論文題目：

Tactile estimation of hedonic and sensory properties during active touch: An electroencephalography study
中文翻譯：主動觸摸期間享樂和感知特性的觸覺估計(jì)：腦電圖研究

發(fā)表時(shí)間：2023年7月

發(fā)表網(wǎng)址：https://doi.org/10.1111/ejn.16101

 

摘要：

物理環(huán)境的感知判斷是由體感信息提供的。在現(xiàn)實(shí)世界的探索中，通常涉及接觸表面的動態(tài)手部運(yùn)動，稱為主動觸摸。目前的研究調(diào)查了主動觸摸過程中的皮層振蕩變化，來估計(jì)兩種紋理刺激的表面特性和喜愛偏好：光滑的絲綢和粗麻布。使用專用的觸摸傳感器量化了主動觸摸，并利用129通道高密度腦電圖中記錄了振蕩的大腦活動。通過在單個試驗(yàn)水平上融合這些數(shù)據(jù)流，在控制客觀觸摸參數(shù)（即摩擦）的同時(shí)檢查大腦內(nèi)的振蕩變化。時(shí)頻分析用于量化α（8-12 Hz）和β（16-24 Hz）頻段皮層振蕩活動的變化。結(jié)果表明，其中對粗糙紋理的積極探索增加了對側(cè)感覺運(yùn)動區(qū)域中與α波段事件相關(guān)的不同步。相對于大多數(shù)優(yōu)選紋理，不太優(yōu)選的紋理的偏愛處理導(dǎo)致顳頂β波段和額葉α波段事件相關(guān)不同步的增加，這表明高階大腦區(qū)域參與了喜愛程度的認(rèn)知處理。總體而言，目前的研究為主動觸摸期間紋理感知背后的神經(jīng)機(jī)制以及這一過程如何受到認(rèn)知任務(wù)的影響提供了新的見解。

背景

人類對體感輸入進(jìn)行編碼，以進(jìn)行感知判斷。紋理是一個重要的表面特征，通過手和手指上的無毛皮膚通過自由運(yùn)動來探索，以產(chǎn)生與表面的動態(tài)接觸，這種行為稱為主動觸摸。

本研究旨在研究在估計(jì)和無估計(jì)條件下對粗糙和光滑紋理進(jìn)行主動觸摸探索過程中的皮層振蕩變化。本研究試圖通過檢查兩個變量之間的相互作用來研究估計(jì)類型和紋理之間的潛在差異。

實(shí)驗(yàn)被試

招募了11名右撇子或靈巧的被試（18名男性，年齡在49-31歲之間）

實(shí)驗(yàn)程序

被試坐在光線昏暗的19英寸的法拉第籠子里。液晶顯示器在他們面前大約 1 m。觸覺探索任務(wù)和實(shí)踐試驗(yàn)使用 PsychoPy進(jìn)行。在觸覺感知任務(wù)期間記錄腦電圖和六軸傳感器數(shù)據(jù)。手臂支撐用于穩(wěn)定和支撐前臂，同時(shí)保持手在六軸傳感器上的位置。

實(shí)驗(yàn)刺激

刺激包括從先前研究中選擇的兩種紋理：粗麻布和絲綢（下圖 ）。刺激物的尺寸為150×255毫米，并使用雙面膠帶安裝到410×255毫米的紙樣品支架上。樣品以縱向安裝，Silk安裝在左側(cè)，Hessian安裝在右側(cè)，每側(cè)有40毫米的空間，樣品之間有30毫米的空間。隨后，將樣品支架連接到固定在霍普金森研究六軸傳感器上的 A3 尺寸（420 × 300 × 3 毫米）鋁復(fù)合板 （ACP），見下圖。

電子顯微鏡圖像在100×放大倍率下的紋理刺激
 

在任務(wù)中，被試用右手食指的遠(yuǎn)端指骨探索紋理。每項(xiàng)試驗(yàn)包括基線期（4秒），屏幕上的條件指示器（1秒）和觸覺探索（4秒），然后是感官和偏愛試驗(yàn)的估計(jì)反應(yīng)期。

喜愛或感官估計(jì)試驗(yàn)（a）和無估計(jì)試驗(yàn)（b)
 

六軸傳感器的設(shè)置

EEG腦電圖采集

使用129通道高密度網(wǎng)狀鹽水電極帽（Magstim EGI，英國）記錄連續(xù)的腦電圖數(shù)據(jù)。采樣率為1000 Hz，電極阻抗保持在50 k以下。使用六軸傳感器（上圖）以3 Hz的采樣率記錄手指觸摸作用在紋理樣本上的六個力和扭矩。XY平面中的手指位置和摩擦力以及沿Z軸的手指載荷是根據(jù)塊平均（1000 Hz）力和扭矩計(jì)算的。手指運(yùn)動的速度是通過確定不同時(shí)間點(diǎn)兩個位置之間的距離來計(jì)算的。

預(yù)處理

EEG預(yù)處理使用BESA v 6.1（MEGIS GmbH，德國）進(jìn)行。使用主成分分析去除眼睛眨眼和心電圖偽影（Berg&Scherg，1994）。使用1 Hz高通和100 Hz低通濾波器以及50 Hz±2 Hz陷波濾波器過濾數(shù)據(jù)。對是否存在任何運(yùn)動或肌肉偽影的數(shù)據(jù)進(jìn)行了目視檢查，受偽影影響的試驗(yàn)被排除在隨后的分析之外。

分析

使用同步的腦電圖和觸摸傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行與事件相關(guān)的時(shí)頻分析。數(shù)據(jù)被導(dǎo)入到MATLAB中的SPM12軟件包中。對分段數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校正（-4至-2秒）。EEG下采樣至256 Hz，并使用全腦平均方法重新參考。通過將EEG信號與一組復(fù)雜的Morlet小波進(jìn)行卷積來進(jìn)行時(shí)頻分析。小波 1 到 40 Hz 的頻率范圍，步長為 1 Hz，每個小波有 5 個周期（Cohen，2019 年）。獲得的功率譜通過對數(shù)比變換（−4至−2 s）重新縮放，產(chǎn)生基線歸一化ERSP。隨后，功率譜從0到4 s相對于刺激開始進(jìn)行取值，并在α（8-12 Hz）和β頻段（16-24 Hz）上取平均值，給出ERD/S值。

結(jié)果
主觀評分

每種紋理的平均主觀評級如下圖所示。2 × 4 方差分析表示紋理對舒適度評級的主效應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

條形圖顯示跨實(shí)驗(yàn)塊紋理刺激的平均主觀評級
 

阿爾法波段

在對側(cè)頂葉區(qū)域（對應(yīng)于左側(cè)感覺運(yùn)動區(qū)域）中發(fā)現(xiàn)了紋理的顯著主要影響，持續(xù)時(shí)間約為234ms，并在運(yùn)動開始后357和436 ms達(dá)到峰值，如圖所示

α波段中具有統(tǒng)計(jì)顯著性的聚類的標(biāo)準(zhǔn)頭皮圖
 

更多數(shù)據(jù)結(jié)果詳情介紹，請參考原文獻(xiàn)。
 

結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，積極探索紋理對振蕩大腦活動有不同的影響，粗糙的紋理會增加對側(cè)感覺運(yùn)動區(qū)域的阿爾法頻帶ERD。粗糙紋理的喜愛處理引起顳頂β帶和額葉α帶ERD增加，表明選擇性激活高階大腦區(qū)域以處理不太優(yōu)選的刺激。未來的研究將繼續(xù)探索主動觸摸過程中紋理感知的神經(jīng)機(jī)制及其通過不同刺激模式和認(rèn)知任務(wù)的調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

Henderson, J., Mari, T., Hewitt, D., Newton-Fenner, A., Hopkinson, A., Giesbrecht, T., Marshall, A., Stancak, A., & Fallon, N. (2023). Tactile estimation of hedonic and sensory properties during active touch: An electroencephalography study. European Journal of Neuroscience, 1–20. https://doi.org/10.1111/ejn.16101

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