Procédé de collecte simultanée de données IRMf/EEG au cours d’une suggestion d’attention focalisée pour une sensation thermique différentielle

Résumé

Nous présentons un protocole pour la collecte concourante des données EEG/fMRI, et M. synchronisé enregistrement de signal d’horloge. Nous démontrons cette méthode en utilisant un paradigme unique par lequel les sujets reçoivent des instructions de « gant froid » pendant le balayage, et les données EEG / IRMf sont enregistrées avec des mesures de température de la main avant et après l’induction hypnotique.

Résumé

Dans le présent travail, nous démontrons une méthode pour la collecte simultanée des données EEG/fMRI. Dans notre configuration, les données EEG sont collectées à l’aide d’un réseau de capteurs haute densité à 256 canaux. L’amplificateur EEG lui-même est contenu dans un système de confinement d’isolation de champ (FICS), et les signaux d’horloge IRM sont synchronisés avec la collecte de données EEG pour la caractérisation et le retrait ultérieurs de l’artefact MR. Nous démontrons d’abord cette méthode pour la collecte de données d’état de repos. Par la suite, nous démontrons un protocole pour l’enregistrement des données EEG/IRMf, tandis que les sujets écoutent une bande leur demandant de visualiser que leur main gauche est immergée dans un bain d’eau froide et désignée, ici, comme le paradigme du gant froid. Les différences thermiques entre chaque main sont mesurées tout au long de la collecte de données EEG/IRMf à l’aide d’un capteur de température compatible MR que nous avons développé à cet effet. Nous recueillons des données EEG/IRMf de gants froids ainsi que des mesures simultanées de température différentielle de la main avant et après l’induction hypnotique. Entre les séances pré et post, les données EEG à modalité unique sont collectées au cours du processus d’induction hypnotique et d’évaluation de la profondeur. Nos résultats représentatifs démontrent que des changements significatifs dans le spectre de puissance D’EEG peuvent être mesurés pendant l’induction hypnotique, et que des changements de température de main pendant le paradigme froid de gant peuvent être détectés rapidement utilisant notre M. dispositif différentiel compatible de thermométrie.

Introduction

Depuis sa création, il y a eu une controverse considérable quant à ce qu’est l’hypnose, et comment exactement des changements physiologiques mesurables dans les individus sensibles sont produits. Les études visant à comprendre les corrélats neuronaux de l’hypnose et les réponses à la suggestion hypnotique ont généralement produit des résultats variés¹, qui peuvent être dus, au moins en partie, à des différences dans l’induction hypnotique et les techniques de suggestion², fournissant ainsi une motivation pour une méthodologie détaillée et une description du protocole.

Bien que l’hypnose ait été classiquement définie comme un état de concentration intérieure et d’attention focalisée^1,3,une définition opérationnelle plus complète comprend également : une diminution de la conscience des stimuli exogènes^4,une absorption accrue^5,ou une attention sans effort aux mots de l’expérimentateur et une diminution de la pensée spontanée^6. Une induction hypnotique est généralement définie comme un ensemble d’instructions verbales qui facilitent l’hypnose et l’absorption^6. L’hypnotisabilité varie considérablement d’un individu à l’autre, mais est généralement stable au sein des individus au fil du temps^7,8; la suggestibilité est généralement mesurée en termes de réponse comportementale à la suggestion, la métrique la plus couramment appliquée étant l’échelle de susceptibilité hypnotique de Stanford (SHSS) forme C^9-12.

Les études qui examinent les corrélats neuronaux de l’hypnose se répartissent généralement en deux catégories. Soit ils examinent des réseaux d’activité intrinsèquement activés pendant l’hypnose « à l’état de repos », soit ils étudient les changements dans l’activité neuronale qui se produisent en réponse à la suggestion hypnotique⁶. Dans une étude récente d’EEG, des individus fortement suggestibles se sont avérés pour montrer la desynchronie liée à l’événement plus élevé du réseau frontal-pariétal dans la bande alpha-2 pendant l’hypnose comparée aux sujets suggestibles bas^4. Récemment, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a également révélé des changements dans les réseaux de mode par défaut antérieur pendant l’hypnose « à l’état de repos » sans augmentation correspondante de l’activité dans d’autres zones du cerveau^2. Des preuves convergentes suggèrent que l’hypnose soit associée à un contrôle attentionnel antérieur dissocié^13.

Des changements dans les signaux dépendants du niveau d’oxygénation du sang de l’IRMf (BOLD) en réponse à une variété de suggestions hypnotiques ont également été récemment^{rapportés 14-23.} La majorité des études de suggestion-réponse mettent en corrélation des changements de signal de cerveau avec des évaluations subjectives de perception changée. Cependant, la suggestion hypnotique a également été employée pour modifier des paramètres physiologiques tels que la tension artérielle, la fréquence cardiaque, et la température de la main de sujet en réponse^24.

Ici, nous étendons ces résultats antérieurs en développant un paradigme expérimental, appelé ici le paradigme du « gant froid », par lequel les sujets sont dirigés pour percevoir qu’une de leurs mains est plus froide en température que l’autre, en l’absence de toute manipulation physique externe de la température. Ces instructions verbales sont délivrées via des écouteurs compatibles MR lors de l’enregistrement des données.

Dans le présent travail, nous démontrons d’abord notre méthode d’enregistrement simultané des données EEG/IRMf. Nous démontrons ensuite le paradigme du gant froid, qui comprend la collecte de données EEG / IRMf ainsi que des mesures de température des mains avant et après l’induction hypnotique. Notre méthode d’induction hypnotique comprend une suggestion idéomotrice décrite par¹, suivie d’une évaluation de profondeur à l’aide du SSHS, forme C. Nous détectons des changements fiables dans le spectre de puissance EEG qui se produisent après l’induction hypnotique. Nous démontrons également que notre appareil de thermométrie différentielle compatible IRM est capable de mesurer les changements de température des mains pendant la session simultanée de collecte de données EEG / IRMf. Cette procédure peut fournir des mesures quantitatives importantes d’EEG/fMRI en évaluant les changements de signal de cerveau qui se produisent pendant l’hypnose intrinsèque d'« état de repos » aussi bien que mesurer des changements de signal en réponse à la suggestion hypnotique pour la perception thermique changée.

Protocole

Le protocole expérimental suivant a été examiné et approuvé par le Comité d’examen institutionnel de l’UCLA. Avant de commencer l’expérience, les sujets ont subi un pré-dépistage téléphonique qui excluait les sujets potentiellement enceintes, âgés de moins de dix-huit ans, ou qui avaient travaillé dans une exposition de machine ou autrement eu des implants métalliques. Les sujets gauchers ou ceux ayant des antécédents de maladie mentale ont également été exclus du bassin de sujets. Les participants inclus ont ensuite reçu l’instruction de s’abstenir de caféine, de drogues et d’alcool le jour de l’expérience. Le consentement éclairé écrit et la compréhension du consentement ont été obtenus de chaque participant le jour de l’expérience.

1. Application EEG Sensor Net

Les données EEG sont enregistrées à l’aide d’un réseau de capteurs géodésiques compatible IRM à 256 canaux. Les niveaux d’impédance dans les électrodes doivent être surveillés (étape 1.5) à des intervalles d’environ 20 minutes tout au long de l’expérience pour s’assurer que les électrodes ne se sont pas desséchées et que les impédances restent en dessous du seuil.

1. Déterminer la taille appropriée du filet en mesurant la circonférence de la tête de la crête du front de la glabelle à environ 2,5 cm au-dessus de l’inion.
2. HydroCel Saline solution électrolytique de chlorure de potassium a été faite selon les instructions de l’EGI. EEG Electrogeodesic 256 capteur net a ensuite été trempé dans une solution électrolytique pendant 10 min.
3. Le point de sommet, ou Cz, sur la tête a été déterminé en mesurant le point médian entre nasion et inion et en l’alignant avec le point médian qui dissèque les points préauriculaires. Le filet EEG a ensuite été placé de telle sorte que l’électrode de référence Cz s’aligne sur le point de sommet.
4. Nous avons collecté des images photographiques de la tête et des électrodes à l’aide du système de photogrammétrie géodésique (GPS) EGI afin d’étalonner l’espace du capteur à utiliser dans l’analyse des sources EEG.
5. Les impédances d’électrode ont ensuite été mesurées. Le contact avec le cuir chevelu a été vérifié pour ces électrodes avec des niveaux d’impédance au-dessus du seuil. Les emplacements des électrodes sont ajustés et une solution électrolytique supplémentaire a été ajoutée aux électrodes si nécessaire pour réduire l’impédance.

2. EEG/IRMf simultané et protocole d’enregistrement de la température avant l’hypnose

Une fois que le filet EEG est appliqué de manière appropriée, le sujet se dirige vers la salle de scanner MR. Tous les objets métalliques sont enlevés. L’IRM structurelle et l’IRM fonctionnelle sont collectées sur un scanner Siemens Allegra 3T. Des données simultanées d’EEG/fMRI sont rassemblées avant l’induction hypnotique afin d’établir une ligne de base fonctionnelle pour chaque sujet.

1. Analyse structurelle MPRAGE
2. Bande passante appariée T2 - une séquence de numérisation spécialisée conçue pour fournir un bon contraste pour l’enregistrement d’image, tout en partageant les mêmes distorsions métriques que les balayages fonctionnels qui suivent.
3. Balayage fonctionnel - Séquence d’impulsions écho-planaires pondéréeS T2* avec un TR = 2,5 sec, TE = 40 ms, champ de vision = 200 mm x 200 mm, angle de retournement = 90 °, collecte d’images cérébrales entières avec une résolution = 64 x 64 x 28, taille du voxel = 3 mm³. Les données sont collectées pendant un total de cinq minutes.
4. Les données EEG sont simultanément enregistrées à l’aide d’un système de géodésiques électriques compatibles MR (EGI) à 256 canaux pendant les enregistrements IRM fonctionnels de cinq minutes pour établir un EEG de base avant l’induction hypnotique. Notre laboratoire a été le pionnier de méthodes de collecte simultanée d’IRMf/EEG à l’aide d’un logiciel et d’un matériel qui éliminent en temps réel le bruit de l’artefact mr et du balistocardiogramme (voir la référence²⁵ pour plus de détails).
5. Après l’analyse de l’état de repos, les sujets écoutent une bande qui leur demande de visualiser que leur main gauche est immergée dans un seau d’eau glacée froide. Les différences de température entre chaque main sont quantifiées à l’aide de notre dispositif de thermométrie différentielle décrit ci-dessous.

3. Induction hypnotique

Les sujets étaient alors assis confortablement dans une pièce faiblement éclairée et calme. Des données d’EEG ont été enregistrées dans toute la durée de l’induction hypnotique et de la technique progressive d’approfondissement de relaxation.

1. L’induction hypnotique a commencé par une brève entrevue par l’hypnothérapeute pour déterminer les indices spatiaux spécifiques au sujet qui causent la relaxation. On a ensuite posé aux sujets un certain nombre de questions pour déterminer s’ils étaient capables de visualiser.
2. L’hypnothérapeute a alors commencé l’induction en utilisant une suggestion d’ideomoter connue sous le nom de technique de levée de bras. Pendant ce temps, l’hypnothérapeute a continuellement donné au sujet la suggestion que leur bras se sentait comme s’il devenait plus léger, et à un moment donné leur bras se lèverait automatiquement dans les airs sans effort volontaire. Après que le bras du sujet se soit élevé, on leur a ensuite demandé de plier leur bras et de toucher leur front du bout des doigts. Dès que le sujet s’est conformé, l’hypnothérapeute a demandé au sujet de fermer les yeux et de se détendre comme dans un sommeil profond.
3. Le niveau de susceptibilité hypnotique a ensuite été évalué par l’intermédiaire de l’échelle de Stanford de 12 points de susceptibilité hypnotique, test de forme C.
4. Une technique d’approfondissement, sous la forme d’une relaxation progressive, a ensuite été utilisée pour amener le sujet à un plus grand niveau de profondeur hypnotique.
5. Les données EEG sont enregistrées tout au long de l’induction hypnotique dans une pièce blindée en cuivre faiblement éclairée pendant l’induction hypnotique.

4. Collecte de données EEG/IRMf et thermométrie différentielle post-induction hypnotique

1. Après induction hypnotique et relaxation progressive, le sujet, entre à nouveau dans la salle de balayage d’IRM avec le filet de capteur EEG compatible MR en permanence en place. À ce moment-là, des capteurs de température ont été collés sur la partie médiale des deux poignets. Des bracelets ont ensuite été placés sur les capteurs de température enregistrés pour aider à stabiliser le placement.
2. Les capteurs de température doivent être configurés conformément au schéma de la figure 2. L’étalonnage a été effectué avant l’expérience et a été réalisé en immergeant les pointes du capteur dans deux solutions de températures variables (37 °C± 5). La sortie du capteur a été vérifiée par rapport aux lectures du thermomètre.
3. Le sujet écoute ensuite une bande de relaxation progressive préenregistrée réalisée par l’hypnothérapeute via des écouteurs compatibles MR. Pendant ce temps, les données d’IRMf sont collectées selon les séquences d’impulsions décrites à l’étape 1.1, avec enregistrement EEG simultané.
4. La collecte des données de l’état de repos EEG/IRMf après induction hypnotique se déroule selon les étapes 2.2-2.4.
5. L’hypnothérapeute administre ensuite la suggestion de « gant froid » pour la collecte subséquente de données sur l’EEG/IRMf, qui se déroule à nouveau selon les étapes 2.2 à 2.5. Lors de la suggestion, l’hypnothérapeute demande à plusieurs reprises au sujet de visualiser que sa main est immergée dans un bain d’eau froide, et d’imaginer que sa main gauche devenait de plus en plus froide du bout des doigts au poignet. Les mesures de thermométrie différentielle sont enregistrées dans tout ce bloc.

Résultats

La figure 1 montre le spectre de puissance de l’EEG dans un canal représentatif(figure 1a)en moyenne supérieure à 1 000 ms chez un seul sujet au cours de la période d’alerte qui a précédé l’induction hypnotique(figure 1b). Il convient de noter que les motifs ici suivent la relation inverse caractéristique entre puissance et fréquence (f), avec une chute à 1/f. La figure 1c montre le spectre de puissance prélevé sur ce même sujet suite à une induction hypnotique et à une technique d’approfondissement. L’atténuation de la puissance peut être observée dans les sous-bandes thêta et bêta EEG, et le graphique global ne suit plus 1/f. La figure 2 montre notre schéma pour un capteur de température compatible IRM, qui utilise des capteurs de température de précision LM34/LM35 couplés à un appareil Arduino.

Figure 1. Spectre de puissance de l’électroencéphalogramme (EEG) dans un seul sujet pour un canal d’électrode représentatif. ( a ) réseaud’électrodesEEG à 255 canaux avec l’emplacement spatial de la sélection du canal pour l’analyse de puissance marquée en bleu (b) spectre de puissance EEG avant l’induction hypnotique, et (c) spectre de puissance dans le même canal d’électrode suivant l’induction hypnotique et une technique d’approfondissement. La barre en haut, dans le coin droit de la figure 1c indique la légende de chaque sous-bande EEG avec des fréquences : delta (0,1-4 Hz), thêta (4-8Hz), alpha (8-12 Hz), bêta (12-20 Hz) et gamma (fréquences supérieures à 20 Hz).

Figure 2. Schéma de la configuration du capteur de température différentielle compatible AVEC L’IRM. (ci-dessus) Circuit de thermométrie différentielle, (ci-dessous) aperçu du processus de mesure de thermométrie.

Discussion

Il semble y avoir une grande variabilité dans les méthodes de suggestion utilisées pour induire les sujets dans un état d’hypnose¹. Nous démontrons ici qu’une suggestion pour le mouvement nonvolitional de moteur suivi du SHSS, forme C, peut être employée pour changer le spectre de puissance D’EEG. Nous notons que bien que le sujet utilisé dans cette étude ait été hypnotisé dans le passé, il n’y a eu aucune tentative faite par l’intermédiaire de l’échelle de suggestibilité de groupe de Harvard ou d’un autre mécanisme pour trouver un sujet fortement susceptible. Nous présumons que l’ampleur des changements dans les sous-bandes de fréquence EEG varie probablement selon le niveau de susceptibilité du sujet, comme cela a été rapporté^4.

Nous avons également démontré une configuration pour mesurer les fluctuations de température de la main qui peuvent se produire pendant une session simultanée d’EEG/IRMf. Bien que les sujets puissent éventuellement apprendre à accomplir des changements de température des mains sans hypnose en utilisant des indices de biofeedback, cela prend généralement de nombreuses séances d’entraînement²⁶. Frischholz et Tryon²⁶ n’ont pas été en mesure de reproduire l’association entre les changements de température de la main et la profondeur hypnotique en utilisant le paradigme de la suggestion de gants froids, contrairement à celui rapporté par d’autres²⁷. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour résoudre cette controverse. Néanmoins, la méthode de mesure des changements de température de la main au cours d’une séance de neuroimagerie fonctionnelle peut s’avérer utile pour évaluer les corrélats neuronaux de la suggestion hypnotique de « gant froid » après induction hypnotique.

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Precision Monolithic Temperature Sensor	National Semiconductor Corporation	LM34/LM35	100 mV/°C; accurate to within ±0.4 °C at room temperature
Precision Instrumentation Amplifier	National Semiconductor Corporation	INA114	Part of Magnet Room I/O interface
HydroCel Saline	Electrical Geodescis Inc.	N-PRT-KCL-1000-000
HydroCel Geodesic Sensor Net with a 256-channel High Density Electrode Array	Electrical Geodescis Inc.	256-channel HCGSN
Geodesics Photogrammetry System	Electrical Geodescis Inc.	EGI GPS
Pipettes	Electrical Geodescis Inc.	N-ACC-PIP-1000-000