高密度腦電圖技術(shù)在揭示主動觸摸期間偏愛和感知特性觸覺的應(yīng)用

論文題目：

Tactile estimation of hedonic and sensory properties during active touch: An electroencephalography study
中文翻譯：主動觸摸期間享樂和感知特性的觸覺估計：腦電圖研究

發(fā)表時間：2023年7月

發(fā)表網(wǎng)址：https://doi.org/10.1111/ejn.16101

 

摘要：

物理環(huán)境的感知判斷是由體感信息提供的。在現(xiàn)實世界的探索中，通常涉及接觸表面的動態(tài)手部運動，稱為主動觸摸。目前的研究調(diào)查了主動觸摸過程中的皮層振蕩變化，來估計兩種紋理刺激的表面特性和喜愛偏好：光滑的絲綢和粗麻布。使用專用的觸摸傳感器量化了主動觸摸，并利用129通道高密度腦電圖中記錄了振蕩的大腦活動。通過在單個試驗水平上融合這些數(shù)據(jù)流，在控制客觀觸摸參數(shù)（即摩擦）的同時檢查大腦內(nèi)的振蕩變化。時頻分析用于量化α（8-12 Hz）和β（16-24 Hz）頻段皮層振蕩活動的變化。結(jié)果表明，其中對粗糙紋理的積極探索增加了對側(cè)感覺運動區(qū)域中與α波段事件相關(guān)的不同步。相對于大多數(shù)優(yōu)選紋理，不太優(yōu)選的紋理的偏愛處理導(dǎo)致顳頂β波段和額葉α波段事件相關(guān)不同步的增加，這表明高階大腦區(qū)域參與了喜愛程度的認知處理�？傮w而言，目前的研究為主動觸摸期間紋理感知背后的神經(jīng)機制以及這一過程如何受到認知任務(wù)的影響提供了新的見解。

背景

人類對體感輸入進行編碼，以進行感知判斷。紋理是一個重要的表面特征，通過手和手指上的無毛皮膚通過自由運動來探索，以產(chǎn)生與表面的動態(tài)接觸，這種行為稱為主動觸摸。

本研究旨在研究在估計和無估計條件下對粗糙和光滑紋理進行主動觸摸探索過程中的皮層振蕩變化。本研究試圖通過檢查兩個變量之間的相互作用來研究估計類型和紋理之間的潛在差異。

實驗被試

招募了11名右撇子或靈巧的被試（18名男性，年齡在49-31歲之間）

實驗程序

被試坐在光線昏暗的19英寸的法拉第籠子里。液晶顯示器在他們面前大約 1 m。觸覺探索任務(wù)和實踐試驗使用 PsychoPy進行。在觸覺感知任務(wù)期間記錄腦電圖和六軸傳感器數(shù)據(jù)。手臂支撐用于穩(wěn)定和支撐前臂，同時保持手在六軸傳感器上的位置。

實驗刺激

刺激包括從先前研究中選擇的兩種紋理：粗麻布和絲綢（下圖 ）。刺激物的尺寸為150×255毫米，并使用雙面膠帶安裝到410×255毫米的紙樣品支架上。樣品以縱向安裝，Silk安裝在左側(cè)，Hessian安裝在右側(cè)，每側(cè)有40毫米的空間，樣品之間有30毫米的空間。隨后，將樣品支架連接到固定在霍普金森研究六軸傳感器上的 A3 尺寸（420 × 300 × 3 毫米）鋁復(fù)合板 （ACP），見下圖。

電子顯微鏡圖像在100×放大倍率下的紋理刺激
 

在任務(wù)中，被試用右手食指的遠端指骨探索紋理。每項試驗包括基線期（4秒），屏幕上的條件指示器（1秒）和觸覺探索（4秒），然后是感官和偏愛試驗的估計反應(yīng)期。

喜愛或感官估計試驗（a）和無估計試驗（b)
 

六軸傳感器的設(shè)置

EEG腦電圖采集

使用129通道高密度網(wǎng)狀鹽水電極帽（Magstim EGI，英國）記錄連續(xù)的腦電圖數(shù)據(jù)。采樣率為1000 Hz，電極阻抗保持在50 k以下。使用六軸傳感器（上圖）以3 Hz的采樣率記錄手指觸摸作用在紋理樣本上的六個力和扭矩。XY平面中的手指位置和摩擦力以及沿Z軸的手指載荷是根據(jù)塊平均（1000 Hz）力和扭矩計算的。手指運動的速度是通過確定不同時間點兩個位置之間的距離來計算的。

預(yù)處理

EEG預(yù)處理使用BESA v 6.1（MEGIS GmbH，德國）進行。使用主成分分析去除眼睛眨眼和心電圖偽影（Berg&Scherg，1994）。使用1 Hz高通和100 Hz低通濾波器以及50 Hz±2 Hz陷波濾波器過濾數(shù)據(jù)。對是否存在任何運動或肌肉偽影的數(shù)據(jù)進行了目視檢查，受偽影影響的試驗被排除在隨后的分析之外。

分析

使用同步的腦電圖和觸摸傳感器數(shù)據(jù)進行與事件相關(guān)的時頻分析。數(shù)據(jù)被導(dǎo)入到MATLAB中的SPM12軟件包中。對分段數(shù)據(jù)進行基線校正（-4至-2秒）。EEG下采樣至256 Hz，并使用全腦平均方法重新參考。通過將EEG信號與一組復(fù)雜的Morlet小波進行卷積來進行時頻分析。小波 1 到 40 Hz 的頻率范圍，步長為 1 Hz，每個小波有 5 個周期（Cohen，2019 年）。獲得的功率譜通過對數(shù)比變換（−4至−2 s）重新縮放，產(chǎn)生基線歸一化ERSP。隨后，功率譜從0到4 s相對于刺激開始進行取值，并在α（8-12 Hz）和β頻段（16-24 Hz）上取平均值，給出ERD/S值。

結(jié)果
主觀評分

每種紋理的平均主觀評級如下圖所示。2 × 4 方差分析表示紋理對舒適度評級的主效應(yīng)具有統(tǒng)計學意義。

條形圖顯示跨實驗塊紋理刺激的平均主觀評級
 

阿爾法波段

在對側(cè)頂葉區(qū)域（對應(yīng)于左側(cè)感覺運動區(qū)域）中發(fā)現(xiàn)了紋理的顯著主要影響，持續(xù)時間約為234ms，并在運動開始后357和436 ms達到峰值，如圖所示

α波段中具有統(tǒng)計顯著性的聚類的標準頭皮圖
 

更多數(shù)據(jù)結(jié)果詳情介紹，請參考原文獻。
 

結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，積極探索紋理對振蕩大腦活動有不同的影響，粗糙的紋理會增加對側(cè)感覺運動區(qū)域的阿爾法頻帶ERD。粗糙紋理的喜愛處理引起顳頂β帶和額葉α帶ERD增加，表明選擇性激活高階大腦區(qū)域以處理不太優(yōu)選的刺激。未來的研究將繼續(xù)探索主動觸摸過程中紋理感知的神經(jīng)機制及其通過不同刺激模式和認知任務(wù)的調(diào)節(jié)。

參考文獻：

Henderson, J., Mari, T., Hewitt, D., Newton-Fenner, A., Hopkinson, A., Giesbrecht, T., Marshall, A., Stancak, A., & Fallon, N. (2023). Tactile estimation of hedonic and sensory properties during active touch: An electroencephalography study. European Journal of Neuroscience, 1–20. https://doi.org/10.1111/ejn.16101

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