标准化脑电图协议用于比较皮层对机械性和电触觉刺激的反应

摘要

本概念验证方案详细描述了使用偏差刺激范式和游走范式，通过电刺激和机械刺激诱发体感诱发电位的脑电图记录方法。

摘要

触觉界面中逼真触觉反馈的开发依赖于对电刺激与机械刺激神经处理机制的理解。本文提出了一种利用脑电图（EEG）直接比较这两种刺激模态的实验方案。该方案详细描述了实现精确的EEG-刺激器同步、个体化校准电刺激与机械刺激参数，以及实施oddball范式和roving范式以比较早期事件相关电位（ERPs）和失匹配负波（MMN）成分的方法。该概念验证性方案在四名健康受试者中进行了验证，每名受试者被分配至一种独立的实验条件：在roving范式或oddball范式下对右手示指指尖施加机械刺激或电刺激，并操纵刺激持续时间（100 ms vs. 145 ms）。此外，一项5^th 受试者接受了刺激时长均为100 ms的交替模态游动范式。在单模态刺激条件下，游动范式在检测两种模态的躯体感觉诱发电位方面均比失匹配负波范式更为敏感，并且对电刺激可检测到明显的失匹配负波样成分。采用游动范式进行跨模态比较同样揭示了清晰的失匹配负波样成分，但仅在电刺激条件下出现。这些结果表明，当前实验方案适用于将神经活动与感知相关联，并可直接比较人工与自然感觉的皮层加工过程。该框架是开发能够引发与机械触觉无法区分的皮层反应的电刺激方案的必要步骤。

引言

触觉技术的一个基本挑战是通过皮肤-机器界面重现自然的触觉感受。这需要复制自然刺激所引发的精确时空神经活动模式。虽然机械致动器可以复制物理交互，但对机械感受器进行表皮电刺激则提供了一种紧凑且多功能的替代方案¹。然而，电刺激常常引发非自然或令人不适的异常感觉（paresthesia）。对电刺激与机械刺激所诱发的神经 反应进行直接比较，是一个新兴的研究领域^2,3，由此引出一个问题：优化的电刺激方案能否诱发与自然机械触觉高度相似的皮层反应？

脑电图（EEG）能够以高时间分辨率捕捉皮层对躯体感觉刺激的反应，是回答这一问题的理想工具⁴。关键指标包括早期事件相关电位（ERPs），其反映了对刺激特征的初始皮层处理过程⁵，以及失匹配负波（MMN）成分^6,7。MMN是一种前注意阶段的、与变化检测相关的反应，通常在“奇球”范式中诱发，当一系列重复的标准刺激被罕见的偏差刺激打断时，该反应即提示感觉预测的违背⁸。这一反应是感觉分辨能力和记忆功能的可靠电生理指标。另一种互补的方法是“游走”范式，该范式通过呈现短暂重复的刺激序列高效诱发MMN；新序列中的首个刺激因其新颖性而被视为偏差刺激，从而相较于经典奇球范式，提供了更为均衡的标准刺激与偏差刺激数量⁹。

尽管失匹配负波（MMN）在听觉和视觉领域已得到广泛研究，但目前尚缺乏在体感亚模态之间进行MMN比较的标准化框架。以往的研究已分别证实了机械刺激^6,7和电刺激^10,11,12可引发可靠的MMN反应。然而，由于缺乏在相同受试者中使用时间精确且感知匹配的刺激进行直接比较，难以得出有意义的结论。这一方法学上的空白从根本上限制了我们评估人工诱发的电反应是否与自然机械触觉激活相同的前注意变化检测机制的能力。

为解决这一方法学上的局限性，我们开发了一种标准化的脑电图（EEG）方案，以实现对电刺激与机械刺激的直接神经比较。本方法确保：精确的脑电图-刺激器同步、针对每位受试者进行显著但非厌恶性的个体化电刺激校准、应用标准化的机械刺激，以及同时实施奇球（oddball）和游移（roving）范式，以跨模态比较事件相关电位（ERPs）和失匹配负波（MMN）。

首先评估了每种范式在对不同时长的机械和电刺激产生清晰事件相关电位（ERP）和失匹配负波（MMN）方面的能力。结果表明，偏差刺激范式仅对电刺激产生了可辨别的ERP，而对于两种刺激模态均未能诱发MMN。相比之下，游动标准刺激范式（roving paradigm）在两种模态下均成功诱发了ERP，并在电刺激条件下诱发了显著的类MMN成分。基于游动标准刺激范式的敏感性，本研究采用交替呈现的机械与电刺激序列进行了直接的跨模态比较。结果显示，两种刺激模态均能诱发清晰的ERP，但仅电刺激诱发了明确的类MMN成分。尽管这些初步结果每种条件仅基于一名受试者，但仍展示了该标准化框架的潜力，可为电刺激方案的开发提供指导，最终实现诱发与自然机械触觉难以区分的皮层反应。

直到最近，才开始直接比较电刺激和机械刺激诱发的失匹配负波（MMN）反应，且迄今为止仅使用脑磁图技术进行过此类比较^12,13。因此，本方案是首个提供统一且详细的脑电图（EEG）框架以记录躯体感觉MMN的研究方案——该MMN由电刺激和机械刺激共同诱发，并在同一实验设计中作为标准刺激和偏差刺激加以实施。本方案的关键创新之处不在于EEG准备本身，而在于将刺激、记录、同步和分析整合为一个全面的端到端方法学体系，从而实现对躯体感觉加工过程的直接跨模态比较。EEG准备程序遵循既定的最佳实践，并基于先前已发表的方案¹⁴。尽管EEG设置的部分内容也已在基于视频的格式中展示过¹⁵，但这些方法尚未与精确控制的电刺激和机械触觉刺激相结合，也未应用于MMN范式中。通过整合这些要素，本方案拓展了现有方法学，为研究躯体感觉预测机制与偏差检测提供了可迁移的框架。

方案

本实验方案严格遵循 Sirius University 人类研究委员会的伦理准则（批准日期：2025.06.10）。在数据采集前，每位参与者均已签署书面知情同意书。排除标准包括：体内植入心脏起搏器或其他电子设备、有癫痫或惊厥病史、妊娠状态，或刺激部位存在皮肤疾病。

1. 多模态刺激系统

1. 使用自行研制的多模态刺激器，可精确控制并同步传递体感刺激。该系统由控制单元和刺激模块组成，专为高保真神经生理学研究而设计。
   注意：尽管本研究中采用的是自行研制的设备，但类似的实验需求也可通过商用系统实现，例如 mini-shaker 型号 4810⁶ 和 Digitimer DS7A¹⁶。

2. 实验设置

1. 使用64通道主动式脑电图（EEG）系统记录脑电信号。将接地电极置于Fz位置（10–20系统），参考电极置于鼻尖。以10 kHz采样率采集数据，并应用1–40 Hz的带通IIR滤波器。通过TTL触发信号同步刺激系统与EEG系统，每种刺激类型的触发持续时间单独设置（20–100 ms，以20 ms为增量）。使用基于MATLAB编写的自定义脚本进行离线数据分析。
2. 进行对照任务，将机械刺激发送至刺激器，同时受试者的手保持在刺激表面之外，共四名受试者参与，以确保事件相关电位（ERPs）并非由振动执行器产生的听觉噪声所引起。

3. 脑电图准备

1. 测量受试者的头围，并确定解剖学标志点（鼻根点、枕外隆突点以及左右耳前点），据此选择合适的脑电图（EEG）帽尺寸。
2. 将EEG帽定位，使中央电极（Cz）位于头顶点。通过测量Cz到鼻根点、枕外隆突点及两侧耳前点的距离，确认其对称性，确保正确对齐。采用国际10-10电极定位系统。
3. 根据制造商的说明，将所有电极导线连接至EEG放大器。
4. 对每个电极位置进行准备：分开头发，使用研磨凝胶轻轻打磨皮肤，并用酒精清洁。向每个电极腔内注入导电凝胶。优先安放接地电极和参考电极，以确保连接稳定。
5. 确认电极信号质量符合制造商推荐的标准，确保噪声水平较低，能够可靠记录生理活动，且阻抗值（如可获取）处于可接受范围内（通常低于10 kΩ）。
6. 整理电极导线，以尽量减少运动伪迹，并将其固定在受试者的衣物上，以减轻连接器的受力。
7. 让受试者舒适地坐在显示器前方。为在长时间记录期间维持稳定的警觉状态，可播放一段无声的中性视频。
8. 检查原始EEG信号，确保各通道的基线噪声保持一致。确认生理伪迹（例如眼睑眨动、肌肉活动）能够被清晰识别。

4. 刺激设置与阈值确定

1. 用酒精棉片清洁刺激部位（例如惯用手的食指），以降低皮肤阻抗，确保电极与皮肤接触稳定。
2. 将手指放置在刺激垫上。要求受试者在整个实验过程中保持手部放松且静止不动。确保实现稳定接触。如有条件，使用设备的自动基线压力注册功能确认压力稳定；否则，需手动验证接触保持一致。
3. 采用标准化的阶梯法程序确定个体对电刺激的感知阈值¹⁷。
   1. 从1 mA开始刺激，以0.5 mA为增量逐步增加强度，直至受试者首次报告感知到刺激。
   2. 将强度降低0.5 mA，然后以0.1 mA为步长逐步增加，以精确定位阈值。
   3. 在每个候选强度下呈现10次刺激，将阈值定义为至少10次中有5次被检测到的最低强度。
   4. 重复阶梯程序3次 ，并计算平均值作为感知阈值。
4. 确定电刺激的不适阈值。
   1. 从感知阈值开始，以0.5 mA为步长逐步增加强度。要求受试者指出刺激何时变得令人不适或无法忍受。
   2. 将不适阈值定义为低于该水平仍可耐受的最后一个强度。通过施加4–7次测试脉冲确认耐受性。
5. 选择实验的最终刺激强度，取值介于感知阈值与不适阈值之间，通常为两者的算术平均值。
6. 设定机械刺激强度，应清晰可感知，但不引起不适或可见的手指运动（例如，设为感知阈值的两倍）。

5. 刺激序列的制备

1. 一般参数
   1. 将电刺激和机械刺激的脉冲宽度均设置为 200 µs。标准刺激的持续时间定义为 100 ms，偏差刺激定义为 145 ms，除非另有说明。刺激间间隔（ISI）在 3.0–5.5 s 范围内随机抖动。每种刺激类型至少呈现 100 次。
2. 失匹配范式与游动范式（电刺激与机械刺激）
   1. 在失匹配范式中，呈现由 5–8 个标准刺激组成的序列，随后跟一个偏差刺激。典型的失匹配实验区块包含约 100 个偏差刺激和 650 个标准刺激（总共 750 个刺激）。
   2. 在游动范式中，呈现 5–8 个连续的标准刺激，随后跟 5–8 个连续的偏差刺激。典型的游动实验区块包含约 100 个标准序列和 100 个偏差序列（每个序列包含 5–8 个刺激，总计每个区块约 1300 个刺激）。
   3. 在电刺激和机械刺激中均应用上述两种范式。调整机械刺激的强度，使其清晰可感知，同时保持在不适阈值以下。
3. 联合电-机械刺激（游动范式）
   1. 通过刺激模态而非持续时间来定义标准刺激和偏差刺激。电刺激和机械刺激均采用相同的 100 ms 持续时间，以消除持续时间作为混杂因素的影响。
   2. 在此条件下，采用游动序列结构，即 5–8 个连续的标准刺激后跟随 5–8 个连续的偏差刺激。在此设计中，标准刺激与偏差刺激的角色在同一实验会话内自然交替，无需在不同会话间进行额外的平衡处理。

6. 刺激期间的脑电图记录

1. 向参与者解释实验流程，说明无需对触觉刺激做出任何行为反应。为帮助维持稳定的警觉水平，建议播放一段无声的中性视频；但此步骤为可选。告知参与者可在任何时候无后果地退出实验。
2. 指导参与者在记录过程中尽量减少眨眼、面部肌肉收缩和头部运动。
3. 要求参与者使用具有主动降噪功能的耳机，以防止振动致动器产生的噪声影响脑部反应。
4. 每10-15分钟提供一次短暂休息，以减轻疲劳并保持数据质量。在休息期间，评估参与者对刺激强度的感知情况，若报告主观感知有显著变化，则调整刺激强度。使用TTL触发信号验证刺激器与脑电图采集系统之间的同步性。
5. 以10,000 Hz的采样率开始脑电图记录，该采样率至少为刺激频率的2倍。
6. 根据指定的实验范式（表1）运行刺激序列（电刺激、机械刺激或电-机械刺激）。
7. 每种条件至少收集100次偏差刺激试验。相应调整标准刺激试验的次数，保持每个偏差刺激对应约5-8 个标准刺激的比例。
8. 除主实验外，还需运行对照序列：刺激信号正常发送至刺激器，但受试者的手置于刺激表面之外，以展示预期无事件相关电位（ERP）/失匹配负波（MMN）出现的条件，从而确认所观察到的效应依赖于实验方案。

7. 脑电数据预处理与分析

1. 通过检查连续脑电图（EEG）并移除受持续噪声污染的通道来去除伪迹。排除受技术性中断或过度肌电活动影响的时间段。
2. 通过从每个时间点减去各通道的均值来校正基线偏移。
3. 对连续EEG数据应用1-40 Hz带通的四阶IIR滤波器进行滤波。
4. 将数据分割为以刺激 onset 为时间锁定点的片段（−1000 ms 至 +1000 ms）。
   注意：根据我们的经验，使用对称的刺激前和刺激后各1秒的时间窗，有助于更详细地评估数据质量，便于在不影响关键基线期的前提下应用额外的频率滤波，并能够检测与刺激相关的神经节律同步或去同步现象。
   1. 对于单模态刺激（电或机械oddball/roving范式），根据刺激持续时间（100 ms 与 145 ms）定义标准刺激和偏差刺激片段。
   2. 对于多模态刺激（联合电-机械roving范式），根据刺激模态（电刺激 vs. 机械刺激，两者持续时间均为100 ms）定义标准刺激和偏差刺激片段。
5. 通过剔除在−1000至+1000 ms时间区间内振幅超过+50 µV或低于−50 µV的片段，排除受污染的片段。
6. 通过减去刺激前−200 ms至−50 ms时间区间内的均值，对片段进行基线校正。
7. 通过对每种条件内相同类型的片段（标准或偏差）计算平均波形，获得平均诱发电位。
8. 通过绘制个体通道或感兴趣区域的事件相关电位（ERP）来可视化ERP结果，重点关注刺激后150-350 ms时间窗内的中央-颞区感兴趣区域。
   对侧半球：FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7。
   同侧半球：FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4。

结果

偏差刺激范式
在机械刺激过程中，稀有偏差刺激（145 毫秒）与频繁的标准刺激（100 毫秒）交替呈现时，未能诱发清晰且可靠的事件相关电位（ERP）。因此，标准刺激与偏差刺激的反应之间未观察到显著差异（图 1）。相比之下，电刺激偏差范式产生了可辨别的双侧事件相关电位波形。然而，对标准刺激与偏差刺激的比较仍未产生显著或一致的失匹配负波（MMN）成分（图 1）。

游动范式
机械游动范式产生了可识别的双侧ERP波形。尽管有所改进，但再次比较偏差刺激与标准刺激并未揭示出显著的失匹配负波（MMN）成分（图2）。电刺激游动范式则更为有效，产生了清晰的双侧ERP，并且在刺激 onset 后240–280 ms 出现了明显的双侧类MMN成分。该MMN在100 ms和145 ms两种刺激持续时间下均可观察到，但在较长持续时间条件下更为显著（<...

讨论

本研究建立了一种标准化的脑电图（EEG）方案，用于对人工电刺激与自然机械触觉刺激进行直接的、基于同一受试者的神经比较。该方法学的核心贡献在于提供了一个确保精确时间控制、个体化感知校准以及应用不同实验范式评估皮层反应的框架。初步的概念验证结果尽管基于有限的样本量，但仍证明了该方案的有效性，并凸显其在指导更自然化触觉界面开发方面的潜力。

不同范式之间事件相关电位（ERPs）清晰度的差异，直接源于其在定义标准刺激和偏差刺激时所采用的分析方法的不同。在经典oddball范式中，ERPs是通过对所有标准刺激和所有偏差刺激分别进行平均得到的。这种方法包含了神经适应不同阶段的神经反应，导致平均信号具有变异性，因而被削弱。相比之下，游动范式（roving paradigm）采用了一种更具选择性的分析方式：标准ERP仅由刺激序列中的最后一个刺激定义，而偏差ERP则由新序列的第一个刺激定义⁹。该方法利用了重复正波效应（repetition positivity effect），即随着序列内重复次数的增加，标准ERP的波幅变得更加正向。这种逐步增强效应使得...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
actiCHamp Plus 多功能一体化实验室放大器	Brain Products GmbH	S/N ACBM17120955	初级脑电图数据采集系统
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	64通道主动电极帽
Digitimer DS7A	Digitimer Ltd	UDI-DI 5060490360003	电刺激器
MatLab	美国马萨诸塞州纳蒂克市 The MathWorks, Inc.
迷你振荡器型号 4810	Brüel & Kjær	BP-0232	机械刺激器
光传感器	Brain Products GmbH	N/A	用于刺激起始的光学检测
屏蔽室Neiroiconica "专家	Neiroiconica Assistive Ltd	S/N <图片替代文本="公式 1" src="/files/ftp_upload/69817/69817eq1.jpg" 样式="margin: auto;"/>20210119011	电磁屏蔽室
TriggerBox Plus	Brain Products GmbH	S/N TB-A100009-0624	TTL 触发同步接口