Gestandaardiseerd EEG-protocol voor het vergelijken van corticale responsen op mechanische en elektrische tactiele prikkels

Samenvatting

Dit proof-of-concept-protocol beschrijft EEG-opname van somatosensorisch opgewekte potentialen die worden opgewekt door elektrische en mechanische stimulatie met behulp van oddball- en roving-paradigma's.

Samenvatting

De ontwikkeling van realistische tactiele feedback in haptische interfaces is afhankelijk van het begrijpen van de neurale verwerking van elektrische versus mechanische prikkels. Er wordt een protocol gepresenteerd om de twee modaliteiten direct te vergelijken met behulp van elektro-encefalografie (EEG). Het protocol beschrijft procedures om nauwkeurige EEG-stimulatorsynchronisatie te bereiken, subjectspecifieke elektrische en mechanische stimuli te kalibreren, en zowel oddball- als roving-paradigma's te implementeren om vroege gebeurtenisgerelateerde potentieelen (ERP's) en de mismatch negativiteit (MMN) component te vergelijken. Het proof-of-concept-protocol werd gevalideerd op vier gezonde deelnemers, elk toegewezen aan een eigen experimentele conditie: mechanische of elektrische stimulatie van de rechterwijsvinger onder roving of oddball-paradigma's, waarbij de duur werd gemanipuleerd (100 ms versus 145 ms). Daarnaast onderging een^vijfde deelnemer een roving-paradigma met afwisselende modaliteiten en alle prikkels op 100 ms. Onder unimodale stimulatie bleek het roving-paradigma gevoeliger dan de buitenbeentje in het detecteren van somatosensorische ERP's voor beide modaliteiten en een waarneembare MMN-achtige component voor elektrische stimulatie. De cross-modale vergelijking met het roving-paradigma toonde op vergelijkbare wijze een duidelijk MMN-achtig component, maar alleen voor de elektrische prikkel. Deze resultaten tonen aan dat het huidige protocol geschikt is om neurale activiteit te correleren met perceptie en om de corticale verwerking van kunstmatige en natuurlijke sensaties direct te vergelijken. Dit kader is een noodzakelijke stap richting het ontwikkelen van elektrische stimulatieprotocollen die corticale reacties oproepen die niet te onderscheiden zijn van mechanische aanraking.

Inleiding

Een fundamentele uitdaging in haptische technologie is het nabootsen van natuurlijke tastbare sensaties via huid-machine-interfaces. Dit vereist het repliceren van de precieze ruimtelijke patronen van neurale activiteit die natuurlijke prikkels oproepen. Hoewel mechanische actuatoren fysieke interacties kunnen repliceren, biedt epidermale elektrische stimulatie van mechanoreceptoren een compact en veelzijdig alternatief¹. Elektrische stimulatie veroorzaakt echter vaak onnatuurlijke of onaangename paresthesie. Een directe vergelijking van neurale responsen met elektrische en mechanische stimulatie vormt een nieuw interessegebied ^2,3, wat de vraag oproept: kunnen verfijnde elektrische protocollen corticale reacties oproepen die natuurlijke mechanische aanraking nauw nabootsen?

Elektro-encefalografie (EEG) biedt een ideaal hulpmiddel om deze vraag te beantwoorden door corticale responsen op somatosensorische prikkels met hoge temporele resolutie vast te leggen⁴. Kritieke meetwaarden zijn onder andere vroege gebeurtenisgerelateerde potentialen (ERP's), die de initiële corticale verwerking van stimuluskenmerken⁵ weerspiegelen, en de mismatch negativiteit (MMN) component ^6,7. De MMN is een pre-attentieve veranderingsdetectierespons, meestal opgewekt in een oddball-paradigma, die een schending van sensorische voorspelling aangeeft wanneer een reeks repetitieve standaardstimuli wordt onderbroken door een zeldzame afwijkende stimulus⁸. Deze respons is een robuuste elektrofysiologische correlatie tussen sensorische discriminatie en geheugen. Een complementaire benadering is het roving-paradigma, dat MMN efficiënt genereert door korte reeksen van een herhalende stimulus te presenteren; De eerste stimulus van een nieuwe trein fungeert als een afwijking vanwege zijn nieuwheid, en biedt een meer evenwichtig aantal standaarden en afwijkingen dan het klassieke oddball-paradigma⁹.

Hoewel MMN uitgebreid is gekarakteriseerd in auditieve en visuele domeinen, ontbreekt een gestandaardiseerd kader voor het vergelijken van MMN tussen somatosensorische submodaliteiten. Eerder onderzoek heeft afzonderlijk betrouwbare MMN-responsen op mechanische ^6,7 en elektrische prikkels 10,11,12 vastgesteld. Het ontbreken van een directe, binnen-subjectieve vergelijking met tijdsprecieze en perceptueel gematchte prikkels verhindert echter betekenisvolle conclusies. Deze methodologische kloof beperkt fundamenteel het vermogen om te beoordelen of kunstmatig opgewekte elektrische reacties dezelfde vooraf oplettende veranderingsdetectiemechanismen gebruiken als natuurlijke mechanische aanraking.

Om deze methodologische beperking aan te pakken, werd een gestandaardiseerd EEG-protocol ontwikkeld om directe neurale vergelijking van elektrische en mechanische stimulatie mogelijk te maken. De huidige methode garandeert precieze EEG-stimulator-synchronisatie, deelnemer-specifieke elektrische kalibratie tot een opvallend maar niet-aversief niveau, toepassing van een gestandaardiseerde mechanische stimulus, en de implementatie van zowel oddball- als roving-paradigma's om ERP's en MMN over modaliteiten te vergelijken.

Het vermogen van elk paradigma om duidelijke ERP's en MMN op te roepen als reactie op mechanische en elektrische prikkels van verschillende duur werd eerst beoordeeld. Het oddball-paradigma genereerde alleen waarneembare ERP's voor elektrische stimulatie en leverde MMN niet op voor beide modaliteiten. Daarentegen leverde het roving-paradigma ERP's op voor beide modaliteiten en een opvallende MMN-achtige component voor elektrische stimulatie. Met gebruik van de gevoeligheid van het roving-paradigma werd een directe cross-modale vergelijking uitgevoerd met afwisselende rijen van mechanische en elektrische stimuli. Duidelijke ERP's werden waargenomen voor beide modaliteiten, terwijl een duidelijk MMN-achtig component alleen werd opgewekt door elektrische stimulatie. Hoewel deze eerste resultaten gebaseerd zijn op één deelnemer per conditie, tonen ze het potentieel aan van dit gestandaardiseerde kader om de ontwikkeling van elektrische stimulatieprotocollen te begeleiden die uiteindelijk corticale reacties kunnen oproepen die niet te onderscheiden zijn van die van natuurlijke mechanische aanraking.

Pas recentelijk zijn MMN-reacties op elektrische en mechanische stimulatie direct vergeleken, en tot nu toe alleen met magneto-encefalografie^12,13. Het voorgestelde protocol is daarom het eerste dat een uniform en gedetailleerd EEG-kader biedt voor het registreren van somatosensorische MMN – een framework dat zowel elektrische als mechanische stimulatie wordt opgewekt en geïmplementeerd als standaard- en afwijkende stimuli binnen hetzelfde experimentele ontwerp. De belangrijkste nieuwigheid van dit protocol ligt niet in de EEG-voorbereiding zelf, maar in de integratie van stimulatie, opname, synchronisatie en analyse in een uitgebreide, end-to-end methodologie die directe cross-modale vergelijking van somatosensorische verwerking mogelijk maakt. De EEG-voorbereidingsprocedures volgen vastgestelde best practices en zijn gebaseerd op eerder gepubliceerde protocollen¹⁴. Hoewel aspecten van de EEG-opstelling ook zijn aangetoond in videogebaseerde^formaten, zijn deze benaderingen niet gecombineerd met nauwkeurig gecontroleerde elektrische en mechanische tactiele stimulatie, noch toegepast op MMN-paradigma's. Door deze elementen te integreren, breidt het huidige protocol bestaande methodologieën uit en biedt het een overdraagbaar kader voor het mechanistische onderzoek van somatosensorische voorspelling en deviantiedetectie.

Protocol

Het huidige experimentele protocol is uitgevoerd in overeenstemming met de ethische richtlijnen van het Human Investigation Committee van de Sirius Universiteit (Goedkeuringsdatum: 10.06.2025). Schriftelijke geïnformeerde toestemming wordt van elke deelnemer verkregen voorafgaand aan de gegevensverzameling. Uitsluitingscriteria omvatten de aanwezigheid van geïmplanteerde hartpacemakers of andere elektronische apparaten, een voorgeschiedenis van epilepsie of epileptische stoornissen, zwangerschap of dermatologische aandoeningen op de stimulatieplaats.

1. Multimodaal stimulatiesysteem

1. Gebruik een speciaal gebouwde multimodale stimulator die is ontwikkeld om nauwkeurig gecontroleerde en gesynchroniseerde somatosensorische stimuli af te leveren. Het systeem bestaat uit een besturingsunit en een stimulatiemodule, ontworpen voor high-fidelity neurofysiologisch onderzoek.
   OPMERKING: Hoewel speciaal gebouwd voor deze studie, konden vergelijkbare experimentele eisen ook worden voldaan door commerciële systemen, zoals de mini-shaker type 4810⁶ en Digitimer DS7A¹⁶.

2. Experimentele opzet

1. Registreer EEG-signalen met een 64-kanaals actief EEG-systeem. Plaats de aardelektrode op Fz (10–10 systeem) en plaats de referentie-elektrode op de punt van de neus. Neem gegevens op 10 kHz en pas een 1–40 Hz banddoorlaatfilter toe. Synchroniseer stimulatie- en EEG-systemen via TTL-triggers, waarbij triggerduur individueel worden ingesteld voor elk stimulustype (20-100 ms, in stappen van 20 ms). Voer offline data-analyse uit met behulp van op maat geschreven scripts die in MATLAB zijn geïmplementeerd.
2. Voer een controletaak uit, waarbij mechanische prikkels naar de stimulator werden gestuurd terwijl de hand van het proefpersoon buiten het stimulerende oppervlak bleef, met vier proefpersonen, om te waarborgen dat ERP's niet het gevolg waren van auditieve geluiden geproduceerd door de trillende actuator.

3. EEG-voorbereiding

1. Meet de hoofdomtrek van de deelnemer en identificeer anatomische herkenningspunten (nasion, inion en linker/rechter preauriculaire punten). Selecteer de EEG-capmaat dienovereenkomstig.
2. Plaats de kap zo dat de centrale elektrode (Cz) zich op het hoekpunt bevindt. Controleer de juiste uitlijning door de afstanden van Cz tot de nasion, het inion en beide preauriculaire punten te meten om symmetrie te waarborgen. Gebruik het internationale 10-10 elektrode-plaatsingssysteem.
3. Verbind alle elektrodekabels op de EEG-versterker volgens de specificaties van de fabrikant.
4. Bereid elke elektrodeplek voor door het haar te scheiden, de huid voorzichtig te schuren met schurende gel en schoon te maken met alcohol. Vul elke elektrodeholte met geleidende gel. Breng eerst de aarding en referentie-elektroden aan om een stabiele verbinding te garanderen.
5. Bevestig dat de kwaliteit van het elektrodesignaal voldoet aan de door de fabrikant aanbevolen criteria, waarbij lage ruisniveaus en betrouwbare registratie van fysiologische activiteit worden gegarandeerd, met impedantiewaarden (indien beschikbaar) binnen het acceptabele bereik (meestal onder de 10 kΩ).
6. Leg elektrodekabels om bewegingsartefacten te minimaliseren en bevestig ze aan de kleding van de deelnemer om de belasting op connectoren te verminderen.
7. Plaats de deelnemer comfortabel voor een monitor. Om stabiele alertheid tijdens langdurige opnames te ondersteunen, toon een stille, neutrale video.
8. Inspecteer het ruwe EEG-signaal om consistente baseline-ruis over kanalen te garanderen. Controleer of fysiologische artefacten (bijv. oogknipperingen, spieractiviteit) duidelijk identificeerbaar zijn.

4. Stimulatie-opstelling en drempelbepaling

1. Maak de stimulatieplaats (bijvoorbeeld de wijsvinger van de dominante hand) schoon met een alcoholstaafje om de huidimpedantie te verminderen en een stabiel contact tussen elektrode en huid te garanderen.
2. Plaats de vinger op het stimulatiepad. Vraag de deelnemer om gedurende het experiment een ontspannen en onbeweeglijke handhouding aan te nemen. Zorg ervoor dat stabiel contact wordt bereikt. Indien beschikbaar, gebruik dan de automatische basiskracht registratie van het apparaat om een constante druk te bevestigen; Controleer anders handmatig of het contact consistent blijft.
3. Bepaal de individuele sensorische drempel voor elektrische stimulatie met behulp van een gestandaardiseerde trapprocedure¹⁷.
   1. Begin met stimulatie bij 1 mA en verhoog de intensiteit in stappen van 0,5 mA totdat de deelnemer als eerste sensatie meldt.
   2. Verlaag de intensiteit met 0,5 mA, en verhoog vervolgens in stappen van 0,1 mA om de drempel te verfijnen.
   3. Presenteer 10 stimuli bij elke kandidaatintensiteit en definieer de drempel als de laagste intensiteit waarbij minstens 5 van de 10 stimuli worden gedetecteerd.
   4. Herhaal de trapprocedure drie keer en bereken de gemiddelde waarde als sensorische drempel.
4. Bepaal de oncomfortdrempel voor elektrische stimulatie.
   1. Vanaf de sensorische drempel verhoog je de intensiteit in stappen van 0,5 mA. Vraag de deelnemer om aan te geven wanneer de prikkel onaangenaam of ondraaglijk wordt.
   2. Definieer de oncomfortdrempel als de laatste tolerante intensiteit onder dit niveau. Bevestig de verdraagbaarheid door 4-7 testpulsen af te leveren.
5. Selecteer de uiteindelijke stimulatieintensiteit voor het experiment als een waarde tussen de sensorische en ongemakdrempels, meestal het rekenkundige gemiddelde van de twee.
6. Stel de intensiteit van de mechanische stimulatie zo in dat deze duidelijk meetbaar is zonder ongemak of zichtbare vingerbewegingen (bijvoorbeeld bij twee keer de sensorische drempel).

5. Voorbereiding van stimulatiesequenties

1. Algemene parameters
   1. Stel de pulsbreedte van zowel elektrische als mechanische stimulatie in op 200 μs. Definieer de duur van standaarden als 100 ms en deviants als 145 ms, tenzij anders vermeld. Jitter het interstimulusinterval (ISI) willekeurig tussen 3,0-5,5 s. Presenteer elk type stimulus minstens 100 keer.
2. Vreemde en rondlopende paradigma's (elektrische en mechanische stimulatie)
   1. In het oddball-paradigma worden reeksen van 5-8 standaarden gevolgd door een enkele afwijking. Typische oddball-blokken omvatten ongeveer 100 afwijkingen en 650 standaarden (in totaal 750 stimuli).
   2. In het roving-paradigma worden 5-8 opeenvolgende standaarden gepresenteerd, gevolgd door 5-8 devianten. Typische rondlopende blokken bestonden uit ongeveer 100 standaardsequenties en 100 afwijkende sequenties (elke sequentie bevat 5-8 stimuli, wat resulteert in een totaal van ongeveer 1300 stimuli per blok).
   3. Pas beide paradigma's toe met elektrische en mechanische stimulatie. Pas de intensiteit van de mechanische stimulatie aan zodat deze duidelijk waarneembaar is, terwijl je onder de drempel van ongemak blijft.
3. Gecombineerde elektromechanische stimulatie (rovingparadigma)
   1. Definieer standaarden en afwijkingen op basis van modaliteit in plaats van duur. Presenteer zowel elektrische als mechanische prikkels met identieke duur van 100 ms om duur als verstorende factor te elimineren.
   2. Voor deze voorwaarde gebruik je een roving sequence-structuur, met 5-8 opeenvolgende standaarden gevolgd door 5-8 devianten. In dit ontwerp wisselen de rollen van standaarden en afwijkingen natuurlijk af binnen dezelfde sessie, waardoor extra tegenwicht tussen sessies niet nodig is.

6. EEG-opname tijdens stimulatie

1. Leg de experimentele procedure uit aan de deelnemer, waarbij wordt opgemerkt dat er geen gedragsreactie op de tactiele prikkels nodig is. Om een stabiel niveau van alertheid te behouden, wordt aanbevolen een stille, neutrale video te tonen; Dit is echter optioneel. Informeer de deelnemer dat hij zich op elk moment zonder gevolgen uit het experiment kan terugtrekken.
2. Geef de deelnemer instructies om knipperen, samentrekkingen van de gezichtsspieren en hoofdbewegingen tijdens het opnemen te minimaliseren.
3. Vraag de deelnemer om oordopjes met actieve ruisonderdrukking te gebruiken om te voorkomen dat de hersenreacties worden beïnvloed door het geluid van de trillende actuator.
4. Geef korte pauzes elke 10-15 minuten om vermoeidheid te verminderen en de datakwaliteit te behouden. Tijdens deze pauzes beoordeel je de perceptie van de stimulusintensiteit door de deelnemer en pas je de intensiteit aan als significante veranderingen in subjectieve waarneming worden gerapporteerd. Controleer de synchronisatie tussen de stimulator en het EEG-opnamesysteem met behulp van TTL-triggers.
5. Begin met EEG-opname met een bemonsteringsfrequentie van 10.000 Hz, die minstens twee keer de stimulatiefrequentie is.
6. Voer de stimulatiesequenties uit (elektrisch, mechanisch of elektromechanisch) volgens het toegewezen paradigma (Tabel 1).
7. Verzamel minimaal 100 afwijkende proeven per conditie. Pas het aantal standaardproeven dienovereenkomstig aan, met een verhouding van ongeveer 5-8 standaarden per afwijking.
8. Naast het hoofdexperiment voert u de controlesequentie uit met stimuli die normaal naar de stimulator worden gestuurd, maar de hand van het proefpersoon wordt buiten het stimulerende oppervlak geplaatst, waarbij condities worden getoond waarin geen ERP/MMN wordt verwacht, wat bevestigt dat de waargenomen effecten protocolafhankelijk zijn.

7. EEG-gegevenspreprocessing en -analyse

1. Verwijder artefacten door het continue EEG te inspecteren en kanalen met aanhoudende ruisverontreiniging te verwijderen. Sluit tijdsegmenten uit die worden beïnvloed door technische pauzes of overmatige spieractiviteit.
2. Correctie van het kanaal voor baseline offsets door de gemiddelde waarde van elk kanaal van elk tijdstip af te trekken om te corrigeren voor baseline offsets.
3. Pas filtering toe met een 1-40 Hz banddoorlaatfilter van de vierde orde IIR op de continue EEG-gegevens.
4. Segmenteer de data in tijdsberekeningen die tijdsgebonden zijn aan het begin van de stimulus (−1000 ms tot +1000 ms).
   OPMERKING: Uit onze ervaring maakt het gebruik van een symmetrisch 1 s pre- en post-stimulusvenster een gedetailleerdere beoordeling van de datakwaliteit mogelijk, faciliteert het de toepassing van extra frequentiefiltering zonder de kritieke basisperiode te beïnvloeden, en maakt het de detectie van stimulusgerelateerde synchronisatie of desynchronisatie van doorlopende neurale ritmes mogelijk.
   1. Voor unimodale stimulatie (elektrische of mechanische vreemde/rondtrekkende paradigma's), definieer standaard- en afwijkende epochs op basis van stimulusduur (100 ms versus 145 ms).
   2. Voor multimodale stimulatie (gecombineerd elektromechanisch roving-paradigma), definieer standaard- en deviant-epochs volgens stimulusmodaliteit (elektrisch versus mechanisch, beide met een duur van 100 ms).
5. Verwerp besmette epochs door die met amplitudes boven +50 μV of onder −50 μV binnen het interval van −1000 tot +1000 ms weg te gooien.
6. Pas de basislijn van de epochs aan door de gemiddelde waarde af te trekken in het −200 ms tot −50 ms pre-stimulus interval.
7. Gemiddelde golfvormen door berekening bevatten sporen over tijdperken van hetzelfde type (standaard of afwijkend) binnen elke conditie.
8. Visualiseer ERP's door ERP's uit te zetten voor individuele kanalen of interessegebieden, met de focus op de centro-temporele regio's binnen het 150-350 ms post-stimulus tijdsvenster.
   Contralaterale hersenhelft: FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7.
   Ipsilaterale hemisfeer: FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4.

Resultaten

Oddball-paradigma
De presentatie van zeldzame afwijkende stimuli (145 ms) onder frequente standaardstimuli (100 ms) tijdens mechanische stimulatie leverde geen duidelijke en betrouwbare ERP's op. Bijgevolg werd er geen significant verschil waargenomen tussen standaard- en afwijkende responsen (Figuur 1). Daarentegen genereerde het elektrische oddball-paradigma waarneembare bilaterale ERP-golfvormen. Het vergelijken van standaard- en afwij...

Discussie

Dit werk stelt een gestandaardiseerd EEG-protocol vast voor de directe, binnen het onderwerp neurale vergelijking van kunstmatige elektrische en natuurlijke mechanische tactiele stimulatie. De kernmethodologische bijdrage is een kader dat zorgt voor precieze temporele controle, participatiespecifieke perceptuele kalibratie en de toepassing van verschillende experimentele paradigma's om corticale responsen te beoordelen. De eerste proof-of-concept-resultaten, hoewel gebaseerd op een beper...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
actiCHamp Plus Versatile all-in-one lab versterker	Brain Products GmbH	S/N ACBM17120955	Primair EEG data acquisitie systeem
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	Actieve elektrodenkap met 64 kanalen
Digitimer DS7A	Digitimer Ltd	UDI-DI 5060490360003	Elektrische stimulator
MatLab	The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA
Mini-shaker type 4810	Brüel & Kjær	BP-0232	Mechanische stimulator
Foto Sensor	Brain Products GmbH	N/A	Voor optische detectie van stimulusbegin
Afgeschermde kamer Neiroiconica "Expert	Neiroiconica Assistive Ltd	S/N 20210119011	Elektromagnetisch afgeschermde kamer
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH	S/N TB-A100009-0624	Synchronisatie interface voor TTL triggers