Protocollo EEG standardizzato per confrontare le risposte corticali agli stimoli tattili meccanici ed elettrici

Summary

Questo protocollo proof-of-concept dettaglia la registrazione EEG dei potenziali evocati somatosensoriali evocati da stimolazione elettrica e meccanica utilizzando paradigmi oddball e roving.

Abstract

Lo sviluppo di un feedback tattile realistico nelle interfacce aptiche dipende dalla comprensione dell'elaborazione neurale degli stimoli elettrici rispetto a quelli meccanici. Viene presentato un protocollo per confrontare direttamente le due modalità tramite elettroencefalografia (EEG). Il protocollo dettaglia procedure per ottenere una sincronizzazione precisa EEG-stimolatore, calibrare stimoli elettrici e meccanici specifici del soggetto e implementare sia paradigmi oddball che roving per confrontare il potenziale precoce correlato all'evento (ERP) e la componente di negatività del disadattamento (MMN). Il protocollo proof-of-concept è stato validato su quattro partecipanti sani, ciascuno assegnato a una condizione sperimentale distinta: stimolazione meccanica o elettrica dell'indice destro sotto paradigmi di movimento o oddball, durata di manipolazione (100 ms contro 145 ms). Inoltre, un^quinto partecipante ha seguito un paradigma itinerante con modalità alternate e tutti gli stimoli a 100 ms. Sotto stimolazione unimodale, il paradigma mobile si è rivelato più sensibile rispetto all'oddball nel rilevare ERP somatosensoriali per entrambe le modalità e una componente riconoscibile simile a MMN per la stimolazione elettrica. Il confronto cross-modale usando il paradigma del roving ha rivelato in modo simile una componente chiara simile alla MMN, ma solo per lo stimolo elettrico. Questi risultati dimostrano che il protocollo attuale è adatto a corrispondere l'attività neurale alla percezione e a confrontare direttamente l'elaborazione corticale delle sensazioni artificiali e naturali. Questo quadro è un passo necessario per sviluppare protocolli di stimolazione elettrica che suscitino risposte corticali indistinguibili dal tocco meccanico.

Introduction

Una sfida fondamentale nella tecnologia aptica è la ricreazione delle sensazioni tattili naturali attraverso interfacce pelle-macchina. Ciò richiede di replicare i precisi schemi spaziotemporali di attività neurale che gli stimoli naturali evocano. Sebbene gli attuatori meccanici possano replicare interazioni fisiche, la stimolazione elettronica epidermica dei meccanorecettori rappresenta un'alternativa compatta^{e versatile 1}. Tuttavia, la stimolazione elettrica spesso provoca parestesie innaturali o spiacevoli. Un confronto diretto tra risposte neurali alla stimolazione elettrica e meccanica rappresenta un nuovo ambito di interesse ^2,3, sollevando la domanda: i protocolli elettrici raffinati possono evocare risposte corticali che imitano da vicino il tocco meccanico naturale?

L'elettroencefalografia (EEG) fornisce uno strumento ideale per affrontare questa questione catturando le risposte corticali a stimoli somatosensoriali con alta risoluzione^{temporale 4}. Le metriche critiche includono i potenziali precoci legati all'evento (ERP), che riflettono l'elaborazione corticale iniziale delle caratteristiche dello^{stimolo 5}, e la componente di negatività di disadattamento (MMN^{) 6,7}. La MMN è una risposta pre-attenta e di rilevamento del cambiamento, tipicamente suscitata in un paradigma strano, che segnala una violazione della previsione sensoriale quando una sequenza di stimoli standard ripetitivi viene interrotta da uno stimolo deviante^{raro 8}. Questa risposta è una robusta correlazione elettrofisiologica tra discriminazione sensoriale e memoria. Un approccio complementare è il paradigma itinerante, che genera efficacemente MMN presentando brevi treni di uno stimolo ripetuto; Il primo stimolo di un nuovo treno agisce come deviante per la sua novità, fornendo un numero più equilibrato di standard e devianti rispetto al classico paradigma^{oddball 9}.

Sebbene la MMN sia stata ampiamente caratterizzata nei domini uditivo e visivo, manca un quadro standardizzato per confrontare la MMN tra le sottomodalità somatosensoriali. Lavori precedenti hanno stabilito separatamente risposte MMN affidabili agli stimoli^{meccanici 6,7 e agli} stimoli elettrici 10,11,12. Tuttavia, la mancanza di un confronto diretto all'interno del soggetto, utilizzando stimoli temporalmente precisi e perceptivamente corrispondenti impedisce conclusioni significative. Questa lacuna metodologica limita fondamentalmente la capacità di valutare se le risposte elettriche evocate artificialmente coinvolgano gli stessi meccanismi di rilevamento pre-attento del cambiamento del contatto meccanico naturale.

Per affrontare questa limitazione metodologica, è stato sviluppato un protocollo EEG standardizzato per consentire il confronto neurale diretto tra stimolazione elettrica e meccanica. Il metodo attuale garantisce: sincronizzazione precisa EEG-stimolatore, calibrazione elettrica specifica per il partecipante a un livello saliente ma non avversivo, applicazione di uno stimolo meccanico standardizzato e implementazione sia di paradigmi oddball che roving per confrontare ERP e MMN tra le modalità.

È stata inizialmente valutata la capacità di ciascun paradigma di suscitare chiare ERP e MMN in risposta a stimoli meccanici ed elettrici di durata variabile. Il paradigma oddball generava ERP riconoscibili solo per la stimolazione elettrica e non riusciva a provocare MMN per nessuna delle due modalità. Al contrario, il paradigma itinerante ha riconosciuto con successo ERP per entrambe le modalità e una notevole componente simile a MMN per la stimolazione elettrica. Sfruttando la sensibilità del paradigma mobile, è stato condotto un confronto diretto cross-modale utilizzando catene alternate di stimoli meccanici ed elettrici. Sono stati osservati ERP chiari per entrambe le modalità, mentre una componente chiara simile alla MMN è stata evocata solo tramite stimolazione elettrica. Sebbene questi risultati iniziali si basino su un singolo partecipante per ogni condizione, dimostrano il potenziale di questo quadro standardizzato per guidare lo sviluppo di protocolli di stimolazione elettrica che possano infine suscitare risposte corticali indistinguibili da quelle del contatto meccanico naturale.

Solo recentemente le risposte MMN alla stimolazione elettrica e meccanica sono state confrontate direttamente, e finora solo utilizzando magnetoencefalografia^12,13. Il protocollo proposto è quindi il primo a fornire un quadro EEG unificato e dettagliato per registrare la MMN somatosensoriale – uno stimolo evocato sia da stimolazione elettrica che meccanica e implementato come stimolo standard e deviante all'interno dello stesso disegno sperimentale. La novità chiave di questo protocollo non risiede nella preparazione EEG stessa, ma nell'integrazione di stimolazione, registrazione, sincronizzazione e analisi in una metodologia completa e end-to-end che consenta il confronto diretto tra modali del processamento somatosensoriale. Le procedure di preparazione EEG seguono le migliori pratiche consolidate e si basano sui protocolli^{precedentemente pubblicati 14}. Sebbene aspetti dell'impostazione EEG siano stati dimostrati anche in formati^{video-basati 15}, questi approcci non sono stati combinati con stimolazioni tattili elettriche e meccaniche controllate con precisione, né applicati ai paradigmi MMN. Integrando questi elementi, il protocollo attuale estende le metodologie esistenti e fornisce un quadro trasferibile per l'indagine meccanicistica della previsione somatosensoriale e della rilevazione delle deviazioni.

Protocol

L'attuale protocollo sperimentale è stato condotto in conformità con le linee guida etiche del Comitato di Indagine Umana della Sirius University (Data di approvazione: 10.06.2025). Il consenso informato scritto viene ottenuto da ogni partecipante prima della raccolta dei dati. I criteri di esclusione includevano la presenza di pacemaker cardiaci impiantati o altri dispositivi elettronici, una storia di epilessia o disturbi convulsivi, gravidanza o condizioni dermatologiche nel sito di stimolazione.

1. Sistema di stimolazione multimodale

1. Utilizza uno stimolatore multimodale costruito su misura, sviluppato per fornire stimoli somatosensoriali controllati con precisione e sincronizzati. Il sistema è composto da un'unità di controllo e da un modulo di stimolazione, progettati per la ricerca neurofisiologica ad alta fedeltà.
   NOTA: Sebbene costruiti su misura per questo studio, requisiti sperimentali simili potrebbero essere soddisfatti anche da sistemi commerciali, come il mini-shaker tipo 4810⁶ e il Digitimer DS7A¹⁶.

2. Configurazione sperimentale

1. Registra i segnali EEG utilizzando un sistema EEG attivo a 64 canali. Posizionare l'elettrodo di massa su Fz (sistema 10–10) e posizionare l'elettrodo di riferimento sulla punta del muso. Campionare i dati a 10 kHz e applicare un filtro IIR passa-banda 1–40 Hz. Sincronizza i sistemi di stimolazione ed EEG tramite trigger TTL, con durate di trigger impostate individualmente per ogni tipo di stimolo (20-100 ms, in incrementi di 20 ms). Eseguire analisi offline dei dati utilizzando script scritti su misura implementati in MATLAB.
2. Eseguire un compito di controllo, in cui stimoli meccanici venivano inviati allo stimolatore mentre la mano del soggetto rimaneva fuori dalla superficie stimolante, con quattro soggetti, per assicurarsi che gli ERP non derivassero dal rumore uditivo prodotto dall'attuatore vibrante.

3. Preparazione EEG

1. Misura la circonferenza della testa del partecipante e identifica i punti anatomici (nasion, inion e punti preauricolari sinistro/destro). Seleziona di conseguenza la dimensione del cappuccio EEG.
2. Posizionare il cappuccio in modo che l'elettrodo centrale (Cz) sia posizionato al vertice. Verifica il corretto allineamento misurando le distanze da Cz al nasion, all'inion e a entrambi i punti preauricolari per garantire la simmetria. Usa il sistema internazionale di posizionamento degli elettrodi 10-10.
3. Collega tutti i cavi degli elettrodi all'amplificatore EEG secondo le specifiche del produttore.
4. Prepara ogni sito dell'elettrodo dividendo i capelli, abrasivando delicatamente la pelle con gel abrasivo e pulendola con alcol. Riempi ogni cavità dell'elettrodo con gel conduttivo. Applica prima gli elettrodi di massa e di riferimento per garantire una connessione stabile.
5. Confermare che la qualità del segnale dell'elettrodo soddisfi i criteri raccomandati dal produttore, garantendo bassi livelli di rumore e una registrazione affidabile dell'attività fisiologica, con valori di impedenza (quando disponibili) nell'intervallo accettabile (di solito inferiori a 10 kΩ).
6. Disposizionere i cavi degli elettrodi per minimizzare i movimenti e fissarli ai vestiti del partecipante per ridurre la tensione sui connettori.
7. Fai sedere il giocatore comodamente davanti a un monitor. Per mantenere una vigilanza stabile durante registrazioni prolungate, presenta un video silenzioso e neutro.
8. Ispezionare il segnale grezzo dell'EEG per garantire un rumore di base costante su tutti i canali. Verifica che gli artefatti fisiologici (ad esempio, battiti di ciglia, attività muscolare) siano chiaramente identificabili.

4. Impostazione della stimolazione e determinazione della soglia

1. Pulire il sito di stimolazione (ad esempio, l'indice della mano dominante) con un tampone alcolico per ridurre l'impedenza cutanea e garantire un contatto stabile tra elettrodo e pelle.
2. Posiziona il dito sul pad di stimolazione. Chiedi al partecipante di mantenere una postura delle mani rilassata e immobile durante tutto l'esperimento. Assicurati che il contatto sia stabile. Se disponibile, utilizzare la registrazione automatica della forza di base del dispositivo per confermare la pressione costante; altrimenti, verifica manualmente che il contatto rimanga coerente.
3. Determinare la soglia sensoriale individuale per la stimolazione elettrica utilizzando una procedura standardizzata a^{scala 17}.
   1. Iniziare la stimolazione a 1 mA e aumentare l'intensità a incrementi di 0,5 mA fino a quando il partecipante non riporta per la prima volta la sensazione.
   2. Diminuire l'intensità di 0,5 mA, poi aumentare di 0,1 mA per affinare la soglia.
   3. Presentare 10 stimoli a ciascuna intensità candidata e definire la soglia come la minima intensità a cui vengono rilevati almeno 5 stimoli su 10.
   4. Ripeti la procedura della scala 3 volte e calcola il valore medio come soglia sensoriale.
4. Determina la soglia di disagio per la stimolazione elettrica.
   1. Partendo dalla soglia sensoriale, aumentare l'intensità in passi di 0,5 mA. Chiedi al partecipante di indicare quando lo stimolo diventa sgradevole o insopportabile.
   2. Definisci la soglia di disagio come l'ultima intensità tollerata al di sotto di questo livello. Confermare la tollerabilità somministrando 4-7 impulsi di test.
5. Seleziona l'intensità finale della stimolazione per l'esperimento come valore tra le soglie sensoriali e di disagio, tipicamente la media aritmetica delle due.
6. Imposta l'intensità della stimolazione meccanica in modo che sia chiaramente rilevabile senza causare fastidio o movimenti visibili delle dita (ad esempio, al doppio della soglia sensoriale).

5. Preparazione delle sequenze di stimolazione

1. Parametri generali
   1. Imposta la larghezza dell'impulso sia della stimolazione elettrica che meccanica a 200 μs. Definire la durata degli standard come 100 ms e dei devianti come 145 ms, salvo diversa specificazione. Jitter l'intervallo inter-stimoli (ISI) casualmente tra 3,0 e 5,5 s. Presenta ogni tipo di stimolo almeno 100 volte.
2. Paradigmi strani e itineranti (stimolazione elettrica e meccanica)
   1. Nel paradigma oddball, si presentano sequenze di 5-8 standard seguite da un singolo deviante. I blocchi tipici di oddball includevano circa 100 devianti e 650 standard (750 stimoli in totale).
   2. Nel paradigma itinerante, si presentano 5-8 standard consecutivi seguiti da 5-8 devianti. I tipici blocchi itineranti comprendevano circa 100 sequenze standard e 100 sequenze devianti (ogni sequenza contiene 5-8 stimoli, risultando in un totale di circa 1300 stimoli per blocco).
   3. Applica entrambi i paradigmi con stimolazione elettrica e meccanica. Regola l'intensità della stimolazione meccanica affinché sia chiaramente percepibile mantenendo la soglia di disagio.
3. Stimolazione elettromeccanica combinata (paradigma itinerante)
   1. Definire standard e devianti in base alla modalità piuttosto che alla durata. Presentare sia stimoli elettrici che meccanici con durate identiche di 100 ms per escludere la durata come fattore di confusione.
   2. Per questa condizione, si utilizza una struttura a sequenza itinerante, con 5-8 standard consecutivi seguiti da 5-8 devianti. In questo design, i ruoli di standard e devianti si alternano naturalmente all'interno della stessa sessione, eliminando la necessità di ulteriori controbilanciamenti tra le sessioni.

6. Registrazione EEG durante la stimolazione

1. Spiega la procedura sperimentale al partecipante, osservando che non è necessaria alcuna risposta comportamentale agli stimoli tattili. Per mantenere un livello stabile di vigilanza, si raccomanda di presentare un video silenzioso e neutro; Tuttavia, questo è opzionale. Informare il partecipante che può ritirarsi dall'esperimento in qualsiasi momento senza conseguenze.
2. Istruisci il partecipante a minimizzare il battito di ciglia, le contrazioni dei muscoli facciali e i movimenti della testa durante la registrazione.
3. Chiedi al partecipante di usare cuffie con cancellazione attiva del rumore per evitare che le risposte cerebrali vengano influenzate dal rumore dell'attuatore vibrante.
4. Prevedi brevi pause ogni 10-15 minuti per ridurre la fatica e mantenere la qualità dei dati. Durante queste pause, valuta la percezione dell'intensità dello stimolo da parte del partecipante e regola l'intensità se vengono segnalati cambiamenti significativi nella percezione soggettiva. Verifica la sincronizzazione tra lo stimolatore e il sistema di acquisizione EEG utilizzando trigger TTL.
5. Inizia la registrazione EEG a una frequenza di campionamento di 10.000 Hz che sia almeno 2 volte superiore alla frequenza di stimolazione.
6. Esegui le sequenze di stimolazione (elettrica, meccanica o elettromeccanica) secondo il paradigma assegnato (Tabella 1).
7. Raccogli almeno 100 prove devianti per condizione. Regolare di conseguenza il numero di prove standard, mantenendo un rapporto di circa 5-8 standard per ogni deviante.
8. Oltre all'esperimento principale, eseguire la sequenza di controllo con stimoli inviati normalmente allo stimolante, ma la mano del soggetto viene posizionata fuori dalla superficie stimolante, mostrando condizioni in cui non ci si aspetta ERP/MMN, confermando che gli effetti osservati dipendono dal protocollo.

7. Preprocessing e analisi dei dati EEG

1. Rimuovere i reperti ispezionando l'EEG continuo e rimuovendo i canali con contaminazione rumorosa persistente. Escludere i segmenti temporali influenzati da pause tecniche o da attività muscolare eccessiva.
2. Correggere il canale di offset di base sottraendo il valore medio di ogni canale da ogni punto temporale per correggere gli offset di base.
3. Applicare il filtraggio usando un filtro IIR di quarto ordine a passo banda da 1-40 Hz ai dati EEG continui.
4. Segmentare i dati in epoche bloccate nel tempo all'inizio dello stimolo (−1000 ms a +1000 ms).
   NOTA: Secondo la nostra esperienza, l'uso di una finestra simmetrica di 1 s pre- e post-stimolo permette una valutazione più dettagliata della qualità dei dati, facilita l'applicazione di un filtraggio aggiuntivo in frequenza senza influenzare il periodo critico di base e consente il rilevamento di sincronizzazioni o desincronizzazioni legate allo stimolo dei ritmi neurali in corso.
   1. Per la stimolazione unimodale (paradigmi elettrici o meccanici strani/vaganti), definisci epoche standard e devianti in base alla durata dello stimolo (100 ms vs. 145 ms).
   2. Per la stimolazione multimodale (paradigma combinato di movimento elettromeccanico), definire epoche standard e devianti in base alla modalità dello stimolo (elettrica vs. meccanica, entrambe con durata di 100 ms).
5. Rifiutare le epoche contaminate scartando quelle che contengono ampiezza superiore a +50 μV o che scendono sotto −50 μV all'interno dell'intervallo di −1000-+1000 ms.
6. Regolare la base delle epoche sottraendo il valore medio nell'intervallo pre-stimolo di −200 ms a −50 ms.
7. Le forme d'onda medie calcolando tracce medie attraverso epoche dello stesso tipo (standard o devianti) all'interno di ogni condizione.
8. Visualizza le ERP tracciando le ERP per singoli canali o regioni di interesse, concentrandoti sulle regioni centro-temporali di interesse entro la finestra temporale post-stimolo di 150-350 ms.
   Emisfero controlaterale: FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7.
   Emisfero ipsilaterale: FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4.

Results

Paradigma strano
La presentazione di stimoli devianti rari (145 ms) tra stimoli standard frequenti (100 ms) durante la stimolazione meccanica non è riuscita a ottenere ERP chiare e affidabili. Di conseguenza, non è stata osservata alcuna differenza significativa tra le risposte standard e devianti (Figura 1). Al contrario, il paradigma elettrico oddball generava forme d'onda ERP bilaterali riconoscibili. Tuttavia, confrontando stimoli sta...

Discussion

Questo lavoro stabilisce un protocollo EEG standardizzato per il confronto neurale diretto e interno al soggetto tra stimolazione tattile elettrica artificiale e meccanica naturale. Il contributo metodologico centrale è un quadro che garantisce un controllo temporale preciso, una calibrazione percettiva specifica per il partecipante e l'applicazione di diversi paradigmi sperimentali per valutare le risposte corticali. I risultati iniziali della prova di concetto, pur basandosi su un camp...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
actiCHamp Plus Amplificatore versatile all-in-one da laboratorio	Brain Products GmbH	N/S/ACBM17120955	Sistema primario di acquisizione dati EEG
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	Cappuccio elettrodo attivo con 64 canali
Digitimer DS7A	Digitimer Ltd	UDI-DI 5060490360003	Stimolatore elettrico
MatLab	The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA
Mini-shaker tipo 4810	Brü El & Kjæ r	BP-0232	Stimolatore meccanico
Sensore fotografico	Brain Products GmbH	N/A	Per la rilevazione ottica dell'inizio dello stimolo
Stanza schermata Neiroiconica "Esperto	Neiroiconica Assistive Ltd	N/S/N 20210119011	Camera schermata elettromagneticamente
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH	N.d.: TB-A100009-0624	Interfaccia di sincronizzazione per trigger TTL