Método para coleta simultânea de dados fMRI/EEG durante uma sugestão de atenção focada para sensação térmica diferencial

Resumo

Apresentamos um protocolo para coleta simultânea de dados EEG/fMRI e gravação sincronizada de sinal de relógio MR. Demonstramos este método usando um paradigma único pelo qual os sujeitos recebem instruções de "luva fria" durante a varredura, e os dados EEG/fMRI são registrados juntamente com medições de temperatura da mão antes e depois da indução hipnótica.

Resumo

No presente trabalho, demonstramos um método de coleta simultânea de dados EEG/fMRI. Em nossa configuração, os dados do EEG são coletados usando uma rede de sensores de alta densidade de 256 canais. O próprio amplificador EEG está contido em um sistema de contenção de isolamento de campo (FICS), e os sinais de relógio de ressonância magnética são sincronizados com a coleta de dados EEG para caracterização e remoção subsequentes de artefatos mr. Demonstramos este método primeiro para a coleta de dados do estado de repouso. Depois disso, demonstramos um protocolo para gravação de dados EEG/fMRI, enquanto os sujeitos ouvem uma fita pedindo que eles visualizem que sua mão esquerda está imersa em um banho de água fria e referida, aqui, como o paradigma da luva fria. Os diferenciais térmicos entre cada mão são medidos ao longo da coleta de dados EEG/fMRI usando um sensor de temperatura compatível com Ressonância Magnética que desenvolvemos para este fim. Coletamos dados EEG/fMRI de luva fria, juntamente com medidas simultâneas de temperatura da mão diferencial, antes e depois da indução hipnótica. Entre as sessões pré e pós-graduação, os dados de EEG de modalidade única são coletados durante o processo de indução hipnótica e avaliação de profundidade. Nossos resultados representativos demonstram que mudanças significativas no espectro de energia EEG podem ser medidas durante a indução hipnótica, e que a temperatura da mão muda durante o paradigma da luva fria pode ser detectada rapidamente usando nosso dispositivo de termometria diferencial compatível com MR.

Introdução

Desde a sua criação, tem havido considerável controvérsia sobre o que é hipnose, e como exatamente são produzidas mudanças fisiológicas mensuráveis em indivíduos suscetíveis. Estudos que visam compreender as correlações neurais da hipnose e as respostas à sugestão hipnótica têm geralmente produzido resultados variados¹, o que pode ser devido, pelo menos em parte, a diferenças na indução hipnótica e técnicas de sugestão^2,proporcionando assim motivação para uma metodologia detalhada e descrição do protocolo.

Embora a hipnose tenha sido convencionalmente definida como um estado de concentração interna e atenção focada^1,3, uma definição operacional mais completa também inclui: diminuição da consciência de estímulos exógenos^4,aumento da absorção⁵, ou atenção sem esforço às palavras do experimentador e diminuição do pensamento espontâneo⁶. Uma indução hipnótica é geralmente definida como um conjunto de instruções verbais que facilitam a hipnose e absorção⁶. A hipnotizabilidade varia muito entre os indivíduos, mas geralmente é estável dentro dos indivíduos ao longo do tempo^7,8; a sugestionabilidade é tipicamente medida em termos de resposta comportamental à sugestão, sendo a métrica mais comumente aplicada a Escala de Suscetibilidade Hipnótica de Stanford, (SHSS) forma C^9-12.

Estudos que examinam as correlações neurais da hipnose geralmente se enquadram em duas categorias. Ou examinam redes de atividade intrinsecamente ativadas durante a hipnose do "estado de repouso", ou estudam alterações na atividade neural que ocorrem em resposta à sugestão hipnótica⁶. Em um estudo recente do EEG, indivíduos altamente sugestionáveis apresentaram desincronia mais relacionada a eventos da rede frontal-parietal na banda alfa-2 durante a hipnose em comparação com os indivíduos de baixa sugestionável⁴. Recentemente, a ressonância magnética funcional (fMRI) também revelou alterações nas redes de modo padrão anterior durante a hipnose de 'estado de repouso' sem um aumento correspondente da atividade em outras áreas cerebrais². Evidências convergentes sugerem que a hipnose está associada ao controle atenção anterior dissociado¹³.

Alterações nos sinais dependentes do nível de oxigenação sanguínea de ressonância magnética (BOLD) em resposta a uma variedade de sugestões hipnóticas também foram relatadas recentemente^14-23. A maioria dos estudos de sugestão-resposta correlacionam mudanças de sinal cerebral com classificações subjetivas de percepção alterada. No entanto, a sugestão hipnótica também tem sido usada para alterar parâmetros fisiológicos, como pressão arterial, frequência cardíaca e temperatura da mão no assunto em resposta²⁴.

Aqui, estendemos esses achados anteriores desenvolvendo um paradigma experimental, referido aqui como o paradigma da "luva fria", pelo qual os sujeitos são orientados a perceber que uma de suas mãos é mais fria em temperatura do que a outra, na ausência de qualquer manipulação física externa da temperatura. Estas instruções verbais são fornecidas através de fones de ouvido compatíveis com MR durante a gravação de dados.

No presente trabalho, primeiro demonstramos nosso método de registro simultâneo de dados EEG/fMRI. Em seguida, demonstramos o paradigma da luva fria, que inclui a coleta de dados de EEG/fMRI, juntamente com medições de temperatura da mão antes e depois da indução hipnótica. Nosso método de indução hipnótica inclui uma sugestão ideomotor descrita por^1,seguida de uma avaliação de profundidade utilizando o SSHS, forma C. Detectamos mudanças confiáveis no espectro de energia EEG que ocorrem após a indução hipnótica. Também demonstramos que nosso dispositivo de termometria diferencial compatível com ressonância magnética é capaz de medir as mudanças na temperatura da mão durante a sessão simultânea de coleta de dados EEG/fMRI. Este procedimento pode fornecer importantes medidas quantitativas de EEG/fMRI na avaliação de alterações de sinal cerebral que ocorrem durante a hipnose intrínseca do "estado de repouso", bem como medir as alterações de sinal em resposta à sugestão hipnótica para a percepção térmica alterada.

Protocolo

O seguinte protocolo experimental foi revisado e aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional da UCLA. Antes do início do experimento, os sujeitos foram submetidos a uma pré-triagem telefônica que excluiu sujeitos potencialmente gestantes, menores de dezoito anos, ou que haviam trabalhado em uma exposição de máquinas ou tinham implantes metálicos. Os canhotos, ou aqueles com histórico de doença mental também foram excluídos do grupo de sujeitos. Os participantes incluídos foram então instruídos a abster-se de cafeína, drogas e álcool no dia do experimento. O consentimento informado por escrito e a compreensão do consentimento foram obtidos de cada participante no dia do experimento.

1. Aplicação da rede de sensores EEG

Os dados do EEG são registrados usando uma rede de sensores geodésicos compatível com ressonância magnética de 256 canais. Os níveis de impedância em eletrodos devem ser monitorados (passo 1.5) em intervalos de aproximadamente 20 minutos ao longo do experimento para garantir que os eletrodos não tenham secado e que as impedâncias permaneçam abaixo do limiar.

1. Determine o tamanho líquido adequado medindo a circunferência da cabeça da crista da sobrancelha glabella para aproximadamente 2,5 cm acima da ion.
2. A solução de eletrólito de cloreto de potássio de hidrolina HydroCel foi feita de acordo com as instruções do EGI. A rede de sensores EEG Electrogeodesic 256 foi então encharcada em solução de eletrólitos por 10 minutos.
3. O vértice, ou Cz, ponto na cabeça foi determinado medindo o ponto médio entre nação e inion e alinhando-o com o ponto médio que disseca os pontos pré-uriculares. A rede EEG foi então colocada de tal forma que o eletrodo de referência Cz se alinha com o ponto de vértice.
4. Coletamos imagens fotográficas da cabeça e eletrodos usando o Sistema de Fotogrametria Geodesic (GPS) do EGI, a fim de calibrar o espaço do sensor a ser utilizado na análise de origem EEG.
5. As impedâncias de eletrodos foram então medidas. O contato com o couro cabeludo foi verificado para os eletrodos com níveis de impedância acima do limiar. As colocações de eletrodos são ajustadas, e a solução adicional de eletrólitos foi adicionada aos eletrodos, conforme necessário para reduzir a impedância.

2. Protocolo simultâneo de EEG/fMRI e registro de temperatura antes da hipnose

Depois que a rede EEG for aplicada adequadamente, o assunto segue para a sala de scanner mr. Todos os objetos metálicos são removidos. Ressonância magnética estrutural e ressonância magnética funcional são coletadas em um scanner Siemens Allegra 3T. Os dados simultâneos de EEG/fMRI são coletados antes da indução hipnótica, a fim de estabelecer uma linha de base funcional para cada assunto.

1. Varredura estrutural mprage
2. T2 Matched Bandwidth - uma sequência de varredura especializada projetada para fornecer um bom contraste para o registro de imagem, ao mesmo tempo em que compartilha as mesmas distorções métricas que as varreduras funcionais que se seguem.
3. Escaneamento funcional - Sequência de pulso eco-planar ponderada T2*com uma TR=2,5 seg, TE=40 msec, Field of View=200 mm x 200 mm, Flip Angle=90°, coletando imagens cerebrais inteiras com resolução=64 x 64 x 28, tamanho voxel=3 mm³. Os dados são coletados por um total de cinco minutos.
4. Os dados de EEG são simultaneamente registrados usando um sistema de 256 canais de Geodésica Elétrica Compatível com MR (EGI) durante as gravações de ressonância magnética funcional de cinco minutos para estabelecer um EEG de linha de base antes da indução hipnótica. Nosso laboratório foi pioneiro em métodos para coleta simultânea de fMRI/EEG usando software e hardware que remove artefato MR e ruído de balistocardiograma, em tempo real (veja referência²⁵ para mais detalhes).
5. Após a varredura do estado de repouso, os sujeitos ouvem uma fita que os instrui a visualizar que sua mão esquerda está imersa em um balde de água gelada. As diferenças de temperatura entre cada mão são quantificadas usando nosso dispositivo de termometria diferencial descrito abaixo.

3. Indução hipnótica

Os sujeitos foram então sentados confortavelmente em uma sala mal iluminada, tranquila. Os dados de EEG foram registrados durante toda a duração da indução hipnótica e da técnica de aprofundamento progressivo do relaxamento.

1. A indução hipnótica começou com uma breve entrevista do hipnoterapeuta para determinar sinais espaciais específicos do assunto que causam relaxamento. Os sujeitos foram então questionados sobre se eram capazes de visualizar.
2. O hipnoterapeuta então começou a indução usando uma sugestão de ideomoter conhecida como técnica de levantamento de braço. Durante esse tempo, o hipnoterapeuta continuamente deu ao sujeito a sugestão de que seu braço parecia estar ficando mais leve, e em algum momento seu braço subiria no ar automaticamente sem esforço volitivo. Após o braço do sujeito elevado, eles foram então instruídos a dobrar o braço e tocar a testa com as pontas dos dedos. Assim que o sujeito cumpriu, o hipnoterapeuta pediu ao sujeito para fechar os olhos e relaxar como se estivesse em um sono profundo.
3. O nível de suscetibilidade hipnótica foi então avaliado através da Escala stanford de 12 pontos de suscetibilidade hipnótica, teste de forma C.
4. Uma técnica de aprofundamento, na forma de um relaxamento progressivo, foi então usada para levar o sujeito a um maior nível de profundidade hipnótica.
5. Os dados de EEG são registrados ao longo da indução hipnótica em uma sala blindada de cobre mal iluminada durante a indução hipnótica.

4. Coleta de dados EEG/fMRI e Termometria Diferencial Pós Indução Hipnótica

1. Após indução hipnótica e relaxamento progressivo, o sujeito, novamente entra na sala de varredura de ressonância magnética com a rede de sensores EEG compatível com MR em continuamente no lugar. Neste momento, sensores de temperatura foram colados na porção medial de ambos os pulsos. As pulseiras foram então colocadas sobre os sensores de temperatura colados para ajudar a estabilizar a colocação.
2. Os sensores de temperatura devem ser configurados de acordo com o esquema na Figura 2. A calibração foi realizada antes do experimento, e foi realizada por meio de dicas de sensores imersos em duas soluções de temperaturas variadas (37 °C± 5). A saída do sensor foi verificada com as leituras do termômetro.
3. O sujeito então ouve uma fita de relaxamento progressiva pré-gravada feita pelo hipnoterapeuta através de fones de ouvido compatíveis com MR. Durante este tempo, os dados de ressonância magnética são coletados de acordo com sequências de pulso descritas na etapa 1.1, com gravação simultânea de EEG.
4. A coleta de dados estaduais de EEG/fMRI de repouso após a indução hipnótica prossegue de acordo com as etapas 2.2-2.4.
5. O hipnoterapeuta então administra a sugestão de "luva fria" para a subsequente coleta de dados EEG/fMRI, que prossegue novamente de acordo com as etapas 2.2-2.5. Durante a sugestão, o hipnoterapeuta pede repetidamente que o sujeito visualize sua mão está imerso em um banho de água fria, e imaginar que sua mão esquerda estava ficando progressivamente mais fria das pontas dos dedos ao pulso. Medidas diferenciais de termometria são registradas em todo o bloco.

Resultados

A Figura 1 mostra que o espectro de energia EEG em um canal representativo (Figura 1a) teve uma média superior a 1.000 msec em um único sujeito durante o período de alerta que precedeu a indução hipnótica(Figura 1b). Deve-se notar que os padrões aqui seguem a relação inversa característica entre potência e frequência (f), com queda em 1/f. A Figura 1c mostra o espectro de potência retirado deste mesmo sujeito após indução hipnótica e uma técnica de aprofundamento. A atenuação de energia pode ser vista em subbandas EEG theta e beta, e a parcela geral não segue mais 1/f. A Figura 2 mostra nosso esquema para um sensor de temperatura compatível com ressonância magnética, que usa sensores de temperatura de precisão LM34/LM35 acoplados a um dispositivo Arduino.

Figura 1. Espectro de energia eletroencefalograma (EEG) em um único sujeito para um canal de eletrodos representativo. (a) Matriz de eletrodos EEG de 255 canais com a localização espacial da seleção do canal para a análise de energia marcada em azul (b) espectro de energia EEG antes da indução hipnótica, e(c) espectro de energia no mesmo canal de eletrodo após indução hipnótica e uma técnica de aprofundamento. A barra no canto superior, canto direito da Figura 1c indica a legenda para cada subbande de EEG com frequências: delta (0,1-4 Hz), theta (4-8Hz), alfa (8-12 Hz), beta (12-20 Hz) e gama (frequências acima de 20 Hz).

Figura 2. Esquema da configuração do sensor de temperatura diferencial compatível com ressonância magnética. (acima) Circuito diferenciado de termometria,(abaixo)visão geral do processo de medição da termometria.

Discussão

Parece haver ampla variabilidade nos métodos de sugestão usados para induzir sujeitos em um estado de hipnose¹. Demonstramos aqui que uma sugestão de movimento motor nãovolicional seguida pelo SHSS, forma C, pode ser usada para alterar o espectro de energia EEG. Notamos que, embora o tema utilizado neste estudo tenha sido hipnotizado no passado, não houve tentativa feita via Escala de Sugestibilidade do Grupo Harvard ou outro mecanismo para encontrar um assunto altamente suscetível. Temos a hipótese de que a magnitude das alterações nas subbandas de frequência de EEG provavelmente varia de acordo com o nível de suscetibilidade do sujeito, como foi relatado⁴.

Também demonstramos uma configuração para medir flutuações de temperatura da mão que podem ocorrer durante uma sessão EEG/fMRI simultânea. Embora os sujeitos possam eventualmente aprender a realizar mudanças na temperatura da mão sem hipnose usando sinais de biofeedback, isso normalmente leva muitas sessões de treinamento²⁶. Frischholz e Tryon²⁶ não conseguiram replicar a associação entre mudanças na temperatura da mão e profundidade hipnótica usando o paradigma de sugestão de luva fria, ao contrário do relatado por outros²⁷. É necessário um trabalho adicional para resolver essa controvérsia. No entanto, o método para medir as mudanças na temperatura da mão durante uma sessão de neuroimagem funcional pode ser útil na avaliação das correlações neurais da sugestão hipnótica de "luva fria" após indução hipnótica.

Materiais

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