ヒト対象における振動検出しきい値と触覚空間視力の測定

サマリー

ここでは、プロトコルは、ヒトにおける心理物理学的方法を用いて、振動検出閾値と触覚視力を決定するために提示します。

要約

振動と格子の向きに対する心理物理学的閾値の正確な決定を可能にするテストは、臨床診断や基礎研究に関連する機械感覚機能に関する貴重な情報を提供します。ここでは、振動検出閾値(自動システム)と触覚空間視力(ハンドヘルドデバイス)を決定するために設計された2つの心理物理学的テストについて説明します。どちらの手順も、2 区間の強制選択と変換ルールの上下の実験パラダイムを実装します。これらのテストは、双子や感音難聴の人など、異なる人間のコホートの個人の機械感覚プロファイルを取得するために使用されています。

概要

皮膚の特殊な機械感覚受容体は、振動と耳障りな向きの知覚を媒介します。各機械感覚受容体タイプは、触覚刺激^1,2の異なる特徴を検出するように調整されています。この特性は、単純な正弦波振動(振動)または微細な格子を提供するテストを使用して、機械感覚機能の差別化された評価のための心理物理学的基礎を提供します。振動知覚の心理物理学的閾値は、低周波振動よりも高周波振動の方が低いことが知られている^3,4。マイスナー小体とパチニ小体に関連する2種類の急速に適応する機械受容器は、主に低周波(10-40Hz)と高周波(100-200Hz)の振動刺激をそれぞれ検出します⁵。振動知覚の心理物理学的閾値は、これら2組の機械受容器の最高の周波数での活性化にかなりの程度依存していると考えられている^6,7。触覚空間の鋭敏さは、グレーティングオリエンテーションタスクによってテストされ、被験者^7〜9がオリエンテーションを識別できる最も細かいグレーティングを決定します。メルケル細胞-神経突起複合体求心性神経は、格子配向の検出に不可欠^{である8,10}。興味深いことに、機械受容器が極端に小さな触覚刺激をどのように検出するかという分子基盤の理解には、最近かなりの進歩があった¹¹。Piezo2のような機械感受性イオンチャネルやSTOML3のようなモジュレーターは、タッチ受容体^12-15の微細な触覚刺激の検出に直接関与している。Piezo2遺伝子の機能変化変異を有するヒト患者はすでに特定されており、そのような患者が触覚欠損を有するかどうかをテストすることが重要になる¹⁶。

振動触覚閾値の決定は、皮膚への振動刺激の伝達に依存しています。振動検出のしきい値は、振動周波数によって異なります。振動周波数から検出閾値曲線までは、1930年代から1990年代にかけて、von Bekesey、Verillo、Bolanowskiなど、多くの人によって記述されました^5,17。初期のデバイスはシェーカーとパワーアンプに基づいており、いくつかのデバイスが商品化されており、刺激装置の選択(テスト周波数)、皮膚に接触するプローブの直径、刺激を皮膚の1つの領域に制限するためのサラウンドの使用など、多くのバリエーションがあります。 しきい値を決定するテストプロトコル(デバイスとテスト機能の詳細については、次のリファレンスを参照してください)^18-20。ほとんどのデバイスは通常、1つのサイトをテストします。しかし、2つのプローブを備えた垂直変位刺激装置を使用して、変化可能な分離範囲²¹の振動刺激を提供する新しいデバイスがあります。また、検出閾値は、振動周波数または連続刺激による強度識別に基づいて測定されます。または、マスキング刺激の有無にかかわらず、断続的な振動刺激を伴う。したがって、読者はこの分野の多くの開発を認識しておくことをお勧めします。

ここでは、デバイスのコンポーネントと、人間の被験者の振動検出閾値を推定するための心理物理学的テストの実施方法についてのステップバイステップのガイドについて説明します。次に、触覚覚キューブを使用して触覚視力を手動で評価する方法を示します。私たちは2つのインターバル、強制選択のパラダイムを使用します:刺激は常に2つのインターバルのうちの1つで提示され、被験者はどちらのインターバルが振動刺激を持っているかを示さなければなりません。適応法として、テスト中のパフォーマンスに基づいて刺激強度を変更することによりしきい値検索を実行する適応方法として、変換ルールの上下を使用します。どちらの心理物理学的プロトコルも、研究者は接触感度の変化を評価するためのスクリーニングツールとして使用できます。

プロトコル

試験プロトコルはシャリテ-Universitätsmedizin倫理委員会によって承認されました。

1.振動検出しきい値（VDT）

1. デバイスとテストプロトコルアセンブリ - 事前テスト
   1. 図1（a）に係る装置の構成部品を組み立てます。テーブルの上に滑らかな表面のボード（40センチメートル×80センチ）を配置します。ボード上の黄銅棒を置きます。
   2. コントローラ部に圧電アクチュエータ（振動刺激）を接続します。
   3. 応答ボックスとモニタ装置は、データ収集システム（補足コードファイルを参照してください）​​に接続します。
   4. コンピュータ（またはラップトップ）にデータ収集システムを接続し、アクチュエータ制御ユニットをピエゾします。
   5. （プローブの詳細はマテリアルを参照）の圧電アクチュエータの可動部にカスタムメイドの刺激プローブをねじ込みます。
   6. バランスのとれた黄銅棒上のプローブを用いて圧電アクチュエータをマウントします。
2. 試験プロトコル
   1. スクリプトの2区間強制選択の形質転換ルールを上に実装し、方法ダウン試験プロトコル。スクリプトの概要のための補足コードファイルを参照してください。
   2. 特性を正弦波として振動刺激の波形を構築し、刺激持続時間を指定し、立ち上がりおよび立ち下がり。
      1. オープンソフトウェア（ 例えば 、LabChart）。セットアップ>刺激を選択します。
      2. カスタム波形を選択して、刺激のオプションを設定します。各区間（STIM1及びSTIM2）に関連する2刺激波形を作成します。
         注：1.8秒の正弦波に続いて4秒の遅延、および1.8秒（無刺激）の遅延：波形STIM1は、3つの部分から構成されています。波形stimの2は3つの部分から構成されている：4秒の遅延は、1.8秒（無刺激）の遅延に続いて、1.8秒の正弦波で。
      3. 正弦波形の場合は、周波数と振幅のための新しい変数パラメータを作成。 MODIFyの立ち上がりと立ち下がりに以下の機能を入力することにより、正弦波関数。
         （1-E ^-bt）∙振幅∙正弦（周波数）、B = 9.1：波形を上昇
         （E ^-bt）∙振幅∙正弦（周波数）、B = 9.1：波形秋
      4. ラボチャートのデータパネルで、振動刺激の35振幅強度（またはレベル）に関連する35の電圧出力のセットを作成します。 表1を参照してください。
   3. （補足コードファイルのセクションを参照）試験手順のためのマクロスクリプトでテストした振動周波数に対する振動刺激の開始/デフォルトの振幅を設定します。
3. 調製と被験者のトレーニング - テストセッション
   1. 試験手順について被験者に通知し、それらは、書面による同意書に署名しています。匿名性を確保し、データ保護の要件を満たすために、各参加者に番号を割り当てます。
   2. 快適に被験者を着座20〜30℃の間の温度で、静かな部屋インチ被験者が試験中に期待することを知っているように、シンプルかつ明確な方法でテストについてのそれらに指示します。
   3. ボード上の被験者の腕を置きます。パッドの動きを最小限に抑えるために、医療生地と小指。ちょうど爪床の下にテストした手の小指にプローブを配置するために、ボード上の黄銅棒を置きます。プローブと皮膚との間の適切な接触を確保し、水位を使用して水平位置にプローブの位置を調整します。円形フラットプローブの縁で皮膚の接触を避けます。
      注：これは、プローブの平らな面が皮膚表面に30グラム（0.3 N）の周りに適用されることを保証します。シャープエッジが低下検出しきい値につながることができます。黄銅棒の重い質量は、デバイスに周囲から邪魔振動の伝達を防止し、適用される正弦波の損失を最小限に抑えることができます。
   4. 試験の前に、参加者を得ますセットアップに慣れsです。被験者は実験手順が理解されていることを確認するために、振動を感知するまで試験周波数に依存して、本両方の簡単（レベル23）とハード（レベル7）は、振幅を変化させることにより、振動刺激を知覚します。
   5. 必要に応じて試験プロトコルの開始時に被験者が容易に刺激を検出できるように、（1.2.3を参照）選択された周波数で開始します（デフォルト）の振幅をリセットします。
   6. 試験中に対象と審査官の間の相互作用を最小限に抑えます。
   7. アップダウン適応法²²で2-の代替強制選択手順を使用するスクリプトを実行してテストを開始します。
      注：1.3.7-1.3.12中のアクションは、プログラムスクリプトによって自動化されています。
   8. 各試験では、無作為に視覚的にモニター（ 図1B）の画面上の「1」と「2」として被験者に示されている2つの間隔の間に振動刺激を管理します。被験体は、第1又は第2のシーケンシャルな間隔は、2つのボタン「1」または応答ボックスに「2」のいずれかを押すことにより、振動刺激が含まれている場合を示しています。刺激が提示されたとき、彼または彼女がわからない場合には、被験者が推測してみましょう。
      注：強制選択技術は、被験者が振動を知覚されない場合であっても応答することが必要です。
   9. 9単一試行の最大6で構成されて裁判シリーズでは、少なくとも6回連続して1つの振幅レベルで同じ振動刺激を繰り返します。応答がすべて正しい場合は、その後の裁判シリーズの刺激強度レベル（ダウンルール）を低減。
   10. 被験者が裁判シリーズにエラーをした場合、適応方法（スクリプト内の論理演算子）の決定ルールに基づいて、同じ刺激​​強度に対象をより多くの試練を付与します。 2未満で正しく刺激が正しく、少なくとも5試験で識別された場合に刺激強度を低減し、トライアル。
   11. 被験者が裁判シリーズの2間違った回答をした場合、刺激レベルを上げ、または、複数の不正な応答と5未満の正解。
   12. 反転点と刺激強度の方向の変化を文書化します。反転ポイント数に応じて刺激強度を変更：4の強度レベルによって、第三の反転点の前に。 3 ^番目の反転点で2強度レベルによって、 1レベルによって、他（詳細は補足コードファイルと図4Bを参照してください）。
   13. 被験者は8逆転の合計を完了したときにテストを終了します。
   14. 最後の6逆転の刺激振幅値の中央値を取ることによって、VDTを計算します。

2.触覚空間視力テスト

1. 触覚視力キューブ（TAC）を使用して、2-の代替強制選択格子方位テストと触覚視力を決定します。 TACは、それぞれが含有する6面で構成されていますその幅が0.75ミリメートル、1.25ミリメートル、1.75ミリメートル、3.0ミリメートル、4.5ミリメートル、および6.0ミリメートルである回折格子（バーと溝）。
2. 20〜30°Cとタスクの指示の間の温度で、静かな部屋でシート科目。
3. 実験中、シールド眼鏡を使用して、被験者を目隠し。掌面を上に向けてテーブルの上に利き手を置きます。
4. 各試行では、2格子の向きの一方に指パッドにTACを適用：垂直（平行な方向）または水平方向（横方向）の指の長軸に整列されます。ランダムに各試行のための格子の向きの順序を選択します。
5. キューブは、指（233グラム）に、その全体の重量を発揮するように人差し指の指腹に2秒間TACの格子を適用します。指腹にTACを押すことは避けてください。
6. キューブは、その指から削除される前に整列の向きを決定するために被験者を確認して下さい。
7. 参加者のf iの動きを避けますそれは向きに手がかりを提供するかもしれないので、nger。実験者は、指が移動したことを検知した場合に裁判を破棄します。
   注：小さな指の動きが手順で実験者によって検出されない可能性があることに注意してください。
8. 階段のアルゴリズムで2ダウンと1アップ適応方式を採用。
9. 最大の格子、6.0ミリメートルで始まります。
10. オリエンテーション（正しい応答）の2正しい識別した後、回折格子の幅を減少させます。
11. 次の、小さい幅をテストし、被験者が誤った応答を行い、反転点として格子幅を文書化するまで、ステッピングルールを続行します。
12. 幅の2つの向きが正しく再び決定されるまで、再び格子幅を段階的に増やします。
13. 13逆転の完了後にテストを終了します。
14. 最後の10逆転の格子幅の中央値をとることによって、触覚格子の向きのしきい値を計算します。

結果

圧電アクチュエータは、被験体に振動刺激を提供します。振動刺激は、1.8秒の全持続時間を有し、第一または第二の間隔（ 図2A）の間の試験中に一度だけ提示されています。立ち上がり開始時に立ち下がり時間と刺激のオフセットは、それぞれ（1-E ^-bt）∙振幅∙正弦（周波数）、および（e ^-bt）∙振幅∙正弦（周波数）、ここで、関数によって決定されますbが9.1に設定されています。立ち上がり開始時に立ち下がり時間とオフセットはそれぞれ、500および600ミリ秒であり、テスト周波数と振幅とは無関係です。発症の間の位相オフセット刺激の持続時間は700ミリ秒です。緩やかな立ち上がりと立ち下がりが滑らかな刺激の配信を保証します。

それらが異なる戦争によって媒介されるので、振動検出閾値は、刺激周波数に依存しますRY受容体。人間の心理物理同調曲線によると、閾値は、〜20 nmまで〜45μmの

ディスカッション

VDTを評価するために使用される技術は、装置の仕様、ハードウェア、及び試験プロトコルに関して異なります。国際標準化機構は、振動計のさまざまなコンポーネントのための勧告（ISO 13091から1および2 ^26,27）を含む振動触覚閾値を分析し、解釈するための方法と手順を指定する記載の試験システムは、試験周波数範囲に関連するISO勧告に遵守してい（4-125 Hz）で、メソッド、プローブサイズ（アップダウン階段と強制選択のバリアント）（滑らかな平面と円形縁取り）、および室温でのテスト。セットアップは、プローブの位置との変位を決定するセンサーを装備することができ、必要に応じて振動刺激を単離することをしっかりサラウンドを装備することができます。

次の特性で説明したデバイスのうその利点：コンポーネントの可用性と容易に組み立てます。調整可能な周波数範囲1から500ヘルツ。広い振幅範囲（5 NM-90μmの変位）。複数のプローブの大きさ、振動刺激の大きさと持続時間のプログラマビリティ。そして、様々な適応方法と心理物理試験プロトコルへの汎用性。ポータブルシステムは^...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ピエゾアクチュエータ	Physik Instrument, Germany	P-602.1L	位置センサとモーションアンプを内蔵したリニア圧電アクチュエータは、電圧が印加されると伸び縮みするピエゾセラミック材料を含んでいます。圧電アクチュエータは最大100μmまで移動します。アクチュエータには、傾いたり横方向のオフセットがかからない直線運動を保証する曲げガイドが装備されています。変位は線形であり、キャリブレーションはメーカーによって行われ、チェックされます。プローブの軸上の動きを顕微鏡で確認することをお勧めします。メーカーによると、刺激振幅は1000Hzの振動周波数で20%未満減衰します。これは、力または変位測定装置(Kleindiekの力変換器など)を使用して確認できます。
ピエゾアンプ/サーボコントローラ	Physik Instrument、ドイツ	E-665	E-665アンプ/コントローラは、センサ位置フィードバック(SGSセンサ)を備えたシステム内の低電圧圧電アクチュエータの変位を駆動および制御します。サーボコントローラは、クローズドループ動作のオプションを提供します。正弦波刺激と振動刺激を適用すると、振幅信号は500Hzから開始して設定された振幅から逸脱し、1000Hzで最大20%の減少に達します。
LabChart Software	ADInstruments, USA	LabChart 7, MLU60/8	心理物理学的テストアルゴリズムのマクロを作成、保存、実行できます。
PowerLab	ADInstruments, USA	PowerLab 4/35 PL3504	データ収集ハードウェア.LabChartソフトウェアと併用します。
真鍮バー	カスタムメイド		バーで、重さは15.5kgです。peizoelectricアクチュエーターが真鍮棒に取付けられるときそれは皮の表面に30 gの重りの力を加えるべきである。
モニター	カスタムメイド		第1インターバルと第2インターバルをマークします。モニターは、被験者に刺激が提示される可能性のある時間間隔を示します。
レスポンスボックス	カスタムメイド		被験者は、刺激が発生した間隔を示します。
ボード	カスタムメイド		の上面は滑らか(プラスチック)、下面は刺激的なポブに伝わるのを防ぐために泡でできている必要があります。
プローブ	カスタムメイド		ネジ頭に取り付けられた滑らかなエッジ(熱可塑性材料)を備えた平らな円形プローブ。ネジは、圧電アクチュエータの可動部分に直接締め付けるのに適したサイズである必要があります。プローブのサイズは好みに応じて行うことができます。私たちの場合、直径8.21mm、表面積52.9mm2.
Labchartスクリプト			リクエストに応じて送信できます。補足コードファイルを参照してください。
Tactile Acuity Cube	MedCore		キューブは、幅が0.75、1.25、1.75、3.0、4.5、および6.0 mmの格子(バーと溝)を含む6つの側面で構成されています。