Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Vurdering af audio-taktil sensorisk substitutionstræning hos deltagere med dyb døvhed ved hjælp af den begivenhedsrelaterede potentielle teknik

Published: September 7, 2022 doi: 10.3791/64266
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1
1Instituto de Neurociencias, Universidad de Guadalajara, 2Universidad Michoacana de San Nicolás Hidalgo

Summary

Denne protokol er designet til at udforske underliggende læringsrelaterede elektrofysiologiske ændringer hos emner med dyb døvhed efter en kort træningsperiode i lydtaktil sensorisk substitution ved at anvende den begivenhedsrelaterede potentielle teknik.

Abstract

Dette papir undersøger anvendelsen af elektroencefalogrambaserede metoder til at vurdere virkningerne af audio-taktil substitutionstræning hos unge, dybt døve (PD) deltagere med det formål at analysere de neurale mekanismer forbundet med vibrotaktil kompleks lyddiskrimination. Elektrisk hjerneaktivitet afspejler dynamiske neurale ændringer, og den tidsmæssige præcision af begivenhedsrelaterede potentialer (ERP'er) har vist sig at være nøglen til at studere tidslåste processer, mens de udfører adfærdsmæssige opgaver, der involverer opmærksomhed og arbejdshukommelse.

Den nuværende protokol var designet til at studere elektrofysiologisk aktivitet hos PD-forsøgspersoner, mens de udførte en kontinuerlig præstationsopgave (CPT) ved hjælp af komplekse lydstimuli, der består af fem forskellige dyrelyde leveret gennem et bærbart stimulatorsystem, der bæres på højre pegefinger. Som et design med gentagne målinger blev elektroencefalogram (EEG) optagelser under standardbetingelser udført før og efter et kort træningsprogram (fem 1 timers sessioner over 15 dage) efterfulgt af offline artefaktkorrektion og epokegennemsnit for at opnå individuelle og grand-gennemsnitlige bølgeformer. Adfærdsmæssige resultater viser en signifikant forbedring i diskrimination og en mere robust P3-lignende centroparietal positiv bølgeform for målstimuli efter træning. I denne protokol bidrager ERP'er til den videre forståelse af læringsrelaterede neurale ændringer i PD-emner forbundet med lydtaktil diskrimination af komplekse lyde.

Introduction

Tidlig dyb døvhed er et sensorisk underskud, der stærkt påvirker oral sprogtilegnelse og opfattelsen af miljølyde, der spiller en væsentlig rolle i at navigere i hverdagen for dem med normal hørelse. En bevaret og funktionel auditiv sensorisk vej giver os mulighed for at høre fodspor, når nogen nærmer sig uden for synsvidde, reagere på modkørende trafik, ambulancesirener og sikkerhedsalarmer og reagere på vores eget navn, når nogen har brug for vores opmærksomhed. Audition er derfor en vigtig sans for tale, kommunikation, kognitiv udvikling og rettidig interaktion med miljøet, herunder opfattelsen af potentielle trusler i ens omgivelser. I årtier er levedygtigheden af audio-taktil substitution som en alternativ lydopfattelsesmetode med potentiale til at supplere og lette sprogudvikling hos alvorligt hørehæmmede personer blevet undersøgt med begrænsede resultater 1,2,3. Sensorisk substitution har til formål at give brugerne miljøoplysninger gennem en menneskelig sensorisk kanal, der er forskellig fra den, der normalt anvendes; det har vist sig at være muligt på tværs af forskellige sansesystemer 4,5. Specifikt opnås audio-taktil sensorisk substitution, når hudmekanoreceptorer kan transducere den fysiske energi af lydbølger, der komponerer auditiv information til neuronale excitationsmønstre, der kan opfattes og integreres med de somatosensoriske veje og højere ordens somatosensoriske kortikale områder6.

Flere undersøgelser har vist, at dybt døve individer kan skelne musikalsk klang udelukkende gennem vibrotaktil opfattelse7 og diskriminere mellem talere af samme køn ved hjælp af spektrale signaler af komplekse vibrotaktile stimuli8. Nyere resultater har vist, at døve individer konkret havde gavn af et kort, velstruktureret lydtaktilt perceptionstræningsprogram, da de signifikant forbedrede deres evne til at skelne mellem forskellige rentonefrekvenser9 og mellem rene toner med forskellig tidsmæssig varighed10. Disse eksperimenter brugte begivenhedsrelaterede potentialer (ERP'er), grafforbindelsesmetoder og kvantitative elektroencefalogram (EEG) målinger til at skildre og analysere funktionelle hjernemekanismer. Den neurale aktivitet, der er forbundet med diskrimination af komplekse miljølyde, er imidlertid ikke blevet undersøgt forud for dette papir.

ERP'er har vist sig nyttige til at studere tidslåste processer med utrolig tidsopløsning i størrelsesordenen millisekunder, mens de udfører adfærdsmæssige opgaver, der involverer opmærksomhedsallokering, arbejdshukommelse og svarvalg11. Som beskrevet af Luck, Woodman og Vogel12 er ERP'er i sig selv flerdimensionelle behandlingsforanstaltninger og er derfor velegnede til separat at måle delkomponenterne i kognition. I et ERP-eksperiment kan den kontinuerlige ERP-bølgeform, der fremkaldes ved præsentationen af en stimulus, bruges til direkte at observere neural aktivitet, der er indskudt mellem stimulus og adfærdsrespons. Andre fordele ved teknikken, såsom dens omkostningseffektivitet og ikke-invasive karakter, gør den til en perfekt pasform til at studere det præcise tidsforløb for kognitive processer i kliniske populationer. Desuden giver ERP-værktøjer, der anvendes i et gentaget måldesign, hvor patienters elektriske hjerneaktivitet registreres mere end én gang for at studere ændringer i elektrisk aktivitet efter et træningsprogram eller en intervention, yderligere indsigt i neurale ændringer over tid.

P3-komponenten, der er den mest omfattende undersøgte kognitive potentiale13, er i øjeblikket anerkendt for at reagere på alle former for stimuli, mest tilsyneladende på stimuli med lav sandsynlighed eller af høj intensitet eller betydning eller dem, der kræver noget adfærdsmæssigt eller kognitivt respons14. Denne komponent har også vist sig yderst nyttig til evaluering af generel kognitiv effektivitet i kliniske modeller15,16. En klar fordel ved at vurdere ændringer i P3-bølgeformen er, at det er et let observerbart neuralt respons på grund af dets større amplitude sammenlignet med andre mindre komponenter; Det har en karakteristisk centroparietal topografisk fordeling og er også relativt let at fremkalde ved hjælp af det passende eksperimentelle design17,18,19.

I denne sammenhæng er formålet med denne undersøgelse at undersøge de læringsrelaterede elektrofysiologiske ændringer hos patienter med dyb døvhed efter træning i en kort periode i vibrotaktil lyddiskrimination. Derudover anvendes ERP-værktøjer til at skildre den funktionelle hjernedynamik, der ligger til grund for det midlertidige engagement i de kognitive ressourcer, der kræves af opgaven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Undersøgelsen blev gennemgået og godkendt af Neuroscience Institute's Ethics Committee (ET062010-88, Universidad de Guadalajara), hvilket sikrede, at alle procedurer blev udført i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen. Alle deltagere accepterede at deltage frivilligt og gav skriftligt informeret samtykke (når de var mindreårige, underskrev forældre samtykkeformularer).

1. Eksperimentelt design

  1. Stimulus forberedelse
    1. Søg i Creative Commons licenserede lyddatabaser for at vælge et sæt dyrelyde i .wav format. Stimuli i denne undersøgelse bestod af fem forskellige dyrelyde: hundegøen, ko-mooing, hesteneighing, æselbraying og elefanttrompetering.
      BEMÆRK: De lydstimuli, der blev brugt her, blev tidligere udvalgt som en samling lyde til det vibrotaktile diskriminationstræningsprogram i vores tidligere undersøgelser 9,10.
    2. Rediger lydfilerne ved hjælp af en gratis open source-lydeditor for at standardisere intensiteten og længden af stimuli til 1500 ms. For denne protokol standardiseres lineært fra 0 til 8000 Hz med en forstærkning på 20 dB og ved et interval på 80 dB baseret på de parametre, der er fastlagt i de tidligere undersøgelser 9,10 ved hjælp af det samme vibrotaktile stimuleringssystem.
    3. Gem de formaterede lydfiler i et 32-bit float-format med en projekthastighed på 48.000 Hz.
  2. Paradigmeopsætning i elektrofysiologipræsentationssoftwaren
    1. Design en kontinuerlig præstationsopgave (CPT) ved hjælp af en eksperimentel design- og stimuluspræsentationssoftware, der tildeler stimuli til en af de to betingelser: (a) mål (T) stimulus (hund gøen i 20% af forsøgene) og (b) ikke-mål (NT) stimuli (de resterende fire dyrelyde for de andre 80%).
      BEMÆRK: Hver betingelse blev mærket med den samme kode for at synkronisere stimuluspræsentationsmærker ved programmering af EEG-protokollen i optagelsessoftwaren.
    2. Byg en pseudo-randomiseret stimulus-præsentation ved hjælp af softwareplatformen, hvor de fem dyrelyde (hund, ko, hest, æsel og elefant) hver præsenteres 20% af tiden. Kontroller, at målstimuleringen (hundegøen) aldrig forekommer mere end to gange i træk.
    3. Angiv det ønskede interstimulusinterval (ISI) og den samlede responstid, og vælg de responsnøgler, der skal bruges til automatisk at indsamle adfærdsdata for mål (T) stimuli-svar. Her blev en fast ISI-liste på 2000 ms til 150 forsøg og det korrekte svar på T-stimuli programmeret via venstre kontroltast på et standard computertastatur. Deltagerne fik et tidsvindue på 3500 ms for en adfærdsmæssig respons (startende ved stimuluspræsentation).

2. Valg af deltager

  1. Rekruttér potentielle deltagere med dyb bilateral sensorineural høretabsdiagnose, og indsaml demografiske data, herunder alder, køn, håndpræference og uddannelseshistorie.
  2. Gennemføre semistrukturerede kliniske interviews for at screene deltagere for personlig eller familiehistorie af psykiatrisk, neurologisk eller neurodegenerativ sygdom og for at indsamle oplysninger vedrørende døvhed klinisk historie: debutalder, ætiologi og brugshistorie for høreapparater samt deres foretrukne kommunikationstilstand (mundtlig, manuel eller tosproget).
  3. Udfør audiologiske tests (rentonede lufthøretærskler) ved hjælp af et audiometer for at bekræfte sværhedsgraden af høretab.
    1. I et lyddæmpet rum skal du sidde direkte foran deltageren og placere hovedtelefoner korrekt på dem.
    2. Bed deltagerne om at løfte deres dominerende hånd for at signalere, når de kan høre tonen blive præsenteret gennem hovedtelefonerne.
    3. Fra 20 dB til 110 dB intensitetsniveauer præsenterer en ren tone ved seks oktaver i følgende stigende rækkefølge: 250, 500, 1000, 2000, 4000 og 8000 Hz, startende med venstre øre og gentagelse af de samme trin for højre øre.
      1. Beregn patientens gennemsnit af ren tone (PTA) ved at beregne gennemsnittet af høretærsklerne ved 500, 1000, 2000 og 4000 Hz for hvert øre. Inklusionskriterierne for høretabets sværhedsgrad for undersøgelsen er et bilateralt rent tonegennemsnit (PTA) større end 90 dB.
      2. Vælg deltagere baseret på kriterierne for støtteberettigelse. Inklusionskriterier omfatter desuden ingen personlig eller familiehistorie af psykiatrisk, neurologisk eller neurodegenerativ sygdom og ikke-syndromisk, prælingual dyb bilateral døvhed. Indhent informeret samtykke og forklar de eksperimentelle procedurer for deltagerne.
        BEMÆRK: Alle formularer, spørgeskemaer og instruktioner, der blev brugt i undersøgelsen, blev oversat til mexicansk tegnsprog (MSL) af en professionel MSL-tolk og blev præsenteret i videoformat ved hjælp af en tabletcomputer. Derudover var der en MSL-tolk til stede under alle undersøgelsesprocedurer.

3. EEG-optagelsessession før træning

  1. Forberedelse af deltagere
    1. Kontroller, at deltagerne er kommet til optagelsessessionen med rent og tørt hår, uden at have brugt hårgel, balsam eller andre hårprodukter, der påvirker elektrodeimpedans.
    2. Bed deltagerne om at sidde i en behagelig position, ca. 60 cm væk fra stimulusskærmen, og brug tabletenheden til at afspille MSL-videoklippet med beskrivelsen af forberedelsesproceduren.
    3. Rengør de områder, hvor reference- og elektrooculogram (EOG) elektroder placeres (øreflipper, pande, ydre canthus, infraokulære orbitale kamme osv.). Tør først huden af med en spritserviet, og påfør derefter EEG-slibende preppinggel forsigtigt med en vatpind for at eksfoliere døde hudceller på overfladen.
    4. Fyld elektrodeguldkoppen med ledende elektrodepasta og læg en elektrode på hvert referencested, normalt på højre og venstre øreflipper eller mastoider. Gentag trinnene for at placere mindst en lodret EOG ved den ydre canthus og en vandret EOG ved den infraokulære orbitalryg for at overvåge oculomotorisk aktivitet (blink og saccades). Hold de enkelte elektroder på plads med et stykke 1 i mikroporebånd.
    5. Bed deltagerne om at holde armene lige vandret og derefter montere kropsselen tæt, men behageligt omkring brystet under armhulerne med snapsene midt på brystet.
    6. Placer EEG-kommerciel elektrohætte med 19 Ag / AgCl-elektroder (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz og Pz) topografisk arrangeret i henhold til det internationale 10-20-system. Brug et målebånd til at kontrollere deltagerens hovedomkreds for at sikre, at du bruger den korrekte hættestørrelse.
    7. Juster Cz-elektroden med næsen, og mål derefter afstanden fra nasion til inionen, så Cz-elektroden falder præcist i midten. Knap de justerbare stropper på siderne af hætten til kropsselen, så elektrohætten strammes fast.
    8. Placer den gelfyldte stumpnålsprøjte inde i elektroden, cirkler nålen for at fjerne hår, og slib derefter forsigtigt hovedbundsområdet under elektroden, inden du påfører den ledende gel. Anvend ikke for meget gel for at undgå elektrisk brobygning med tilstødende elektrodesteder.
    9. Lad EEG-ledende gel tørre ved kølig stuetemperatur.
  2. Opsætning af EEG-kontrolapparatet
    1. Kalibrer EEG-systemet i henhold til instrumentets instruktioner, og tilslut derefter elektrohætten til forstærkeren indstillet ved et båndpas på 0,05-30 Hz (3 dB afskæringspunkter på 6 dB / oktavrullekurver), et 60 Hz hakfilter og en 200 Hz samplinghastighed svarende til en 5 ms prøveudtagningsperiode.
    2. Kontroller, at impedansen er under 5 KΩ (for et lavimpedanssystem) på alle elektrodesteder, og kontroller på skærmen, at alle kanaler registrerer de elektriske signaler jævnt.
  3. Kørsel af den eksperimentelle opgave
    1. Placer deltageren foran computerskærmen, og placer tastaturet i en behagelig afstand.
    2. Tilslut kablet til den bærbare stimulatorenhed (se figur 1) til computerens højttalerudtag, og indstil højttalerlydstyrken til det maksimale intensitetsniveau.
    3. Juster det bærbare stimulatorsystem på deltagerens højre pegefingerspids og test.
    4. Brug tablet-enheden til at afspille eksperimentinstruktionerne og udføre et øvelsesforsøg for at gøre emnet bekendt med den bærbare stimulatorenhed, de lydtaktile stimuli og opgaven. Gentag MSL-instruktionerne, og bekræft forståelsen.
    5. Mind deltageren om at reagere på hundens gøstimulering ved kun at trykke på venstre kontroltast med venstre pegefinger ved detektion af målstimulering og at tilbageholde deres respons, når en af de andre fire dyrelyde opfattes. CPT-eksperimentelle paradigme er repræsenteret i figur 2.
    6. Giv klare instruktioner til, hvordan du minimerer artefakter og demonstrerer effekten af artefakter på EEG i realtid, før du begynder at optage (anbefales som en standardoptagelsesprocedure i forskning med kliniske populationer20).
    7. Før du starter CPT-opgaven, skal du kontrollere, at hændelsessynkroniseringen mellem den kognitive stimuleringscomputer og EEG-optagecomputeren fungerer korrekt. For at gøre det skal du begynde at optage EEG-signalet og klikke på kommunikationsikonet i stimuluspræsentationssoftwaregrænsefladen. Når du klikker, vises de begivenhedssynkroniserede impulser nederst på EEG-optagelsesskærmen.
    8. Kør den eksperimentelle opgave. Overhold omhyggeligt deltageren og overvåg årvågenhed, responsudførelse og overdreven bevægelse eller blink.
    9. Hold pause, og giv deltageren en kort pause midt i eksperimentet (4 minutter i eksperimentet) for at give dem mulighed for at blinke, slappe af og bevæge sig rundt, hvis det er nødvendigt. Afslut med at køre eksperimentet.

4. Audio-taktil sensorisk substitutionstræningsprogram

  1. Se supplerende fil 1, som indeholder en detaljeret beskrivelse af programmet med fem sessioner, for at udføre træningen. Automatiser de beskrevne aktiviteter ved hjælp af et regneark for at gøre træningen mere systematisk og engagerende for deltagerne. Brug originale billeder og lydoptagelser fra9 og bed deltagerne om at svare ved at trykke på en bærbar touchskærm.
    BEMÆRK: Indholdet og tabellerne i denne fil er blevet genoptrykt med tilladelse fra9.

5. EEG-optagelsessession efter træning

  1. Gentag nøjagtigt de samme trin som angivet i afsnit 3.

6. Analyse af EEG

BEMÆRK: EEG-anskaffelsestrinnene blev udført ved hjælp af EEG-optagelsessoftwaren, og EEG-behandlingstrinnene blev udført ved hjælp af en separat EEG-analysesoftware.

  1. Forbehandling af EEG-råsignal
    1. Definer og vælg epoker på 1100 ms i de kontinuerlige EEG-data uden brug af yderligere digitale filtre ved hjælp af stimulusstart som det indledende tidsmoment (t0) og inklusive en 100 ms forstimulus, der bruges til baselinekorrektion. Supplerende figur 1 illustrerer, hvordan de 1100 ms epoker blev udvalgt i henhold til EEG-analysens kommercielle software installeret i EEG-kontrolapparatet.
    2. Under artefaktafvisning skal du udelukke epoker af data på alle kanaler, når spændingen i en given optagelsesepoke overstiger 100 μV på enhver EEG- eller EOG-kanal. Afvis også artefakter ved visuel inspektion af epoker. Se supplerende figur 2, som giver et eksempel på epoker, der manuelt blev afvist på grund af okulære artefakter.
  2. Signal gennemsnit
    1. Vælg et lige antal artefaktfrie epoker for hver stimulustilstand (mål og ikke-mål) under både før- og efteruddannelsesforholdene. Vælg de maksimale epoker for at forbedre signal/støj-forholdet. Gør dette for hver EEG-post.
      BEMÆRK: I denne protokol valgte vi i gennemsnit 25 korrekte svarepoker pr. betingelse på hvert tidspunkt, da vi var interesserede i at evaluere måldiskrimination. Husk, at nogle ERP-komponenter ikke kræver åbenlyse adfærdsmæssige reaktioner, der skal overholdes. Deltagere med mindre end 15 artefaktfrie epoker i hver tilstand blev udelukket fra undersøgelsen.
    2. Klik på menuen Operationer , og vælg EEG-vinduets gennemsnitsmulighed for at beregne gennemsnittet af individuelle ERP'er.
    3. Vælg først indstillingen Uafhængigt gennemsnit for kun at beregne gennemsnittet af målforsøg. Vælg derefter de andre fire ikke-målstimuli og klik på Gennemsnitlig sammen mulighed for at gennemsnit.
    4. Gentag trin 6.2.2 og 6.2.3 for hver deltagers EEG-optagelse i førtræningstilstanden og derefter for tilstanden efter træning.
    5. Når alle de enkelte ERP'er er beregnet, skal du gennemsnit dem sammen for at opnå de store gennemsnitlige bølgeformer pr. stimulusbetingelse for præ- og efteruddannelse. Åbn et individuelt EP-gennemsnit, gå derefter til menuen Operationer , og vælg Grand-mean averaging mulighed. Vælg deltagerens individuelle gennemsnit, der skal medtages i gruppegennemsnittet.
    6. Vælg alle målgennemsnit før træning på rullelisten, klik derefter på knappen Gennemsnit , skriv det ønskede filnavn, og tryk på Returtasten for at gemme. Vælg derefter alle præ-træning ikke-målgennemsnit fra rullelisten, klik på Gennemsnit knappen, skriv det ønskede filnavn, og tryk igen på Retur nøgle for at gemme.
    7. Gentag de foregående trin for tilstanden efter træning.
  3. ERP visualisering og analyser
    1. Vælg menuen Operationer for at se listen over gemte store midler. Klik derefter på de gruppegennemsnit, du vil plotte. Klik derefter på Montage knappen for at vælge de kanaler, du vil plotte.
    2. Gå til menuen Funktioner , og klik derefter på Visualiser indstillinger for at vælge hver bølgeforms farve og linjebredde. Klik derefter på menuen Signal , marker afkrydsningsfeltet DC-korrektion , indtast det ønskede baseline-stimulusinterval, og tryk derefter på Retur-tasten .
    3. Kontroller omhyggeligt de plottede grand-mean bølgeformer for at identificere komponenterne af interesse og deres tilsvarende tidsvinduer.
      BEMÆRK: Til dette eksperiment vidste vi, at bølgeformerne på grund af opgavedesignet og de sensoriske veje, der blev undersøgt for P3, meget sandsynligt ville være en positiv komponent, der vises senere end 300 ms i centroparietalelektroder og med større spændingsamplituder i måltilstanden.
    4. Eksportér individuelle spidsamplitudeforsinkelser og spændinger, og importer derefter data i et regneark for at opbygge databasen. Udfør en analyse af varians med gentagne målinger (ANOVA) ved hjælp af en statistiksoftware.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For at illustrere, hvordan effekten af den audio-taktile sensoriske substitutionsdiskriminationstræning hos PD-individer kan vurderes ved at evaluere ændringer i P3 i en gruppe på 17 PD-individer (gennemsnitsalder = 18,5 år; SD = 7,2 år; otte kvinder og 11 mænd), skabte vi flere figurer til at skildre ERP-bølgeformerne. Resultaterne vist i ERP-plottene afslører ændringer i en P3-lignende centroparietal positiv bølgeform, som er mere robust for målstimuli efter træning. I prætræningstilstanden antyder ERP'er, at T- og NT-betingelserne ikke er så tydeligt skelnelige som i tilstanden efter træning. Derfor foreslås det, at træningsprogrammet med fem sessioner har indflydelse på det neurale respons, der er forbundet med forskelsbehandling af komplekse lydstimuli. Figur 3 viser de store gennemsnit før træning, og figur 4 viser de store gennemsnit efter træning, som viser de vigtigste resultater af denne undersøgelse. Figur 5 viser, hvordan disse ERP-bølgeformer ændres, når de afbildes ved hjælp af et digitalt lavpasfilter ved 5 Hz. Denne a posteriori filtrering reducerer støjen betydeligt, der primært introduceres af individuel variabilitet, samtidig med at de træningsrelaterede ændringer i P3-bølgeformerne af interesse for denne undersøgelse bevares.

Figure 1
Figur 1: Foto af det bærbare stimuleringssystem (til venstre) og demonstration af, hvordan det skal placeres på pegefingeren (til højre). Denne enhed består af en lille fleksibel plastmembran med et overfladeareal på 78,5 mm2 , der vibrerer som reaktion på lydtrykbølger via analog transmission, et langt analogt højttalerindgangskabel og en rød fastgørelsesstrimmel til justering til pegefingeren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Diagram over den kontinuerlige præstationsopgave (CPT). Spektralbillederne svarende til hver af de fem kategorier af stimulus vises (alle med en varighed på 1500 ms). Målstimuleringen (gøen) er mærket, og ISI -varigheden (inter-stimulus interval) er specificeret (2000 ms). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Grand-mean bølgeformer før træning og topografiske spændingsfordelingskort. Denne figur viser de ni fronto-centro-parietale elektroder (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz og P4) i 10-20 systemelektrodearrayet. Røde linjer svarer til målbetingelsen og sorte linjer til ikke-målbetingelsen. De farvede kort repræsenterer spændingsfordelingen i mikrovolt (μV) ved 620 millisekunder (ms). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Grand-mean bølgeformer efter træning og topografiske fordelingskort. Denne figur viser de ni fronto-centro-parietale elektroder (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz og P4) i 10-20 systemelektrodearrayet. Røde linjer svarer til målbetingelsen og sorte linjer til ikke-målbetingelsen. De farvede kort repræsenterer spændingsfordelingen i mikrovolt (μV) ved 620 millisekunder (ms). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Før træning (venstre) og efter træning (højre) filtrerede grand-mean bølgeformer og topografiske fordelingskort. Denne figur viser de tre midterlinjeelektroder (Fz, Cz og Pz) i 10-20-systemelektrodearrayet, efter at et off-line digitalt 5 Hz lavpasfilter blev påført. Blå linjer svarer til målbetingelsen og sorte linjer til betingelsen uden mål. De farvede kort repræsenterer spændingsfordelingen i mikrovolt (μV) ved 630 millisekunder (ms). Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende figur 1: Epokevalg i rå EEG-optagelse ved hjælp af analysesoftware. Dette skærmbillede viser en EEG-post med signalet fra 21 kanaler (19 aktive elektroder og 2 oculogramelektroder). Epoker på 1100 millisekunder (ms), der starter ved 100 ms før stimuluspræsentation, vælges i et aqua-rektangel. De tynde røde linjer nederst på skærmen er de synkroniserede stimuluspræsentationsimpulser indlejret i EEG-signalet. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur 2: Eksempler på manuelt afviste epoker, der viser okulære artefakter. Dette skærmbillede viser en EEG-post med signalet fra 21 kanaler (19 aktive elektroder og to oculogramelektroder). Epoker valgt i et magenta-rektangel er blevet manuelt afvist, fordi de indeholder okulære artefakter forårsaget af blinkende. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 1: Audio-taktil sensorisk substitutionstræningsprogram. En detaljeret beskrivelse af fem-sessionsprogrammet. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved hjælp af ERP-værktøjer designede vi en protokol til at observere og evaluere den gradvise udvikling af vibrotaktile diskriminationsfærdigheder til at skelne vibrotaktile repræsentationer af forskellige rene toner. Vores tidligere arbejde har vist, at vibrotaktil stimulering er en levedygtig alternativ lydopfattelsesmetode for dybt døve individer. På grund af kompleksiteten af naturlige lyde sammenlignet med rene toner berettiger potentialet for sproglyddiskrimination imidlertid en separat udforskning.

Som det første skridt i denne retning fokuserer den nuværende protokol på ERP-komponenternes spatiotemporale udseende for yderligere at forstå de læringsrelaterede neurale ændringer i PD-emner forbundet med lydtaktil diskrimination af komplekse lyde. Selvom der ikke er opnået en unik konsensus om P3's præcise funktionelle rolle i beslutningsprocessen, tyder vores resultater på, at P3 afspejler en fungerende hukommelsesstyret målidentifikationsmekanisme21, en type kategorisering, der kan ændres med praksis efter flere træningssessioner som en del af en målstyret læringsstrategi. De P3-bølgeformer, der observeres i dette eksperiment, er i overensstemmelse med forslaget om, at denne komponent kunne spore selve identifikationsprocessen snarere end at blive fremkaldt ved afslutningen af stimulusidentifikationen22. Både adfærdsmæssige og elektrofysiologiske resultater understøtter forestillingen om, at naturlige komplekse lyde, som dem, der anvendes i dette eksperiment, kan identificeres og skelnes gennem en vibrotaktil diskriminationsproces, når enkeltpersoner er passende uddannet. Imidlertid er flere begrænsninger blevet nøje overvejet, især den ideelle udvidelse af prøven. Det er velkendt, at den kliniske population, der er ramt af dyb døvhed, er heterogen. Mange variabler såsom ætiologi, grad af høretab, debutalder, forældres hørestatus, sprogeksponering, brug af høreapparater og uddannelsesmæssig baggrund er vanskelige at kontrollere, når man vælger en undersøgelsesprøve med et alvorligt auditivt underskud. Personer med ikke-syndromisk, prælingual dyb bilateral døvhed er en kompleks prøve at komme på tværs af. Vi interviewede 36 kandidater med kraftigt høretab, som var interesserede i at deltage i denne undersøgelse. Af dem opfyldte 23 inklusionskriterierne, og kun 17 gennemførte undersøgelsen (fem træningssessioner og præ- og post-EEG-optagelsessessioner) og havde tilstrækkelige artefaktfrie EEG-data, der kræves til ERP-gennemsnit. De fleste undersøgelser, der omfatter deltagere fra en klinisk population med dyb bilateral døvhed, har brede aldersgrupper og små heterogene prøver. Under eksperimentet blev der gjort alt for at skaffe en prøve så homogen som muligt.

En anden væsentlig metodologisk overvejelse i denne protokol er, hvorfor et gennemsnit på 25 epoker pr. betingelse (25 mål og 25 ikke-mål) blev brugt til at opnå de enkelte ERP-gennemsnit. Denne beslutning blev truffet, da det er nødvendigt at optimere antallet af forsøg, der indgår i et eksperiment, ved at afbalancere afvejningen mellem dataenes kvalitet og den tid og de ressourcer, der bruges på at indsamle dataene. Især når man arbejder med kliniske populationer, er der praktiske grænser for antallet af forsøg, der kan præsenteres i et enkelt eksperiment, da det er tilrådeligt at reducere den tid, deltagerne bruger i laboratoriet20. Deltagerne bliver trætte og urolige, hvis eksperimentet tager for lang tid, hvilket forårsager en stigning i støjniveauet i dataene og påvirker ydeevnen negativt på opgaven. Det er afgørende at erkende, at der er løbende kontroverser om, hvor mange forsøg der er nødvendige for at få betydelige ERP-effekter23, fordi det afhænger af flere faktorer såsom den pågældende ERP-komponent, antallet af optagelsessteder, signal-støj-forholdet og visse foranstaltninger såsom Cronbachs alfa (inden for acceptable parametre, når de er større end 0,6 eller 0,07). Flere kilder har anslået et passende antal forsøg, der kræves til stabile P300-bølgeformer, ved omkring 20 forsøg 24, 36 forsøg25, 40 til 50 forsøg 26 og endda op til 60 forsøg27. Mere specifikt konkluderede Rietdijk og kolleger28 i kognitive kontrolopgaver som Go-NoGo-paradigmet, at der var behov for mindst 14 forsøg for at opnå et internt konsistent skøn for P3 i denne type opgaver. Ovennævnte overvejelser blev taget i betragtning både for det eksperimentelle design og ERP-gennemsnitsteknikken, der er beskrevet i denne undersøgelse.

Alt i alt er begivenhedsrelaterede hjernepotentialer et pålideligt og almindeligt anvendt værktøj til at analysere de elektriske ændringer, der ligger til grund for hjernens funktion og adfærdsdynamik. En af de mest fremtrædende og vedvarende elektrofysiologiske ERP-reaktioner er P3-komponenten, som foreslås som en pålidelig indikator til evaluering af diskrimination af vibrotaktile stimuli på tværs af flere foreslåede metoder29. Det faktum, at ERP'er har høj intern konsistens og høj test-retest-pålidelighed, betyder, at de er en ideel teknik til at undersøge ændringer i hjerneaktivitet som følge af behandlingsintervention i gentagne målingsdesign. Det er dog også vigtigt at bemærke begrænsningerne ved denne ERP-teknik, hvor de små størrelser af visse ERP-komponenter kan tage mange forsøg for at garantere nøjagtige målinger, og ERP'ernes rumlige opløsning er meget dårligere end andre neuroimaging-teknikker. Som sådan er denne teknik bedre egnet til at forstå den tidsmæssige dynamik i neurofunktionel aktivering snarere end den nøjagtige lokalisering af denne aktivering.

På trods af disse metodologiske udfordringer er fornyet udforskning af neuroudviklingsudviklingen og tilslutningen af hjerneforskelle som følge af tidlig auditiv berøvelse en mulighed for at fremme forståelsen af sensorisk substitution og sprogtilegnelse, især når man henvender sig til yngre, dybt døve befolkninger. ERP-komponenter er fortsat nogle af de bedste værktøjer, der er tilgængelige for neurovidenskabere til at imødekomme denne udfordring og har endnu ikke givet resultater med vigtige fremtidige konsekvenser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Vi bekræfter, at der ikke er nogen kendte interessekonflikter forbundet med denne publikation, og der har ikke været nogen væsentlig økonomisk støtte til dette arbejde, der kunne have påvirket dets resultat.

Acknowledgments

Vi takker alle deltagerne og deres familier samt de institutioner, der gjorde dette arbejde muligt, især Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, AC og Preparatoria nr. 7. Vi takker også Sandra Márquez for hendes bidrag til dette projekt. Dette arbejde blev finansieret af GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594 og Neuroscience Institute (Universidad de Guadalajara, Mexico).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Audacity Audacity team audacityteam.org Free, open source, cross-platform audio editing software
Audiometer Resonance r17a
EEG analysis Software Neuronic , S.A.
EEG recording Software Neuronic , S.A.
Electro-Cap  Electro-cap International, Inc. E1-M Cap with 19 active electrodes, adjustable straps and chest harness. 
Electro-gel Electro-cap International, Inc.
External computer speakers
Freesound  Music technology group freesound.org Database of Creative Commons Licensed sounds
Hook and loop fastner Velcro
IBM SPSS (Statistical Package for th Social Sciences) IBM
Individual electrodes  Cadwell Gold Cup, 60 in
MEDICID-5 Neuronic, S.A. EEG recording equipment (includes amplifier and computer).
Nuprep Weaver and company ECG & EEG abrasive skin prepping gel
Portable computer with touch screen Dell
SEVITAC-D Centro Camac, Argentina. Patented by Luis Campos (2002). http://sevitac-d.com.ar/ Portable stimulator system is worn on the index-finger tip and it consists of a tiny flexible plastic membrane with a 78.5 mm2 surface area that vibrates in response to sound pressure waves via analog transmission. It has a sound frequency range from 10 Hz to 10 kHz. 
Stimulus presentation Software Mindtracer Neuronics, S.A.
Stimulation computer monitor and keyboard
Tablet computer Lenovo
Ten20 Conductive Neurodiagnostic Electrode paste weaver and company

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rothenberg, M., Richard, D. M. Encoding fundamental frequency into vibrotactile frequency. The Journal of the Acoustical Society of America. 66 (4), 1029-1038 (1979).
  2. Plant, G., Arne, R. The transmission of fundamental frequency variations via a single channel vibrotactile aid. Speech Transmission Laboratories Quarterly Progress Report. 24 (2-3), 61-84 (1983).
  3. Bernstein, L. E., Tucker, P. E., Auer, E. T. Potential perceptual bases for successful use of a vibrotactile speech perception aid. Scandinavian Journal of Psychology. 39 (3), 181-186 (1998).
  4. Bach-y-Rita, P., Kercel, S. W. Sensory substitution and the human-machine interface. Trends in Cognitive Sciences. 7 (12), 541-546 (2003).
  5. Bach-y-Rita, P. Tactile sensory substitution studies. Annals of New York Academy of Sciences. 1013 (1), 83-91 (2004).
  6. Kaczmarek, K. A., Webster, J. G., Bach-y-Rita, P., Tompkins, W. J. Electrotactile and vibrotactile displays for sensory substitution systems. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 38 (1), 1-16 (1991).
  7. Russo, F. A., Ammirante, P., Fels, D. I. Vibrotactile discrimination of musical timbre. Journal of Experimental Psychology Human Perception Performance. 38 (4), 822-826 (2012).
  8. Ammirante, P., Russo, F. A., Good, A., Fels, D. I. Feeling voices. PloS One. 8 (1), 369-377 (2013).
  9. González-Garrido, A. A., et al. Vibrotactile discrimination training affects brain connectivity in profoundly deaf individuals. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 28 (2017).
  10. Ruiz-Stovel, V. D., Gonzalez-Garrido, A. A., Gómez-Velázquez, F. R., Alvarado-Rodríguez, F. J., Gallardo-Moreno, G. B. Quantitative EEG measures in profoundly deaf and normal hearing individuals while performing a vibrotactile temporal discrimination task. International Journal of Psychophysiology. 166, 71-82 (2021).
  11. Polich, J. Updating P300: an integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
  12. Luck, S. J., Woodman, G. F., Vogel, E. K. Event-related potential studies of attention. Trends in Cognitive Sciences. 4 (11), 432-440 (2000).
  13. Kelly, S. P., O'Connell, R. G. The neural processes underlying perceptual decision making in humans: recent progress and future directions. Journal of Physiology-Paris. 109 (1-3), 27-37 (2015).
  14. Barry, R. J., et al. Components in the P300: Don't forget the Novelty P3. Psychophysiology. 57 (7), 13371 (2020).
  15. Polich, J. P300 clinical utility and control of variability. Journal of Clinical Neurophysiology. 15 (1), 14-33 (1998).
  16. Polich, J., Criado, J. R. Neuropsychology and neuropharmacology of P3a and P3b. International Journal of Psychophysiology. 60 (2), 172-185 (2006).
  17. Polich, J., Kok, A. Cognitive and biological determinants of P300: an integrative review. Biological Psychology. 41 (2), 103-146 (1995).
  18. Nieuwenhuis, S., Aston-Jones, G., Cohen, J. D. Decision making, the P3, and the locus coeruleus--norepinephrine system. Psychological Bulletin. 131 (4), 510 (2005).
  19. Luck, S. J. An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , MIT Press. (2014).
  20. Kappenman, E. S., Luck, S. J. Best practices for event-related potential research in clinical populations. Biological Psychiatry: Cognitive Neuroscience and Neuroimaging. 1 (2), 110-115 (2016).
  21. Rac-Lubashevsky, R., Kessler, Y. Revisiting the relationship between the P3b and working memory updating. Biological Psychology. 148, 107769 (2019).
  22. Twomey, D. M., Murphy, P. R., Kelly, S. P., O'Connell, R. G. The classic P300 encodes a build-to-threshold decision variable. European Journal of Neuroscience. 42 (1), 1636-1643 (2015).
  23. Boudewyn, M. A., Luck, S. J., Farrens, J. L., Kappenman, E. S. How many trials does it take to get a significant ERP effect? It depends. Psychophysiology. 55 (6), 13049 (2018).
  24. Cohen, J., Polich, J. On the number of trials needed for P300. International Journal ofPsychophysiology. 25 (3), 249-255 (1997).
  25. Duncan, C. C., et al. Event-related potentials in clinical research: guidelines for eliciting, recording, and quantifying mismatch negativity, P300, and N400. Clinical Neurophysiology. 120 (11), 1883-1908 (2009).
  26. Thigpen, N. N., Kappenman, E. S., Keil, A. Assessing the internal consistency of the event-related potential: An example analysis. Psychophysiology. 54 (1), 123-138 (2017).
  27. Huffmeijer, R., Bakermans-Kranenburg, M. J., Alink, L. R., Van IJzendoorn, M. H. Reliability of event-related potentials: the influence of number of trials and electrodes. Physiology & Behavior. 130, 13-22 (2014).
  28. Rietdijk, W. J., Franken, I. H., Thurik, A. R. Internal consistency of event-related potentials associated with cognitive control: N2/P3 and ERN/Pe. PloS One. 9 (7), 102672 (2014).
  29. Alsuradi, H., Park, W., Eid, M. EEG-based neurohaptics research: A literature review. IEEE Access. 8, 49313-49328 (2020).

Tags

Neurovidenskab udgave 187
Vurdering af audio-taktil sensorisk substitutionstræning hos deltagere med dyb døvhed ved hjælp af den begivenhedsrelaterede potentielle teknik
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ruiz-Stovel, V. D.,… More

Ruiz-Stovel, V. D., González-Garrido, A. A., Gómez-Velázquez, F. R., Gallardo-Moreno, G. B., Villuendas-González, E. R., Soto-Nava, C. A. Assessment of Audio-Tactile Sensory Substitution Training in Participants with Profound Deafness Using the Event-Related Potential Technique. J. Vis. Exp. (187), e64266, doi:10.3791/64266 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter