Метод одновременного сбора данных МРТ/ЭЭГ во время целенаправленного внимания к дифференциальной тепловой сенсации

Резюме

Представляем протокол параллельного сбора данных ЭЭГ/МРТ и синхронизированной записи сигнала MR-часов. Мы демонстрируем этот метод с помощью уникальной парадигмы, при которой испытуемые получают инструкции «холодная перчатка» во время сканирования, а данные ЭЭГ/МРТ регистрируются вместе с измерениями температуры рук как до, так и после гипнотической индукции.

Аннотация

В настоящей работе мы демонстрируем метод параллельного сбора данных ЭЭГ/МРТ. В нашей установке данные ЭЭГ собираются с помощью 256-канальной сенсорной сети высокой плотности. Сам усилитель ЭЭГ содержится в системе изоляции поля (FICS), а сигналы часов МРТ синхронизируются со сбором данных ЭЭГ для последующей характеристики и удаления артефактов MR. Мы демонстрируем этот метод в первую очередь для сбора данных состояния покоя. После этого мы демонстрируем протокол для записи данных ЭЭГ/МРТ, в то время как испытуемые слушают ленту с просьбой представить, что их левая рука погружена в ванну с холодной водой и называется, здесь, как холодная перчатка парадигмы. Тепловые дифференциалы между каждой рукой измеряются во время сбора данных ЭЭГ/МРТ с помощью совместимого с MR датчика температуры, который мы разработали для этой цели. Мы собираем данные ЭЭГ/МРТ холодной перчатки наряду с одновременными дифференциальными измерениями температуры рук как до, так и после гипнотической индукции. Между пред- и после сессий, единый модально ЭЭГ данные собираются в ходе гипнотической индукции и глубины процесса оценки. Наши репрезентативные результаты показывают, что значительные изменения в спектре ЭЭГ можно измерить во время гипнотической индукции, и что изменения температуры рук во время парадигмы холодных перчаток могут быть обнаружены быстро с помощью нашего совместимого с MR дифференциального термометрического устройства.

Введение

С момента своего создания, было значительное противоречие о том, что гипноз, и как именно измеримые физиологические изменения в восприимчивых лиц производятся. Исследования, направленные на понимание нейронных коррелирует гипноза и ответы на гипнотическое предложение, как правило,^{дали разнообразные результаты 1}, которые могут быть связаны, по крайней мере частично, различия в гипнотической индукции^{и внушения методы 2}, тем самым обеспечивая мотивацию для подробной методологии и описания протокола.

Хотя гипноз условно определяется как состояние внутренней концентрации и сосредоточенное^{внимание 1,3}, более полное оперативное определение также включает в себя: снижение осведомленности о экзогенных^{стимулов 4}, увеличение^{поглощения 5}, или легкое внимание к словам экспериментатора и уменьшилась спонтанная^{мысль 6}. Гипнотическая индукция, как правило, определяется как набор словесных инструкций, которые облегчают гипноз и поглощение⁶. Гипнотизируемость сильно варьируется между людьми, но, как правило, стабильна в отдельных лиц с^{течением времени 7,8;} suggestibility, как правило, измеряется с точки зрения поведенческой реакции на предложение с наиболее часто применяемых метрики Стэнфордского гипнотического восприимчивости шкалы, (SHSS) форме C^9-12.

Исследования, которые изучают нейронные корреляты гипноза обычно подпадают под две категории. Либо они изучают сети деятельности, внутренне активированные во время гипноза «отдыхающего состояния», либо изучают изменения в нейронной активности, которые происходят в ответ на гипнотическое^{предложение 6.} В недавнем исследовании ЭЭГ, весьма наводящий лиц было установлено, для отображения более высоких событий, связанных с дезинчронией лобно-теменной сети в альфа-2 полосы во время гипноза по сравнению с низкими наводящий^{субъектов 4}. В последнее время функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) также выявила изменения в передних сетях режима по умолчанию во время гипноза «отдыха» без соответствующего увеличения активности в других^{областях мозга 2.} Конвергентные данные свидетельствуют о том, что гипноз связан с диссоциированной передней внимания^{контроля 13}.

Изменения в уровне оксигенации крови МРТ зависимых (BOLD) сигналов в ответ на различные гипнотические предложения также недавно^{сообщалось 14-23}. Большинство исследований внушения и реакции коррелируют изменения сигнала мозга с субъективными рейтингами измененного восприятия. Тем не менее, гипнотическое предложение также было использовано для изменения физиологических параметров, таких как кровяное давление, пульс, и температура рук субъекта в ответ²⁴.

Здесь мы распространяем эти более ранние выводы, разрабатывая экспериментальную парадигму, именуемую здесь парадигмой «холодной перчатки», в соответствии с которой испытуемые должны воспринимать, что одна из их рук холоднее по температуре, чем другая, при отсутствии каких-либо внешних физических манипуляций с температурой. Эти устные инструкции доставляются через совместимые с MR наушники во время записи данных.

В настоящей работе мы впервые демонстрируем наш метод одновременной записи данных ЭЭГ/МРТ. Затем мы демонстрируем парадигму холодных перчаток, которая включает в себя сбор данных ЭЭГ/МРТ наряду с измерениями температуры рук как до, так и после гипнотической индукции. Наш метод гипнотической индукции включает в себя идеомоторное предложение, описанное¹, а затем оценку глубины с помощью SSHS, форма C. Мы обнаруживаем надежные изменения в спектре ЭЭГ, которые происходят после гипнотической индукции. Мы также демонстрируем, что наше устройство МРТ-совместимой дифференциальной термометрии способно измерять изменения температуры рук во время одновременной сессии сбора данных ЭЭГ/МРТ. Эта процедура может обеспечить важные количественные ЭЭГ / МРТ измерений в оценке изменений сигнала мозга, которые происходят во время внутреннего "отдыха состояние" гипноза, а также измерения изменений сигнала в ответ на гипнотическое предложение для измененного теплового восприятия.

протокол

Следующий экспериментальный протокол был рассмотрен и одобрен Институциональным советом UCLA. До начала эксперимента испытуемые прошли предэкранный экранирование телефона, который исключал предмет, который потенциально был беременна, в возрасте до восемнадцати лет, или который работал в машинном шоу или иным образом имел металлические имплантаты. Левша вопросы, или те с историей умственного заболевания также были исключены от пододанного бассеин. Включенным участникам было поручено воздержаться от кофеина, наркотиков и алкоголя в день эксперимента. Письменное информированное согласие и понимание согласия было получено от каждого участника в день эксперимента.

1. ЭЭГ датчик Чистая применение

Данные ЭЭГ регистрируются с помощью 256-канальной МРТ, совместимой с геодезической сетью датчиков. Уровни неустумности в электродах должны контролироваться (шаг 1.5) с интервалом примерно в 20 минут в течение всего эксперимента, чтобы убедиться, что электроды не высохли и что отклонения остаются ниже порога.

1. Определите надлежащий размер сетки, измерив окружность головы от хребта бровей глабеллы примерно на 2,5 см выше иниона.
2. ГидроСейл Солевой раствор хлорида калия был изготовлен в соответствии с инструкциями EGI. ЭЭГ Электрогеодеза 256 сенсорная сетка затем замачивают в электролитный раствор в течение 10 мин.
3. Вершина, или Cz, точка на голове была определена путем измерения средней точки между насионом и инионом и выравнивания этого с средней точкой, которая рассекает предустановленные точки. Затем сеть ЭЭГ была помещена таким образом, что эталонный электрод Cz выравнивается с точкой вершины.
4. Мы собрали фотографические изображения головы и электродов с помощью геодезической фотограммометрической системы EGI (GPS) для калибровки сенсорного пространства, которое будет использоваться в анализе источников ЭЭГ.
5. Затем были измерены электродные отклонения. Контакт с кожей головы был проверен на наличие электродов с уровнем неуступности выше порога. Размещение электродов регулируется, и дополнительный электролитный раствор был добавлен в электроды по мере необходимости, чтобы уменьшить выброс.

2. Параллельный ЭЭГ / МРТ и протокол записи температуры до гипноза

После того, как ЭЭГ сетка применяется надлежащим образом, предмет переходит в комнату сканера MR. Все металлические предметы удаляются. Структурная МРТ и функциональное МРТ собираются на сканере Siemens Allegra 3T. Одновременно ЭЭГ/МРТ собираются до гипнотической индукции для того, чтобы установить функциональный базовый уровень для каждого предмета.

1. Структурное сканирование MPRAGE
2. T2 Matched Bandwidth - специализированная последовательность сканирования, предназначенная для обеспечения хорошего контраста для регистрации изображений, при этом разделяя те же метрические искажения, что и функциональные сканы, которые следуют.
3. Функциональное сканирование - T2-взвешенная эхо-планарная последовательность импульса с TR-2,5 сек, TE-40 msec, Поле Зрения 200 мм х 200 мм, Flip Угол 90 ", собирая целые изображения мозга с разрешением 64 х 64 х 28, размер^{воксела}3 мм 3 мм 3 . Данные собираются в общей сложности за пять минут.
4. Данные ЭЭГ регистрируются одновременно с помощью 256-канальной системы MR-Compatible Electrical Geodesics (EGI) во время пятиминутных функциональных мрт-записей для создания базового ЭЭГ до гипнотической индукции. Наша лаборатория является пионером методов одновременного сбора МРТ/ЭЭГ с использованием программного и аппаратного обеспечения, которое удаляет MR-артефакт и шум балистокардиограммы в режиме реального^{времени (подробнее см. справку 25).}
5. После сканирования состояния покоя испытуемые слушают ленту, которая поручает им визуализировать, что их левая рука погружена в ведро холодной ледяной воды. Разница температур между каждой рукой количественно с помощью нашего дифференциального термометра устройства, описанного ниже.

3. Гипнотическая индукция

Предметы затем удобно сидели в тускло освещенной, тихой комнате. Данные ЭЭГ были зарегистрированы на протяжении всей продолжительности гипнотической индукции и прогрессивной техники углубления релаксации.

1. Гипнотическая индукция началась с краткого интервью гипнотерапевт, чтобы определить предмет конкретных пространственных сигналов, которые вызывают релаксацию. Затем субъектам был задан ряд вопросов, чтобы определить, способны ли они визуализировать.
2. Затем гипнотерапевт начал индукцию с помощью идеомотера предложение, известное как метод поднятия рук. В течение этого времени, гипнотерапевт постоянно давал предмету предположение, что их рука чувствовала, как будто она становится легче, и в какой-то момент их рука будет подниматься в воздух автоматически без волевых усилий. После того, как рука субъекта была поднята, им было поручено согнуть руку и коснуться лба кончиками пальцев. Как только субъект подчинился, гипнотерапевт попросил субъекта закрыть глаза и расслабиться, как будто в глубоком сне.
3. Уровень гипнотической восприимчивости затем оценивался с помощью 12-той Стэнфордской шкалы гипнотической восприимчивости, формы C теста.
4. Углубление техники, в виде прогрессивного расслабления, затем был использован, чтобы принести предмет в более высокий уровень гипнотической глубины.
5. ЭЭГ данные регистрируются по всей гипнотической индукции в тускло освещенной медной экранной комнате во время гипнотической индукции.

4. ЭЭГ / МРТ сбора данных и дифференциальной термометрии пост гипнотической индукции

1. После гипнотической индукции и прогрессивной релаксации, субъект, снова входит в комнату МРТ сканирования с MR совместимых ЭЭГ датчик сети постоянно на месте. В это время датчики температуры были записаны на медиальной части обоих запястья. Wristbands затем были размещены на лентой датчики температуры, чтобы помочь стабилизировать размещение.
2. Датчики температуры должны быть настроены в соответствии со схемой на рисунке 2. Калибровка была проведена до начала эксперимента, и была выполнена путем погружения наконечников датчиков в двух решениях различной температуры (37 градусов по Цельсию± 5). Выход датчика был проверен на показания термометра.
3. Затем субъект слушает предварительно записанные прогрессивные релаксации ленты, сделанные гипнотерапевт через MR совместимые наушники. За это время данные МРТ собираются в соответствии с импульсами, описанными в шаге 1.1, с одновременной записью ЭЭГ.
4. Сбор данных ЭЭГ/МРТ после гипнотической индукции происходит в соответствии с шагами 2.2-2.4.
5. Затем гипнотерапевт управляет предложением «холодной перчатки» для последующего сбора данных ЭЭГ/МРТ, которое снова происходит в соответствии с шагами 2.2-2.5. Во время предложения, гипнотерапевт неоднократно просит субъекта визуализировать их рука погружается в ванну с холодной водой, и представить себе, что их левая рука растет все холоднее от кончиков пальцев до запястья. Дифференциальные измерения термометрии регистрируются на протяжении всего этого блока.

Результаты

Рисунок 1 показывает спектр ЭЭГ власти в репрезентативном канале(рисунок 1a) в среднем более 1000 мсек в одном предмете во время оповещения бодрствования период, который предшествовал гипнотической индукции (Рисунок 1b). Следует отметить, что закономерности здесь следуют характерной обратной взаимосвязи между мощностью и частотой (f), с падением на 1/f. Рисунок 1c показывает спектр мощности, взятый из этого же предмета после гипнотической индукции и углубления техники. Затухание мощности можно увидеть в ЭЭГ тета и бета-подполосы, и общий участок больше не следует 1/ F. Рисунок 2 показывает нашу схему для МРТ совместимый датчик температуры, который использует LM34/LM35 датчики точной температуры в сочетании с устройством Arduino.

Рисунок 1. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) спектра питания в одном субъекте для репрезентативного электродного канала. (a) 255 канал ЭЭГ электрод массив с пространственным расположением выбора канала для анализа мощности отмечены синим(b) ЭЭГ спектра мощности до гипнотической индукции, и (с) спектр мощности в том же канале электрода после гипнотической индукции и углубления техники. Бар в верхнем, правом углу рисунка 1c указывает на легенду для каждого подраздея ЭЭГ с частотами: дельта (0,1-4 Гц), тета (4-8 Гц), альфа (8-12 Гц), бета (12-20 Гц) и гамма (частоты выше 20 Гц).

Рисунок 2. Схема МРТ совместима с дифференциальной конфигурацией датчика температуры. (выше) Дифференциальная схема термометрии,(ниже)обзор процесса измерения термометрии.

Обсуждение

Там, как представляется, широкая изменчивость в методы введения, используемые для индуцирования субъектов в состояние^{гипноза 1}. Мы демонстрируем здесь, что предложение для невольциального движения двигателя следуют SHSS, форма C, могут быть использованы для изменения спектра ЭЭГ власти. Мы отмечаем, что, хотя предмет, используемый в данном исследовании, был загипнотизирован в прошлом, не было никаких попыток, сделанных через Гарвардскую группу Suggestibility Scale или другой механизм, чтобы найти весьма восприимчивый предмет. Мы предполагаем, что величина изменений в диапазонах частот эЭГ, вероятно, варьируется в зависимости от уровня восприимчивости предмета, как было сообщено⁴.

Мы также продемонстрировали установку для измерения колебаний температуры рук, которые могут возникнуть во время одновременной сессии ЭЭГ/МРТ. Хотя субъекты могут в конечном итоге научиться выполнять изменения температуры рук без гипноза с помощью сигналов биологической обратной связи, это обычно занимает много учебных^{занятий 26}. Frischholz и Tryon^{26 были} неспособны воспроизвести связь между изменениями температуры рук и гипнотической глубины, используя парадигму предложения холодных перчаток, вопреки тому, о чем^{сообщили другие 27}. Для разрешения этой полемики необходима дополнительная работа. Тем не менее, метод измерения изменений температуры рук во время функционального нейровизуаляции сессии может оказаться полезным в оценке нейронных коррелирует гипнотического "холодная перчатка" предложение после гипнотической индукции.

Материалы

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