbsp;	Nota de la ACBM17120955	Sistema primario de adquisición de datos EEG
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH & nbsp;	BP-185-2200	Condensador activo de electrodos con 64 canales
Digitimer DS7A	Digitimer Ltd	UDI-DI 5060490360003	Estimulador eléctrico
MatLab	The MathWorks, Inc., Natick, MA, EE. UU.
Tipo mini-shaker 4810	Brü El & Kjæ r	BP-0232	Estimulador mecánico
Sensor fotográfico	Brain Products GmbH & nbsp;	N/A	Para la detección óptica del inicio del estímulo
Neiroiconica de la habitación protegida "Experto	Neiroiconica Assistive Ltd	S/N 20210119011	Cámara blindada electromagnéticamente
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH & nbsp;	S/N TB-A100009-0624	Interfaz de sincronización para disparadores TTL