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Methodenartikel

Somatosensorischen Ereignis-korrelierte Potenziale von Orofaziale Haut Stretch Stimulation

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DOI:

10.3791/53621

⸱

18. Dezember 2015

 ,  , 
1Haskins Laboratories, 2Speech and Cognition Department, Gipsa-lab, CNRS, 3Univ. Grenoble-Alpes, 4Department of Psychology, McGill University, 5School of Communication Science and Disorders, McGill University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellt eine Methode zur Gewinnung somatosensorischer Ereignis-korrelierter Potentiale nach orofazialer Hautdehnungsstimulation vor. Die derzeitige Methode kann verwendet werden, um den Beitrag somatosensorischer Afferenzen sowohl zur Sprachproduktion als auch zur Sprachwahrnehmung zu bewerten.

Zusammenfassung

Die kortikale Verarbeitung, die mit der orofazialen somatosensorischen Funktion in der Sprache verbunden ist, hat aufgrund der Schwierigkeit, eine präzise und kontrollierte Stimulation zu bieten, nur begrenzte experimentelle Aufmerksamkeit erhalten. In diesem Artikel wird eine Technik zur Aufzeichnung somatosensorischer ereigniskorrelierter Potentiale (ERP) vorgestellt, die eine neuartige mechanische Stimulationsmethode verwendet, bei der die Haut mit Hilfe eines Robotergeräts verformt wird. Die kontrollierte Verformung der Gesichtshaut wird genutzt, um kinästhetische Inputs durch Anregung der kutanen Mechanorezeptoren zu modulieren. Durch die Kombination von somatosensorischer Stimulation mit elektroenzephalographischer Aufzeichnung können somatosensorisch evozierte Reaktionen erfolgreich auf der Ebene des Kortex gemessen werden. Die somatosensorische Stimulation kann mit der Stimulation anderer sensorischer Modalitäten kombiniert werden, um multisensorische Interaktionen zu beurteilen. Bei Sprache wird die orofaziale Stimulation mit der Sprachklangstimulation kombiniert, um den Beitrag der multisensorischen Verarbeitung einschließlich der Auswirkungen von Zeitunterschieden zu bewerten. Die Fähigkeit, die orofaziale somatosensorische Stimulation während der Sprachwahrnehmung und -produktion mit ERP-Aufzeichnung präzise zu steuern, ist ein wichtiges Werkzeug, das neue Einblicke in die neuronale Organisation und die neuronalen Repräsentationen für Sprache ermöglicht.

Einleitung

Sprachproduktion hängt sowohl von auditiven und somatosensorischen Informationen. Die auditiven und somatosensorischen Feedback treten in Kombination von den ersten Laute von einem Säugling produziert und beide sind in der Rede motorischen Lernens beteiligt. Jüngste Ergebnisse deuten darauf hin, dass somatosensorische Prozesse tragen zur Wahrnehmung sowie Produktion. So klingt die Identifikation der Sprache verändert, wenn ein Roboter-Vorrichtung erstreckt sich die Gesichtshaut als Teilnehmer hören auf akustische Reize 1. Air Puffs an der Wange, die mit auditiven Sprachreizen überein verändern Wahrnehmungsurteile Teilnehmer 2.

Diese somatosensorischen Effekte beinhalten die Aktivierung von kutanen Mechanorezeptoren in Reaktion auf Hautverformung. Die Haut wird auf verschiedene Weisen während der Bewegung verformt und kutane Mechanoreceptoren führen bekanntlich zu kinästhetische Sinne 3,4 beizutragen. Der kinästhetische Rolle der kutanen Mechanorezeptoren ist demondurch die jüngsten Feststellungen 5-7, dass die Bewegung bedingte Hautstämme werden in geeigneter Weise, wie Beugung oder Streckung Bewegung je nach dem Muster der Haut Stretch 6 wahrgenommen strated. Im Laufe der Sprechmotorik Ausbildung, die die Wiederholung von bestimmten Sprachäußerung mit begleitender Gesichtshaut Dehnungs Rede ist, ändern Artikulationsmuster adaptiv 7. Diese Studien zeigen, dass die Modulation der Haut Stretch während der Aktion ist ein Verfahren zur Bewertung des Beitrags der kutanen Afferenzen auf die kinästhetische Funktion des sensomotorischen Systems.

Der kinästhetische Funktion der orofazialen kutanen Mechanorezeptoren wurde vor allem mit psychophysiologischen Methoden 7,8 und Mikroelektroden-Umkodierung von sensorischen Nerven 9,10 sucht. Hier konzentriert sich das aktuelle Protokoll auf der Kombination von orofazialen somatosensorischen Stimulation mit Gesichtshaut Verformung und ereignisbezogenen Potenzial (ERP) Aufnahme verbunden. Thist Vorgehensweise hat genaue experimentelle Kontrolle über die Richtung und den Zeitpunkt der Gesichtshaut Verformung mit Hilfe eines computergesteuerten Robotervorrichtung. Dies erlaubt uns, spezifische Hypothesen über die somatosensorischen Beitrag zur Sprachproduktion und Wahrnehmung durch selektive und präzise Verformungsgesichtshaut in einer Vielzahl von Orientierungen sowohl während der Rede motorischen Lernens zu testen und direkt bei der Sprachproduktion und Wahrnehmung. ERP Aufzeichnung werden zur nichtinvasiven Auswertung der zeitlichen Muster und Zeitpunkt der Einfluß der somatosensorischen Stimulation auf orofacial Verhaltensweisen. Das aktuelle Protokoll kann dann die neuronalen Korrelate der kinästhetische Funktion auszuwerten und zu bewerten den Beitrag des somatosensorischen Systems sowohl für Sprachverarbeitung, Sprachproduktion und Sprachwahrnehmung.

Um die Nützlichkeit der Anwendung von Hautdehnungs Stimulation ERP Aufnahme zeigen, konzentriert sich die folgende Protokoll auf der Wechselwirkung von somatosensorischen und auditive Eingabe in Rede perception. Die Ergebnisse zeigen eine potenzielle Methode zur somatosensorischen-auditive Interaktion in der Rede zu bewerten.

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Protokoll

Die aktuelle experimentelle Protokoll folgt den Richtlinien für ethisches Verhalten nach der Yale University Menschenuntersuchungsausschuss.

1. Electroenchephalopgaphy (EEG) Herstellung

  1. Messen Sie die Kopfgröße, um die entsprechende EEG-Haube zu bestimmen.
  2. Identifizieren Sie die Lage der Scheitelpunkt von der Suche nach der Mitte zwischen Nasion und Inion mit einem Maßband.
  3. Legen Sie die EEG-Haube auf dem Kopf mit dem vorher festgelegten Scheitelpunkt als Cz. Untersuchen Cz wieder, nachdem Sie den Deckel, indem Sie ein Maßband wie in 1.2 getan. Man beachte, daß das EEG Kappe ist mit Elektrodenhalterungen ausgestattet ist, und die Platzierung der Elektroden 64 (oder Halter) auf einem modifizierten 10-20-System mit im Voraus festgelegten Koordinatensystem mit Cz 11 basiert.
    Hinweis: Diese repräsentative Anwendung eine 64-Elektroden-Konfiguration, um die Kopfhaut Verteilung Änderungen und zur Quellenanalyse. Für einfachere Anwendungen (ereignisbezogene möglichen Veränderungen in der Amplitude und Latenz) using weniger Elektroden sind möglich. Es gibt zwei zusätzliche Elektroden zum Boden in der hier verwendeten EEG-System. Diese Elektrodenhalter werden auch in der Kappe enthalten.
  4. Bewerben Elektroden-Gel in den Elektrodenhalter mit einer Einwegspritze.
  5. Befestigen EEG-Elektroden (einschließlich Masseelektroden) in den Elektroden Halter passend zu den Markierungen der Elektroden und der Elektrodenhalter auf der Elektrodenkappe.
  6. Reinigen Sie die Oberfläche der Haut mit Alkohol-Pads.
    Anmerkung: Für Elektroden zum Erfassen Augenbewegung (elektro Okulographie) sind die Haut Stellen oberhalb und unterhalb des rechten Auges (vertikale Augenbewegung) und lateral von der äußeren Augenwinkel der beiden Augen (horizontale Augenbewegung); für somatosensorische Stimulation die Haut seitlich der Mundwinkel wird gereinigt.
  7. Füllen Sie die vier elektro Okulographie Elektroden mit der Elektroden-Gel und sichern Sie die Elektroden mit doppelseitigem Klebeband auf die Standorte in 1.6 festgestellt.
  8. Sichern Sie alle Elektrodenkabel mit einem Klettverschluss. Wenn required, kleben Sie die Kabel an Körper Teilnehmers oder die anderen Standorte, die keine zusätzliche elektrische oder mechanische Rauschen einführen.
  9. Positionieren Sie den Teilnehmer vor dem Monitor und den Roboter zur somatosensorischen Stimulation. Sichern Sie alle Elektrodenkabel wieder wie in 1.8.
  10. Schließen Sie das EEG und elektro Okulographie Elektroden (einschließlich der Masseelektroden) in die entsprechenden Verbindungsstücke (passenden Etikett und connecter Form) am Verstärker Feld des EEG-Systems.
  11. Überprüfen Sie, dass die EEG-Signale artefaktfreie und dass der Offset-Wert in einem akzeptablen Bereich (<50 & mgr; V oder kleiner) ist sind. Wenn verrauschte Signale oder große Offsets, die normalerweise anzeigt hochohmig sind gefunden werden, diese richtige Elektrodensignale durch Hinzufügen zusätzlicher EEG-Gel und / oder Neupositionierung Haare, die direkt unter der Elektrode.
  12. Legen Sie die EEG-kompatible Kopfhörer und bestätigen, dass der Schallpegel in einem angenehmen Bereich basierend auf Thema Bericht.
2. Somatosensorischen Stimulation

Hinweis: Die aktuelle Protokoll gilt Gesichtshaut Dehnungs zum Zwecke der somatosensorische Stimulation. Der Versuchsaufbau mit der EEG-System ist in Figur 1 dargestellt ist. Die Einzelheiten der somatosensorischen Stimulationsvorrichtung sind in den früheren Studien 1,7,12-14 beschrieben. Kurz gesagt, werden zwei kleine Plastiklaschen (2 cm breite und 3 cm Höhe) mit doppelseitigem Klebeband auf die Gesichtshaut befestigt. Die Registerkarten werden in der Robotereinrichtung verbunden mit String. Der Roboter generiert systematische Hautdehnungsbelastungen nach experimentellen Designs. Das Setup-Protokoll für die ERP-Aufnahme ist wie folgt:

  1. Legen Sie den Kopf des Teilnehmers in der Kopfstütze, um die Kopfbewegung während der Stimulation zu minimieren. Entfernen Sie vorsichtig die Elektrodenkabel zwischen Kopf und Kopfstütze des Teilnehmers.
  2. Bitten Sie die Teilnehmer, um den Sicherheitsschalter für den Roboter zu halten.
  3. Befestigen Sie den Kunststofflaschendie Zielhautstelle mit doppelseitigem Klebeband für somatosensorische Stimulation. Für die repräsentative Ergebnisse 12,13, bei dem das Ziel ist die Haut lateral der Mundwinkel, mit der Mitte der Laschen an der Schneckenachse, wenige mm seitlich der Mundwinkel in der Mitte der Laschen etwa in der gleichen Höhe der Mundwinkel.
  4. Einstellen der Konfiguration der Schnur, Bindfaden Stützen und des Roboters, um EEG-Elektroden und Leitungen zu vermeiden.
  5. Geben Sie einige Gesichtshaut Strecken (ein Zyklus Sinuskurve bei 3 Hz mit einer maximalen Kraft von 4 N), um Artefakte zu überprüfen aufgrund der Stimulation (in der Regel als relativ große Amplitude und niedrigere Frequenz beobachtet, verglichen mit der elektrophysiologischen Antwort). Wenn Artefakte in den EEG-Signale beobachtet, gehen Sie zurück auf 2,4.

3. ERP-Recording

  1. Erläutern Sie die experimentelle Aufgabe, das Thema und bieten Praxis-Studien (ein Block = 10 Studien oder weniger), um zu bestätigen, wenn das Thema understands die Aufgabe klar.
    Hinweis: Die experimentelle Aufgabe und Reizdarbietung für ERP Aufnahme sind vorprogrammiert in Software für die Reizdarbietung.
    1. In der repräsentativen Test mit kombinierten somatosensorischen und auditive Stimulation 12, gelten die somatosensorische Stimulation mit Hautverformung in die Mundwinkel zugeordnet ist, um die Haut lateral. Das Muster der Strecke ist ein ein Zyklus Sinuskurve (3 Hz) mit einer maximalen Kraft von 4 N. Eine einzelne synthetisierte Sprachäußerung, die auf halber Strecke befindet sich in einem 10-Schritt-Sound Kontinuum zwischen "Kopf" und "war" ist für Gehörstimulation eingesetzt.
    2. Präsentieren sowohl Stimulationen einzeln oder in Kombination. In der kombinierten Stimulation, Test drei Einsetzen Zeiten (90 ms Blei und Verzögerung, und gleichzeitiges in somatosensorischen und auditive Onsets: siehe 3A).
    3. Randomize die Präsentation von fünf Stimulierungen (somatosensorische allein, auditive allein und drei kombinierten:. Blei, simult und lag). Variieren Sie die inter-trial-Intervall zwischen 1000 und 2000 ms, um die Vorfreude und Gewöhnung zu vermeiden. Die experimentelle Aufgabe ist es, durch Drücken einer Taste auf einer Tastatur zu identifizieren, ob die vorgelegten Sprachklang, die der Ton, der akustisch in der Mitte zwischen "Kopf" ist und "musste", war "Kopf". In der somatosensorischen allein Zustand, in dem es keine Hörstimulation, die Teilnehmer sind angewiesen, nicht "Kopf" zu beantworten.
    4. Rekordteilnehmer Urteilen und die Reaktionszeit vom Beginn des Stimulus an den Tastendruck mit der Software für die Reizdarbietung. Bitten Sie die Teilnehmer, um einen Befestigungspunkt auf dem Bildschirm, um Artefakte aufgrund von Augenbewegungen zu reduzieren bestaunen.
    5. Entfernen Sie den Befestigungspunkt alle 10 Stimulationen für einen Kurzurlaub. (Siehe auch die anderen Beispiel der Aufgabe und Reizdarbietung 12,13)
  2. Starten Sie die Software für ERP Aufnahme bei 512 HzProbenahme, die auch zeichnet die Anfangszeit der Stimulation in der Timeline von ERP-Daten. Beachten Sie, dass die Zeitstempel der Stimulation, die auch die Information über die Art der Stimulation, werden für jeden Stimulus von der Software für die Stimuluspräsentation gesendet. Die beiden Programme (ERP Aufnahme und für die Reizdarbietung) auf zwei getrennten PCs, die über einen Parallelanschluss verbunden sind aktiv.
  3. Legen Sie die Software für den somatosensorischen Stimulation auf den Trigger-Wartemodus und starten Sie dann Reizdarbietung durch die Aktivierung der Software für die Reizdarbietung. Beachten Sie, dass die Software für den somatosensorischen Stimulation auch auf einem separaten PC laufen von den beiden anderen PCs. Nehmen Sie 100 ERPs pro Bedingung.
    Hinweis: Ein Triggersignal für den somatosensorischen Stimulation über eine analoge Eingabevorrichtung, die an ein digitales Ausgabegerät im PC für sensorische Stimulation verbunden wird empfangen. Einzel somatosensorischen Stimulation pro Trigger produziert.

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Ergebnisse

Dieser Abschnitt stellt repräsentative Ereignis-korrelierte Potenziale in Reaktion auf somatosensorische Stimulation von Gesichtshaut Verformung resultieren. Der experimentelle Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. Sinusoidal Stimulierung wurde auf die Gesichtshaut seitlich der Mundwinkel (siehe 3A als Referenz) aufgetragen. Einhundert Dehnungsversuche wurden für jeden Teilnehmer mit 12 Teilnehmern in insgesamt getestet aufgezeichnet. N...

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Diskussion

Die hier ausgewiesenen Studien belegen, die präzise gesteuert somatosensorischen Stimulation, die durch die Gesichtshaut Verformung erzeugt wird, induziert kortikalen ERPs. Kutanen Afferenzen werden als eine reiche Quelle von kinästhetische Informations 3,4 in der menschlichen Bewegung des Körpers 5,6 und Sprachbewegung 7,8,21 bekannt. Dehnen der Gesichtshaut in der Weise, dass die tatsächliche Bewegungsrichtung während des Sprechens reflektiert induziert eine kinästhetische Sinne ähnlic...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom National Institute on Taubheit und andere Communication Disorders Grants R21DC013915 und R01DC012502, die Natur- und Ingenieurwissenschaften Research Council of Canada und der Europäische Forschungsrat des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Gemeinschaft (FP7 / 2007-2013 Finanzhilfevereinbarung Nr 339.152 unterstützt. ).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
EEG-AufzeichnungssystemBiosemiActiveTwo
Roboterdecice zur HautdehnungGeomagicPhantom Premium 1.0
EEG-kompatible KopfhörerEtymotische ForschungER3A
Software für visuelle und auditive StimulationNeurobehavioral SystemsPräsentation
ElektrodengelParker Laboratories, INCSigna Gel
Doppelseitiges Klebeband3M1522
EinwegspritzeMonoject412 Gebogene Spitze
Analoges EingabegerätNationale Instrumente PCI-6036E
Degitales AusgabegerätMesstechnikUSB-1208FS

Referenzen

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Schlagwörter

EEG AufzeichnungRobotische StimulationGesichtshautdeformationSprachwahrnehmungMultisensorische IntegrationKortikale VerarbeitungElektrophysiologische AufzeichnungMechanorezeptor Aktivierung
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