国外研究团队利用高密度脑电图进行幻觉触觉牵引的神经动力学研究

论文题目：

Neural dynamics of illusory tactile pulling sensations

中文翻译：幻觉触觉牵引的神经动力学

期刊：iScience

影响因子：6.233

发表时间：2022年9月

发表网址：https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105018

摘要：

定向触觉拉动的肢体感觉是生活中很常见的一部分，但它们的神经机制仍然未知。先前研究表明，初级体感 (SI) 活动足以产生拉动感。本研究中我们将高密度脑电图与不对称振动相结合，从而产生一种错觉的牵拉感，从而消除来自无关感觉运动过程的拉动。在中性常见刺激（对称振动）和中性靶刺激之后，将产生与常见刺激相反方向拉动的oddball与相同的oddball进行比较。我们发现了反对感觉前额 N140 和支持中线P200的证据跟踪以顶内沟为中心的拉动感觉的出现，特别是对侧顶叶活动 264-320 毫秒。这表明 SI 不足以产生牵拉感，而后者依赖于顶叶联合皮层，可能反映了方向信息的提取和相关的空间处理。

实验被试：

我们招募了 15 名被试（10 名男性，5 名女性，平均年龄 = 33.33 岁，SD = 7.33 岁）。所有被试都是右撇子。

实验仪器：

被试坐在距离电脑显示器约 40cm的桌子旁，右前臂放在可调节的扶手上（下图 1 E.）。右臂的视野用分隔挡板遮住。对称和非对称振动刺激由一个硬币大小的小型装置提供，上面覆盖着夹带，夹在食指和拇指之间捏握（图 1 B.）。加速度计信号通过示波器，用于检查是否始终判断正确的条件。此外还记录了加速度计信号，以便可以确定每次试验的精确刺激开始时间（图 1C.）。被试在整个实验过程中都戴着耳塞，以防止与振动条件相关的听觉提示感染。通过MATLAB (2017a) 和 Psychtoolbox 控制振动开始时间、加速度计记录、任务指令和交叉。视觉刺激通过刺激屏幕显示。EEG 数据通过高密度 129 EGI设备（HydroCelGES 300，MagstimEGI）。数据以 1000Hz 和 Net Station EEG 软件（Magstim EGI）获得。

脑电图预处理

使用 EEGlab 和自定义 MATLAB (2017a) 脚本对 EEG 数据进行预处理。出于存储目的，数据降采样到 250Hz。数据重参考到左右乳突电极并应用带通（FIR 0.1-90Hz）和陷波滤波器（48-52Hz）。然后移除反映眨眼、眼球运动、心脏、大 EMG 和电子伪影的 ICA 成分。每个被试提取分段时期 (-200–700ms) 和基线 (-100–0ms)。由于一些被试的肌肉活动伪影，耳朵下方的面部和头部侧面的电极被移除，总共留下 93 个电极，覆盖整个头皮（图 1F）。删除全脑阈值 (+/-80μV) 显示伪影的试次，并使用 ERPlab 阶跃函数算法应用于额电极（窗口大小 = 200ms，步长 = 50ms，阈值 = 50μV）。

传统ERP分析

使用 ERPlab 进行传统 ERP 方法，我们根据之前的研究选择电极位置和时间窗口，较宽 ERP 窗口有利于避免由于更大的起始变异性而导致 ERP 变平的偏差条件）。对 9 种条件中的每一种情况进行平均，然后计算oddballs差异波。P50 (30-70ms)、N140 (100-150ms)、P200 (150-250ms) 和 P3b (250-500ms) 计算其事件相关电位 (ERPs) 的平均振幅。通过计算每个时间窗口内信号达到峰值 50% 的点来计算所有 ERP 的起始延迟。与以往文献一致，P50 分析基于 P3 周围的 6 个电极，N140 分析基于 F3 周围的 5 个电极，而 P200 和 P3b 分析基于 Cz 周围的 5 个电极。通过配对样本 t 检验跨条件比较 ERP 测量值。

图3.跨条件的瞬时 ERP 幅度

图4.P200 和 P3b 不同条件下的古怪效应

脑电图源定位

为了定位在头皮上检测到的皮层活动起源，我们使用 SPM 3D 源重建，使用组反转方法来补偿头部解剖结构和传感器噪声变化。使用 MNI 模板构建网格，配准使用鼻根和双侧耳前点作为基准点，并使用边界元模型 (BEM) 创建了正向模型。为了更好地细化活动的位置，对 NIFTI 图像进行配对样本 t 检验，一般阈值设置为 p < 0.05 未校正，并选择活动的顶部集群（即包含最高峰值 t 值的集群）。为了更好地了解拉动相关活动集群的位置，将其与响应中性常见刺激比较。对于这个可视化，我们运行相同的 SPM 组反演，使用 -100-100ms 的窗口，并将基线窗 (-100-0ms) 与中性常见的 P50 窗口 (40-64ms) 进行对比（配对样本 t 检验）条件下，p < 0.0006 处的阈值未校正。

图5.与拉动感相关的大脑活动

结论

证据表明 SI 中的活动不足以产生拉动感觉。相反，拉力感觉与增强的 P200 反应有关，这表明检测定向拉力取决于由感觉和非模态顶叶区域组成的网络中的活动。具体来说，在刺激后 264-320 毫秒的顶叶联合皮层中发现了与拉动相关的活动，该活动位于涉及处理本体感觉、触觉方向和周围空间的区域。迈向时空精确描述拉动感觉的第一步将有助于在假肢装置中提供复杂触觉反馈的转化方法以及用于游戏、导航和引导视障人士的手持振动设备的开发。

参考文献：

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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