Standaryzowany protokół EEG do porównywania odpowiedzi korowych na bodźce dotykowe mechaniczne i elektryczne

Summary

Ten protokół dowodowy koncepcji szczegółowo opisuje rejestrację potencjałów wywołanych przez somatosensoryczne wywołania przez EEG wywołanych przez stymulację elektryczną i mechaniczną, wykorzystując paradygmaty oddball i wędrujące.

Abstract

Rozwój realistycznego sprzężenia zwrotnego dotykowego na interfejsach haptycznych zależy od zrozumienia przetwarzania nerwowego bodźców elektrycznych kontra mechanicznych. Przedstawiono protokół do bezpośredniego porównania obu metod za pomocą elektroencefalografii (EEG). Protokół szczegółowo opisuje procedury umożliwiające precyzyjną synchronizację ze stymulatorem EEG, kalibrację specyficznych bodźców elektrycznych i mechanicznych specyficznych dla podmiotu oraz wdrażanie zarówno paradygmatów oddball, jak i roving do porównania wczesnych potencjałów związanych z zdarzeniem (ERP) oraz komponentu ujemności niezgodności (MMN). Protokół proof-of-concept został zweryfikowany na czterech zdrowych uczestnikach, z których każdy przypisany jest do innego warunku eksperymentalnego: stymulacji mechanicznej lub elektrycznej opuszka palca wskazującego prawego prawa w paradygmatach roving lub oddball, manipulując czasem trwania (100 ms vs. 145 ms). Dodatkowo^{piąty uczestnik} przeszedł paradygmat wędrujący z naprzemiennymi modalnościami ze wszystkimi bodźcami w czasie 100 ms. Pod stymulacją unimodalną paradygmat wędrujący okazał się bardziej czuły niż oddball w wykrywaniu somatosensorycznych ERP dla obu modalności oraz rozpoznawalnego komponentu podobnego do MMN dla stymulacji elektrycznej. Porównanie międzymodalne z użyciem paradygmatu rowingu również ujawniło wyraźny komponent podobny do MMN, ale tylko dla bodźca elektrycznego. Wyniki te pokazują, że obecny protokół nadaje się do korelacji aktywności nerwowej z percepcją oraz do bezpośredniego porównywania przetwarzania korowego sztucznych i naturalnych doznań. Ten system jest niezbędnym krokiem w kierunku opracowania protokołów stymulacji elektrycznej, które wywołują reakcje korowe nieodróżnialne od dotyku mechanicznego.

Introduction

Fundamentalnym wyzwaniem w technologii haptycznej jest odtwarzanie naturalnych doznań dotykowych za pomocą interfejsów skóra-maszyna. Wymaga to odtworzenia precyzyjnych wzorców przestrzenno-czasowych aktywności neuronalnej, które wywołują bodźce naturalne. Podczas gdy mechaniczne siłowniki mogą odtwarzać interakcje fizyczne, naskórkowa stymulacja elektryczna mechanoreceptorów^{stanowi zwartą} i wszechstronną alternatywę. Jednak stymulacja elektryczna często wywołuje nienaturalną lub nieprzyjemną parestezję. Bezpośrednie porównanie reakcji nerwowych na stymulację elektryczną i mechaniczną stanowi nowy obszar zainteresowań ^2,3, rodząc pytanie: czy udoskonalone protokoły elektryczne mogą wywołać reakcje korowe ściśle naśladujące naturalny dotyk mechaniczny?

Elektroencefalografia (EEG) stanowi idealne narzędzie do rozwiązania tego pytania, rejestrując odpowiedzi korowe na bodźce somatosensoryczne z wysoką rozdzielczością czasową⁴. Krytyczne wskaźniki obejmują wczesne potencjały związane ze zdarzeniami (ERP), które odzwierciedlają początkowe przetwarzanie korowe cech bodźców⁵, oraz komponent ujemności niezgodności (MMN) ^6,7. MMN to reakcja pre-uważna, wykrywająca zmianę, zwykle wywołana w paradygmatze dziwaczności, która sygnalizuje naruszenie predykcji sensorycznej, gdy sekwencja powtarzających się standardowych bodźców zostaje przerwana przez rzadki, odchylony bodziec⁸. Ta odpowiedź to silna elektrofizjologiczna korelacja między rozróżnianiem sensorycznym a pamięcią. Podejściem uzupełniającym jest paradygmat wędrujący, który efektywnie generuje MMN poprzez prezentację krótkich ciągów powtarzającego się bodźca; Pierwszy bodziec nowego pociągu działa jak dewiant ze względu na swoją nowość, zapewniając bardziej zrównoważoną liczbę standardów i odchyleń niż klasyczny paradygmat Oddball⁹.

Chociaż MMN została szeroko scharakteryzowana w dziedzinie słuchowej i wzrokowej, brakuje ustandaryzowanego systemu porównywania MMN między submodalnościami somatosensorycznymi. Wcześniejsze badania osobno wykazały wiarygodne odpowiedzi MMN na^{bodźce mechaniczne 6,7} oraz^elektryczne 10,11,12. Jednak brak bezpośredniego, wewnątrz podmiotowego porównania z użyciem precyzyjnych i percepcyjnie dopasowanych bodźców uniemożliwia wyciągnięcie sensownych wniosków. Ta luka metodologiczna zasadniczo ogranicza zdolność do oceny, czy sztucznie wywołane reakcje elektryczne angażują te same mechanizmy wykrywania zmian z preatencyjną uwagą co naturalny dotyk mechaniczny.

Aby rozwiązać to ograniczenie metodologiczne, opracowano ustandaryzowany protokół EEG umożliwiający bezpośrednie porównanie nerwowe stymulacji elektrycznej i mechanicznej. Obecna metoda zapewnia: precyzyjną synchronizację stymulatora EEG, specyficzną dla uczestnika kalibrację elektryczną do wyraźnego, ale nieawersyjnego poziomu, zastosowanie standaryzowanego bodźca mechanicznego oraz wdrożenie zarówno paradygmatów oddball, jak i wędrujących do porównywania ERP i MMN między modalnościami.

Najpierw oceniono zdolność każdego paradygmatu do wywoływania wyraźnych ERP i MMN w odpowiedzi na bodźce mechaniczne i elektryczne o różnej długości trwania. Paradygmat oddball generował rozpoznawalne ERP tylko dla stymulacji elektrycznej i nie wywołał MMN dla żadnej z tych metod. Dla porównania, paradygmat wędrujący skutecznie wywołał ERP dla obu modalności oraz znaczący komponent podobny do MMN dla stymulacji elektrycznej. Wykorzystując czułość paradygmatu wędrówki, przeprowadzono bezpośrednie porównanie międzymodalne z użyciem naprzemiennych ciągów bodźców mechanicznych i elektrycznych. Dla obu metod zaobserwowano przezroczyste ERP, podczas gdy przezroczysty komponent podobny do MMN wywoływano jedynie poprzez stymulację elektryczną. Chociaż te początkowe wyniki opierają się na jednym uczestniku na schorzenie, pokazują potencjał tej standaryzowanej ramy do kierowania rozwojem protokołów stymulacji elektrycznej, które ostatecznie mogą wywołać reakcje korowe nieodróżnialne od tych naturalnego dotyku mechanicznego.

Dopiero niedawno porównano bezpośrednio odpowiedzi MMN na stymulację elektryczną i mechaniczną, jak dotąd wyłącznie za pomocą magnetoencefalografii^12,13. Proponowany protokół jest zatem pierwszym, który zapewnia jednolite i szczegółowe ramy EEG do rejestracji somatosensorycznych MMN – wywoływane zarówno przez stymulację elektryczną, jak i mechaniczną, oraz implementowane jako bodźce standardowe i odchylające w ramach tego samego projektu eksperymentalnego. Kluczową nowością tego protokołu nie jest samo przygotowanie EEG, lecz integracja stymulacji, nagrywania, synchronizacji i analizy w kompleksową, kompleksową metodologię, która umożliwia bezpośrednie porównanie międzymodalnego przetwarzania somatosensorycznego. Procedury przygotowania EEG opierają się na ustalonych najlepszych praktykach i opierają się na wcześniej opublikowanych protokołach¹⁴. Chociaż niektóre aspekty układu EEG zostały również zademonstrowane w formatach wideo¹⁵, te podejścia nie zostały połączone z precyzyjnie kontrolowaną stymulacją elektryczną i mechaniczną dotykową ani zastosowane w paradygmatach MMN. Poprzez integrację tych elementów obecny protokół rozszerza istniejące metodologie i zapewnia przenośne ramy dla mechanistycznego badania predykcji somatosensorycznej i wykrywania odchyleń.

Protocol

Obecny protokół eksperymentalny został przeprowadzony zgodnie z wytycznymi etycznymi Komitetu ds. Badań Ludzkich Uniwersytetu Sirius (Data zatwierdzenia: 10.06.2025). Pisemna świadoma zgoda jest uzyskiwana od każdego uczestnika przed zebraniem danych. Kryteria wykluczenia obejmowały obecność wszczepionych rozruszników serca lub innych urządzeń elektronicznych, wywiad padaczki lub zaburzeń padaczkowych, ciążę lub schorzenia dermatologiczne w miejscu stymulacji.

1. System stymulacji multimodalnej

1. Użyj specjalnie zaprojektowanego stymulatora multimodalnego, opracowanego do precyzyjnie kontrolowanego i zsynchronizowanego bodźca somatosensorycznego. System składa się z jednostki sterującej oraz modułu stymulacyjnego, zaprojektowanych do badań neurofizjologicznych o wysokiej jakości.
   UWAGA: Chociaż zostały stworzone specjalnie do tego badania, podobne wymagania eksperymentalne mogą być spełnione także przez systemy komercyjne, takie jak mini-shaker typu 4810⁶ i Digitimer DS7A¹⁶.

2. Konfiguracja eksperymentalna

1. Rejestruj sygnały EEG za pomocą 64-kanałowego aktywnego systemu EEG. Ustaw elektrodę uziemiającą pod kątem Fz (system 10–10) i umieść elektrodę odniesienia na końcu nosa. Próbkowanie danych z częstotliwością 10 kHz i zastosowanie filtra pasmowego IIR o częstotliwości 1–40 Hz. Synchronizuj systemy stymulacji i EEG za pomocą wyzwalaczy TTL, z czasem trwania wyzwalaczy ustawionym indywidualnie dla każdego typu bodźca (20-100 ms, w odstępach po 20 ms). Przeprowadzaj analizę danych offline za pomocą niestandardowych skryptów zaimplementowanych w MATLAB.
2. Wykonaj zadanie kontrolne, w którym bodźce mechaniczne były wysyłane do stymulatora, podczas gdy ręka badanego pozostawała poza powierzchnią stymulującą, z udziałem czterech uczestników, aby upewnić się, że ERP nie powstają w wyniku hałasu dźwiękowego generowanego przez wibrującą siłownik.

3. Przygotowanie EEG

1. Zmierz obwód głowy uczestnika i zidentyfikuj punkty anatomiczne (nos, inion oraz punkty przeduchowe w lewej/prawej stronie). Wybierz odpowiednio rozmiar kondensatora EEG.
2. Ustaw nasadkę tak, aby elektroda centralna (Cz) znajdowała się w wierzchołku. Sprawdź prawidłowe wyrównanie, mierząc odległości od Cz do nasionu, inonu oraz obu punktów przedusznych, aby zapewnić symetrię. Użyj międzynarodowego systemu umieszczania 10-10 elektrod.
3. Podłącz wszystkie przewody elektrod do wzmacniacza EEG zgodnie ze specyfikacją producenta.
4. Przygotuj każdą elektrodę, rozdzielając włosy, delikatnie ścierając skórę żelem ściernym i czyszcząc alkoholem. Wypełnij każdą komorę elektrody żelem przewodzącym. Najpierw przyłóż elektrody uziemiające i referencyjne, aby zapewnić stabilne połączenie.
5. Potwierdź, że jakość sygnału elektrod spełnia zalecane przez producenta kryteria, zapewniając niski poziom szumów i niezawodne rejestrowanie aktywności fizjologicznej, z wartościami impedancji (jeśli są dostępne) w dopuszczalnym zakresie (zwykle poniżej 10 kΩ).
6. Ułóż kable elektrod, aby zminimalizować artefakty ruchu i przymocuj je do ubrania uczestnika, aby zmniejszyć obciążenie złączy.
7. Usiądź uczestnika wygodnie przed monitorem. Aby utrzymać stabilną czujność podczas długotrwałych nagrań, wyświetl cichy, neutralny film.
8. Sprawdź surowy sygnał EEG, aby zapewnić stały szum bazowy na wszystkich kanałach. Sprawdź, czy artefakty fizjologiczne (np. mrugnięcia oczu, aktywność mięśni) są wyraźnie rozpoznawalne.

4. Ustawienie stymulacji i wyznaczanie progu

1. Oczyść miejsce stymulacji (np. palec wskazujący dominującej ręki) za pomocą wymazu alkoholowego, aby zmniejszyć impedancję skóry i zapewnić stabilny kontakt elektrody ze skórą.
2. Umieść palec na podkładce stymulacyjnej. Poproś uczestnika o zachowanie zrelaksowanej i nieruchomej postawy rąk przez cały eksperyment. Upewnij się, że kontakt jest stabilny. Jeśli jest dostępna, użyj automatycznej rejestracji siły bazowej urządzenia, aby potwierdzić stałe ciśnienie; W przeciwnym razie sprawdź ręcznie, czy kontakt pozostaje stały.
3. Określ indywidualny próg sensoryczny dla stymulacji elektrycznej za pomocą standaryzowanej procedury schodowej¹⁷.
   1. Rozpocznij stymulację od 1 mA i zwiększ intensywność o 0,5 mA, aż uczestnik po raz pierwszy zgłosi uczucie.
   2. Zmniejsz intensywność o 0,5 mA, a następnie zwiększ o 0,1 mA, aby udoskonalić próg.
   3. Prezentuj 10 bodźców przy każdej kandydatowej intensywności i określ próg jako najniższą intensywność, przy której wykrywane jest co najmniej 5 z 10 bodźców.
   4. Powtórz procedurę schodów trzy razy i oblicz średnią wartość jako próg sensoryczny.
4. Określ próg dyskomfortu przy stymulacji elektrycznej.
   1. Zaczynając od progu sensorycznego, zwiększ intensywność krokami o 0,5 mA. Poproś uczestnika, aby wskazał, kiedy bodziec staje się nieprzyjemny lub nie do zniesienia.
   2. Zdefiniuj próg dyskomfortu jako ostatnią dopuszczalną intensywność poniżej tego poziomu. Potwierdź tolerancję, podając 4-7 impulsów testowych.
5. Wybierz ostateczną intensywność bodźców dla eksperymentu jako wartość pomiędzy progami sensoryczną a dyskomfortową, zazwyczaj średnią arytmetyczną z tych obu.
6. Ustaw intensywność stymulacji mechanicznej tak, aby była wyraźnie wykrywalna, bez powodowania dyskomfortu czy widocznego ruchu palców (np. przy dwukrotnym progu czuciowym).

5. Przygotowanie sekwencji stymulacji

1. Parametry ogólne
   1. Ustaw szerokość impulsu zarówno stymulacji elektrycznej, jak i mechanicznej na 200 μs. Zdefiniuj czas trwania standardów jako 100 ms, a odchylenia jako 145 ms, chyba że określono inaczej. Rozmieszczaj przedział międzybodźcowy (ISI) losowo między 3,0 a 5,5 s. Prezentuj każdy typ bodźca co najmniej 100 razy.
2. Paradygmaty dziwaczne i wędrujące (stymulacja elektryczna i mechaniczna)
   1. W paradygmatze oddball prezentuje się sekwencje 5-8 standardów, po których następuje pojedynczy dewiant. Typowe bloki oddball obejmowały około 100 dewiantów i 650 standardów (łącznie 750 bodźców).
   2. W paradygmatze wędrówki prezentuje się 5-8 kolejnych standardów, a następnie 5-8 dewiantów. Typowe bloki wędrujące obejmowały około 100 sekwencji standardowych i 100 sekwencji odchylających (każda sekwencja zawiera 5-8 bodźców, co daje łącznie około 1300 bodźców na blok).
   3. Zastosuj oba paradygmaty poprzez stymulację elektryczną i mechaniczną. Dostosuj intensywność stymulacji mechanicznej tak, aby była wyraźnie widoczna, pozostając poniżej progu dyskomfortu.
3. Stymulacja elektromechaniczna połączona (paradygmat rowing)
   1. Definiuj standardy i odchylenia według modalności, a nie czasu trwania. Prezentuj zarówno bodźce elektryczne, jak i mechaniczne o identycznym czasie trwania 100 ms, aby wyeliminować czas trwania jako czynnik zakłócający.
   2. W tym przypadku stosuj wędrujący system sekwencji, z 5-8 kolejnymi standardami, a następnie 5-8 odstępstwami. W tym modelu role standardów i odchylających się naturalnie zmieniają w trakcie jednej sesji, eliminując potrzebę dodatkowego równoważenia między sesjami.

6. Rejestracja EEG podczas stymulacji

1. Wyjaśnij uczestnikowi procedurę eksperymentalną, zaznaczając, że nie jest wymagana żadna reakcja behawioralna na bodźce dotykowe. Aby utrzymać stabilny poziom czujności, zaleca się wyświetlanie cichego, neutralnego wideo; Jednak jest to opcjonalne. Poinformuj uczestnika, że może w dowolnym momencie wycofać się z eksperymentu bez konsekwencji.
2. Instruuj uczestnika, aby podczas nagrywania minimalizował mruganie, skurcze mięśni twarzy i ruchy głowy.
3. Poproś uczestnika o używanie słuchawek z aktywną redukcją szumów, aby zapobiec wpływowi reakcji mózgu na dźwięk wibrującego siłownika.
4. Zapewnij krótkie przerwy co 10-15 minut, aby zmniejszyć zmęczenie i utrzymać jakość danych. Podczas tych przerw oceń postrzeganie intensywności bodźca przez uczestnika i dostosuj intensywność, jeśli zgłaszane są istotne zmiany w subiektywnym postrzeganiu. Zweryfikować synchronizację między stymulatorem a systemem akwizycji EEG za pomocą wyzwalaczy TTL.
5. Rozpocznij nagrywanie EEG z częstotliwością próbkowania 10 000 Hz, co najmniej dwukrotnie większą niż częstotliwość stymulacji.
6. Przeprowadź sekwencje stymulacji (elektryczne, mechaniczne lub elektromechaniczne) zgodnie z przypisanym paradygmatem (Tabela 1).
7. Zbierz minimum 100 prób dewiacji na każdą chorobę. Dostosuj liczbę testów standardowych, utrzymując stosunek około 5-8 standardów dla każdego odstępcy.
8. Oprócz głównego eksperymentu, uruchom sekwencję kontrolną z bodźcami wysyłanymi do stymulatora normalnie, ale ręka badanego jest umieszczona poza powierzchnią stymulującą, co pokazuje warunki, w których nie spodziewa się ERP/MMN, potwierdzając, że obserwowane efekty zależą od protokołu.

7. Wstępne przetwarzanie i analiza danych EEG

1. Usuwaj artefakty poprzez ciągłą inspekcję EEG i usuwanie kanałów z utrzymującym się zanieczyszczeniem szumem. Wyłącz segmenty czasowe dotknięte przerwami technicznymi lub nadmierną aktywnością mięśni.
2. Popraw kanał przesunięcia bazowego, odejmując średnią wartość każdego kanału z każdego punktu czasowego, aby skorygować przesunięcia bazowe.
3. Do ciągłych danych EEG zastosuj filtr pasmowy 1-40 Hz IIR o częstotliwości 1-40 Hz.
4. Podziel dane na epoki związane z poczęciem bodźca (−1000 ms do +1000 ms).
   UWAGA: Z naszego doświadczenia wynika, że użycie symetrycznego okna przed i po bodźcu 1 s pozwala na bardziej szczegółową ocenę jakości danych, ułatwia stosowanie dodatkowego filtrowania częstotliwościowego bez wpływu na krytyczny okres bazowy oraz umożliwia wykrywanie synchronizacji lub desynchronizacji trwających rytmów nerwowych związanych ze bodźcem.
   1. Dla stymulacji unimodalnej (paradygmaty elektryczne lub mechaniczne oddball/roving) zdefiniuj epoki standardowe i odchylające według czasu trwania bodźca (100 ms vs. 145 ms).
   2. Dla stymulacji multimodalnej (połączony paradygmat elektromechaniczny roving) zdefiniuj epoki standardowe i odchylające według modalności bodźca (elektryczne vs. mechaniczne, oba z czasem trwania 100 ms).
5. Odrzucać skażone epoki, odrzucając te o amplitudzie przekraczających +50 μV lub spadających poniżej −50 μV w przedziale od −1000 do +1000 ms.
6. Dostosuj bazę epok, odejmując średnią wartość w przedziale przed bodźcem od −200 ms do −50 ms.
7. Średnie przebiegi przebiegów poprzez obliczenie średnich śladów między epokami tego samego typu (standardowymi lub odchylającymi) w każdym z tych warunków.
8. Wizualizuj ERP, rysując ERP dla poszczególnych kanałów lub obszarów zainteresowania, koncentrując się na obszarach centro-temporalnych zainteresowania w oknie czasowym 150-350 ms po bodźcu.
   Półkula przeciwległa: FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7.
   Półkula ipsilateralna: FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4.

Results

Paradygmat dziwaczności
Prezentacja rzadkich bodźców odchylających (145 ms) wśród częstych bodźców standardowych (100 ms) podczas stymulacji mechanicznej nie wywołała jasnych i wiarygodnych ERP. W konsekwencji nie zaobserwowano istotnej różnicy między odpowiedziami standardowymi a odchylającymi (Rysunek 1). Natomiast paradygmat elektryczny oddball generował rozpoznawalne dwustronne przebiegi ERP. Jednak porównanie bodźców standardowych i odchylających nadal nie dało ist...

Discussion

Praca ta ustanawia ustandaryzowany protokół EEG do bezpośredniego, wewnątrzobiektowego porównania neuronalnego sztucznej stymulacji elektrycznej i naturalnej mechanicznej stymulacji dotykowej. Podstawowym wkładem metodologicznym jest rama zapewniająca precyzyjną kontrolę czasową, specyficzną dla uczestnika kalibrację percepcyjną oraz zastosowanie różnych paradygmatów eksperymentalnych do oceny odpowiedzi korowych. Początkowe wyniki dowodu koncepcji, choć oparte na ograniczonej próbce, pokazują skuteczność protokołu i pod...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
actiCHamp Plus Wszechstronny wzmacniacz laboratoryjny all-in-one	Brain Products GmbH	S/N ACBM17120955	Podstawowy system akwizycji danych EEG
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	Aktywna elektroda z 64 kanałami
Digitimer DS7A	Digitimer Ltd	UDI-DI 5060490360003	Stymulator elektryczny
MatLab	The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA
Mini-shaker typu 4810	Brü El & Kjæ r	BP-0232	Stymulator mechaniczny
Sensor fotograficzny	Brain Products GmbH	Nie ma	Do optycznego wykrywania początku bodźca
Osłonięta sala Neiroiconica "Ekspert	Neiroiconica Assistive Ltd	S/N 20210119011	Komora otoczona elektromagnetycznie
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH	S/N TB-A100009-0624	Interfejs synchronizacji wyzwalaczy TTL