שיטה לאיסוף נתוני fMRI/EEG בו זמנית במהלך הצעת תשומת לב ממוקדת לתחושה תרמית דיפרנציאלית

Summary

אנו מציגים פרוטוקול לאיסוף בו-זמני של נתוני EEG/fMRI, והקלטת אותות שעון MR מסונכרנת. אנו מדגימים שיטה זו באמצעות פרדיגמה ייחודית לפיה הנבדקים מקבלים הוראות 'כפפה קרה' במהלך הסריקה, ונתוני EEG/fMRI נרשמים יחד עם מדידות טמפרטורת היד הן לפני ואחרי אינדוקציה היפנוטית.

Abstract

בעבודה הנוכחית, אנו מדגימים שיטה לאיסוף בו-זמני של נתוני EEG/fMRI. בהגדרה שלנו, נתוני EEG נאספים באמצעות רשת חיישנים בצפיפות גבוהה של 256 ערוצים. מגבר EEG עצמו כלול במערכת בלימה של בידוד שדה (FICS), ואותות שעון MRI מסונכרנים עם איסוף נתוני EEG עבור אפיון והסרה הבאים של ממצאי MR. אנו מדגימים שיטה זו תחילה לאיסוף נתוני מצב מנוחה. לאחר מכן, אנו מדגימים פרוטוקול להקלטת נתונים EEG / fMRI, בעוד הנבדקים מקשיבים לקלטת המבקשת מהם לדמיין כי ידם השמאלית שקועה באמבט מים קרים ומכונות, כאן, פרדיגמת הכפפות הקרות. הפרשים תרמיים בין כל יד נמדדים לאורך איסוף נתוני EEG/fMRI באמצעות חיישן טמפרטורה תואם MR שפיתחנו למטרה זו. אנו אוספים נתוני EEG/fMRI של כפפה קרה יחד עם מדידות טמפרטורת יד דיפרנציאליות בו זמנית הן לפני ואחרי אינדוקציה היפנוטית. בין מפגשים לפני ואחרי, נתוני EEG מודאליות בודדים נאספים במהלך אינדוקציה היפנוטית ותהליך הערכת עומק. התוצאות הייצוגיות שלנו מראות כי ניתן למדוד שינויים משמעותיים בספקטרום החשמל של EEG במהלך אינדוקציה היפנוטית, וכי ניתן לזהות שינויים בטמפרטורת היד במהלך פרדיגמת הכפפות הקרות במהירות באמצעות התקן התרמומטריה הדיפרנציאלית התואמת MR שלנו.

Introduction

מאז הקמתה, הייתה מחלוקת ניכרת לגבי מה היא היפנוזה, ואיך בדיוק שינויים פיזיולוגיים מדידים אצל אנשים רגישים מיוצרים. מחקרים שמטרתם להבין את הקורלציות העצביות של היפנוזה ותגובות להצעה היפנוטית הניבו בדרך כלל תוצאות מגוונות¹, אשר עשוי להיות בשל, לפחות בחלקו, להבדלים אינדוקציה היפנוטית וטכניקות^{הצעה 2}, ובכך לספק מוטיבציה למתודולוגיה מפורטת ותיאור פרוטוקול.

למרות היפנוזה הוגדרה באופן קונבנציונלי כמצב של ריכוז פנימי ותשומת לב ממוקדת^1,3, הגדרה מבצעית מלאה יותר כוללת גם: מודעות מופחתת של גירויים אקסוגניים⁴, ספיגה מוגברת 5 , או^תשומתלב ללא מאמץ למילים של הנסיין ומחשבה ספונטנית מופחתת⁶. אינדוקציה היפנוטית מוגדרת בדרך כלל כקבוצה של הוראות מילוליות המאפשרות היפנוזה וספיגה⁶. מהפנט משתנה מאוד בין אנשים, אבל הוא בדרך כלל יציב בתוך אנשים לאורך זמן^7,8; הצעה נמדדת בדרך כלל במונחים של תגובה התנהגותית להצעה כאשר המדד הנפוץ ביותר הוא סולם הרגישות המהפנטת של סטנפורד, (SHSS) טופס C^9-12.

מחקרים הבוחנים את הקורלציות העצביות של היפנוזה מתחלקים בדרך כלל לשתי קטגוריות. או שהם בוחנים רשתות של פעילות המופעלת באופן מהותי במהלך היפנוזה 'מצב מנוחה', או שהם חוקרים שינויים בפעילות העצבית המתרחשים בתגובה להצעה היפנוטית⁶. במחקר EEG שנערך לאחרונה, אנשים בעלי להציע מאוד נמצאו להציג desynchrony הקשורים לאירוע גבוה יותר של הרשת הקדמית הקודקודית ברצועת אלפא 2 במהלך היפנוזה לעומת נושאים נמוכים המוצעים⁴. לאחרונה, דימות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) חשף גם שינויים ברשתות מצב ברירת מחדל שנייה במהלך היפנוזה 'מצב מנוחה' ללא עלייה מקבילה בפעילות באזורים אחרים במוח². ראיות מתכנסות מצביעות על כך שהיפנוזה קשורה לבקרת קשב שני מנותקת¹³.

שינויים ברמת החמצון בדם fMRI תלוי (BOLD) אותות בתגובה למגוון הצעות היפנוטיות דווחו גם לאחרונה^14-23. רוב מחקרי הצעה-תגובה לתאם שינויים אות המוח עם דירוגים סובייקטיביים של תפיסה שונה. עם זאת, הצעה היפנוטית שימשה גם כדי לשנות פרמטרים פיזיולוגיים כגון לחץ דם, קצב לב, וטמפרטורת היד הנושא בתגובה²⁴.

כאן, אנו מרחיבים את הממצאים המוקדמים האלה על ידי פיתוח פרדיגמה ניסיונית, המכונה כאן פרדיגמה "כפפה קרה", לפיה הנבדקים מכוונים לתפוס כי אחת הידיים שלהם קר בטמפרטורה יותר מהשני, בהיעדר כל מניפולציה פיזית חיצונית של הטמפרטורה. הוראות מילוליות אלה מועברות באמצעות אוזניות תואמות MR במהלך הקלטת נתונים.

בעבודה הנוכחית, אנו מדגימים לראשונה את השיטה שלנו להקלטת נתונים בו זמנית של EEG/fMRI. לאחר מכן אנו מדגימים את פרדיגמת הכפפות הקרות, הכוללת איסוף נתוני EEG/fMRI יחד עם מדידות טמפרטורת היד הן לפני ואחרי אינדוקציה היפנוטית. השיטה שלנו לגיוס היפנוטי כוללת הצעה אידאומוטורית המתוארת על ידי¹, ואחריו הערכת עומק באמצעות SSHS, טופס C. אנו מזהים שינויים אמינים בספקטרום החשמל של EEG המתרחשים בעקבות אינדוקציה היפנוטית. אנו גם מראים כי מכשיר התרמומטריה הדיפרנציאלית התואמת MRI שלנו מסוגל למדוד שינויים בטמפרטורת היד במהלך הפעלת איסוף נתונים EEG/fMRI בו זמנית. הליך זה עשוי לספק מדידות EEG/fMRI כמותיות חשובות בהערכת שינויים באותות המוח המתרחשים במהלך היפנוזה מהותית של 'מצב מנוחה', כמו גם מדידת שינויי אותות בתגובה להצעה היפנוטית לתפיסה תרמית שונה.

Protocol

הפרוטוקול הניסיוני הבא נבדק ואושר על ידי ועדת הביקורת המוסדית של UCLA. לפני תחילת הניסוי, הנבדקים עברו בדיקת טלפון שלא כללה נושא שעלול להיות בהריון, מתחת לגיל 18, או שעבד בתערוכת מכונה או היו לו שתלים מתכתיים בדרך אחרת. נבדקים שמאליים, או בעלי היסטוריה של מחלות נפש, הוצאו גם הם ממאגר הנושאים. המשתתפים שנכללו הונחו אז להימנע מקפאין, סמים ואלכוהול ביום הניסוי. הסכמה מדעת בכתב והבנה של הסכמה הושגו מכל משתתף ביום הניסוי.

1. יישום נטו חיישן EEG

נתוני ה-EEG נרשמים באמצעות רשת חיישנים גיאודזית תואמת MRI בת 256 ערוצים. רמות עכבה באלקטרודות יש לפקח (שלב 1.5) בערך 20 דקות מרווחים לאורך כל הניסוי כדי לוודא כי אלקטרודות לא התייבש וכי עכבות להישאר מתחת לסף.

1. קבעו את גודל הרשת הנכון על ידי מדידת היקף הראש מרכס הגבות גלאבלה לכ-2.5 ס"מ מעל האיון.
2. הידרוקל מלוחים אשלגן כלורי פתרון אלקטרוליט נעשה על פי הוראות EGI. EEG Electrogeodesic 256 חיישן נטו היה אז ספוג בתמיסת אלקטרוליטים במשך 10 דקות.
3. הקודקוד, או Cz, נקודה על הראש נקבעה על ידי מדידת נקודת האמצע בין nasion ו inion וליישר את זה עם נקודת האמצע כי מנתח את הנקודות preauricular. רשת ה- EEG הוצבה אז כך שאלקטרודה הייחוס Cz מתיישרת עם נקודת הקודקוד.
4. אספנו תמונות מצולמות של הראש ואלקטרודות באמצעות מערכת פוטוגרמטריה גיאודזית EGI (GPS) על מנת לכייל את שטח החיישן שישמש בניתוח מקור EEG.
5. לאחר מכן נמדדו עכבות אלקטרודה. מגע עם הקרקפת נבדק עבור אלקטרודות אלה עם רמות עכבה מעל הסף. מיקומי האלקטרודות מותאמים, ותמיסת אלקטרוליטים נוספת נוספה לאלקטרודות לפי הצורך כדי להפחית את העכבה.

2. פרוטוקול EEG/fMRI והקלטת טמפרטורה בו-זמנית לפני היפנוזה

לאחר החלת רשת EEG בהתאם, הנושא ממשיך לחדר הסורקים של MR. כל חפצי המתכת מוסרים. סריקות MRI מבניות ו-MRI פונקציונליות נאספות בסורק 3T של סימנס אלגרה. נתוני EEG/fMRI בו זמנית נאספים לפני אינדוקציה היפנוטית על מנת ליצור בסיס פונקציונלי עבור כל נושא.

1. סריקה מבנית של MPRAGE
2. רוחב פס תואם T2 - רצף סריקה מיוחד שנועד לספק ניגודיות טובה לרישום תמונה, תוך שיתוף עיוותים מטריים זהים לסריקות הפונקציונליות הבאות.
3. סריקה פונקציונלית - רצף פעימות הד-מישורי משוקלל T2* עם TR = 2.5 שניות, TE = 40 msec, שדה הראייה = 200 מ"מ x 200 מ"מ, הפוך זווית = 90 °, איסוף תמונות מוח שלמות ברזולוציה = 64 x 64 x 28, גודל voxel = 3 מ"מ³. הנתונים נאספים במשך חמש דקות בסך הכל.
4. נתוני EEG נרשמים בו זמנית באמצעות מערכת 256 ערוצים תואמת MR (EGI) במהלך הקלטות MRI פונקציונליות של חמש דקות כדי ליצור EEG בסיסי לפני האינדוקציה המהפנטת. המעבדה שלנו חלוצה בשיטות לאיסוף fMRI/EEG בו זמנית באמצעות תוכנה וחומרה שמסירה את ממצא MR ורעש באליסטוקרדיוגרמה, בזמן אמת (ראה סימוכין²⁵ לפרטים נוספים).
5. לאחר סריקת מצב המנוחה, הנבדקים מאזינים לקלטת המורה להם לדמיין שידם השמאלית שקועה בדלי של מי קרח קרים. הבדלי טמפרטורה בין כל יד מכמתים באמצעות מכשיר התרמומטריה הדיפרנציאלי שלנו המתואר להלן.

3. אינדוקציה היפנוטית

הנבדקים ישבו אז בנוחות בחדר מואר באור עמום ושקט. נתוני EEG נרשמו לאורך כל תקופת האינדוקציה המהפנטת וטכניקת ההרפיה המתקדמת.

1. אינדוקציה היפנוטית החלה בראיון קצר של ההיפנוטרפיסט כדי לקבוע רמזים מרחביים ספציפיים לנושא שגורמים להרפיה. הנבדקים נשאלו לאחר מכן מספר שאלות כדי לקבוע אם הם מסוגלים לדמיין.
2. לאחר מכן החל ההיפנותרפיסט את האינדוקציה באמצעות הצעה אידאומוטרית הידועה כטכניקת הרמת הזרוע. במהלך תקופה זו, ההיפנותרפיסט נתן לנושא ללא הרף את ההצעה כי זרועם הרגישה כאילו היא הופכת קלה יותר, ובשלב מסוים זרועם תעלה באוויר באופן אוטומטי ללא מאמץ רצוני. לאחר שזרועו של הנבדק התרוממו, הם הונחו לכופף את זרועם ולגעת במצחם בקצות אצבעותיהם. ברגע שהנושא נענה, ההיפנוזה ביקשה מהנושא לעצום את עיניו ולהירגע כאילו בשינה עמוקה.
3. רמת הרגישות המהפנטת הוערכה אז באמצעות סולם סטנפורד בן 12 הנקודות של רגישות היפנוטית, מבחן טופס C.
4. טכניקה מעמיקה, בצורה של הרפיה מתקדמת, שימשה אז כדי להביא את הנושא לרמה גבוהה יותר של עומק היפנוטי.
5. נתוני EEG נרשמים לאורך האינדוקציה המהפנטת בחדר מוגן נחושת מואר באור עמום במהלך האינדוקציה ההיפנוטית.

4. איסוף נתונים EEG/fMRI ותרמומטריה דיפרנציאלית פוסט אינדוקציה היפנוטית

1. לאחר אינדוקציה היפנוטית ורגיעה מתקדמת, הנושא, שוב נכנס לחדר הסריקה MRI עם רשת חיישן EEG תואמת MR במקום ללא הרף. בשלב זה, חיישני טמפרטורה הודבקו על החלק המדיאלי של שני פרקי הידיים. לאחר מכן הונחו צמידים מעל חיישני הטמפרטורה המודבקים כדי לסייע בייצוב המיקום.
2. יש להגדיר חיישני טמפרטורה בהתאם לסכמטי באיור 2. הכיול בוצע לפני הניסוי, והושג על ידי טבילת טיפים חיישן בשני פתרונות בטמפרטורות משתנות (37 °C (37 °F± 5). פלט החיישן נבדק מול קריאות מדחום.
3. לאחר מכן הנושא מאזין לקלטת הרפיה מתקדמת מוקלטת מראש שנעשתה על ידי ההיפנוטרפיסט באמצעות אוזניות תואמות MR. במהלך תקופה זו, נתוני fMRI נאספים על פי רצפי פולס המתוארים בשלב 1.1, עם הקלטת EEG בו-זמנית.
4. איסוף נתוני EEG/fMRI של מצב מנוחה בעקבות הכנסות אינדוקציה היפנוטית לפי שלבים 2.2-2.4.
5. לאחר מכן, ההיפנותרפיסט מנהל את הצעת 'הכפפה הקרה' לאיסוף הנתונים הבאים של EEG/fMRI, אשר שוב ממשיך בהתאם לשלבים 2.2-2.5. במהלך ההצעה, ההיפנותרפיסט מבקש שוב ושוב מהנושא לדמיין את ידם שקועה באמבט מים קרים, ולדמיין כי ידם השמאלית הפכה קרה יותר ויותר מקצות האצבעות לפרק כף היד. מדידות תרמומטריה דיפרנציאליות נרשמות ברחבי בלוק זה.

תוצאות

איור 1 מציג את ספקטרום צריכת החשמל של EEG בערוץ מייצג (איור 1a) בממוצע מעל 1,000 msec בנושא יחיד במהלך תקופת הערות ההתראה שקדמה לגיוס היפנוטי (איור 1b). יש לציין כי הדפוסים כאן עוקבים אחר היחסים ההופכיים האופייניים בין כוח לתדירות (ו), עם נפילה ב- 1/f. איור 1c מראה את ספקטרום הכוח שנלקח מאותו נושא בעקבות אינדוקציה היפנוטית וטכניקת העמקה. הנחתת כוח ניתן לראות בפסים תטא ובטא EEG, ואת העלילה הכוללת כבר לא בעקבות 1/f. איור 2 מראה סכמטי שלנו עבור חיישן טמפרטורה תואם MRI, המשתמשת חיישני טמפרטורה דיוק LM34/LM35 יחד עם מכשיר Arduino.

איור 1. ספקטרום כוח אלקטרואנצפלוגרם (EEG) בנושא יחיד עבור ערוץ אלקטרודה מייצג. (a)מערך אלקטרודות EEG בעל 255 ערוצים עם המיקום המרחבי של בחירת הערוצים לניתוח צריכת החשמל המסומן בכחול (b) ספקטרום הספקת-כוח EEG לפני אינדוקציה היפנוטית, ו-(c)ספקטרום הספקטרום באותו ערוץ אלקטרודה בעקבות אינדוקציה היפנוטית וטכניקת העמקה. הסרגל בפינה השמאלית העליונה של איור 1c מציין את המקרא עבור כל תת-פס EEG עם תדרים: דלתא (0.1-4 הרץ), תטא (4-8 הרץ), אלפא (8-12 הרץ), ביתא (12-20 הרץ) וגמא (תדרים מעל 20 הרץ).

איור 2. סכמטי של תצורת חיישן הטמפרטורה הדיפרנציאלית התואמת ל- MRI. (לעיל) מעגל תרמומטריה דיפרנציאלי,(להלן)סקירה כללית של תהליך מדידת התרמומטריה.

Discussion

נראה שיש שונות רחבה בשיטות הצעה המשמשות כדי לגרום לנושאים למצב של היפנוזה¹. אנו מראים כאן כי הצעה לתנועה מוטורית לא רצונית ואחריו SHSS, טופס C, ניתן להשתמש כדי לשנות את ספקטרום כוח EEG. נציין כי למרות שהנושא ששימש במחקר זה הופנט בעבר, לא נעשה כל ניסיון באמצעות סולם ההמרה הקבוצתית של הרווארד או מנגנון אחר למצוא נושא רגיש ביותר. אנו משערים כי גודל השינויים בפסי משנה של תדר EEG משתנה ככל הנראה בהתאם לרמת הרגישות לנושא, כפי שדווח⁴.

הדגמנו גם התקנה למדידת תנודות בטמפרטורת היד שעלולות להתרחש במהלך הפעלת EEG/fMRI בו-זמנית. למרות הנבדקים יכולים בסופו של דבר ללמוד להשיג שינויים בטמפרטורת היד ללא היפנוזה באמצעות רמזים biofeedback, זה בדרך כלל לוקח מפגשי אימון רבים²⁶. פרישהולץ וטריון^{26 לא הצליחו} לשכפל את הקשר בין שינויים בטמפרטורת היד ועומק היפנוטי באמצעות פרדיגמת הצעת הכפפה הקרה, בניגוד לזה שדווח על ידי אחרים²⁷. נדרשת עבודה נוספת כדי לפתור מחלוקת זו. עם זאת, השיטה למדידת שינויים בטמפרטורת היד במהלך מפגש הדמיה מוחית תפקודית עשויה להיות שימושית בהערכת המתאם העצבי של הצעת 'כפפה קרה' היפנוטית בעקבות אינדוקציה היפנוטית.

Materials

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