Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Potencjały związane ze zdarzeniami somatosensorycznymi ze stymulacji rozciągania skóry ustno-twarzowej

12.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53621

⸱

18 grudnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia metodę uzyskiwania potencjałów związanych ze zdarzeniami somatosensorycznymi po stymulacji rozciągania skóry ustno-twarzowej. Obecna metoda może być wykorzystana do oceny udziału somatosensorycznych aferentów zarówno w produkcji mowy, jak i percepcji mowy.

Streszczenie

Przetwarzanie korowe związane z funkcją somatosensoryczną w mowie ustnej otrzymało ograniczoną uwagę eksperymentalną ze względu na trudności w zapewnieniu precyzyjnej i kontrolowanej stymulacji. W artykule przedstawiono technikę rejestracji potencjałów związanych ze zdarzeniami somatosensorycznymi (ERP), która wykorzystuje nowatorską metodę stymulacji mechanicznej polegającej na deformacji skóry za pomocą urządzenia robotycznego. Kontrolowana deformacja skóry twarzy służy do modulacji bodźców kinestetycznych poprzez pobudzenie mechanoreceptorów skórnych. Łącząc stymulację somatosensoryczną z zapisem elektroencefalograficznym, reakcje wywołane somatosensorycznie mogą być z powodzeniem mierzone na poziomie kory mózgowej. Stymulacja somatosensoryczna może być łączona ze stymulacją innych modalności sensorycznych w celu oceny interakcji wielozmysłowych. W przypadku mowy stymulacja ustno-twarzowa jest łączona ze stymulacją dźwiękową mowy w celu oceny wkładu przetwarzania wielozmysłowego, w tym wpływu różnic czasowych. Możliwość precyzyjnego kontrolowania stymulacji somatosensorycznej ustno-twarzowej podczas percepcji i produkcji mowy za pomocą nagrywania ERP jest ważnym narzędziem, które zapewnia nowy wgląd w organizację neuronalną i reprezentacje neuronalne mowy.

Wprowadzenie

Produkcja mowy zależy zarówno od informacji słuchowych, jak i somatosensorycznych. Słuchowe i somatosensoryczne sprzężenie zwrotne występuje w połączeniu od najwcześniejszych wokalizacji wytwarzanych przez niemowlę i oba są zaangażowane w uczenie się motoryczne mowy. Ostatnie wyniki sugerują, że procesy somatosensoryczne przyczyniają się zarówno do percepcji, jak i produkcji. Na przykład identyfikacja dźwięków mowy ulega zmianie, gdy urządzenie robotyczne rozciąga skórę twarzy, gdy uczestnicy słuchają bodźców słuchowych1. Zaciągnięcia powietrza do policzka, które zbiegają się z bodźcami słuchowymi mowy, zmieniają osądy percepcyjne uczestników2.

Te efekty somatosensoryczne polegają na aktywacji mechanoreceptorów skórnych w odpowiedzi na deformację skóry. Skóra jest zdeformowana na różne sposoby podczas ruchu, a mechanoreceptory skórne są znane z tego, że przyczyniają się do rozwoju zmysłu kinestetycznego3,4. Kinestetyczna rola mechanoreceptorów skórnych została wykazana przez ostatnie odkrycia5-7, że napięcia skóry związane z ruchem są odpowiednio postrzegane jako ruch zgięcia lub wyprostu w zależności od wzorca rozciągnięcia skóry6. W trakcie treningu motorycznego mowy, który polega na powtarzaniu określonej wypowiedzi mowy z jednoczesnym rozciąganiem skóry twarzy w mowie, wzorce artykulacyjne zmieniają się w sposób adaptacyjny7. Badania te wskazują, że modulacja rozciągania skóry podczas działania stanowi metodę oceny udziału aferentów skórnych w funkcji kinestetycznej układu sensomotorycznego.

Kinestetyczna funkcja mechanoreceptorów skórnych twarzy była badana głównie przy użyciu metod psychofizjologicznych7,8 i kodowania mikroelektrod z nerwów czuciowych9,10. W tym przypadku obecny protokół koncentruje się na połączeniu stymulacji somatosensorycznej ustno-twarzowej związanej z deformacją skóry twarzy i rejestracją potencjału związanego ze zdarzeniami (ERP). Procedura ta ma precyzyjną eksperymentalną kontrolę nad kierunkiem i czasem deformacji skóry twarzy za pomocą sterowanego komputerowo urządzenia robotycznego. Pozwala nam to na testowanie konkretnych hipotez dotyczących somatosensorycznego wkładu w produkcję i percepcję mowy poprzez selektywną i precyzyjną deformację skóry twarzy w szerokim zakresie orientacji zarówno podczas uczenia się motorycznego mowy, jak i bezpośrednio w produkcji i percepcji mowy. Zapisy ERP służą do nieinwazyjnej oceny wzorca czasowego i czasu wpływu stymulacji somatosensorycznej na zachowania ustno-twarzowe. Obecny protokół może zatem ocenić neuronalne korelaty funkcji kinestetycznych i ocenić wkład systemu somatosensorycznego zarówno w przetwarzanie mowy, produkcję mowy, jak i percepcję mowy.

Aby pokazać użyteczność zastosowania stymulacji rozciągania skóry do nagrywania ERP, poniższy protokół skupia się na interakcji danych somatosensorycznych i słuchowych w percepcji mowy. Wyniki wskazują na potencjalną metodę oceny interakcji somatosensoryczno-słuchowej w mowie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Obecny protokół eksperymentalny jest zgodny z wytycznymi etycznego postępowania zgodnie z Komitetem Śledczym ds. Badań Naukowych Uniwersytetu Yale.

1. Przygotowanie do badania elektroenchefalogogicznego (EEG)

  1. Zmierz rozmiar głowy, aby określić odpowiedni czepek EEG.
  2. Zidentyfikuj położenie wierzchołka, znajdując punkt środkowy między nasionem a inionem za pomocą taśmy mierniczej.
  3. Założyć czepek EEG na głowę, używając wcześniej ustalonego wierzchołka jako Cz. Po założeniu czepka ponownie zbadać Cz za pomocą taśmy mierniczej, jak to zrobiono w ppkt 1.2. Należy pamiętać, że czepek EEG jest wyposażony w uchwyty elektrod, a rozmieszczenie 64 elektrod (lub uchwytów) opiera się na zmodyfikowanym układzie 10-20 z wcześniej określonym układem współrzędnych opartym na Cz11.
    Uwaga: Ta reprezentatywna aplikacja wykorzystuje konfigurację 64 elektrod do oceny zmian rozkładu skóry głowy i do analizy źródła. W przypadku prostszych zastosowań (zmiany potencjału związane ze zdarzeniami i opóźnieniami) możliwe jest użycie mniejszej liczby elektrod. W systemie EEG zastosowano tu dwie dodatkowe elektrody do uziemienia. Te uchwyty elektrod są również zawarte w nasadce.
  4. Nałóż żel elektrodowy do uchwytów elektrod za pomocą jednorazowej strzykawki.
  5. Przymocuj elektrody EEG (w tym elektrody uziemiające) do uchwytów elektrod pasujących do etykiet elektrod oraz do uchwytów elektrod na nasadce elektrody.
  6. Oczyść powierzchnię skóry wacikami nasączonymi alkoholem.
    Uwaga: W przypadku elektrod do wykrywania ruchu gałek ocznych (elektrookulista) lokalizacje skóry znajdują się powyżej i poniżej prawego oka (pionowy ruch gałek ocznych) oraz bocznie do zewnętrznej kantu obu oczu (poziomy ruch gałek ocznych); W celu stymulacji somatosensorycznej oczyszcza się skórę od boku do kąta ustnego.
  7. Wypełnić cztery elektrody elektrookulograficzne żelem do elektrod i przymocować elektrody taśmą dwustronną do miejsc wymienionych w ppkt 1.6.
  8. Zabezpiecz wszystkie elektrod za pomocą paska na rzep. W razie potrzeby przyklej do ciała uczestnika lub w innych miejscach, które nie powodują żadnych dodatkowych zakłóceń elektrycznych lub mechanicznych.
  9. Ustaw uczestnika przed monitorem i robotem w celu stymulacji somatosensorycznej. Ponownie zabezpiecz wszystkie elektrod, jak w 1.8.
  10. Podłącz elektrody EEG i elektrookulograficzne (w tym elektrody uziemiające) do odpowiednich łączników (pasujących do etykiety i kształtu łącznika) na amplifier skrzynka systemu EEG.
  11. Sprawdź, czy sygnały EEG są wolne od artefaktów i czy wartość przesunięcia mieści się w dopuszczalnym zakresie (<50 μV lub mniej). Jeśli zostaną znalezione zaszumione sygnały lub duże przesunięcia, które zwykle wskazują na wysoką impedancję, skoryguj te sygnały elektrod, dodając dodatkowy żel EEG i/lub zmieniając położenie włosów, które znajdują się bezpośrednio pod elektrodą.
  12. Włóż słuchawki kompatybilne z EEG i upewnij się, że poziom dźwięku mieści się w komfortowym zakresie na podstawie raportu tematu.

2. Stymulacja somatosensoryczna

Uwaga: Obecny protokół stosuje rozciąganie skóry twarzy w celu stymulacji somatosensorycznej. Układ eksperymentalny z systemem EEG przedstawiono na rysunku 1. Szczegóły dotyczące urządzenia do stymulacji somatosensorycznej zostały opisane w poprzednich badaniach1,7,12-14. Krótko mówiąc, dwie małe plastikowe zakładki (2 cm szerokości i 3 cm wysokości) są przymocowane dwustronną taśmą do skóry twarzy. Zakładki są połączone z urządzeniem robota za pomocą sznurka. Robot generuje systematyczne obciążenia rozciągające skórę zgodnie z projektami eksperymentalnymi. Protokół konfiguracji dla rejestracji ERP jest następujący:

  1. Umieść głowę uczestnika w zagłówku, aby zminimalizować ruchy głowy podczas stymulacji. Ostrożnie odłączyć elektrod między głową uczestnika a zagłówkiem.
  2. Poproś uczestnika, aby przytrzymał wyłącznik bezpieczeństwa robota.
  3. Przymocuj plastikowe zakładki do docelowego miejsca na skórze za pomocą taśmy dwustronnej do stymulacji somatosensorycznej. Dla reprezentatywnych wyników12,13, w których celem jest skóra boczna do kąta jamy ustnej, umieść środek zakładek na modiolusie, kilka mm bocznie do kąta ustnego, ze środkiem zakładek na mniej więcej tej samej wysokości kąta ustnego.
  4. Dostosuj konfigurację sznurka, wsporników sznurka i robota, aby uniknąć elektrod i EEG.
  5. Zastosuj kilka rozciągnięć skóry twarzy (jeden cykl sinusoidy przy 3 Hz z maksymalną siłą 4 N), aby sprawdzić, czy nie ma artefaktów spowodowanych stymulacją (zwykle obserwowanych jako stosunkowo duża amplituda i niższa częstotliwość w porównaniu z odpowiedzią elektrofizjologiczną). Jeśli w sygnałach EEG zaobserwuje się artefakty, wróć do punktu 2.4.

3. Zapis ERP

  1. Wyjaśnij badanemu zadanie eksperymentalne i przedstaw próby praktyczne (jeden blok = 10 prób lub mniej), aby potwierdzić, czy badany dobrze rozumie zadanie.
    Uwaga: Zadanie eksperymentalne i prezentacja bodźca do nagrywania ERP są wstępnie zaprogramowane w oprogramowaniu do prezentacji bodźców.
    1. W reprezentatywnym badaniu z połączoną stymulacją somatosensoryczną i słuchową12 należy zastosować stymulację somatosensoryczną związaną z deformacją skóry do skóry bocznie do kąta ustnego. Wzór rozciągania to jednocyklowa sinusoida (3 Hz) o maksymalnej sile 4 N. Pojedyncza zsyntetyzowana wypowiedź mowy, która znajduje się w połowie 10-stopniowego kontinuum dźwiękowego między "głową" a "miała", jest używana do stymulacji słuchowej.
    2. Prezentuj obie stymulacje osobno lub w połączeniu. W połączonej stymulacji przetestuj trzy czasy rozpoczęcia (90 ms wyprzedzenia i opóźnienia oraz równoczesne w początkach somatosensorycznych i słuchowych: patrz rysunek 3A).
    3. Losowo wybierz prezentację pięciu stymulacji (sama somatosensoryczna, sama słuchowa i trzy połączone: prowadzenia, symultaniczne i opóźnienia). Zmieniaj odstępy między próbami między badaniami między 1,000 a 2,000 ms, aby uniknąć antycypacji i przyzwyczajenia. Zadanie eksperymentalne polega na ustaleniu, czy prezentowany dźwięk mowy, czyli dźwięk będący akustycznie pośrednim pomiędzy "głową" a "miał", był "głową" poprzez naciśnięcie na klawiaturze. W stanie samości somatosensorycznej, w której nie ma stymulacji słuchowej, uczestnicy są instruowani, aby odpowiadać nie "głowa".
    4. Rejestruj oceny uczestników i czas reakcji od początku bodźca do naciśnięcia za pomocą oprogramowania do prezentacji bodźców. Poproś uczestnika, aby wpatrywał się w punkt fiksacji na ekranie wyświetlacza, aby zredukować artefakty spowodowane ruchem gałek ocznych.
    5. Usuń punkt fiksacji co 10 stymulacji na krótką przerwę. (Patrz też inny przykład prezentacji zadań i bodźców12,13)
  2. Uruchom oprogramowanie do nagrywania ERP przy próbkowaniu 512 Hz, które rejestruje również czas rozpoczęcia stymulacji na osi czasu danych ERP. Należy pamiętać, że znaczniki czasu stymulacji, które zawierają również informacje o rodzaju stymulacji, są wysyłane dla każdego bodźca z oprogramowania do prezentacji bodźca. Dwa programy (do nagrywania ERP i do prezentacji bodźców) działają na dwóch oddzielnych komputerach, które są połączone przez port równoległy.
  3. Ustaw oprogramowanie do stymulacji somatosensorycznej w tryb oczekiwania na wyzwalacz, a następnie rozpocznij prezentację bodźca, aktywując oprogramowanie do prezentacji bodźca. Należy pamiętać, że oprogramowanie do stymulacji somatosensorycznej jest również uruchomione na oddzielnym komputerze od pozostałych dwóch komputerów. Zarejestruj 100 ERP na warunek.
    Uwaga: Sygnał wyzwalający stymulację somatosensoryczną jest odbierany przez analogowe urządzenie wejściowe, które jest podłączone do cyfrowego urządzenia wyjściowego w komputerze w celu stymulacji sensorycznej. Pojedyncza stymulacja somatosensoryczna jest wytwarzana na jeden wyzwalacz.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W tej sekcji przedstawiono reprezentatywne potencjały wywołane zdarzeniami w odpowiedzi na stymulację somatosensoryczną wynikającą z deformacji skóry twarzy. Układ eksperymentalny przedstawiono na Rysunku 1. Stymulację sinusoidalną stosowano na skórze twarzy bocznie od kąta ust (patrz Rysunek 3A jako punkt odniesienia). Dla każdego uczestnika zarejestrowano sto prób rozciągania, łącznie przetestowano 12 uczestników. Po offline'owym usunięciu prób z artefa...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przedstawione tutaj badania dostarczają dowodów na to, że precyzyjnie kontrolowana stymulacja somatosensoryczna, która jest wytwarzana przez deformację skóry twarzy, indukuje korowe ERP. Aferenty skórne są znane jako bogate źródło informacji kinestetycznych3,4 w ruchu kończyn człowieka5,6 i ruchu mowy7,8,21. Rozciąganie skóry twarzy w sposób, który odzwierciedla rzeczywisty kierunek ruchu podczas mówienia, wywołuje zmysł kinestetyczny podobny do odpowiedniego ruchu. Obecna metoda, łącząca...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez National Institute on Deafness and Other Communication Disorders Grants R21DC013915 and R01DC012502, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada oraz Europejską Radę ds. Badań Naukowych w ramach Siódmego Programu Ramowego Wspólnoty Europejskiej (FP7/2007-2013 Grant Agreement nr 339152).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
System zapisu EEGBiosemiActiveTwo
Robotic decice do rozciągania skóryGeomagicPhantom Premium 1.0
Słuchawki kompatybilne z EEGBadania etymotyczneER3A
wzrokowej i słuchowejPrezentacjasystemów neurobehawioralnych
Żel elektrodowyParker, INCSigna żel
Taśma dwustronna3M1522
Jednorazowa strzykawkaMonoject412 Zakrzywiona końcówka
Analogowe urządzenie wejścioweKrajowe Instytuty PCI-6036E
Degital Output DeviceObliczenia pomiaroweUSB-1208FS
Oprogramowanie do stymulacji

Bibliografia

  1. Ito, T., Tiede, M., Ostry, D. J. Somatosensory function in speech perception. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 1245-1248 (2009).
  2. Gick, B., Derrick, D. Aero-tactile integration in speech perception. Nature. 462, 502-504 (2009).
  3. McCloskey, D. I. Kinesthetic sensibility. Physiol Rev. 58, 763-820 (1978).
  4. Proske, U., Gandevia, S. C. The kinaesthetic senses. J Physiol. 587, 4139-4146 (2009).
  5. Collins, D. F., Prochazka, A. Movement illusions evoked by ensemble cutaneous input from the dorsum of the human hand. J Physiol. 496 (Pt 3), 857-871 (1996).
  6. Edin, B. B., Johansson, N. Skin strain patterns provide kinaesthetic information to the human central nervous system. J Physiol. 487 (Pt 1), 243-251 (1995).
  7. Ito, T., Ostry, D. J. Somatosensory contribution to motor learning due to facial skin deformation. J Neurophysiol. 104, 1230-1238 (2010).
  8. Connor, N. P., Abbs, J. H. Movement-related skin strain associated with goal-oriented lip actions. Exp Brain Res. 123, 235-241 (1998).
  9. Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. Â, Abbs, J. H. Mechanoreceptive afferent activity in the infraorbital nerve in man during speech and chewing movements. Exp Brain Res. 72, 209-214 (1988).
  10. Nordin, M., Hagbarth, K. E. Mechanoreceptive units in the human infra-orbital nerve. Acta Physiol Scand. 135, 149-161 (1989).
  11. Guideline thirteen: guidelines for standard electrode position nomenclature. American Electroencephalographic Society. Journal of clinical neurophysiology : official publication of the American Electroencephalographic Society. 11, 111-113 (1994).
  12. Ito, T., Gracco, V. L., Ostry, D. J. Temporal factors affecting somatosensory-auditory interactions in speech processing. Frontiers in psychology. 5, 1198(2014).
  13. Ito, T., Johns, A. R., Ostry, D. J. Left lateralized enhancement of orofacial somatosensory processing due to speech sounds. J Speech Lang Hear Res. 56, S1875-S1881 (2013).
  14. Ito, T., Ostry, D. J. Speech sounds alter facial skin sensation. J Neurophysiol. 107, 442-447 (2012).
  15. Kenton, B., et al. Peripheral fiber correlates to noxious thermal stimulation in humans. Neuroscience letters. 17, 301-306 (1980).
  16. Larson, C. R., Folkins, J. W., McClean, M. D., Muller, E. M. Sensitivity of the human perioral reflex to parameters of mechanical stretch. Brain Res. 146, 159-164 (1978).
  17. Möttönen, R., Järveläinen, J., Sams, M., Hari, R. Viewing speech modulates activity in the left SI mouth cortex. Neuroimage. 24, 731-737 (2005).
  18. Soustiel, J. F., Feinsod, M., Hafner, H. Short latency trigeminal evoked potentials: normative data and clinical correlations. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 80, 119-125 (1991).
  19. Martin, B. A., Tremblay, K. L., Korczak, P. Speech evoked potentials: from the laboratory to the clinic. Ear and hearing. 29, 285-313 (2008).
  20. Perrin, F., Bertrand, O., Pernier, J. Scalp current density mapping: value and estimation from potential data. IEEE Trans Biomed Eng. 34, 283-288 (1987).
  21. Ito, T., Gomi, H. Cutaneous mechanoreceptors contribute to the generation of a cortical reflex in speech. Neuroreport. 18, 907-910 (2007).
  22. Onton, J., Westerfield, M., Townsend, J., Makeig, S. Imaging human EEG dynamics using independent component analysis. Neurosci Biobehav Rev. 30, 808-822 (2006).
  23. Larsson, L. E., Prevec, T. S. Somato-sensory response to mechanical stimulation as recorded in the human EEG. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 28, 162-172 (1970).
  24. Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. Â, Westberg, K. G. Mechanoreceptor activity from the human face and oral mucosa. Exp Brain Res. 72, 204-208 (1988).
  25. Diehl, R. L., Lotto, A. J., Holt, L. L. Speech perception. Annu Rev Psychol. 55, 149-179 (2004).
  26. Liberman, A. M., Mattingly, I. G. The motor theory of speech perception revised. Cognition. 21, 1-36 (1985).
  27. Schwartz, J. L., Basirat, A., Menard, L., Sato, M. The Perception-for-Action-Control Theory (PACT): A perceptuo-motor theory of speech perception. J Neurolinguist. 25, 336-354 (2012).
  28. Rizzolatti, G., Craighero, L. The mirror-neuron system. Annu Rev Neurosci. 27, 169-192 (2004).
  29. Rizzolatti, G., Fabbri-Destro, M. The mirror system and its role in social cognition. Curr Opin Neurobiol. 18, 179-184 (2008).
  30. D'Ausilio, A., et al. The motor somatotopy of speech perception. Curr Biol. 19, 381-385 (2009).
  31. Fadiga, L., Craighero, L., Buccino, G., Rizzolatti, G. Speech listening specifically modulates the excitability of tongue muscles: a TMS study. Eur J Neurosci. 15, 399-402 (2002).
  32. Meister, I. G., Wilson, S. M., Deblieck, C., Wu, A. D., Iacoboni, M. The essential role of premotor cortex in speech perception. Curr Biol. 17, 1692-1696 (2007).
  33. Möttönen, R., Watkins, K. E. Motor representations of articulators contribute to categorical perception of speech sounds. J Neurosci. 29, 9819-9825 (2009).
  34. Watkins, K. E., Strafella, A. P., Paus, T. Seeing and hearing speech excites the motor system involved in speech production. Neuropsychologia. 41, 989-994 (2003).
  35. Wilson, S. M., Saygin, A. P., Sereno, M. I., Iacoboni, M. Listening to speech activates motor areas involved in speech production. Nat Neurosci. 7, 701-702 (2004).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Rejestracja EEGstymulacja robotycznadeformacja sk ry twarzypercepcja mowyintegracja wielozmys owaprzetwarzanie korowerejestracja elektrofizjologicznaaktywacja mechanoreceptor w
Potencjały związane ze zdarzeniami somatosensorycznymi ze stymulacji rozciągania skóry ustno-twarzowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.