基于集成刺激-记录框架的自然触觉感知脑电数据集构建与应用分析

《Scientific Data》：Tactile-evoked EEG Dataset for Natural Perception Using an Integrated Stimulation-Recording Framework

本研究针对触觉诱发脑机接口（BCI）系统开发中自然触觉量化困难及数据集匮乏的瓶颈，开发了集成刺激-记录同步系统，采集10名健康受试者接触三种材质时的64通道脑电信号。通过事件相关电位（ERP）分析发现不同材质可诱发P300峰值潜伏期和振幅的显著差异，采用共空间模式（CSP）与支持向量机（SVM）组合模型实现三类触觉分类的准确率超随机水平（左/右手分别达54.17%±7.61%和52.50%±3.51%），为触觉神经机制研究和自然态BCI应用提供了高质量数据支撑。

　　

随着社会老龄化进程加剧，对辅助生活和医疗技术日益增长的需求推动着脑机接口（BCI）系统的创新。目前大多数BCI技术依赖于视觉和听觉刺激诱发的脑电信号，但这些方式容易引发疲劳且易受环境干扰。触觉作为人类探索外界和直接交互的基本感觉，在理解物体物理属性及相关认知过程中具有独特优势。然而，由于触觉感知的复杂性和量化困难，触觉诱发脑电信号的理论研究和基础探索仍处于起步阶段。

现有触觉BCI研究多集中于电刺激方式，对自然触觉体验如何影响脑电信号的关注有限。与人工电刺激不同，自然触觉刺激涉及皮肤与外界环境的物理接触，通过皮肤中的机械感受器引发神经生理响应。这一差距也限制了触觉BCI系统在实际应用中的实用性和患者接受度。尽管事件相关电位（ERP）中的P300成分已被证明可用于评估触觉 sensation，但在保持复杂生物力学交互和本体感觉反馈方面仍存在挑战，触觉属性分类研究也较为有限。

为解决这些问题，中国医学科学院生物医学工程研究所的研究团队在《Scientific Data》发表了题为"Tactile-evoked EEG Dataset for Natural Perception Using an Integrated Stimulation-Recording Framework"的研究论文。该研究开发了一套集成刺激-记录同步系统，能够在动态触觉体验过程中实现自然触觉感知，同时记录脑电响应。

研究人员采用定制异形滚筒装置，通过伺服电机控制三种触感差异明显的材料（人造皮革、人造毛皮和砂纸）依次被动接触受试者手掌。实验招募10名健康右利手男性参与者（20-26岁），使用64通道无线脑电设备以1000Hz采样率采集信号。实验设计包含左手和右手两个阶段，每阶段分为4个区块，每个区块包含54次试验，其中任务状态和休息状态各持续2秒。

关键技术方法包括：定制异形滚筒刺激装置实现三种材料的交替接触；64通道脑电记录系统（NeuSen W系列）确保信号高质量采集；基于事件相关电位（ERP）的P300成分分析，重点关注250-450ms时间窗内的峰值潜伏期和振幅；采用共空间模式（CSP）进行特征提取，结合支持向量机（SVM）进行分类模型构建；使用8折交叉验证评估三类触觉刺激的分类性能。

EEG结果显示，刺激类型对Cz通道（P=0.012，df=2,18）和CP2通道（P=0.0338，df=2,18）的P300峰值潜伏期有显著影响。在CP5通道（P=0.04，df=2,54）和CP6通道（P=0.011，df=2,54）观察到刺激手与刺激类型的显著交互作用。具体而言，左手刺激时人造皮革与砂纸在Cz通道（P=0.039，df=9）和CP2通道（P=0.031，df=9）存在显著差异；右手刺激时人造毛皮与砂纸在CP2通道有显著差异（P=0.011，df=9）。P300振幅分析表明，刺激类型对Cz通道振幅有显著影响（P=0.036，df=2,18），而C1通道存在刺激类型与刺激手的显著交互作用（P=0.004，df=2,18）。

分类结果表明，基于CSP/SVM的三类分类模型对左右手触觉刺激的整体识别准确率分别为54.167±7.607%和52.5±3.514%，配对t检验显示双手间无显著差异。混淆矩阵分析显示，砂纸刺激的识别准确率最高，其次是人造皮革，人造毛皮最低。这一结果可能与所有参与者均为右利手有关。

该研究通过构建高质量自然触觉诱发脑电数据集，证实了不同材质触觉刺激可诱发具有显著差异特征的脑电响应，为触觉神经机制研究提供了重要数据支持。集成刺激-记录框架的创新设计保证了触觉体验的自然真实性，被动触觉刺激模式有效减少了主动行为带来的主观影响。虽然样本群体限于健康右利手男性，限制了结果的普适性，但为后续研究提供了可靠基准。研究成果不仅推动了触觉BCI技术向自然交互场景的发展，也为辅助设备、健康监测等实际应用奠定了理论基础。数据集已通过Figshare平台公开，包含原始脑电信号和预处理代码，可供学术界进一步探索触觉相关神经机制和开发新型脑机接口应用。