Protocole EEG standardisé pour comparer les réponses corticales aux stimuli tactiles mécaniques et électriques

Résumé

Ce protocole de preuve de concept détaille l’enregistrement EEG des potentiels somatosensoriels évoqués par stimulation électrique et mécanique à l’aide de paradigmes oddball et mobile.

Résumé

Le développement d’un retour tactile réaliste dans les interfaces haptiques dépend de la compréhension du traitement neuronal des stimuli électriques versus mécaniques. Un protocole est présenté pour comparer directement les deux modalités à l’aide de l’électroencéphalographie (EEG). Le protocole détaille les procédures pour atteindre une synchronisation EEG-stimulateur précise, calibrer les stimuli électriques et mécaniques spécifiques au sujet, et mettre en œuvre à la fois des paradigmes oddball et mobile pour comparer le potentiel précoce lié aux événements (ERP) et la composante de négativité du décalage (MMN). Le protocole de preuve de concept a été validé sur quatre participants en bonne santé, chacun assigné à une condition expérimentale distincte : stimulation mécanique ou électrique du bout de l’index droit sous des paradigmes errants ou oddball, durée de manipulation (100 ms contre 145 ms). De plus, un^cinquième participant a suivi un paradigme itinérant avec des modalités alternées avec tous les stimuli à 100 ms. Sous stimulation unimodale, le paradigme itinérant s’est révélé plus sensible que l’oddball pour détecter les ERP somatosensoriels pour les deux modalités et un composant détectable de type MMN pour la stimulation électrique. La comparaison intermodale utilisant le paradigme itinérant a révélé de la même manière une composante claire de type MMN, mais uniquement pour le stimulus électrique. Ces résultats démontrent que le protocole actuel est adapté à la corrélation de l’activité neuronale avec la perception et à la comparaison directe du traitement cortical des sensations artificielles et naturelles. Ce cadre est une étape nécessaire vers le développement de protocoles de stimulation électrique qui déclenchent des réponses corticales indiscernables du toucher mécanique.

Introduction

Un défi fondamental dans la technologie haptique est de recréer les sensations tactiles naturelles grâce aux interfaces peau-machine. Cela nécessite de reproduire précisément les schémas spatiotemporels précis d’activité neuronale évoqués par les stimuli naturels. Alors que les actionneurs mécaniques peuvent reproduire les interactions physiques, la stimulation électrique épidermique des mécanorécepteurs présente une alternative compacte^{et polyvalente 1}. Cependant, la stimulation électrique provoque souvent une paresthésie non naturelle ou désagréable. Une comparaison directe des réponses neuronales à la stimulation électrique et mécanique représente un domaine d’intérêt^{nouveau 2,3}, soulevant la question : les protocoles électriques affinés peuvent-ils susciter des réponses corticales qui imitent étroitement le toucher mécanique naturel ?

L’électroencéphalographie (EEG) fournit un outil idéal pour répondre à cette question en capturant les réponses corticales aux stimuli somatosensoriels avec une haute résolution^{temporelle 4}. Les métriques critiques incluent les potentiels précoces liés aux événements (ERP), qui reflètent le traitement cortical initial des caractéristiques de^{stimulus 5}, ainsi que la composante de négativité du désajustement (MMN^{) 6,7}. Le MMN est une réponse pré-attentive et de détection de changement, généralement déclenchée dans un paradigme excentrique, qui signale une violation de la prédiction sensorielle lorsqu’une séquence de stimuli standard répétitifs est interrompue par un stimulus^{déviant rare 8}. Cette réponse est une corrélation électrophysiologique robuste entre la discrimination sensorielle et la mémoire. Une approche complémentaire est le paradigme itinérant, qui génère efficacement des MMN en présentant de courtes séries d’un stimulus répétitif ; Le premier stimulus d’un nouveau train agit comme un déviant en raison de sa nouveauté, fournissant un nombre plus équilibré de standards et de déviants que le paradigme classique^{Oddball 9}.

Bien que la MMN ait été largement caractérisée dans les domaines auditif et visuel, un cadre standardisé pour comparer la MMN entre les sous-modalités somatosensorielles est absent. Des travaux antérieurs ont séparément établi des réponses fiables aux stimuli MMN^{mécaniques 6,7} et électriques 10,11,12. Cependant, l’absence d’une comparaison directe interne au sujet utilisant des stimuli temporellement précis et perceptuellement correspondants empêche des conclusions significatives. Cette lacune méthodologique limite fondamentalement la capacité d’évaluer si les réponses électriques artificiellement évoquées activent les mêmes mécanismes pré-attentifs de détection du changement que le toucher mécanique naturel.

Pour répondre à cette limitation méthodologique, un protocole EEG standardisé a été développé permettant une comparaison neuronale directe entre la stimulation électrique et mécanique. La méthode actuelle assure : une synchronisation EEG-stimulateur précise, une calibration électrique spécifique au participant à un niveau saillant mais non aversif, l’application d’un stimulus mécanique standardisé, et la mise en œuvre de paradigmes à la fois oddball et mobile pour comparer les ERP et MMN entre différentes modalités.

La capacité de chaque paradigme à susciter des ERP et MMN clairs en réponse à des stimuli mécaniques et électriques de durées variables a d’abord été évaluée. Le paradigme oddball générait des ERP discernables uniquement pour la stimulation électrique et n’a pas réussi à provoquer de MMN pour aucune des modalités. En revanche, le paradigme itinérant a réussi à provoquer des ERP pour les deux modalités et un composant notable de type MMN pour la stimulation électrique. En tirant parti de la sensibilité du paradigme itinérant, une comparaison intermodale directe a été réalisée en utilisant des trains alternés de stimuli mécaniques et électriques. Des ERP clairs ont été observés pour les deux modalités, tandis qu’un composant clair de type MMN n’a été déclenché que par stimulation électrique. Bien que ces résultats initiaux reposent sur un seul participant par condition, ils démontrent le potentiel de ce cadre standardisé pour guider le développement de protocoles de stimulation électrique capables de susciter à terme des réponses corticales indiscernables de celles du toucher mécanique naturel.

Ce n’est que récemment que les réponses des MMN à la stimulation électrique et mécanique ont été comparées directement, et jusqu’à présent, uniquement en utilisant la magnétoencéphalographie^12,13. Le protocole proposé est donc le premier à fournir un cadre EEG unifié et détaillé pour enregistrer le MMN somatosensoriel – un cadre déclenché à la fois par stimulation électrique et mécanique et mis en œuvre comme stimuli standard et déviants au sein du même plan expérimental. La nouveauté clé de ce protocole ne réside pas dans la préparation de l’EEG elle-même, mais dans l’intégration de la stimulation, de l’enregistrement, de la synchronisation et de l’analyse dans une méthodologie complète de bout en bout permettant une comparaison directe intermodale du traitement somatosensoriel. Les procédures de préparation à l’EEG suivent les meilleures pratiques établies et sont basées sur les protocoles précédemment^{publiés 14}. Bien que certains aspects de la configuration EEG aient également été démontrés dans des formats vidéo¹⁵, ces approches n’ont pas été combinées avec une stimulation tactile électrique et mécanique précisément contrôlée, ni appliquées aux paradigmes MMN. En intégrant ces éléments, le protocole actuel étend les méthodologies existantes et fournit un cadre transférable pour l’investigation mécanistique de la prédiction somatosensorielle et de la détection des déviances.

Protocole

Le protocole expérimental actuel a été mené conformément aux directives éthiques du Comité d’Enquête Humaine de l’Université Sirius (Date d’approbation : 10.06.2025). Un consentement éclairé écrit est obtenu de chaque participant avant la collecte des données. Les critères d’exclusion incluaient la présence de pacemakers cardiaques implantés ou d’autres dispositifs électroniques, des antécédents d’épilepsie ou de troubles convulsifs, une grossesse ou des affections dermatologiques au site de stimulation.

1. Système de stimulation multimodal

1. Utilisez un stimulateur multimodal sur mesure, conçu pour délivrer des stimuli somatosensoriels précisément contrôlés et synchronisés. Le système se compose d’une unité de contrôle et d’un module de stimulation, conçus pour la recherche neurophysiologique de haute fidélité.
   REMARQUE : Bien que construits sur mesure pour cette étude, des exigences expérimentales similaires pourraient également être satisfaies par des systèmes commerciaux, tels que le mini-shaker type 4810⁶ et le Digitimer DS7A¹⁶.

2. Mise en place expérimentale

1. Enregistrez les signaux EEG à l’aide d’un système EEG actif à 64 canaux. Placez l’électrode de masse à Fz (système 10–10) et placez l’électrode de référence sur la pointe du nez. Échantillonnez les données à 10 kHz et appliquez un filtre IIR passe-bande de 1 à 40 Hz. Synchronisez les systèmes de stimulation et EEG via des déclencheurs TTL, avec des durées de déclenchement définies individuellement pour chaque type de stimulus (20-100 ms, par incréments de 20 ms). Effectuer des analyses de données hors ligne à l’aide de scripts personnalisés implémentés dans MATLAB.
2. Effectuer une tâche de contrôle, dans laquelle des stimuli mécaniques étaient envoyés au stimulateur pendant que la main du sujet restait en dehors de la surface stimulante, avec quatre sujets, afin de s’assurer que les ERP ne résultaient pas du bruit auditif produit par l’actionneur vibrant.

3. Préparation à l’EEG

1. Mesurez la circonférence de la tête du participant et identifiez les points anatomiques (nasion, inion et points préauriculaires gauche/droite). Sélectionnez la taille du capuchon EEG en conséquence.
2. Positionnez le capuchon de façon à ce que l’électrode centrale (Cz) soit située au sommet. Vérifiez l’alignement correct en mesurant les distances entre Cz et le nasion, l’inion et les deux points préauriculaires pour assurer la symétrie. Utilisez le système international de placement d’électrodes 10-10.
3. Connectez tous les câbles d’électrode à l’amplificateur EEG selon les spécifications du fabricant.
4. Préparez chaque site d’électrode en séparant les cheveux, en frottant doucement la peau avec un gel abrasif, puis en nettoyant à l’alcool. Remplissez chaque cavité d’électrode avec un gel conducteur. Appliquez d’abord les électrodes de masse et de référence pour assurer une connexion stable.
5. Confirmer que la qualité du signal des électrodes respecte les critères recommandés par le fabricant, en garantissant de faibles niveaux de bruit et un enregistrement fiable de l’activité physiologique, avec des valeurs d’impédance (lorsque disponibles) dans la plage acceptable (généralement inférieure à 10 kΩ).
6. Disposez des câbles d’électrodes pour minimiser les artefacts de mouvement et fixez-les aux vêtements du participant pour réduire la tension sur les connecteurs.
7. Asseyez le joueur confortablement devant un écran. Pour maintenir une alerte stable lors d’enregistrements prolongés, présentez une vidéo silencieuse et neutre.
8. Inspectez le signal EEG brut pour garantir un bruit de base cohérent sur les canaux. Vérifiez que les artefacts physiologiques (par exemple, clignements de yeux, activité musculaire) sont clairement identifiables.

4. Mise en place de la stimulation et détermination du seuil

1. Nettoyez le site de stimulation (par exemple, l’index de la main dominante) avec un couvette d’alcool pour réduire l’impédance cutanée et assurer un contact stable électrode-peau.
2. Placez le doigt sur la plaquette de stimulation. Demandez au participant de maintenir une posture de mains détendue et immobile tout au long de l’expérience. Assurez-vous qu’un contact stable est établi. Si disponible, utilisez l’enregistrement automatique de la force de référence de l’appareil pour confirmer la pression stable ; sinon, vérifiez manuellement que le contact reste cohérent.
3. Déterminer le seuil sensoriel individuel pour la stimulation électrique à l’aide d’une procédure standardisée en^{escalier 17}.
   1. Commencez la stimulation à 1 mA et augmentez l’intensité par incréments de 0,5 mA jusqu’à ce que le participant rapporte la sensation pour la première fois.
   2. Diminuez l’intensité de 0,5 mA, puis augmentez de 0,1 mA pour affiner le seuil.
   3. Présenter 10 stimuli à chaque intensité candidate et définir le seuil comme étant la plus faible intensité à laquelle au moins 5 stimuli sur 10 sont détectés.
   4. Répétez la procédure de l’escalier 3 fois et calculez la valeur moyenne comme seuil sensoriel.
4. Déterminez le seuil d’inconfort pour la stimulation électrique.
   1. En partant du seuil sensoriel, augmentez l’intensité par pas de 0,5 mA. Demandez au participant d’indiquer quand le stimulus devient désagréable ou intolérable.
   2. Définissez le seuil d’inconfort comme la dernière intensité tolérée en dessous de ce seuil. Confirmez la tolérance en administrant 4 à 7 pulsations test.
5. Sélectionnez l’intensité finale de stimulation de l’expérience comme une valeur entre les seuils sensoriel et d’inconfort, généralement la moyenne arithmétique des deux.
6. Régler l’intensité de la stimulation mécanique pour qu’elle soit clairement détectable sans provoquer d’inconfort ni de mouvement visible des doigts (par exemple, à deux fois le seuil sensoriel).

5. Préparation des séquences de stimulation

1. Paramètres généraux
   1. Régler la largeur d’impulsion des stimulations électriques et mécaniques à 200 μs. Définissez la durée des normes comme 100 ms et des déviants comme 145 ms, sauf indication contraire. Faites osciller l’intervalle inter-stimulus (ISI) de façon aléatoire entre 3,0 et 5,5 s. Présentez chaque type de stimulus au moins 100 fois.
2. Paradigmes étranges et itinérants (stimulation électrique et mécanique)
   1. Dans le paradigme excentrique, les séquences présentent de 5 à 8 standards suivies d’un seul déviant. Les blocs typiques de type excentrique comprenaient environ 100 déviants et 650 standards (750 stimuli au total).
   2. Dans le paradigme itinérant, présentez 5 à 8 standards consécutifs suivis de 5 à 8 déviants. Les blocs itinérants typiques comprenaient environ 100 séquences standard et 100 séquences déviantes (chaque séquence contient 5 à 8 stimuli, ce qui donne un total d’environ 1300 stimuli par bloc).
   3. Appliquez les deux paradigmes avec la stimulation électrique et mécanique. Ajustez l’intensité de la stimulation mécanique pour qu’elle soit clairement perceptible tout en restant en dessous du seuil d’inconfort.
3. Stimulation électromécanique combinée (paradigme itinérant)
   1. Définissez les standards et les déviants par modalité plutôt que par durée. Présentez à la fois des stimuli électriques et mécaniques avec des durées identiques de 100 ms afin d’éliminer la durée comme facteur de confusion.
   2. Pour cette condition, utilisez une structure de séquence mobile, avec 5 à 8 étalons consécutifs suivis de 5 à 8 déviants. Dans cette conception, les rôles des standards et des déviants alternent naturellement au sein d’une même session, supprimant ainsi le besoin de contrebalancement supplémentaire entre les sessions.

6. Enregistrement EEG pendant la stimulation

1. Expliquez la procédure expérimentale au participant, en notant qu’aucune réponse comportementale aux stimuli tactiles n’est requise. Pour maintenir un niveau stable de vigilance, il est recommandé de présenter une vidéo silencieuse et neutre ; cependant, cela est optionnel. Informez le participant qu’il peut se retirer de l’expérience à tout moment sans conséquences.
2. Indiquez au participant de minimiser les clignements, les contractions des muscles faciaux et les mouvements de la tête lors de l’enregistrement.
3. Demandez au participant d’utiliser des écouteurs avec suppression active du bruit afin d’empêcher les réponses cérébrales d’être affectées par le bruit de l’actionneur vibrant.
4. Prévoyez de courtes pauses toutes les 10 à 15 minutes pour réduire la fatigue et maintenir la qualité des données. Pendant ces pauses, évaluez la perception de l’intensité du stimulus par le participant et ajustez l’intensité si des changements significatifs dans la perception subjective sont rapportés. Vérifiez la synchronisation entre le stimulateur et le système d’acquisition EEG à l’aide de déclencheurs TTL.
5. Commencez l’enregistrement EEG à une fréquence d’échantillonnage de 10 000 Hz qui soit au moins deux fois la fréquence de stimulation.
6. Exécutez les séquences de stimulation (électrique, mécanique ou électromécanique) selon le paradigme assigné (Tableau 1).
7. Collectez au minimum 100 essais de déviants par condition. Ajustez en conséquence le nombre d’essais standards, en maintenant un ratio d’environ 5 à 8 standards pour chaque déviant.
8. En plus de l’expérience principale, exécutez la séquence témoin avec les stimuli envoyés au stimulateur normalement, mais la main du sujet est placée à l’extérieur de la surface stimulante, montrant des conditions où aucune ERP/MMN n’est attendue, confirmant que les effets observés dépendent du protocole.

7. Prétraitement et analyse des données EEG

1. Retirez les artefacts en inspectant l’EEG continu et en supprimant les canaux présentant une contamination bruïde persistante. Excluez les segments de temps affectés par des pauses techniques ou une activité musculaire excessive.
2. Corrigez le canal des décalages de base en soustrayant la valeur moyenne de chaque canal à chaque point temporel pour corriger les décalages de base.
3. Appliquez un filtrage à l’aide d’un filtre IIR de quatrième ordre pass-bande de 1 à 40 Hz sur les données EEG continues.
4. Segmentez les données en époques verrouillées dans le temps de l’apparition du stimulus (−1000 ms à +1000 ms).
   REMARQUE : D’après notre expérience, l’utilisation d’une fenêtre symétrique de 1 seconde avant et après stimulus permet une évaluation plus détaillée de la qualité des données, facilite l’application d’un filtrage de fréquence supplémentaire sans affecter la période de référence critique, et permet la détection de synchronisation ou de désynchronisation liée au stimulus des rythmes neuronaux en cours.
   1. Pour la stimulation unimodale (paradigmes étranges/errants électriques ou mécaniques), définissez les époques standard et déviante selon la durée du stimulus (100 ms contre 145 ms).
   2. Pour la stimulation multimodale (paradigme combiné électromécanique de déambulation), définissez les époques standard et déviante selon la modalité du stimulus (électrique vs. mécanique, toutes deux d’une durée de 100 ms).
5. Rejeter les époques contaminées en éliminant celles contenant des amplitudes supérieures à +50 μV ou tombant en dessous de −50 μV dans l’intervalle de −1000 à +1000 ms.
6. Ajustez la base des époques en soustrayant la valeur moyenne de −200 ms à −50 ms avant l’intervalle de stimulus.
7. On calcule les formes d’onde moyennes en calculant des traces intermédiaires du même type (standard ou déviant) dans chaque condition.
8. Visualisez les ERP en les tracant pour des canaux ou régions d’intérêt individuels, en vous concentrant sur les régions centro-temporelles d’intérêt dans la fenêtre de temps post-stimulus de 150 à 350 ms.
   Hémisphère controlatéral : FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7.
   Hémisphère ipsilatéral : FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4.

Résultats

Paradigme excentrique
La présentation de stimuli déviants rares (145 ms) parmi les stimuli standards fréquents (100 ms) lors de la stimulation mécanique n’a pas permis de produire des ERP clairs et fiables. Par conséquent, aucune différence significative n’a été observée entre les réponses standard et déviantes (Figure 1). En revanche, le paradigme électrique original générait des formes d’onde ERP bilatérales discernables. Cependant, la ...

Discussion

Ce travail établit un protocole EEG standardisé pour la comparaison neuronale directe, au sein du sujet, de la stimulation tactile électrique artificielle et mécanique naturelle. La contribution méthodologique centrale est un cadre qui garantit un contrôle temporel précis, un étalonnage perceptuel spécifique au participant, et l’application de différents paradigmes expérimentaux pour évaluer les réponses corticales. Les résultats initiaux de la preuve de concept, bien que basés sur un éc...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
actiCHamp Plus Amplificateur polyvalent tout-en-un pour laboratoire	Brain Products GmbH & nbsp ;	N/D/ACBM17120955	Système primaire d’acquisition de données EEG
actiCAP slim / snap  ;	Brain Products GmbH & nbsp ;	BP-185-2200	Capuchon d’électrodes actives avec 64 canaux
Digitimer DS7A	Digitimer Ltd	UDI-DI 5060490360003	Stimulateur électrique
MatLab	The MathWorks, Inc., Natick, MA, États-Unis
Mini-shaker type 4810	Brü ; El & Kjæ ; r	BP-0232	Stimulateur mécanique
Photo Sensor & nbsp ;	Brain Products GmbH & nbsp ;	N/A	Pour la détection optique de l’apparition du stimulus
Salle protégée Neiroiconica « Expert »	Neiroiconica Assistive Ltd	S/N 20210119011	Chambre blindée électromagnétiquement
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH & nbsp ;	N.d.A. à lire à lire A100009-0624	Interface de synchronisation pour les déclencheurs TTL