Этот протокол доказательства концепции подробно описывает ЭЭГ-запись соматосенсорных вызванных потенциалов, вызванных электрической и механической стимуляцией с использованием необычных и блуждающих парадигм.
Методическая статья
Этот протокол доказательства концепции подробно описывает ЭЭГ-запись соматосенсорных вызванных потенциалов, вызванных электрической и механической стимуляцией с использованием необычных и блуждающих парадигм.
Развитие реалистичной тактильной обратной связи в тактических интерфейсах зависит от понимания нейронной обработки электрических и механических стимулов. Представлен протокол прямого сравнения двух методов с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). Протокол подробно описывает процедуры для достижения точной синхронизации ЭЭГ-стимулятора, калибровки специфичных для субъекта электрических и механических стимулов, а также реализации как необычных, так и движущих парадигм для сравнения потенциала, связанного с ранними событиями (ERP) и компонента несоответствия негатива (MMN). Протокол proof-of-concept был проверен на четырёх здоровых участниках, каждому из которых был назначен определённое экспериментальное состояние: механическая или электрическая стимуляция правого указательного пальца при движущих или необычных парадигмах, с манипуляцией длительностью (100 мс против 145 мс). Кроме того, пятыйучастник прошёл парадигму с чередующимися модальностями со всеми стимулами на 100 мс. При унимодальной стимуляции парадигма роулинга оказалась более чувствительной, чем oddball, при обнаружении соматосенсорных ERP для обеих модальностей и различимого MMN-подобного компонента для электрической стимуляции. Кроссмодальное сравнение с использованием парадигмы роулинга аналогично выявило явный компонент, похожий на MMN, но только для электрического стимула. Эти результаты показывают, что текущий протокол подходит для корреляции нейронной активности с восприятием и для прямого сравнения корковой обработки искусственных и естественных ощущений. Эта структура является необходимым шагом к разработке протоколов электрической стимуляции, вызывающих кортикальные реакции, неотличимые от механического прикосновения.
Фундаментальной задачей в тактильной технологии является воссоздание естественных тактильных ощущений через интерфейсы кожа-машина. Это требует точного воспроизведения пространственно-временных паттернов нейронной активности, которые вызывают естественные стимулы. Хотя механические приводы могут воспроизводить физические взаимодействия, эпидермальная электрическая стимуляция механорецепторов представляет собой компактную и универсальнуюальтернативу 1. Однако электрическая стимуляция часто вызывает неестественную или неприятную парестезию. Прямое сравнение нейронных реакций на электрическую и механическую стимуляцию представляет собой новую областьинтереса 2,3, ставящую вопрос: могут ли усовершенствованные электрические протоколы вызывать корковые реакции, которые близко имитируют естественное механическое прикосновение?
Электроэнцефалография (ЭЭГ) предоставляет идеальный инструмент для решения этого вопроса, фиксируя кортикальные реакции на соматосенсорные стимулы с высоким временнымразрешением 4. Критические метрики включают ранние потенциалы, связанные с событиями (ERP), отражающие начальную кортикальную обработку признаков стимула5, и компонент несоответствия негатива (MMN) 6,7. MMN — это предвнимательная реакция с обнаружением изменений, обычно возникающая в парадигме необычных типов, которая сигнализирует о нарушении сенсорного предсказания, когда последовательность повторяющихся стандартных стимулов прерывается редким девиантнымстимулом 8. Эта реакция представляет собой надёжную электрофизиологическую корреляцию сенсорной дискриминации и памяти. Комплементарным подходом является парадигма роулинга, которая эффективно генерирует MMN, представляя короткие потоки повторяющегося стимула; Первый стимул нового поезда действует как девиант благодаря своей новизне, обеспечивая более сбалансированное количество стандартов и девиантов, чем классическая парадигмастранности 9.
Хотя MMN широко охарактеризован в слуховой и визуальной областях, отсутствует стандартизированная система для сравнения MMN между соматосенсорными субмодальностями. Предыдущие исследования отдельно установили надёжные ответы MMN намеханические 6,7 и электрическиестимулы 10,11,12. Однако отсутствие прямого сравнения внутри субъекта с использованием временно точных и перцептивно согласованных стимулов мешает делать значимые выводы. Этот методологический разрыв фундаментально ограничивает возможность оценить, задействуют ли искусственно вызванные электрические реакции те же механизмы предварительного обнаружения изменений, что и естественное механическое прикосновение.
Для решения этого методологического ограничения был разработан стандартизированный протокол ЭЭГ, позволяющий прямое нейронное сравнение электрической и механической стимуляции. Текущий метод обеспечивает: точную синхронизацию ЭЭГ-стимулятора, индивидуальную электрическую калибровку участника до заметного, но неаверсивного уровня, применение стандартизированного механического стимула и реализацию как необычных, так и роулинговых парадигм для сравнения ERP и MMN между модальностями.
Сначала была оценена способность каждой парадигмы вызывать чёткие ERP и MMN в ответ на механические и электрические стимулы разной длительности. Необычная парадигма генерировала различимые ERP только для электрической стимуляции и не вызывала MMN ни для одной из этих модальностей. В отличие от этого, парадигма роулинга успешно выявила ERP для обеих модальностей и заметный компонент, похожий на MMN, для электрической стимуляции. Используя чувствительность парадигмы движущего, было проведено прямое кроссмодальное сравнение с использованием чередующихся потоков механических и электрических стимулов. Чёткие ERP наблюдались для обеих модальностей, тогда как прозрачный компонент, похожий на MMN, возникал только при электрической стимуляции. Хотя эти первоначальные результаты основаны на каждом участнике на каждом состоянии, они демонстрируют потенциал этой стандартизированной структуры для развития протоколов электрической стимуляции, которые в конечном итоге могут вызывать корковые реакции, неотличимые от естественных механических прикосновения.
Только недавно ответы MMN на электрическую и механическую стимуляцию сравнивались напрямую, и пока только с помощью магнитоэнцефалографии 12,13. Таким образом, предлагаемый протокол является первым, который предоставляет единую и детальную систему ЭЭГ для записи соматосенсорного MMN — вызванную как электрической, так и механической стимуляцией и реализуемую как стандартные и девиантные стимулы в рамках одного экспериментального дизайна. Ключевая новизна этого протокола заключается не в самой подготовке к ЭЭГ, а в интеграции стимуляции, записи, синхронизации и анализа в комплексную, сквозную методологию, позволяющую напрямую кроссмодальное сравнение соматосенсорной обработки. Процедуры подготовки к ЭЭГ следуют установленным лучшим практикам и основаны на ранее опубликованныхпротоколах 14. Хотя некоторые аспекты ЭЭГ также демонстрировались ввидеоформатах 15, эти подходы не сочетались с точно контролируемой электрической и механической тактильной стимуляцией и не применялись к парадигмам MMN. Интегрируя эти элементы, данный протокол расширяет существующие методологии и предоставляет переносимую основу для механистического исследования соматосенсорного предсказания и обнаружения отклонений.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Текущий экспериментальный протокол был проведён в соответствии с этическими рекомендациями Комитета по расследованию человека Университета Сириуса (дата утверждения: 10.06.2025). Письменное информированное согласие получается от каждого участника перед сбором данных. Критериями исключения были наличие имплантированных кардиостимуляторов или других электронных устройств, история эпилепсии или судорожных расстройств, беременности или дерматологических заболеваний в месте стимуляции.
1. Мультимодальная система стимуляции
2. Экспериментальная установка
3. Подготовка к ЭЭГ
4. Настройка стимуляции и определение порога
5. Подготовка стимуляционных последовательностей
6. Запись ЭЭГ во время стимуляции
7. Предобработка и анализ данных ЭЭГ
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Парадигма странности
Представление редких девиантных стимулов (145 мс) среди частых стандартных стимулов (100 мс) во время механической стимуляции не смогло выявить чёткие и надёжные ERP. Следовательно, значимой разницы между стандартными и девиантными ответами не наблюдалось (см. рисунок 1). В отличие от этого, электрическая парадигма oddball генерировала различимые двусторонние ERP-сигналы. Однако сравнение стандартных и девиантных стим...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Эта работа устанавливает стандартизированный протокол ЭЭГ для прямого, внутрисубъектного нейронного сравнения искусственной электрической и естественной механической тактильной стимуляции. Основной методологический вклад — это структура, обеспечивающая точный временной контроль, индивидуальную перцептивную калибровку участника и применение различных экспериментальных парадигм для оценки кортикальных реакций. Первоначальные результаты доказательства концепции, хотя и основаны на ограничен...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана грантом государственной программы «Сириус» Федеральной территории «Научно-техническое развитие Федеральной территории «Сириус» (Соглашение No 28-03, дата 27.09.2024).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| actiCHamp Plus — универсальный лабораторный усилитель | Brain Products GmbH | S/N ACBM17120955 | Первичная система сбора данных ЭЭГ |
| actiCAP slim / snap | Brain Products GmbH | BP-185-2200 | Активный конденсатор электрода с 64 каналами |
| Digitimer DS7A | Digitimer Ltd | UDI-DI 5060490360003 | Электрический стимулятор |
| MatLab | The MathWorks, Inc., Натик, Массачусетс, США | ||
| Мини-шейкер типа 4810 | Brü EL & Kjæ r | BP-0232 | Механический стимулятор |
| Фотосенсор и bbsp; | Brain Products GmbH | Н/Д | Для оптического обнаружения начала стимула |
| Защищённая комната Neiroiconica «Эксперт | Neiroiconica Assistive Ltd | S/N |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение