Методическая статья

Психофизического якорь, Robust Thresholding в изучении боли, связанные с Латерализация Колебательной Prestimulus деятельности

DOI:

10.3791/55228

⸱

21 января 2017 г.

 , 
1Department of Systems Neuroscience, University Medical Center Hamburg Eppendorf

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Психофизические методы, такие, как процедура оценки QUEST может эффективно давать надежные оценки интенсивности стимуляции, при которой nonpainful ощущения перехода в болезненные ощущения. Стимулируя неоднократно при пороговой интенсивности, изменчивость в рейтинге ответов могут быть непосредственно отнесены к воспринимаемых классификации в последующих анализах.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В воспринимаемых исследованиях, часто важно объективно оценить равенство доставляемой стимуляции через участников или количественно внутрииндивидуальная ощущение величины, которая вызывается путем стимуляции в течение нескольких испытаний. Для этого требуется надежное отображение стимула величины воспринимаемой интенсивности и обычно достигается за счет психофизических методов оценки, таких как процедура лестницы. Более новые, более эффективные процедуры, как алгоритм QUEST соответствовать психофизической функции к данным в режиме реального времени, в то время как в то же время максимальной эффективности сбора данных. Надежная оценка пороговой интенсивности между болезненным и nonpainful восприятия может быть использовано для уменьшения влияния изменений в сенсорных входных сигналов в последующих анализах колебательной активности мозга. Стимулируя при постоянной пороговой интенсивности, определенной адаптивной методики оценки, дисперсия в рейтингах могут быть непосредственно отнесены к перцептивных процессов.Колебательная активность затем может быть противопоставлено между «боль» и «без боли» испытаний напрямую, получая деятельность, которая тесно связано с перцептивных процессов классификации в ноцицепции.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

При проведении поведенческие эксперименты с участием человека, важно, чтобы иметь возможность точно контролировать интенсивности представленных стимулов. Используя стимулы одинаковой интенсивности для всех участников, однако, в некоторых местах ввести смещение субъективного восприятия. Для некоторых воспринимаемых качеств , таких как боль, существуют высокие внутри- и индивидуальные вариации интенсивности воспринимаемого на постоянном уровне стимула 1, 2. Для экспериментов, которые берут на себя равные субъективные восприятий, то, таким образом, необходимость соответствовать субъективно воспринимаемую интенсивность через участников. Это также важно при изучении восприятия на пороговом уровне, например, между болезненной и nonpainful стимуляции. Психофизика исследование обратился такого рода проблем, в течение многих десятилетий, и сегодня есть сложные, но простой в использовании методов, доступных для достижения надежной психофизической прикрепление.

ntent "> Простой, классический метод отображения интенсивности стимула физическому лицу ощущение величины является метод лестницы 3. Таким образом , интенсивность последовательных стимулов увеличивается или уменьшается, пока не изменится в ответ участника , относящиеся к желаемый порог или позиция по субъективной шкале ощущений. Повторяя этот процесс несколько раз, дает вероятную оценку точки разворота. Классические методы, однако, не в состоянии использовать всю информацию, содержащуюся в каждой рейтинговой испытании. Это приводит к излишне большое количество испытаний, необходимое для достижения сходимости. такие методы, как (линейная) регрессии или функции подгонки может завершиться неудачей, если предположения для взаимосвязи между интенсивностью стимула и ощущение величины ошибочны или не выполняются для исследуемом диапазоне стимула. адаптивная процедуры не только дают оценку надежную точку для определенной субъективной интенсивности, но сделать это более эффективно. EspecialLY в течение более длительных экспериментов, которые в значительной степени зависят от наличия точной оценки пороговой величины или ощущение, необходимо для психофизического метод, чтобы быть как надежные и в то же время эффективно в отношении количества требуемых испытаний. Это особенно важно в таких областях, как исследования боли, где общее воздействие на болевой стимуляции должна быть настолько низкой, насколько это возможно в пользу участников.

Хотя классические методы лестницы все еще широко используются, например , в количественном сенсорного тестирования, использование более совершенных методов оценки , которые лучше использовать полученную информацию через испытания, неуклонно растет. В случае метода максимального правдоподобия QUEST 4, 5 , используемой здесь, это, вероятно , связано с легкодоступной реализации в популярных Matlab PsychToolbox 6 люкс. Современный, пересмотренный вариант этого прocedure превосходит классические методы оценки как в надежности и низкого числа испытаний , необходимых , чтобы достигнуть достаточной оценки, если они используются с правильными настройками 7.

Смысл процедуры заключается в QUEST соответствовать функции Вейбулла для поступающих данных для моделирования психофизической трансформации между интенсивностью стимула и ощущением величины. Параметры для психофизической функции Вейбулла в рамках данной экспериментатором, например , крутизна функции или смещение из - за ложных срабатываний и несогласованность ответчика. Расположение интересующего параметра по измерению интенсивности аппроксимируется методике с использованием байесовского максимального правдоподобия. Таким образом , распределение вероятностей предполагается по месту нахождения целевого параметра, то есть пороговую интенсивность. Учитывая разумное предположение до такого распределения, алгоритм будет определять тон наиболее информативной интенсивности, что участник должен реагировать. Для текущей реализации процедуры, это среднее значение предварительного распределения вероятностей 8. Для каждого последующего судебного процесса, априорное распределение вероятностей по своей сути, умноженная на вероятность данного ответа участника на тестируемом уровне стимуляции, так как характеризуется функцией Вейбулла. Каждый ответ будет использоваться для непрерывного обновления оценки распределения вероятностей для порогового параметра. Эта процедура повторяется до тех пор, удовлетворяя оценка не производится. Процедура является более эффективным, чем простой регрессии, поскольку он непосредственно использует собранных ответов для определения которых стимуляция интенсивности, чтобы проверить следующий. Кроме того , процедура будет специально зондировать вокруг точки интереса, например , порог или определенной интенсивности ощущения. Использование только тестирование данных из такого ограниченного диапазона в регрессии приведет к нестабильнойоценить, что делает адаптивные процедуры более надежными в условиях, когда лишь относительно небольшое число испытаний реализуемы.

Такой надежный психофизического анкерный может быть использован для измерения изменений болевой чувствительности в течение долгого времени, модулирующие эффекты в гипералгезии / исследования аллодиния или обезболивающих эффектов фармакологических вмешательств, среди других параметров. Еще одна интересная перспектива быть в состоянии закрепить стимулы к интенсивности только на пороге между двумя сенсорной континуумов заключается в изучении субъективного восприятия через переход от не-Больно болевых ощущений 9, 10, 11. Этот сценарий очень интересен тем , что если болевой порог был робастно оценкам, боль и не-боли условия могут быть противопоставлено в электроэнцефалографической (EEG) активности, например, без изменения физической интенсивности стимула 12. Это позволяет для наблervation болевых конкретных перцептивных процессов при постоянных условиях стимула путем анализа различий в активности мозга между опытами номинальными как болезненные и не болезненные.

Мы покажем, как использовать легкодоступного реализацию адаптивного оценивания в PsychToolbox, чтобы решительно определить индивидуальный болевой порог в эксперименте ЭЭГ, где контраст между болью и никакой боли-активности исследуют на латерализация эффекты, в зависимости от места стимуляции. Поскольку интенсивность стимуляции может поддерживаться постоянным после процедуры выбора порога не нужно учитывать электроэнцефалограмма активности совместно с различной интенсивности стимула в последующем анализе.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эксперимент был одобрен комиссией по этике медицинской ассоциации Hamburg (PV4509).

Выбор 1. Участник

  1. Помимо стандартных критериев отбора, таких как пригодность для болевого раздражения, головных имплантатов или ранее существовавших неврологических состояний, убедитесь, что участники не страдают от острой или хронической боли, не принимать какие-либо обезболивающее, и не имеют никакой известной истории злоупотребления наркотическими веществами. Участники не должны также приняли участие в каких-либо фармакологических исследований в течение 4-х недель до начала эксперимента.
  2. Включить участников любого пола, но заботиться , чтобы включать только женщин - участниц, которые используют гормональные контрацептивы 13, 14 , чтобы свести к минимуму влияние циклических изменений в восприятии боли.
  3. Перед введением любого вида стимуляции, убедитесь, что участники дали информированное согласие в письменной форме.
_title "> 2. Установка EEG

  1. Выберите подходящий размер крышки и подготовить установку EEG электродов в соответствии с инструкцией по эксплуатации системы.
  2. Установите частоту дискретизации и высокого / низкого среза, а также пределы импеданса записывающего оборудования (рекомендуется: 500 Гц, 0,5 Гц фильтр высоких частот, полное сопротивление <20 кОм).
  3. Убедитесь, что устройство стимуляции и устройство ЭЭГ не электрически соединены путем запуска системы EEG от батареи.
  4. Убедитесь в том, что какая-либо связь между системой EEG и компьютер, контролирующий электрическое устройство стимуляции является свободным потенциалом.

Установка 3. Электростимуляция

  1. Для того, чтобы наилучшим образом использовать разрешение по времени записи ЭЭГ, сохранить электрическую стимуляцию как можно короче. Установите стимулятора к одному, однофазной стимуляции импульса с длительностью 1 мс и максимальное напряжение 400 V. Если необходим более интенсивный уровень боли, или точные сроки записи ЭЭГ после стимула делает пВЗ имеют приоритет, могут быть использованы другие протоколы стимуляции.
  2. Убедитесь, что электрический стимулятор включен, но выход к электроду выключается. Для DS7A стимулятора переключатель с надписью 'OUTPUT' справа от устройства должен находиться в нижнем положении.
  3. Найдите ориентир (ы), которые идентифицируют выбранное место стимуляции. Для стимуляции на руке, используйте мышцы между большим и указательным пальцами (Похититель / сгибателей pollicis Brevis). Попросите участника положат руку на плоскую поверхность с все цифры вытянута и соединенный. Определить место стимуляции рассекает расстояние между первыми суставами пальца и указательного пальца.
  4. Очистите кожу, применяя гель подготовки электрода. Убедитесь в том, чтобы не использовать спирт или дезинфицирующее средство, которое может оставить остаток на коже, что может привести к раздражению или недостоверной стимуляции.
  5. Прикрепите стимулирующий электрод и закрепите его на месте с текстильной лентой.
  6. Спросите йе участник, чтобы найти удобное положение для руки и стараться не двигать рукой во время эксперимента, если это возможно. Для удобства участника, место мягкие ткани под рукой, чтобы поглощать влагу, в зависимости от проницаемости поверхности.
  7. Включить выход стимулятора путем переключения переключателя "OUTPUT" в верхнее положение.

4. Определение отправных точек

  1. Попросите участника о том, как управлять рейтинговой шкалы на экране с помощью мыши. Левая половина представляет без болевых ощущений; правая половина соответствует стандартной шкале боли VAS, обеспечивая визуальный эквивалент для ряда непрерывных интенсивностями ощущения в виде горизонтальной линии. Укажите, к участнику, который не может быть выбран абсолютный центральная точка шкалы. Обеспечить участника со стандартизованным инструкциями по анкерные точки 15 (таблица 1).
  2. Дайте участнику возможность получить комфортно рейтингового процесса путем применения стимулов различной интенсивности и записи ответов. Используйте информацию, собранную во время этой фазы, чтобы получить оценку для двух интенсивностей, которые последовательно вызывают сильные, но nonpainful ощущения (низкая точка) и умеренно болезненные ощущения (высокая точка), соответственно. Продолжайте стимуляцию в течение приблизительно 25 - 30 испытаний или до удовлетворен, достигнув хороших оценок. За это время, это может быть полезно для запроса участника для вербальной обратной связи по интенсивности и субъективного сходства неоднократно представленных интенсивности стимула.
  3. Старайтесь подбирать интенсивность случайным образом, чтобы вызвать реакцию вокруг масштабного центра. Для достижения наилучших результатов, не просто увеличивать или уменьшать интенсивность линейно, а также исследовать более крайние концы болезненной стороне. Этот этап также должен предоставить участнику возможность привыкнуть к потенциально незнакомой стимулирующимионов и установить некоторые ссылки для последовательного диапазона рейтинга. Из-за этого, целесообразно применять интенсивности от целого ряда возможных интенсивностей стимула, а также повторять некоторые интенсивности.
  4. После того, как удовлетворены, получив оценки как с высокой точки и начальной интенсивности низкой точки, информирует участника о том, что первая часть эксперимента о том, чтобы начать и (с) он должен держать на рейтинг, как это практикуется в то время как случайные интенсивности стимула представлены ,

5. Определение порога

Примечание: Алгоритм QUEST требует некоторых параметров быть определены перед началом оценки. Эти параметры включают крутизну психофизической функции (бета, как правило, 3.5), доля испытаний, где, как ожидается, случайный ответ (дельта, как правило, 0,01), а доля испытаний, где положительный ответ, как ожидается, даже если нет стимуляции не дается (гамма, не рекомендация). Для байесовской оцеион должен быть указан диапазон (SD) из ожидаемых оценок и интервал возможных ответов (зерно). Для дополнительных услуг, зерно должно быть установлено в разрешение шкалы (обычно 1), и СД должна быть достаточно большой, чтобы включать в себя как точку нуль шкалы и максимально возможную интенсивность плюс некоторый запас прочности. Рекомендации и "типичные" значения , приведенные здесь подробно описаны в исходном коде QuestCreate с включенным PsychToolbox 6, 16. Для боли у порога, гамма-значение не более 0,01 должно быть правдоподобным. Метод оценки является относительно устойчивым с точки зрения неправильной спецификации параметров, однако для установок с только несколько испытаний, неуказание разумные параметры может увеличить неопределенность окончательной оценки. Если стандартное отклонение установлено слишком низкое, то процедура будет иметь проблемы, сходящихся на оценках, которые лежат за пределами области, натянутого на стандартное отклонение вокруг гое перед догадка для параметра. При этом важно, чтобы скорее допустить ошибку на стороне слишком большого стандартного отклонения.

  1. Создание двух QUEST сессий с параметрами, приведенными выше. Запустить один из интенсивности высокой точки и один из низкой точки. Информация о логике реализации процесса оценки можно найти в дополнительном материале (S1).
  2. Случайным образом выбрать интенсивность зондовых одной из двух трасс, данных соответствующей функцией QuestMean.
  3. Установите Электростимуляторы к интенсивности зонда. Если разной интенсивности, чем один из них предложил алгоритм должен быть применен или предлагаемая интенсивность выходит за пределы диапазона, кормить представленную интенсивность обратно в функцию QuestUpdate на шаге 5.5.
  4. Trigger стимул.
  5. После того, как участник рейтинга стимул, запустить QuestUpdate для соответствующей сессии оценки и снабжать ее фактической интенсивности стимула, представленного, а также рейтинг участника.
  6. Продолжать работу рейтинговые испытания, пока оценки не являются стабильными или предопределенный критерий остановки (> 40 испытаний) была достигнута.
  7. Записывают пороговую оценка среднего между обоими оценка выполняется, начиная с высокой и низкой отправной точки, как определяется QuestMean.
  8. Разрешить участнику сделать перерыв на данном этапе, если это необходимо.

6. Стимулировать на пороговом уровне

Примечание: Можно настроить рейтинг и число блоков для ваших потребностей тех пор, пока она терпима к участнику.

  1. Сообщить участника, что для оставшейся части эксперимента, более блоков со случайной стимуляции будет следующий, и они должны иметь рейтинг, как они это делали ранее. При необходимости, обновить инструкцию по точкам шкалы якорных.
  2. Начало записи ЭЭГ.
  3. Установите Электростимуляторы к среднему значению пороговой оценкой, полученной на этапе 5.7 и поддержания постоянной настройки всей остальной части гое эксперимент.
  4. Начало рейтинга блока (30 испытаний) и наблюдать качество данных записи ЭЭГ. В зависимости от качества данных ЭЭГ, запустить 4 - 5 рейтинговых блоков и позволяет участнику делать короткие перерывы между блоками.
    Примечание: Старайтесь поддерживать социальное взаимодействие с участником до минимума во время этих перерывов или стандартизировать взаимодействие как можно больше.
  5. Когда закончите, остановите запись ЭЭГ, переключить выходной стимулятора выключен, и снимите электрод. Проанализируйте участника после снятия крышки EEG.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Используя шкалу рейтинга раскол в одну половину для nonpainful и одну половину болезненных ощущений (рис 1а), постоянная стимуляция может быть применена в течение многих испытаний в то же время дает свои оценки по всей шкале средней точке (рис 1b). Таким образом, изменения в сенсорного ввода можно избежать, и итоговый рейтинг может быть непосредственно связаны с внутренними воспринимаемых классификации процессов, связанных с болью.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Здесь мы использовали хорошо теоретически обоснованные метод QUEST эффективно оценить надежную психофизический порог между без боли и восприятия боли. Использование постоянной стимуляции на этот порог позволяет анализ восприятия решений не зависит от изменений стимула величины. В то время как мы исследовали пороговую интенсивность в точке перехода между безобидными и вредными доменами ощущения, другие точки по шкале боли (например, 50 на шкале боли 100-балльной) также могут быть закреплены с представленной здес...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа финансируется ТРАНСРЕГИОНАЛЬНЫЕ Collaborative Research Centre TRR169 "Crossmodal Learning: адаптивность, прогнозирование и взаимодействие» / Фонд исследований немецкий язык (DFG). Авторы благодарят Стефани Шилдс за полезные замечания по рукописи.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Электродный колпачок EasyCapВёрзее-Эттершлаг, ГерманияCUCHW-58
actiCap активный Ag/Cl набор электродов ЭЭГBrainProducts GmbH, Глишинг,Германия-SuperVisc
ЭЭГ элетродный гельEasyCap, Вёрзее-Эттершлаг, ГерманияV16
BrainAmp усилитель ЭЭГBrainProducts GmbH, Глишинг, ГерманияBrainAmp Standard
PsychToolbox-3Mario Kleiner / Open Source -доступно в http://psychtoolbox.org/
MatlabMathWorks, Natick, MAMatlab R2015b
DigiTimer DS7A Электрический стимулятор постоянного токаDigiTimer Ltd., Хартфордшир, ВеликобританияDS7A
,

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Coghill, R. C., McHaffie, J. G., Yen, Y. -F. Neural correlates of interindividual differences in the subjective experience of pain. Proc. Natl. Acad. Sci. 100 (14), 8538-8542 (2003).
  2. Schulz, E., Tiemann, L., Schuster, T., Gross, J., Ploner, M. Neurophysiological coding of traits and states in the perception of pain. Cereb. Cortex. 21 (10), 2408-2414 (2011).
  3. Ehrenstein, W. H., Ehrenstein, A. Psychophysical Methods. Mod. Tech. Neurosci. Res. , 1325(1999).
  4. Watson, A. B., Pelli, D. G. Quest: A Bayesian adaptive psychometric method. Percept. Psychophys. 33 (2), 113-120 (1983).
  5. Sims, J. A., Pelli, D. The ideal psychometric procedure. Investig. Ophthalmol. Vis. Sci. 28, 366(1987).
  6. Kleiner, M., Brainard, D., Pelli, D., Ingling, A., Murray, R., Broussard, C. What's new in psychtoolbox-3. Perception. 36 (14), 1-16 (2007).
  7. Leek, M. R. Adaptive procedures in psychophysical research. Percept. Psychophys. 63 (8), 1279-1292 (2001).
  8. King-Smith, P. E., Grigsby, S. S., Vingrys, aJ., Benes, S. C., Supowit, A. Efficient and unbiased modifications of the QUEST threshold method: theory, simulations, experimental evaluation and practical implementation. Vision Res. 34 (7), 885-912 (1994).
  9. Boly, M., Balteau, E., et al. Baseline brain activity fluctuations predict somatosensory perception in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. 104 (29), 12187-12192 (2007).
  10. Gross, J., Schnitzler, A., Timmermann, L., Ploner, M. Gamma oscillations in human primary somatosensory cortex reflect pain perception. PLoS Biol. 5 (5), 1168-1173 (2007).
  11. Ploner, M., Lee, M. C., Wiech, K., Bingel, U., Tracey, I. Prestimulus functional connectivity determines pain perception in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107 (1), 355-360 (2010).
  12. Oertel, B. G., Preibisch, C., et al. Separating brain processing of pain from that of stimulus intensity. Hum. Brain Mapp. 33 (4), 883-894 (2012).
  13. Goolkasian, P. Cyclic changes in pain perception: an ROC analysis. Percept. Psychophys. 27 (6), 499-504 (1980).
  14. Hapidou, E. G., Rollman, G. B. Menstrual cycle modulation of tender points. Pain. 77 (2), 151-161 (1998).
  15. Huskisson, E. C. Measurement of pain. Lancet. 304 (7889), 1127-1131 (1974).
  16. Brainard, D. H. The Psychophysics Toolbox. Spat. Vis. 10 (4), 433-436 (1997).
  17. Taesler, P., Rose, M. Prestimulus Theta Oscillations and Connectivity Modulate Pain Perception. J. Neurosci. 36 (18), 5026-5033 (2016).
  18. Yarnitsky, D., Sprecher, E., Zaslansky, R., Hemli, J. A. Multiple session experimental pain measurement. Pain. 67 (2-3), 327-333 (1996).
  19. Rosier, E. M., Iadarola, M. J., Coghill, R. C. Reproducibility of pain measurement and pain perception. Pain. 98 (1-2), 205-216 (2002).
  20. Barthelmé, S., Mamassian, P. A flexible Bayesian method for adaptive measurement in psychophysics. arXiv:0809.0387. , (2008).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

QUEST

Похожие статьи