Metodo per la raccolta simultanea dei dati fMRI/EEG durante un suggerimento di attenzione focalizzata per la sensazione termica differenziale

Summary

Presentiamo un protocollo per la raccolta simultanea di dati EEG/fMRI e la registrazione sincronizzata del segnale di clock MR. Dimostriamo questo metodo utilizzando un paradigma unico in base al quale i soggetti ricevono istruzioni "guanto freddo" durante la scansione e i dati EEG / fMRI vengono registrati insieme alle misurazioni della temperatura della mano sia prima che dopo l'induzione ipnotica.

Abstract

Nel presente lavoro, dimostriamo un metodo per la raccolta simultanea di dati EEG/fMRI. Nella nostra configurazione, i dati EEG vengono raccolti utilizzando una rete di sensori a 256 canali ad alta densità. L'amplificatore EEG stesso è contenuto in un sistema di contenimento dell'isolamento del campo (FICS), e i segnali di clock MRI sono sincronizzati con la raccolta dei dati EEG per la successiva caratterizzazione e rimozione degli artefatti MR. Viene illustrato prima questo metodo per la raccolta dei dati dello stato di riposo. Successivamente, dimostriamo un protocollo per la registrazione dei dati EEG / fMRI, mentre i soggetti ascoltano un nastro che chiede loro di visualizzare che la loro mano sinistra è immersa in un bagno di acqua fredda e indicata, qui, come il paradigma del guanto freddo. I differenziali termici tra ogni mano vengono misurati durante la raccolta dei dati EEG/fMRI utilizzando un sensore di temperatura compatibile con MR che abbiamo sviluppato a questo scopo. Raccogliamo i dati EEG/fMRI del guanto freddo insieme alle misurazioni simultanee della temperatura differenziale della mano sia prima che dopo l'induzione ipnotica. Tra sessioni pre e post, i dati EEG a modalità singola vengono raccolti durante il processo di induzione ipnotica e valutazione della profondità. I nostri risultati rappresentativi dimostrano che cambiamenti significativi nello spettro di potenza EEG possono essere misurati durante l'induzione ipnotica e che i cambiamenti di temperatura della mano durante il paradigma del guanto freddo possono essere rilevati rapidamente utilizzando il nostro dispositivo di termometria differenziale compatibile con MR.

Introduction

Fin dalla sua nascita, ci sono state notevoli controversie su cosa sia l'ipnosi e su come siano prodotti esattamente cambiamenti fisiologici misurabili negli individui sensibili. Studi volti a comprendere i correlati neurali dell'ipnosi e le risposte alla suggestione ipnotica hanno generalmente prodotto vari^{risultati 1}, che possono essere dovuti, almeno in parte, alle differenze nelle tecniche di induzione ipnotica e suggerimento², fornendo così motivazione per una metodologia dettagliata e una descrizione del protocollo.

Sebbene l'ipnosi sia stata convenzionalmente definita come uno stato di concentrazione interiore e focalizzata^{l'attenzione 1,3,}una definizione operativa più completa include anche: ridotta consapevolezza degli stimoli esogeni^4,aumento dell'assorbimento⁵o attenzione senza sforzo alle parole dello sperimentatore e pensiero spontaneo^{diminuito 6}. Un'induzione ipnotica è generalmente definita come un insieme di istruzioni verbali che facilitano l'ipnosi e l'assorbimento⁶. L'ipnotizabilità varia notevolmente da un individuo all'altro, ma è generalmente stabile all'interno degli individui^{nel tempo 7,8;} la suggestionibilità è tipicamente misurata in termini di risposta comportamentale alla suggestione con la metrica più comunemente applicata che è la Stanford Hypnotic Susceptibility Scale, (SHSS) forma C^9-12.

Gli studi che esaminano i correlati neurali dell'ipnosi rientrano generalmente in due categorie. O esaminano le reti di attività intrinsecamente attivate durante l'ipnosi dello "stato di riposo", oppure studiano i cambiamenti nell'attività neurale che si verificano in risposta alla suggestione ipnotica⁶. In un recente studio EEG, si è scoperto che individui altamente suggeribili mostrano una desinchrony correlata agli eventi più elevata della rete frontale-parietale nella banda alfa-2 durante l'ipnosi rispetto ai soggetti a bassa suggeribile⁴. Recentemente, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) ha anche rivelato cambiamenti nelle reti in modalità predefinita anteriore durante l'ipnosi dello "stato di riposo" senza un corrispondente aumento dell'attività in altre aree^{cerebrali 2}. Prove convergenti suggeriscono che l'ipnosi è associata al controllo dell'attenzione anteriore dissociato¹³.

Cambiamenti nei segnali dipendenti dal livello di ossigenazione del sangue fMRI (BOLD) in risposta a una varietà di suggerimenti ipnotici sono stati recentemente segnalati^{anche 14-23}. La maggior parte degli studi suggestion-risposta correlano i cambiamenti del segnale cerebrale con le valutazioni soggettive della percezione alterata. Tuttavia, la suggestione ipnotica è stata utilizzata anche per alterare parametri fisiologici come la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca e la temperatura della mano del soggetto in^{risposta 24}.

Qui, estendiamo questi primi risultati sviluppando un paradigma sperimentale, qui indicato come paradigma del "guanto freddo", in base al quale i soggetti sono diretti a percepire che una delle loro mani è più fredda in temperatura rispetto all'altra, in assenza di qualsiasi manipolazione fisica esterna della temperatura. Queste istruzioni verbali vengono fornite tramite cuffie compatibili con MR durante la registrazione dei dati.

Nel presente lavoro, dimostriamo innanzitutto il nostro metodo per la registrazione simultanea dei dati EEG /fMRI. Dimostriamo quindi il paradigma del guanto freddo, che include la raccolta di dati EEG / fMRI insieme alle misurazioni della temperatura della mano sia prima che dopo l'induzione ipnotica. Il nostro metodo per l'induzione ipnotica include un suggerimento ideomotore descritto^{da 1}, seguito da una valutazione di profondità utilizzando la SSHS, forma C. Rileviamo cambiamenti affidabili nello spettro di potenza EEG che si verificano a seguito dell'induzione ipnotica. Dimostriamo inoltre che il nostro dispositivo di termometria differenziale compatibile con la risonanzametria è in grado di misurare le variazioni di temperatura della mano durante la sessione simultanea di raccolta dati EEG/fMRI. Questa procedura può fornire importanti misurazioni quantitative EEG/fMRI nella valutazione dei cambiamenti del segnale cerebrale che si verificano durante l'ipnosi intrinseca dello "stato di riposo" e nella misurazione dei cambiamenti del segnale in risposta alla suggestione ipnotica per la percezione termica alterata.

Protocol

Il seguente protocollo sperimentale è stato rivisto e approvato dall'UCLA Institutional Review Board. Prima di iniziare l'esperimento, i soggetti sono stati sottoposti a una prescreening telefonica che escludeva soggetti potenzialmente in gravidanza, di età inferiore ai diciotto anni, o che avevano lavorato in uno spettacolo di macchine o avevano in altro modo impianti metallici. Anche i soggetti mancini, o quelli con una storia di malattia mentale, sono stati esclusi dal pool di soggetti. I partecipanti inclusi sono stati quindi istruiti ad astenersi da caffeina, droghe e alcol il giorno dell'esperimento. Il consenso informato scritto e la comprensione del consenso sono stati ottenuti da ciascun partecipante il giorno dell'esperimento.

1. Applicazione rete sensore EEG

I dati EEG vengono registrati utilizzando una rete di sensori geodetici compatibile con la risonanza prima di 256 canali. I livelli di impedenza negli elettrodi devono essere monitorati (fase 1.5) a intervalli di circa 20 minuti durante l'esperimento per assicurarsi che gli elettrodi non si siano asciugati e che le impedenze rimangano al di sotto della soglia.

1. Determinare la corretta dimensione netta misurando la circonferenza della testa dalla cresta della fronte di glabella a circa 2,5 cm sopra l'inione.
2. La soluzione di elettrolita di cloruro di potassio idrocel saline è stata realizzata secondo le istruzioni dell'EGI. La rete del sensore EEG Electrogeodesic 256 è stata quindi imbevuta di soluzione elettrolitica per 10 minuti.
3. Il punto di vertice, o Cz, sulla testa è stato determinato misurando il punto medio tra nasione e inione e allineandolo al punto medio che seziona i punti preauricolari. La rete EEG è stata quindi posizionata in modo tale che l'elettrodo di riferimento Cz si allinea con il punto del vertice.
4. Abbiamo raccolto immagini fotografiche della testa e degli elettrodi utilizzando il sistema di fotogrammetria geodetica EGI (GPS) al fine di calibrare lo spazio del sensore da utilizzare nell'analisi della sorgente EEG.
5. Sono state quindi misurate le impedenze degli elettrodi. Il contatto con il cuoio capelluto è stato controllato per quegli elettrodi con livelli di impedenza superiori alla soglia. I posizionamenti degli elettrodi sono regolati e una soluzione elettrolita aggiuntiva è stata aggiunta agli elettrodi se necessario per ridurre l'impedenza.

2. EEG/fMRI simultaneo e protocollo di registrazione della temperatura prima dell'ipnosi

Dopo che la rete EEG è stata applicata in modo appropriato, il soggetto procede alla sala scanner MR. Tutti gli oggetti metallici vengono rimossi. La risonanza magnetica strutturale e le scansioni MRI funzionali vengono raccolte su uno scanner Siemens Allegra 3T. I dati EEG/fMRI simultanei vengono raccolti prima dell'induzione ipnotica al fine di stabilire una linea di base funzionale per ogni soggetto.

1. Scansione strutturale MPRAGE
2. T2 Matched Bandwidth - una sequenza di scansione specializzata progettata per fornire un buon contrasto per la registrazione delle immagini, condividendo allo stesso tempo le stesse distorsioni metriche delle scansioni funzionali che seguono.
3. Scansione funzionale - Sequenza di impulsi eco-planari ponderata T2* con TR=2,5 sec, TE=40 msec, Campo visivo=200 mm x 200 mm, Angolo capovolgimento=90°, raccolta di immagini cerebrali intere con una risoluzione=64 x 64 x 28, dimensione voxel=3 mm³. I dati vengono raccolti per un totale di cinque minuti.
4. I dati EEG vengono registrati contemporaneamente utilizzando un sistema a 256 canali EGI (Electrical Geodesics) compatibile con MR (MR-Compatible) durante le registrazioni mri funzionali di cinque minuti per stabilire un EEG di base prima dell'induzione ipnotica. Il nostro laboratorio ha metodi pionieristici per la raccolta simultanea fMRI / EEG utilizzando software e hardware che rimuove il disturbo dell'artefatto MR e del balistocardiogramma, in tempo reale (vedi^{riferimento 25} per ulteriori dettagli).
5. Dopo la scansione dello stato di riposo, i soggetti ascoltano un nastro che li istruisce a visualizzare che la mano sinistra è immersa in un secchio di acqua ghiacciata fredda. Le differenze di temperatura tra ogni mano sono quantificate utilizzando il nostro dispositivo di termometria differenziale descritto di seguito.

3. Induzione ipnotica

I soggetti erano poi seduti comodamente in una stanza scarsamente illuminata e tranquilla. I dati EEG sono stati registrati per tutta la durata dell'induzione ipnotica e della tecnica di approfondimento progressivo del rilassamento.

1. L'induzione ipnotica è iniziata con una breve intervista dell'ipnoterapeuta per determinare gli spunti spaziali specifici del soggetto che causano rilassamento. Ai soggetti è stata quindi posta una serie di domande per determinare se erano in grado di visualizzare.
2. L'ipnoterapeuta iniziò quindi l'induzione usando un suggerimento di ideomoter noto come tecnica di rielezione del braccio. Durante questo periodo, l'ipnoterapeuta diede continuamente al soggetto il suggerimento che il loro braccio si sentisse più leggero, e ad un certo punto il loro braccio si sarebbe alzato automaticamente nell'aria senza sforzo volitivi. Dopo che il braccio del soggetto è stato elevato, sono stati quindi istruiti a piegare il braccio e toccare la fronte con la punta delle dita. Non appena il soggetto si è conformato, l'ipnoterapeuta ha chiesto al soggetto di chiudere gli occhi e rilassarsi come se fosse in un sonno profondo.
3. Il livello di suscettibilità ipnotica è stato quindi valutato attraverso la Scala Stanford a 12 punti di suscettibilità ipnotica, test della forma C.
4. Una tecnica di approfondimento, sotto forma di rilassamento progressivo, è stata poi utilizzata per portare il soggetto in un maggiore livello di profondità ipnotica.
5. I dati EEG sono registrati durante l'induzione ipnotica in una stanza schermata in rame scarsamente illuminata durante l'induzione ipnotica.

4. Raccolta dati EEG/fMRI e induzione post ipnotica della termometria differenziale

1. Dopo l'induzione ipnotica e il progressivo rilassamento, il soggetto, entra nuovamente nella sala di scansione MRI con la rete del sensore EEG compatibile CON MR in continua posizione. A quel tempo, i sensori di temperatura erano attaccati alla porzione mediale di entrambi i polsi. I braccialetti sono stati quindi posizionati sopra i sensori di temperatura nastrati per aiutare a stabilizzare il posizionamento.
2. I sensori di temperatura devono essere configurati secondo lo schema della figura 2. La calibrazione è stata eseguita prima dell'esperimento ed è stata eseguita immergendo le punte dei sensori in due soluzioni a temperature variabili (37 °C± 5). L'uscita del sensore è stata controllata rispetto alle letture del termometro.
3. Il soggetto ascolta quindi un nastro di rilassamento progressivo preregistrato realizzato dall'ipnoterapeuta tramite cuffie compatibili con MR. Durante questo periodo, i dati fMRI vengono raccolti in base alle sequenze di impulsi descritte nel passaggio 1.1, con registrazione EEG simultanea.
4. La raccolta dei dati EEG/fMRI dello stato di riposo a seguito dell'induzione ipnotica procede secondo i passaggi 2.2-2.4.
5. L'ipnoterapeuta somministra quindi il suggerimento "guanto freddo" per la successiva raccolta dei dati EEG/fMRI, che procede ancora una volta secondo i passaggi 2.2-2.5. Durante il suggerimento, l'ipnoterapeuta chiede ripetutamente al soggetto di visualizzare la propria mano è immerso in un bagno d'acqua fredda e di immaginare che la loro mano sinistra stava diventando progressivamente più fredda dalle dita al polso. Le misurazioni differenziali della termometria sono registrate in tutto questo blocco.

Results

La figura 1 mostra lo spettro di potenza EEG in un canale rappresentativo (Figura 1a) in media superiore a 1.000 msec in un singolo soggetto durante il periodo di allerta che ha preceduto l'induzione ipnotica (Figura 1b). Va notato che i modelli qui seguono la caratteristica relazione inversa tra potenza e frequenza (f), con caduta a 1/f. La figura 1c mostra lo spettro di potenza preso da questo stesso soggetto a seguito dell'induzione ipnotica e di una tecnica di approfondimento. L'attenuazione della potenza può essere vista nelle sottobande EEG theta e beta, e il grafico complessivo non segue più 1/f. La figura 2 mostra il nostro schema per un sensore di temperatura compatibile con la risonanza prima del sistema, che utilizza sensori di temperatura di precisione LM34/LM35 accoppiati a un dispositivo Arduino.

Figura 1. Spettro di potenza elettroencefalogramma (EEG) in un singolo soggetto per un canale di elettrodo rappresentativo. ( a ) Array di elettrodi EEGa255 canali con la posizione spaziale della selezione del canale per l'analisi di potenza contrassegnata in blu (b) spettro di potenza EEG prima dell'induzione ipnotica e ( c )spettrodi potenza nello stesso canale dell'elettrodo a seguito dell'induzione ipnotica e di una tecnica di approfondimento. La barra in alto, nell'angolo destro della Figura 1c indica la legenda per ogni sottobanda EEG con frequenze: delta (0,1-4 Hz), theta (4-8Hz), alfa (8-12 Hz), beta (12-20 Hz) e gamma (frequenze superiori a 20 Hz).

Figura 2. Schema della configurazione del sensore di temperatura differenziale compatibile con la risonanza prima compatibile. (sopra) Circuito termometrico differenziale, (sotto) panoramica del processo di misurazione della termometria.

Discussion

Sembra esserci un'ampia variabilità nei metodi di suggerimento utilizzati per indurre i soggetti in uno stato di ipnosi¹. Dimostriamo qui che un suggerimento per il movimento motorio non intenzionale seguito dall'SHSS, forma C, può essere utilizzato per alterare lo spettro di potenza EEG. Notiamo che, sebbene l'argomento utilizzato in questo studio fosse stato ipnotizzato in passato, non vi è stato alcun tentativo da parte del gruppo Harvard Suggestibility Scale o di un altro meccanismo per trovare un soggetto altamente suscettibile. Ipotizzamo che l'entità dei cambiamenti nelle sottobande di frequenza EEG varia probabilmente a seconda del livello di suscettibilità del soggetto, come è stato riportato⁴.

Abbiamo anche dimostrato una configurazione per misurare le fluttuazioni di temperatura della mano che possono verificarsi durante una sessione EEG/fMRI simultanea. Sebbene i soggetti possano eventualmente imparare a realizzare cambiamenti di temperatura della mano senza ipnosi utilizzando segnali di biofeedback, questo in genere richiede molte sessioni di^{allenamento 26}. Frischholz e Tryon^{26 non sono} stati in grado di replicare l'associazione tra i cambiamenti nella temperatura della mano e la profondità ipnotica usando il paradigma di suggerimento del guanto freddo, contrariamente a^{quello riportato da altri 27}. È necessario un ulteriore lavoro per risolvere questa controversia. Tuttavia, il metodo per misurare i cambiamenti di temperatura della mano durante una sessione di neuroimaging funzionale può rivelarsi utile per valutare i correlati neurali del suggerimento ipnotico "guanto freddo" a seguito dell'induzione ipnotica.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sensore di temperatura monolitico di precisione	National Semiconductor Corporation	LM34/LM35	100 mV/° C; accurato all'interno ± 0,4  ° C a temperatura ambiente
Amplificatore per strumentazione di precisione	National Semiconductor Corporation	INA114	Parte dell'interfaccia I/O della sala magnetica
HydroCel Saline	Electrical Geodescis Inc.	N-PRT-KCL-1000-000
HydroCel Sensore geodetico netto con array di elettrodi ad alta densità a 256 canali	Electrical Geodescis Inc.		a 256 canali
	Electrical Geodescis Inc.	EGI GPS
Pipettes	Electrical Geodescis Inc.	N-ACC-PIP-1000-000