高密度腦電圖在進(jìn)行幻覺觸覺牽引的神經(jīng)動力學(xué)研究的應(yīng)用

論文題目：

Neural dynamics of illusory tactile pulling sensations

中文翻譯：幻覺觸覺牽引的神經(jīng)動力學(xué)

期刊：iScience

影響因子：6.233

發(fā)表時間：2022年9月

發(fā)表網(wǎng)址：https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105018

摘要：

定向觸覺拉動的肢體感覺是生活中很常見的一部分，但它們的神經(jīng)機(jī)制仍然未知。先前研究表明，初級體感 (SI) 活動足以產(chǎn)生拉動感。本研究中我們將高密度腦電圖與不對稱振動相結(jié)合，從而產(chǎn)生一種錯覺的牽拉感，從而消除來自無關(guān)感覺運動過程的拉動。在中性常見刺激（對稱振動）和中性靶刺激之后，將產(chǎn)生與常見刺激相反方向拉動的oddball與相同的oddball進(jìn)行比較。我們發(fā)現(xiàn)了反對感覺前額 N140 和支持中線P200的證據(jù)跟蹤以頂內(nèi)溝為中心的拉動感覺的出現(xiàn)，特別是對側(cè)頂葉活動 264-320 毫秒。這表明 SI 不足以產(chǎn)生牽拉感，而后者依賴于頂葉聯(lián)合皮層，可能反映了方向信息的提取和相關(guān)的空間處理。

實驗被試：

我們招募了 15 名被試（10 名男性，5 名女性，平均年齡 = 33.33 歲，SD = 7.33 歲）。所有被試都是右撇子。

實驗儀器：

被試坐在距離電腦顯示器約 40cm的桌子旁，右前臂放在可調(diào)節(jié)的扶手上（下圖 1 E.）。右臂的視野用分隔擋板遮住。對稱和非對稱振動刺激由一個硬幣大小的小型裝置提供，上面覆蓋著夾帶，夾在食指和拇指之間捏握（圖 1 B.）。加速度計信號通過示波器，用于檢查是否始終判斷正確的條件。此外還記錄了加速度計信號，以便可以確定每次試驗的精確刺激開始時間（圖 1C.）。被試在整個實驗過程中都戴著耳塞，以防止與振動條件相關(guān)的聽覺提示感染。通過MATLAB (2017a) 和 Psychtoolbox 控制振動開始時間、加速度計記錄、任務(wù)指令和交叉。視覺刺激通過刺激屏幕顯示。EEG 數(shù)據(jù)通過高密度 129 EGI設(shè)備（HydroCelGES 300，MagstimEGI）。數(shù)據(jù)以 1000Hz 和 Net Station EEG 軟件（Magstim EGI）獲得。

腦電圖預(yù)處理

使用 EEGlab 和自定義 MATLAB (2017a) 腳本對 EEG 數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。出于存儲目的，數(shù)據(jù)降采樣到 250Hz。數(shù)據(jù)重參考到左右乳突電極并應(yīng)用帶通（FIR 0.1-90Hz）和陷波濾波器（48-52Hz）。然后移除反映眨眼、眼球運動、心臟、大 EMG 和電子偽影的 ICA 成分。每個被試提取分段時期 (-200–700ms) 和基線 (-100–0ms)。由于一些被試的肌肉活動偽影，耳朵下方的面部和頭部側(cè)面的電極被移除，總共留下 93 個電極，覆蓋整個頭皮（圖 1F）。刪除全腦閾值 (+/-80μV) 顯示偽影的試次，并使用 ERPlab 階躍函數(shù)算法應(yīng)用于額電極（窗口大小 = 200ms，步長 = 50ms，閾值 = 50μV）。

傳統(tǒng)ERP分析

使用 ERPlab 進(jìn)行傳統(tǒng) ERP 方法，我們根據(jù)之前的研究選擇電極位置和時間窗口，較寬 ERP 窗口有利于避免由于更大的起始變異性而導(dǎo)致 ERP 變平的偏差條件）。對 9 種條件中的每一種情況進(jìn)行平均，然后計算oddballs差異波。P50 (30-70ms)、N140 (100-150ms)、P200 (150-250ms) 和 P3b (250-500ms) 計算其事件相關(guān)電位 (ERPs) 的平均振幅。通過計算每個時間窗口內(nèi)信號達(dá)到峰值 50% 的點來計算所有 ERP 的起始延遲。與以往文獻(xiàn)一致，P50 分析基于 P3 周圍的 6 個電極，N140 分析基于 F3 周圍的 5 個電極，而 P200 和 P3b 分析基于 Cz 周圍的 5 個電極。通過配對樣本 t 檢驗跨條件比較 ERP 測量值。

圖3.跨條件的瞬時 ERP 幅度
 

圖4.P200 和 P3b 不同條件下的古怪效應(yīng)

腦電圖源定位

為了定位在頭皮上檢測到的皮層活動起源，我們使用 SPM 3D 源重建，使用組反轉(zhuǎn)方法來補(bǔ)償頭部解剖結(jié)構(gòu)和傳感器噪聲變化。使用 MNI 模板構(gòu)建網(wǎng)格，配準(zhǔn)使用鼻根和雙側(cè)耳前點作為基準(zhǔn)點，并使用邊界元模型 (BEM) 創(chuàng)建了正向模型。為了更好地細(xì)化活動的位置，對 NIFTI 圖像進(jìn)行配對樣本 t 檢驗，一般閾值設(shè)置為 p < 0.05 未校正，并選擇活動的頂部集群（即包含最高峰值 t 值的集群）。為了更好地了解拉動相關(guān)活動集群的位置，將其與響應(yīng)中性常見刺激比較。對于這個可視化，我們運行相同的 SPM 組反演，使用 -100-100ms 的窗口，并將基線窗 (-100-0ms) 與中性常見的 P50 窗口 (40-64ms) 進(jìn)行對比（配對樣本 t 檢驗）條件下，p < 0.0006 處的閾值未校正。

圖5.與拉動感相關(guān)的大腦活動

結(jié)論

證據(jù)表明 SI 中的活動不足以產(chǎn)生拉動感覺。相反，拉力感覺與增強(qiáng)的 P200 反應(yīng)有關(guān)，這表明檢測定向拉力取決于由感覺和非模態(tài)頂葉區(qū)域組成的網(wǎng)絡(luò)中的活動。具體來說，在刺激后 264-320 毫秒的頂葉聯(lián)合皮層中發(fā)現(xiàn)了與拉動相關(guān)的活動，該活動位于涉及處理本體感覺、觸覺方向和周圍空間的區(qū)域。邁向時空精確描述拉動感覺的第一步將有助于在假肢裝置中提供復(fù)雜觸覺反饋的轉(zhuǎn)化方法以及用于游戲、導(dǎo)航和引導(dǎo)視障人士的手持振動設(shè)備的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

Jack De Havas, Sho Ito, Sven Bestmann, Hiroaki Gomi, Neural dynamics of illusory tactile pulling sensations, iScience, Volume 25, Issue 9, 2022, 105018, ISSN 2589-0042, https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105018.

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