Protocolo Padronizado de EEG para Comparação de Respostas Corticais a Estímulos Táteis Mecânicos e Elétricos

Resumo

Este protocolo de prova de conceito detalha o registro EEG dos potenciais evocados somatossensorialmente provocados por estimulação elétrica e mecânica usando paradigmas oddball e itinerante.

Resumo

O desenvolvimento de um feedback tátil realista em interfaces hápticas depende da compreensão do processamento neural de estímulos elétricos versus mecânicos. Um protocolo é apresentado para comparar diretamente as duas modalidades usando eletroencefalografia (EEG). O protocolo detalha procedimentos para alcançar sincronização precisa EEG-estimulador, calibrar estímulos elétricos e mecânicos específicos do sujeito e implementar tanto paradigmas oddball quanto itinerante para comparar potencial precoce relacionado a eventos (ERPs) e o componente de negatividade por desajuste (MMN). O protocolo de prova de conceito foi validado em quatro participantes saudáveis, cada um designado para uma condição experimental distinta: estimulação mecânica ou elétrica da ponta do dedo indicador direito sob paradigmas móveis ou oddball, duração manipulativa (100 ms vs. 145 ms). Além disso, um^5º participante passou por um paradigma itinerante com modalidades alternadas, com todos os estímulos a 100 ms. Sob estimulação unimodal, o paradigma móvel mostrou-se mais sensível do que o oddball na detecção de ERPs somatossensoriais para ambas as modalidades e um componente discernível semelhante ao MMN para estimulação elétrica. A comparação cruzada usando o paradigma móvel revelou de forma semelhante um componente claro semelhante ao MMN, mas apenas para o estímulo elétrico. Esses resultados demonstram que o protocolo atual é adequado para correlacionar atividade neural com percepção e para comparar diretamente o processamento cortical de sensações artificiais e naturais. Essa estrutura é um passo necessário para desenvolver protocolos de estimulação elétrica que provoquem respostas corticais indistinguíveis do toque mecânico.

Introdução

Um desafio fundamental na tecnologia háptica é recriar sensações naturais táteis por meio de interfaces pele-máquina. Isso exige replicar os padrões espaciotemporais precisos de atividade neural que os estímulos naturais evocam. Embora atuadores mecânicos possam replicar interações físicas, a estimulação eletrotécnica epidérmica dos mecanorreceptores apresenta uma alternativa compacta^{e versátil 1}. No entanto, a estimulação elétrica frequentemente provoca parestesia antinatural ou desagradável. Uma comparação direta das respostas neurais à estimulação elétrica e mecânica representa uma nova área de interesse ^2,3, levantando a questão: protocolos elétricos refinados podem evocar respostas corticais que imitam de perto o toque mecânico natural?

A eletroencefalografia (EEG) oferece uma ferramenta ideal para abordar essa questão, capturando respostas corticais a estímulos somatossensoriais com alta resolução temporal⁴. Métricas críticas incluem potenciais relacionados a eventos precoces (ERPs), que refletem o processamento cortical inicial das características de^{estímulo 5}, e o componente de negatividade de desajuste (MMN^{) 6,7}. O MMN é uma resposta pré-atenta e de detecção de mudanças, tipicamente provocada em um paradigma peculiar, que sinaliza uma violação da previsão sensorial quando uma sequência de estímulos repetitivos padrão é interrompida por um raro estímulo^{desviante 8}. Essa resposta é uma correlação eletrofisiológica robusta entre discriminação sensorial e memória. Uma abordagem complementar é o paradigma móvel, que gera eficientemente MMN ao apresentar pequenos trens de um estímulo repetido; O primeiro estímulo de um novo trem atua como um desviante devido à sua novidade, fornecendo um número mais equilibrado de padrões e desviantes do que o paradigma clássico^{oddball 9}.

Embora a MMN tenha sido amplamente caracterizada nos domínios auditivo e visual, não existe uma estrutura padronizada para comparar a MMN entre submodalidades somatossensoriais. Trabalhos anteriores estabeleceram separadamente respostas confiáveis da MMN para estímulos^{mecânicos 6,7} e^elétricos 10,11,12. No entanto, a falta de uma comparação direta dentro do sujeito, usando estímulos temporalmente precisos e perceptualmente alinhados impede conclusões significativas. Essa lacuna metodológica limita fundamentalmente a capacidade de avaliar se respostas elétricas artificialmente evocadas envolvem os mesmos mecanismos pré-atentos de detecção de mudanças que o toque mecânico natural.

Para enfrentar essa limitação metodológica, foi desenvolvido um protocolo padronizado de EEG para permitir a comparação neural direta da estimulação elétrica e mecânica. O método atual garante: sincronização precisa EEG-estimulador, calibração elétrica específica para cada participante até um nível saliente, porém não aversivo, aplicação de um estímulo mecânico padronizado e implementação de paradigmas oddball e itinerante para comparar ERPs e MMN entre modalidades.

A capacidade de cada paradigma de provocar ERPs e MMN claros em resposta a estímulos mecânicos e elétricos de durações variadas foi avaliada. O paradigma oddball gerou ERPs discerníveis apenas para estimulação elétrica e não conseguiu provocar MMN para nenhuma das modalidades. Em contraste, o paradigma itinerante conseguiu obter ERPs para ambas as modalidades e um componente notável semelhante ao MMN para estimulação elétrica. Aproveitando a sensibilidade do paradigma móvel, foi realizada uma comparação direta entre modales usando cadeias alternadas de estímulos mecânicos e elétricos. ERPs claros foram observados para ambas as modalidades, enquanto um componente claro semelhante ao MMN foi provocado apenas por estimulação elétrica. Embora esses resultados iniciais sejam baseados em um único participante por condição, eles demonstram o potencial desse arcabouço padronizado para guiar o desenvolvimento de protocolos de estimulação elétrica que podem, eventualmente, provocar respostas corticais indistinguíveis das do toque mecânico natural.

Somente recentemente as respostas da MMN à estimulação elétrica e mecânica foram comparadas diretamente e, até agora, apenas usando magnetoencefalografia^12,13. O protocolo proposto é, portanto, o primeiro a fornecer uma estrutura unificada e detalhada de EEG para registrar MMN somatossensorial – uma emotivação provocada tanto por estimulação elétrica quanto mecânica e implementada como estímulos padrão e desviantes dentro do mesmo desenho experimental. A principal novidade desse protocolo não está na preparação do EEG em si, mas na integração da estimulação, registro, sincronização e análise em uma metodologia abrangente de ponta a ponta que permite a comparação direta entre modais do processamento somatossensorial. Os procedimentos de preparação do EEG seguem as melhores práticas estabelecidas e são baseados nos protocolos^{previamente publicados 14}. Embora aspectos do sistema de EEG também tenham sido demonstrados em formatos baseados em^{vídeo 15}, essas abordagens não foram combinadas com estimulação elétrica e mecânica tátil controlada com precisão, nem aplicadas aos paradigmas MMN. Ao integrar esses elementos, o presente protocolo amplia as metodologias existentes e fornece uma estrutura transferível para a investigação mecanicista da predição somatossensorial e detecção de desvios.

Protocolo

O protocolo experimental atual foi conduzido de acordo com as diretrizes éticas do Comitê de Investigação Humana da Universidade Sirius (Data de Aprovação: 10.06.2025). O consentimento informado por escrito é obtido de cada participante antes da coleta dos dados. Os critérios de exclusão incluíam a presença de marcapassos cardíacos implantados ou outros dispositivos eletrônicos, histórico de epilepsia ou distúrbios convulsivos, gravidez ou condições dermatológicas no local de estimulação.

1. Sistema multimodal de estimulação

1. Use um estimulador multimodal personalizado, desenvolvido para fornecer estímulos somatossensoriais controlados e sincronizados com precisão. O sistema consiste em uma unidade de controle e um módulo de estimulação, projetados para pesquisas neurofisiológicas de alta fidelidade.
   NOTA: Embora construído sob medida para este estudo, requisitos experimentais semelhantes também podem ser atendidos por sistemas comerciais, como o mini-shaker tipo 4810⁶ e o Digitimer DS7A¹⁶.

2. Configuração experimental

1. Grave sinais de EEG usando um sistema de EEG ativo de 64 canais. Posicione o eletrodo de terra em Fz (sistema 10–10) e coloque o eletrodo de referência na ponta do nariz. Amostre dados a 10 kHz e aplique um filtro IIR passa-banda de 1–40 Hz. Sincronize os sistemas de estimulação e EEG via gatilhos TTL, com durações de gatilho definidas individualmente para cada tipo de estímulo (20-100 ms, em incrementos de 20 ms). Realize análise de dados offline usando scripts personalizados implementados no MATLAB.
2. Realizar uma tarefa de controle, na qual estímulos mecânicos foram enviados ao estimulador enquanto a mão do sujeito permanecia fora da superfície estimulante, com quatro sujeitos, para garantir que os ERPs não resultassem de ruído auditivo produzido pelo atuador vibratório.

3. Preparação para EEG

1. Meça a circunferência da cabeça do participante e identifique pontos anatômicos (nasion, inion e pontos pré-auriculares esquerdo/direito). Selecione o tamanho da cápsula do EEG de acordo.
2. Posicione a tampa de modo que o eletrodo central (Cz) fique localizado no vértice. Verifique o alinhamento correto medindo as distâncias de Cz até o nasion, ínion e ambos os pontos pré-auriculares para garantir simetria. Use o sistema internacional de colocação de eletrodos 10-10.
3. Conecte todos os eletrodos ao amplificador de EEG conforme as especificações do fabricante.
4. Prepare cada local do eletrodo separando o cabelo, abrasando suavemente a pele com gel abrasivo e limpando com álcool. Preencha cada cavidade do eletrodo com gel condutor. Aplique primeiro os eletrodos de terra e de referência para garantir uma conexão estável.
5. Confirme que a qualidade do sinal do eletrodo atende aos critérios recomendados pelo fabricante, garantindo baixos níveis de ruído e registro confiável da atividade fisiológica, com valores de impedância (quando disponíveis) dentro da faixa aceitável (geralmente abaixo de 10 kΩ).
6. Organize os cabos de eletrodo para minimizar artefatos de movimento e prenda-os às roupas do participante para reduzir a tensão nos conectores.
7. Sente-o confortavelmente em frente a um monitor. Para manter um alerta estável durante gravações prolongadas, apresente um vídeo silencioso e neutro.
8. Inspecione o sinal bruto do EEG para garantir ruído de base consistente entre os canais. Verifique se artefatos fisiológicos (por exemplo, piscadas, atividade muscular) são claramente identificáveis.

4. Configuração da estimulação e determinação do limiar

1. Limpe o local de estimulação (por exemplo, o dedo indicador da mão dominante) com um swab de álcool para reduzir a impedância da pele e garantir contato estável entre eletrodo e pele.
2. Posicione o dedo na almofada de estimulação. Peça ao participante que mantenha uma postura relaxada e imóvel durante todo o experimento. Garanta que o contato seja estável. Se disponível, use o registro automático de força de referência do dispositivo para confirmar pressão estável; caso contrário, verifique manualmente que o contato permanece consistente.
3. Determine o limiar sensorial individual para estimulação elétrica usando um procedimento padronizado de escadas¹⁷.
   1. Inicie a estimulação em 1 mA e aumente a intensidade em incrementos de 0,5 mA até que o participante relate a sensação pela primeira vez.
   2. Diminua a intensidade em 0,5 mA, depois aumente em passos de 0,1 mA para refinar o limiar.
   3. Apresente 10 estímulos em cada intensidade candidata e defina o limiar como a menor intensidade na qual pelo menos 5 de cada 10 estímulos são detectados.
   4. Repita o procedimento da escada 3 vezes e calcule o valor médio como o limiar sensorial.
4. Determine o limiar de desconforto para estimulação elétrica.
   1. A partir do limiar sensorial, aumente a intensidade em passos de 0,5 mA. Peça ao participante que indique quando o estímulo se tornar desagradável ou intolerável.
   2. Defina o limiar de desconforto como a última intensidade tolerada abaixo desse nível. Confirme a tolerabilidade administrando 4 a 7 pulsos de teste.
5. Selecione a intensidade final da estimulação do experimento como um valor entre os limiares sensorial e de desconforto, tipicamente a média aritmética dos dois.
6. Ajuste a intensidade da estimulação mecânica para ser claramente detectável, sem causar desconforto ou movimento visível dos dedos (por exemplo, com o dobro do limiar sensorial).

5. Preparação de sequências de estimulação

1. Parâmetros gerais
   1. Ajuste a largura do pulso tanto da estimulação elétrica quanto mecânica para 200 μs. Defina a duração dos padrões como 100 ms e dos desviantes como 145 ms, salvo especificação em contrário. Oscile aleatoriamente entre o intervalo entre estímulo (ISI) entre 3,0 e 5,5 s. Apresente cada tipo de estímulo pelo menos 100 vezes.
2. Paradigmas estranhos e itinerantes (estimulação elétrica e mecânica)
   1. No paradigma oddball, sequências de 5-8 padrões seguidas por um único desviante. Os blocos típicos de oddball incluíam aproximadamente 100 desviantes e 650 padrões (750 estímulos no total).
   2. No paradigma itinerante, existem 5-8 padrões consecutivos seguidos por 5-8 desviantes. Os blocos itinerantes típicos incluíam aproximadamente 100 sequências padrão e 100 sequências desviantes (cada sequência contém de 5 a 8 estímulos, resultando em um total de aproximadamente 1300 estímulos por bloco).
   3. Aplique ambos os paradigmas com estimulação elétrica e mecânica. Ajuste a intensidade da estimulação mecânica para ser claramente perceptível, mantendo-se abaixo do limiar de desconforto.
3. Estimulação eletromecânica combinada (paradigma móvel)
   1. Defina padrões e desviantes pela modalidade, e não pela duração. Apresente estímulos elétricos e mecânicos com durações idênticas de 100 ms para eliminar a duração como fator de confusão.
   2. Para essa condição, utilize uma estrutura de sequência móvel, com 5-8 padrões consecutivos seguidos por 5-8 desviantes. Nesse desenho, os papéis dos padrões e dos desviantes se alternam naturalmente dentro da mesma sessão, eliminando a necessidade de contrapesos adicionais entre sessões.

6. Gravação de EEG durante a estimulação

1. Explique o procedimento experimental ao participante, observando que não é necessária resposta comportamental aos estímulos táteis. Para ajudar a manter um nível estável de alerta, recomenda-se apresentar um vídeo silencioso e neutro; No entanto, isso é opcional. Informe o participante que ele pode se retirar do experimento a qualquer momento sem consequências.
2. Instrua o participante a minimizar piscar, contrações de músculos faciais e movimentos da cabeça durante a gravação.
3. Peça ao participante para usar fones de ouvido com cancelamento ativo de ruído para evitar que as respostas cerebrais sejam afetadas pelo ruído do atuador vibratório.
4. Ofereça pausas curtas a cada 10-15 minutos para reduzir a fadiga e manter a qualidade dos dados. Durante esses intervalos, avalie a percepção do participante sobre a intensidade do estímulo e ajuste a intensidade caso mudanças significativas na percepção subjetiva sejam relatadas. Verifique a sincronização entre o estimulador e o sistema de aquisição de EEG usando gatilhos TTL.
5. Comece a gravar o EEG em uma taxa de amostragem de 10.000 Hz que seja pelo menos duas vezes maior que a frequência de estimulação.
6. Execute as sequências de estimulação (elétrica, mecânica ou eletromecânica) de acordo com o paradigma atribuído (Tabela 1).
7. Colete no mínimo 100 testes de desviantes por condição. Ajuste o número de ensaios padrão de acordo, mantendo uma proporção de aproximadamente 5-8 padrões para cada desviante.
8. Além do experimento principal, execute a sequência de controle com estímulos enviados ao estimulador normalmente, mas a mão do sujeito é colocada fora da superfície estimulante, mostrando condições onde não se espera ERP/MMN, confirmando que os efeitos observados dependem do protocolo.

7. Pré-processamento e análise de dados de EEG

1. Remova artefatos inspecionando o EEG contínuo e removendo canais com contaminação persistente por ruído. Exclua os segmentos de tempo afetados por pausas técnicas ou atividade muscular excessiva.
2. Corriga o canal dos deslocamentos de linha de base subtraindo o valor médio de cada canal de cada ponto de tempo para corrigir os deslocamentos de base.
3. Aplique filtragem usando um filtro IIR de quarta ordem passa-banda de 1-40 Hz aos dados contínuos do EEG.
4. Segmente os dados em épocas com tempo de início, de −1000 ms a +1000 ms).
   NOTA: Em nossa experiência, usar uma janela simétrica de 1 s pré e pós-estímulo permite uma avaliação mais detalhada da qualidade dos dados, facilita a aplicação de filtragem adicional de frequência sem afetar o período crítico de linha de base e possibilita a detecção de sincronização ou dessincronização relacionada ao estímulo de ritmos neurais em andamento.
   1. Para estimulação unimodal (paradigmas elétricos ou mecânicos oddball/errantes), defina épocas padrão e desviante de acordo com a duração do estímulo (100 ms vs. 145 ms).
   2. Para estimulação multimodal (paradigma combinado de movimento eletromecânico), defina épocas padrão e desviante de acordo com a modalidade do estímulo (elétrica vs. mecânica, ambas com duração de 100 ms).
5. Rejeita épocas contaminadas descartando aquelas que contêm amplitudes superiores a +50 μV ou que caem abaixo de −50 μV dentro do intervalo de −1000 a +1000 ms.
6. Ajuste a linha de base das épocas subtraindo o valor médio no intervalo pré-estímulo de −200 ms para −50 ms.
7. Formas de onda médias calculando traços médios entre épocas do mesmo tipo (padrão ou desviante) dentro de cada condição.
8. Visualize os ERPs plotando os ERPs para canais individuais ou regiões de interesse, focando nas regiões centro-temporais de interesse dentro da janela de tempo pós-estímulo de 150-350 ms.
   Hemisfério contralateral: FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7.
   Hemisfério ipsilateral: FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4.

Resultados

Paradigma excêntrico
A apresentação de estímulos desviantes raros (145 ms) entre estímulos padrão frequentes (100 ms) durante a estimulação mecânica não conseguiu provocar ERPs claros e confiáveis. Consequentemente, não foi observada diferença significativa entre respostas padrão e desviantes (Figura 1). Em contraste, o paradigma elétrico oddball gerou formas de onda ERP bilaterais discerníveis. No entanto, comparar estímulos padrão e des...

Discussão

Este trabalho estabelece um protocolo padronizado de EEG para a comparação neural direta, dentro do sujeito, entre estimulação elétrica artificial e mecânica natural do tátio. A contribuição metodológica central é um arcabouço que garante controle temporal preciso, calibração perceptiva específica para cada participante e a aplicação de diferentes paradigmas experimentais para avaliar respostas corticais. Os resultados iniciais da prova de conceito, embora baseados em uma amostra limitad...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Amplificador de laboratório all-in-one actiCHamp Plus versátil	Brain Products GmbH	S/N ACBM17120955	Sistema primário de aquisição de dados EEG
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	Tampa ativa de eletrodos com 64 canais
Digitimer DS7A	Digitimer Ltd	UDI-DI 5060490360003	Estimulador elétrico
MatLab	The MathWorks, Inc., Natick, MA, EUA
Tipo de mini-shaker 4810	Brü El & Kjæ r	BP-0232	Estimulador mecânico
Sensor Fotográfico	Brain Products GmbH	N/A	Para detecção óptica do início do estímulo
Sala protegida Neiroiconica "Expert	Neiroiconica Assistive Ltd	S/N 20210119011	Câmara blindada eletromagneticamente
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH	S/N TB-A100009-0624	Interface de sincronização para gatilhos TTL