電気生理学的測定とヒト幼児における痛覚の分析

本実験の全般的な目的は、人間の乳児における侵害受容特異的な脳および脊髄活動を記録し、特性を明らかにすることである。これは、中枢神経系の電気生理学的活動を測定するために、EEGおよびEMGの手法を用いて達成される。臨床的に不可欠な侵害的処置に続き、第一のステップとして、乳児が実験的、触覚的、および不可欠な侵害刺激を受けた際に、高品質な生理学的記録が得られることを確認する。

次に、誘発された活動パターンの特性を明らかにするため、データに後処理解析手法を適用する必要があります。その結果、人間の乳児の脳からは、感受性のある特異的な脳および脊髄活動が記録されないことが示される場合があります。この手法は、発達中の神経系が有害刺激にどのように反応するかを理解するのに役立ちます。

この実験の準備を開始するには、まず乳児の皮膚を整え、次に16個以上の使い捨てEEG銀・塩化銀カップ電極を頭部に配置します。修正国際10-20電極配置法に基づき、EEG導電性ペーストを使用して電極と皮膚の電気的結合を最適化します。ここでは、国際10-20電極配置法を修正したEEG記録用の電極配置図を示します。

記録の参照電極としてFCZを使用してください。ECGとEEGには同じ接地電極を使用します。接地電極を胸部または頭部に配置してください。

次に、ECG記録を行うため、皮膚を前処理し、胸部の左右にECG電極を配置します。電気的な干渉を最小限に抑えるため、電極リードを一緒にまとめます。続いて、呼吸を測定するために、腹部に動作トランスデューサを設置します。

次のステップは、皮膚の準備を行い、両脚の二頭筋にEMG電極を配置することです。次に、刺激を与える脚とは反対側の足にパルスオキシメータプローブを装着し、プローブがしっかりと固定されていることを確認してください。モニターでEEG信号を確認し、酸素飽和度と心拍数が信号の欠落なく記録されていることを確認してください。

最後に、乳児の顔にフォーカスを合わせ、表情の変化を記録できるよう三脚に固定したカムコーダーを設置します。カメラのフレーム内に発光ダイオード（LED）を配置します。このLEDはタイミング回路に連結されており、刺激が提示されると同時に点灯することで、EEG、EMG、およびビデオ録画を同期させます。

セットアップが完了したら、データ収集を開始します。ビデオ録画を開始し、乳児が落ち着いた後、踵穿刺を行うように足を保持し、EEGおよびEMG記録にイベントマークを付けます。このエポックは、バックグラウンドコントロールのセクションを特定するために使用されます。

次に、ゴム栓で踵を軽く叩き、触覚刺激を与えます。パルスオキシメータを装着していない方の足に刺激を与えてください。ここでは、腱反射用ハンマーのインピーダンスヘッドに取り付けたゴム栓を用いて触覚刺激を行い、記録装置に電子的にリンクさせてイベントマーキングを行います。

ビデオ録画にはLEDフラッシュによるイベントマークが付与されます。繰り返しタッチを行うことができ、また刺激を肩などの身体の異なる部位に適用することも可能です。

次に、ランセットを90度回転させ、スプリングロード式のブレードが放出されたときに皮膚に接触しないように足に当てて、コントロール刺激を行います。EEG活性が安定した後、臨床的に不可欠な踵穿刺（かかとせんし）を、臨床実務に従って実施します。ここまでの映像に登場した乳児には穿刺を行っていないため、ここでは別の乳児への踵穿刺を示します。踵の固定を行います。

穿刺は、対照刺激時と同様の手順で行ってください。踵の穿刺後、記録される反応が穿刺のみによるものであることを確実にするため、少なくとも30秒間は足を圧迫しないでください。必要な量の血液を採取した後、臨床分析用のサンプルを調製します。データを保存し、すべての記録装置を停止してください。

その後、電極を取り除きます。最後に、乳児の人口統計学的情報と実験の詳細を記録します。これらのデータを匿名化されたデータベースに入力し、安全に保存して後で参照できるようにします。

研究で必要とされる乳児のサンプルに対して、この手順を繰り返します。EEGデータの解析を開始するには、まず、各タッチコントロール、ランス刺激、およびバックグラウンドEEGに対応する1.7秒間のEGエポックを作成します。これらのエポックは、各イベントの0.6秒前から開始する必要があります。

各モダリティに対応するエポック数を同一のベースラインとし、平均ベースライン信号を差し引くことでエポックを補正します。次に、それらを0.1 hertzでハイパスフィルタリングします。今後の解析にはCPZまたはCZで記録されたエポックを使用し、50 milliseconds未満で振幅の変化が50 microvoltsを超える、体動アーチファクトにより汚染されたエポックは除外します。

すべての記録についてこれを繰り返します。次に、各乳児から記録されたトレースを整列させ、刺激後の50から30ミリ秒のレイテンシジッターを補正します。

この時間間隔において主成分分析を行い、触覚刺激に関連するEEG活動である触覚誘発電位を特定します。ここで、EPOCHを変数とし、時間点を観測値として扱います。

主成分分析。EEGエポックを主成分（PC）と呼ばれる基本波形に分解し、時間経過に伴う信号振幅の系統的な変動を表現します。次に、刺激後300から700ミリ秒の間のレイテンシジッターを補正するためにトレースをアライメントし、この時間間隔で主成分分析を行います。EMGデータの解析では、まず、コントロール刺激およびランス刺激における刺激後最初の1000ミリ秒間のEMG信号の二乗平均平方根（RMS）を算出します。

次に、二乗平均平方根（RMS）値に対してT検定を行い、侵害受容特異的な脊髄反射性逃避反応を判定します。ここでは、50から300ミリ秒の間でアライメントを行った後、すべての刺激タイプにわたって得られたCZにおける総合平均を示しています。太線で示された主成分は、触覚刺激と有害刺激の両方によって誘発された感覚電位を表しています。なぜなら、この成分のウェイトは、背景EEGと比較して、触覚刺激および有害刺激の後に有意に大きくなるためです。

対照的に、刺激開始後300～700ミリ秒の間で得られる主成分は、侵害受容特異的電位を表しています。この成分の重みは、触覚刺激や背景と比較して、有害刺激後に有意に大きくなります。EEGに示されているのは、3人の乳児において触覚刺激により誘発されたczにおける感覚電位の例（青色）であり、また、3人の乳児において有害な穿刺（ランス）により誘発されたczにおける侵害受容特異的電位の例（緑色）です。

最後に、新生児の踵への侵害性刺激（針刺し）および非侵害性刺激（接触）後のEMG活性の例を示します。二乗平均平方根（RMS）EMG活性は、非侵害性刺激と比較して、侵害性刺激後に有意に増大しています。この手法は、痛みの処理過程の発達を解明しようとする神経科学分野の研究者にとって、新たな道を開くものとなるでしょう。