機械的および電気的触覚刺激に対する皮質反応を比較するための標準化されたEEGプロトコル

サマリー

この概念実証プロトコルは、オッドボールおよびロービングパラダイムを用いた電気的および機械的刺激によって誘発される体性感覚誘発電位のEEG記録を詳細に示しています。

要約

触覚インターフェースにおけるリアルな触覚フィードバックの開発は、電気刺激と機械刺激の神経処理の理解に依存しています。脳波計(EEG)を用いて両方法を直接比較するためのプロトコルが提示されています。このプロトコルは、EEG刺激器の正確な同期、被験者特有の電気的・機械的刺激のキャリブレーション、そして早期事象関連電位(ERP)とミスマッチ負性(MMN)成分を比較するためのオッドボールおよびロービングパラダイムの実装手順を詳細に示しています。概念実証プロトコルは、それぞれ異なる実験条件に割り当てられた4人の健康な参加者で検証されました。右人差し指の機械的または電気的刺激をロービングまたはオッドボールのパラダイムで行い、持続時間(100 ms対145 ms)を操作しました。さらに、5^人目の 参加者は100msですべての刺激に対して交互のモダリティを用いたローブングパラダイムを受けました。ユニモーダル刺激の下では、ロービングパラダイムは両モダリティの体性感覚ERPを検出し、電気刺激にはMMN様成分を識別する点で異端的なパラダイムよりも感度が高いことが証明されました。ロービングパラダイムを用いたクロスモーダル比較も同様に、電気刺激に関して明確なMMN様成分を示しました。これらの結果は、現在のプロトコルが神経活動と知覚の相関や人工感覚と自然感覚の皮質処理を直接比較するのに適していることを示しています。この枠組みは、機械的触覚と区別がつかない皮質反応を引き出す電気刺激プロトコルの開発に向けた必要な一歩です。

概要

触覚技術における根本的な課題は、皮膚と機械のインターフェースを通じて自然な触覚感覚を再現することです。これには、自然刺激が引き起こす神経活動の正確な時空間パターンを再現する必要があります。機械的アクチュエーターは物理的相互作用を再現できますが、機械受容体の表皮電気刺激はコンパクトで多用途^{な代替手段}を提供します。しかし、電気刺激はしばしば不自然または不快な感覚異常を引き起こします。電気的刺激と機械的刺激に対する神経反応の直接比較は^{新しい関心分野}であり^、洗練された電気プロトコルが自然な機械的触覚を密接に模倣する皮質反応を誘発できるのかという疑問を投げかけます。

脳波計(EEG)は、体性感覚刺激に対する皮質の反応を高い^{時間分解能}で捉えることで、この問題に理想的なツールを提供します。重要な指標には、^{刺激特徴の}初期皮質処理を反映する早期事象関連電位(ERP)5と、ミスマッチネガティティ(MMN)成分^6,7が含まれます。MMNは、通常オッドボールパラダイムで誘導される前注意型の変化検出反応であり、繰り返しの標準刺激の連続が稀な逸脱刺激8によって中断されたときに感覚予測の違反をシグナル^します。この反応は感覚識別と記憶の強力な電気生理学的相関です。補完的なアプローチとして、繰り返し刺激の短い列車を提示することで効率的にMMNを生成するロービングパラダイムがあります。新しい列車の最初の刺激はその新奇さゆえに逸脱として機能し、古典的なオッドボール・パラ^ダイム9よりもバランスの取れた標準と逸脱の数を提供します。

MMNは聴覚および視覚領域で広く特徴付けられていますが、体性感覚サブモダリティを比較する標準化された枠組みは存在しません。これまでの研究では、機械的^6,7および電気刺激10,11,12に対する信頼できるMMN応答が別途確立されています。しかし、時間的に正確かつ知覚的に一致した刺激を用いた直接的な被験者内比較がないため、意味のある結論は得られません。この方法論的なギャップは、人工的に誘発された電気的反応が自然な機械的触覚と同じ事前注意変化検出機構を関与しているかどうかを評価する能力を根本的に制限しています。

この方法論的制約に対処するため、電気刺激と機械刺激の直接的な神経比較を可能にする標準化されたEEGプロトコルが開発されました。現在の手法は、正確なEEG刺激器同期、参加者ごとの電気的校正を顕著かつ非嫌悪的なレベルに、標準化された機械刺激の適用、そしてERPとMMNを異なるモダリティで比較するためのオッドボールおよびロービングパラダイムの実装を保証します。

各パラダイムが異なる時間の機械的および電気的刺激に対して明確なERPおよびMMNを誘導する能力を最初に評価しました。このオッドボールパラダイムは電気刺激に対してのみ識別可能なERPを生成し、どちらのモダリティでもMMNを誘発しませんでした。対照的に、ロービングパラダイムは両方のモダリティでERPを誘導し、電気刺激には注目すべきMMN様成分も見込みました。ロービングパラダイムの感度を活用し、機械的刺激と電気刺激を交互に行う直接的なクロスモーダル比較が行われました。両モダリティで明確なERPが観察された一方、明確なMMN様成分は電気刺激でのみ誘発されました。これらの初期結果は1人の参加者に基づいていますが、この標準化された枠組みが、最終的に自然な機械的触覚と区別がつかない皮質反応を引き出す電気刺激プロトコルの開発を導く可能性を示しています。

電気刺激および機械刺激に対するMMN反応が直接比較されたのは最近のことで、これまでのところ磁気脳波検査のみを用い^{ています。}したがって、提案されたプロトコルは、電気的刺激と機械的刺激の両方によって誘発され、標準刺激および逸脱刺激として同一実験設計内で実装された体性感覚MMNを記録するための統一的かつ詳細なEEGフレームワークを提供する初めてのものです。このプロトコルの最大の新規性は、EEG準備自体ではなく、刺激、記録、同期、解析を包括的かつエンドツーエンドの方法論に統合し、体性感覚処理の直接的なクロスモーダル比較を可能にする点にあります。EEGの準備手順は確立されたベストプラクティスに従い、既に公開されたプロトコルに基づいています。¹⁴。EEGセットアップの一部はビデオベースのフォーマットでも実証^{されていますが、}これらのアプローチは精密に制御された電気的・機械的触覚刺激と組み合わせられておらず、MMNパラダイムにも適用されていません。これらの要素を統合することで、本プロトコルは既存の手法を拡張し、体性感覚予測と逸脱検出の機構的調査のための汎用的な枠組みを提供します。

プロトコル

現在の実験プロトコルは、シリウス大学人間調査委員会の倫理ガイドラインに従って実施されました(承認日:2025年6月10日)。データ収集前に各参加者から書面によるインフォームド・コンセントが取得されます。除外基準には、心臓ペースメーカーやその他の電子機器の有無、てんかんやてんかんの既往歴、妊娠、または刺激部位の皮膚科疾患が含まれていました。

1. マルチモーダル刺激システム

1. カスタム開発されたマルチモーダル刺激器を使用し、正確に制御され同期した体性感覚刺激を提供します。このシステムは制御ユニットと刺激モジュールで構成されており、高精度な神経生理学的研究のために設計されています。
   注:本研究のためにカスタムビルドされたものの、同様の実験要件はミニシェーカータイプ4810⁶ やDigitimer DS7A¹⁶などの商用システムでも満たされる可能性があります。

2. 実験的セットアップ

1. 64チャンネルのアクティブEEGシステムを使ってEEG信号を記録します。接地電極をFz(10–10系)に位置させ、基準電極をノーズの先端に置きます。10 kHzでデータをサンプリングし、1–40 HzのバンドパスIIRフィルターを適用します。刺激とEEGシステムをTTLトリガーで同期させ、トリガー持続時間は各刺激タイプごとに個別に設定されます(20〜100ms、20ms単位)。MATLABで実装されたカスタムスクリプトを使ってオフラインデータ解析を行います。
2. 制御課題を実施し、被験者の手が刺激面の外に留まった状態で機械刺激を刺激器に送り、振動アクチュエーターによる聴覚ノイズによるERPが起こらないようにします。

3. 脳波準備

1. 参加者の頭部周囲を測定し、解剖学的ランドマーク(内輪、耳前、左右の前耳のポイント)を特定します。それに応じてEEGのキャップサイズを選択してください。
2. キャップを中心電極(Cz)が頂点に位置するように配置します。Czから鼻、イニオン、両耳前点までの距離を測定して対称性を確認し、正しい整列を確認します。国際的な10-10電極配置システムを使ってください。
3. メーカーの仕様に従って、すべての電極リードをEEGアンプに接続してください。
4. 各電極部位は毛を分け、研磨剤ジェルで優しく擦り、アルコールで洗浄して準備します。各電極空洞に導電性ゲルを詰めます。まず接地電極と基準電極を適用して安定した接続を確保してください。
5. 電極信号の品質がメーカー推奨の基準を満たしていること、低ノイズレベルと生理活動の信頼性の高い記録、インピーダンス値(利用可能な場合)が許容範囲内(通常10 kΩ未満)であることを確認しましょう。
6. 動作のアーティファクトを最小限に抑えるために電極ケーブルを配置し、参加者の衣服に固定してコネクターへの負担を軽減します。
7. 参加者をモニターの前に快適に座らせます。長時間の録画中の安定した覚醒性を支援するために、無音で中立的な映像を提示してください。
8. 生のEEG信号を調べて、チャネル間の基準ノイズが一貫しているか確認しましょう。生理的な特徴(例えば、まばたきや筋肉活動)が明確に識別可能であることを確認しましょう。

4. 刺激設定と閾値の決定

1. 刺激部位(例:利き手の人差し指)をアルコール綿棒で洗浄し、皮膚インピーダンスを減らし、電極と皮膚の接触を安定させます。
2. 指を刺激パッドに置きます。実験中は参加者にリラックスして動かない手の姿勢を保つよう求めます。安定した接触が確保されるようにしましょう。利用可能な場合は、装置の自動基準力登録を使って一定圧力を確認してください。それ以外の場合は、接触が一貫しているか手動で確認してください。
3. 標準化された階段手順¹⁷を用いて、電気刺激に対する個々の感覚閾値を決定します。
   1. 刺激は1 mAから始め、0.5 mAずつ強度を増していく。参加者が初めて感覚を報告するまで。
   2. 強度を0.5 mA減らし、その後0.1 mA段階で増やして閾値を細くします。
   3. 各候補の強度で10刺激を提示し、閾値を10刺激中少なくとも5つが検出される最低強度と定義します。
   4. 階段の手順を3回繰り返し、平均値を感覚閾値として計算します。
4. 電気刺激の不快感閾値を決定してください。
   1. 感覚閾値から0.5 mAステップごとに強度を増やします。刺激が不快または耐え難くなるタイミングを参加者に示してもらいます。
   2. 不快感の閾値を、このレベルより下で耐えられる最後の強度と定義します。4〜7回のテストパルスを投与して耐容性を確認します。
5. 実験の最終刺激強度を感覚閾値と不快感閾値の間、通常は両者の算術平均として選択します。
6. 機械的刺激の強度を、不快感や指の動きを目に見えることなく明確に検出できるものに設定してください(例:感覚閾値の2倍の場合)。

5. 刺激シーケンスの準備

1. 一般的なパラメータ
   1. 電気刺激と機械刺激の両方のパルス幅を200μsに設定します。標準の持続時間を100 ms、逸脱を145 msと定義します。特に指定がない限り。刺激間間(ISI)が3.0〜5.5秒の間にランダムに揺れ動く。各刺激タイプを少なくとも100回提示してください。
2. オッドボールおよびロービングパラダイム(電気刺激および機械刺激)
   1. オッドボールの範疇では、5〜8つの標準の後に1人の逸脱者が続く連続が提示されます。典型的なオッドボールブロックには約100人の逸脱者と650の標準(合計750刺激)が含まれていました。
   2. ロービングパラダイムでは、5〜8つの連続した基準の後に5〜8の逸脱者が現れます。典型的なロービングブロックには、約100の標準配列と100の逸脱配列が含まれていました(各配列には5〜8の刺激が含まれ、合計で1ブロックあたり約1300刺激となります)。
   3. 電気的刺激と機械的刺激の両方を適用してください。不快感の閾値を下回りつつ、機械的刺激の強度を明確に感じられるように調整してください。
3. 複合電気機械的刺激(ロービングパラダイム)
   1. 標準と逸脱は、期間ではなくモダリティで定義してください。電気的刺激と機械的刺激の両方を100msの同一時間で提示し、持続時間を交絡要因として排除します。
   2. この条件では、5〜8個の連続した標準に続いて5〜8個の逸脱を続けるローブシーケンス構造を用います。この設計では、標準と逸脱者の役割が同じセッション内で自然に交互に行われ、セッション間の追加バランス調整の必要性がなくなります。

6. 刺激時のEEG記録

1. 実験手順を参加者に説明し、触覚刺激に対する行動反応は必要ないことを伝えます。安定した覚醒度を維持するためには、無音で中立的なビデオを提示することが推奨されます。ただし、これは任意です。参加者に、いつでも実験から撤退しても何の罰則もないと伝えてください。
2. 録画中にまばたき、顔の筋肉の収縮、頭部の動きを最小限に抑えるよう指導します。
3. 参加者にアクティブノイズキャンセリング機能付きのイヤホンを使わせ、振動アクチュエーターのノイズによる脳の反応が影響を受けないようにします。
4. 疲労を軽減しデータの質を維持するために、10〜15分ごとに短い休憩を設けましょう。これらの休憩中、参加者の刺激強度の知覚を評価し、主観的知覚に大きな変化が報告された場合は強度を調整します。TTLトリガーを使って刺激装置とEEG取得システムの同期を確認しましょう。
5. 10,000Hzのサンプリングレートで、刺激周波数の少なくとも2倍で脳波記録を開始します。
6. 割り当てられたパラダイムに従って刺激シーケンス(電気的、機械的、または電気機械的)を実行します(表1)。
7. 各条件ごとに最低100件の逸脱試練を集めてください。標準試験の数を調整し、逸脱者ごとに約5〜8の標準の比率を維持します。
8. 主実験に加えて、刺激装置に通常送る刺激を含み、被験者の手を刺激面の外側に置き、ERP/MMNが期待されない条件を示し、観察効果がプロトコル依存であることを確認します。

7. EEGデータの前処理と解析

1. 連続的な脳波検査を行い、持続的なノイズ汚染のあるチャネルを除去してアーティファクトを除去します。技術的な中断や過度の筋肉活動による時間区分は除外します。
2. 各時間点から各チャネルの平均値を差し引いて、ベースラインオフセットを補正します。
3. 連続したEEGデータに対して、1-40Hzのバンドパス4次IIRフィルターを用いてフィルタリングを行います。
4. データを刺激開始にタイムロックされたエポック(−1000msから+1000ms)に分割します。
   注:私たちの経験では、刺激前後の対称的な1秒のウィンドウを使用することで、データ品質のより詳細な評価が可能になり、臨界基準期間に影響を与えずに追加の周波数フィルタリングを適用しやすくなり、進行中の神経リズムの刺激関連の同期または非同期の検出が可能になります。
   1. ユニモーダル刺激(電気的または機械的なオッドボール/ロービングパラダイム)については、刺激持続時間(100 ms対145 ms)に基づいて標準エポックとデヴィアントエポックを定義します。
   2. マルチモーダル刺激(電気機械的ロービングパラダイムの組み合わせ)では、刺激モダリティ(電気的か機械的か、いずれも100ms持続)に応じて標準エポックとデビアントエポックを定義します。
5. −1000〜+1000 msの区間内で振幅+50 μVを超えるか−50 μV未満のものは、汚染されたエポックを除外します。
6. −200msから−50msまでの平均値を引いて、刺激前の基準値を調整します。
7. 各条件下で同じタイプの(標準波または逸脱)の平均トレースを計算して平均波形を算出します。
8. ERPを可視化するには、刺激後150〜350msの時間ウィンドウ内の中心時間領域に焦点を当て、個々のチャネルや関心領域ごとにERPをプロットします。
   対側半球:FC5、FT7、C3、C5、T7、CP3、CP5、CP7、P3、P5、P7。
   同側半球:FC6、FT8、C4、C6、T8、CP4、CP6、TP8、P6、P8、P4。

結果

オッドボール・パラダイム
機械的刺激中に頻繁な標準刺激(100ミリ秒)と希少な逸脱刺激(145 ms)の提示は、明確かつ信頼性の高いERPを誘発しませんでした。したがって、標準反応と逸脱反応間に有意な差は観察されませんでした(図1)。これに対し、電気的オッドボールパラダイムは識別可能な両側ERP波形を生成しました。しかし、標準刺激と逸脱刺激の比較では、依然として有意または一貫したMMN成分は得られませんでした(図1)。

ロービングパラダイム
機械的ロービングパラダイムは識別可能な両側ERP波形を生成しました。この改善にもかかわらず、逸脱刺激と標準刺激の比較では、依然として有意なMMN成分は明らかになりませんでした(図2)。電気的ロービングパラダイムはより効果的...

ディスカッション

本研究は、人工電気刺激と自然機械的触覚刺激の直接的かつ被験者内神経比較のための標準化されたEEGプロトコルを確立します。中核的な方法論的貢献は、正確な時間的制御、参加者ごとの知覚校正、そして皮質反応を評価するためのさまざまな実験パラダイムの適用を保証する枠組みです。限られたサンプルに基づく初期の概念実証結果は、プロトコルの有効性を示し、より自然な触覚インターフェースの開発を導く可能性を強調しています。

パラダイム間のERPの明確さの違いは、標準と逸脱を定義する際のそれぞれの異なる分析アプローチの直接的な結果です。オッドボールパラダイムでは、ERPはそれぞれすべての標準刺激とすべての逸脱刺激を平均化して導出されます。このアプローチは、さまざまな適応状態からの神経応答を取り入れ、変動し結果として希釈された平均信号を生み出します。これに対し、ロービングパラダイムはより選択的な分析を用いています。標準ERPは列車内の最終刺激のみで定義され、逸脱ERPは新しい列車⁹の最初の刺激...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
actiCHamp Plus 多用途オールインワンラボアンプ	Brain Products GmbH	注:ACBM17120955	一次EEGデータ取得システム
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	64チャンネルのアクティブ電極キャップ
デジタイマー DS7A	Digitimer Ltd	ウディ・ディ5060490360003	電気刺激器
マットラボ	The MathWorks, Inc.、マサチューセッツ州ナティック、アメリカ合衆国
ミニシェーカータイプ4810	ブラウムル;エル&Kjær	BP-0232	機械的刺激装置
フォトセンサー	Brain Products GmbH	該当なし	刺激開始の光学的検出のために
遮蔽された部屋のネイロイコニカ「エキスペンス」	ネイロイコニカ支援株式会社	S/N