Waiting
Login processing...

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

Behavior

Måling av vibrasjon Detection Threshold og Taktil Spatial Acuity i mennesker

Published: September 1, 2016 doi: 10.3791/52966
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 2, 2, 2, 2
1Department of Anesthesiology and Intensive Care Medicine, Charite Universitätsmedzin, Campus Virchow Klinikum und Campus Charite Mitte, 2Department of Neuroscience, Molecular Physiology of Somatic Sensation, Max Delbrück Center for Molecular Medicine, 3Institute of Pharmacology, University of Heidelberg

Summary

Her presenterer vi protokoller for å bestemme vibrasjon deteksjonsgrenser og taktile skarphet ved hjelp av psyko metoder i mennesket.

Protocol

Testingen protokollen ble godkjent av Charité-Universitätsmedizin Etikkutvalget.

1. Vibrasjonsdeteksjonsgrensen (VDT)

  1. Enhet og testing Protocol Assembly - PreTesting
    1. Sette sammen komponentene i anordningen ifølge figur 1A. Plasser en glatt overflate brett (40 cm x 80 cm) på et bord. Plasser messing bar på brettet.
    2. Koble den piezoelektriske aktuatoren (vibrasjon stimulator) til kontrolleren enhet.
    3. Koble responsen boksen og skjermen enheten til datainnsamlingssystemet (se tilleggskode fil).
    4. Koble datainnsamlingssystemet til en datamaskin (eller laptop), og for å piezo aktuator kontrollerenhet.
    5. Skru skreddersydde stimulerende sonde til den bevegelige delen av den piezoelektriske aktuator (for nærmere detaljer om sonden se Materials).
    6. den piezoelektriske aktuator Monter med sonden på balansert messing bar.
  2. testing Protocol
    1. Script en testprotokoll som implementerer to intervall tvunget-valg og forvandlet-regel opp og ned metoden. Se tilleggskode fil for et omriss av skriptet.
    2. Konstruere en bølgeform for vibrasjon stimulus som en sinusbølge og spesifisere stimulus varighet, stige og falle egenskaper.
      1. Åpen programvare (f.eks LabChart). Velg Oppsett> Stimulator.
      2. Velg en egendefinert kurve og konfigurere stimulatorer alternativer. Lag 2 stimulans bølgeformer knyttet til hvert intervall (stim1 og stim2).
        MERK: bølgeform stim1 består av 3 deler: en forsinkelse på fire sekunder, etterfulgt av en sinusformet bølge på 1,8 sek, og en forsinkelse på 1,8 sekunder (ingen stimulus). Bølgeformen stim 2 består av 3 deler: en forsinkelse på fire sekunder, fulgt en forsinkelse på 1,8 sekunder (ingen stimulus), og med en sinusformet bølge på 1,8 sek.
      3. For sinusformet bølgeform, skape nye variable parametere for frekvens og amplitude. modify sinusformet bølgefunksjonen ved å legge inn følgende funksjoner til vekst og fall.
        Rise bølgeform: (1-e -bt) ∙ Amplitude ∙ sinus (frekvens), b = 9,1
        Fall bølgeform: (e -bt) ∙ Amplitude ∙ sinus (frekvens), b = 9,1
      4. I datapanelet i laboratoriet diagrammet, opprette et sett av 35 spenningsutganger som hører til de 35 amplitudenivåer intensitetene (eller nivåer) av vibrasjons stimulus. Se tabell 1.
    3. Sett start / default amplitude av vibrasjon stimulans for den testede vibrasjonsfrekvens i makro manuset for testprosedyren (se supplerende kodefil avsnitt).
  3. Utarbeidelse og opplæring av fag - Testing Session
    1. Informere testpersonene om testprosedyren og få dem signere en skriftlig samtykkeerklæring. For å sikre anonymitet og oppfylle krav til databeskyttelse, gi hver deltaker et nummer.
    2. Seat fagene komfortabelti et stille rom ved temperaturer mellom 20-30 ° C. Be dem om testen på en enkel og oversiktlig måte slik at motivet vet hva du kan forvente under testing.
    3. Plasser arm av faget på brettet. Pad lillefingeren med medisinsk deig for å minimere bevegelse. Plasser messing bar på bordet for å plassere sonden på lillefingeren av de testede hånd like under negl. Sikre god kontakt mellom proben og hud og justere posisjonen av sonden til en horisontal stilling ved hjelp av vann-nivået. Unngå hudkontakt med kantene av sirkulær flate sonde.
      MERK: Dette sikrer at den flate overflate av sonden gjelder rundt 30 g (0,3 N) til hudoverflaten. Skarpe kanter kan føre til redusert deteksjonstersklene. Den tunge massen av messinglinjen forhindrer overføring av forstyrrende svingninger fra omgivelsene til enheten og minimaliserer avgivelse av det påførte sinusbølge.
    4. Før testing, bli deltakerens kjent med oppsettet. Avhengig av test frekvens, til stede både en lett (nivå 23) og en hard (nivå 7) oppfatte vibrasjoner stimulus ved å variere amplituden til personen oppfatter en vibrasjon for å sikre at den eksperimentelle prosedyren er forstått.
    5. Resettes start (standard) amplitude på den valgte frekvensen slik at motivet lett kan oppdage stimulans når testing protokoll starter (se 1.2.3).
    6. Minimer interaksjoner mellom subjekt og sensor under testen.
    7. Start testen ved å kjøre skript som bruker to-alternativ tvunget-valg prosedyre med opp-ned adaptiv metode 22.
      MERK: Handlinger i 1.3.7-1.3.12 er automatisert av programmet script.
    8. I hver studie tilfeldig administrere en vibrasjon stimulans under en av de to intervallene som er visuelt indikert til testpersonen som "1" og "2" på skjermen på skjermen (figur 1B).Har faget vise om den første eller andre sekvensielle intervaller innevibrasjons stimulans ved å trykke på en av to knapper "1" eller "2" på responsen boksen. La emnet foreta en gjetning om han eller hun er ikke sikker på når stimulus presenteres.
      MERK: Tvungen-valget teknikken krever at motivet reagerer selv når vibrasjonen ikke oppfattes.
    9. I en prøveserie, som består av 6 til et maksimum på 9 enkeltforsøk, gjentar de samme vibrasjons stimulus på en amplitudenivå minst seks ganger etter hverandre. Hvis svarene er riktige, redusere stimulus intensitetsnivå (ned regelen) for den påfølgende rettssaken serien.
    10. Basert på beslutningen regelen av adaptive metoden (logiske operatører i manus), gir faget flere forsøk til samme stimulus intensitet hvis motivet gjør feil i en prøveserie. Reduser stimulus intensitet hvis stimulans er riktig identifisert i minst 5 forsøk, og feil på mindre enn 2studier.
    11. Øk stimulus nivå hvis motivet gjør 2 feil svar i en rettssak serien; eller, mer enn en feil svar og færre enn 5 riktige svar.
    12. Dokumentere endring i retning av stimulus intensitet, som reversering punkt. Endre stimulus intensitet etter reversering punkt nummer: før den tredje reversering poeng av 4 intensitetsnivåer; på 3 rd reversering poeng etter 2 intensitetsnivåer; annet ved en nivå (for flere detaljer se tilleggskodefilen og 4B).
    13. Avslutt testing når motivet fullfører totalt 8 reversering.
    14. Beregn VDT ​​ved å ta medianen av stimulus amplitude verdien av de siste 6 reversering.

2. Taktil Spatial Acuity Test

  1. Bestem taktile skarphet med en to-alternativ tvunget valg grating orientering test med det taktile Acuity Cube (TAC). Den TAC består av 6 sider hver inneholden rist (bar og fjær), hvis bredde er 0,75 mm, 1,25 mm, 1,75 mm, 3,0 mm, 4,5 mm og 6,0 mm.
  2. Sete fag i et stille rom ved temperaturer mellom 20-30 ° C og instruere på oppgaven.
  3. Under eksperimentet blindfold forsøkspersonene ved hjelp av skjermede briller. Plasser den dominerende hånden på et bord med håndflaten vendt opp.
  4. Ved hvert forsøk, gjelder TAC til fingerplaten på ett av to gitterorienteringer: vertikalt (parallell retning) eller horisontalt (tverretning) i flukt med lengdeaksen til fingeren. Tilfeldig velge rekkefølgen på risten orientering for hvert forsøk.
  5. Anvende gitterne i TAC i 2 sekunder til fingerpute av pekefingeren slik at kuben utøver sin helhet vekt på fingeren (233 g). Unngå å trykke på TAC på fingeren pad.
  6. Spør fag for å bestemme retningen på justeringen før kuben er fjernet fra sin finger.
  7. Unngå bevegelse av deltakerens finger fordi det kan gi et signal til orientering. Kast rettssaken hvis eksperimentator registrerer at fingeren har flyttet.
    MERK: Pass på at små fingerbevegelser ikke kan bli oppdaget av eksperimentator i prosedyren.
  8. Ansett en to-ned og en opp adaptiv metode i trapp algoritmen.
  9. Begynn med den største grating, 6,0 mm.
  10. Reduser grating bredde etter to korrekt identifisering av orientering (riktig svar).
  11. Test den neste, mindre bredde og fortsette med stepping regel til faget gjør feilaktig respons og dokumentere gitteret bredde som en reversering punkt.
  12. Øke gitterbredden trinnvis igjen inntil de to orienteringene en bredde bestemmes korrekt på nytt.
  13. Avslutt testen etter ferdigstillelse av tretten reversering.
  14. Beregn taktile gitteret orientering terskel ved å ta medianen av gitterbredder de siste 10 føringer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den piezoelektriske aktuator gir vibrasjonen stimulans til emnet. Vibrasjons stimulus har en total varighet på 1,8 sek og presenteres bare én gang under en rettssak i løpet av første eller andre intervall (Figur 2A). Den vekst og fall tid ved utbruddet og forskyvningen av stimulus bestemmes av funksjoner (1-e -bt) ∙ Amplitude ∙ sinus (frekvens), og (e -bt) ∙ Amplitude ∙ sinus (frekvens), henholdsvis, hvor b er satt til 9,1. Den vekst og fall tid på starten og offset er 500 og 600 msek, henholdsvis, og er uavhengig av testing frekvens og amplitude. Varigheten av stimulus mellom begynnelsen og offset faser er 700 msek. Den gradvise vekst og fall sikrer en jevn stimulans levering.

Vibrasjonsdeteksjonstersklene er avhengig av stimulering frekvens fordi de er mediert av forskjellig sensory reseptorer. I henhold til den menneskelige psychoavstemmingskurven, terskler ligge mellom ~ 20 nm til ~ 45 nm 5. Derfor, er et sett av 35 nivåer av stimulering (varierer fra 18 nm til 45 um) av vibrasjonsbølgeform konstruert (figur 2B) hvis amplitude verdier er anordnet logaritmisk (grunntall 10; stimulus n + 1 = 10 0,1 ∙ stimulus n). Denne serien av amplituder er utformet slik at for å teste med frekvenser som varierer 1-250 Hz. Utgangs stimulus amplitude er vanligvis satt over den gjennomsnittlige vibrasjon deteksjonsgrensen for en bestemt vibrasjonsfrekvens test. Tidligere observasjoner på frekvens tuning kurver innhentet fra både psyko studiene målte gjennomsnittlig deteksjonsgrensen rundt 300 nm for høy frekvens (> 100 Hz) stimuli, og ~ 3 mikrometer for lavere frekvenser (<40 Hz) 5,23,24.

Forholdet mellom den drivende inngangsspenning til the utgang forskyvning av den piezoelektriske aktuatoren målt av deformasjonsmåleren sensoren (SGS) ved 10 og 125 Hz er vist i figurene 3A og 3B. Forholdet er lineær (korrelasjonskoeffisient, r 2 = 0,9992) for settet av vibrasjons intensiteter anvendt (figur 3C). Det var en nesten identisk forholdet mellom inngangsspenning og utgangs forskyvning ved sinusformet bølgeformer på 20 nm amplitude (figur 3D).

I figur 4, er en typisk test sesjon hvor vibrasjonsdeteksjonsgrensen ved høyre lillefinger blir bestemt ved 125 Hz. Terskelen søk starter med en stimulus som er over terskelen til amplitude nivå 23 (676 nm forskyvning). Den eksperimentelle sesjon består av flere serier av enkeltforsøk. En serie består av opp til 9 enkle forsøk påført i en vibrasjons stimulus nivå. En reduksjon i stimulus intensitet (nivå) generelt krever minst 6 fortløpende korrekte responser (Figur 4A). En endring i retning av stimulus intensitet markerer en reversering punkt i rettssaken serie spor og krever minst to feil svar. Størrelsen på endringen i stimulus intensitet avhenger av reversering nummer. Til raskt å søke etter terskelen, blir stimulus intensiteten endres i trinn på 4 nivåer når antall reverseringer er mindre enn 3, etterfulgt av 2-nivåer ved den tredje reversering (oppadgående retning). Hvis ikke, endrer stimulus intensitet i en nivå trinn til fint bestemme terskelverdien (figur 4B). Motivets terskel beregnes ved å omdanne median stimulus intensiteten av de siste 6 reverseringspunkter; i dette tilfellet 401 nm. Den transform-regelen opp og ned prosedyre konvergerer til den terskelverdi ved hvilken 75% av svarene er riktige. Dette ble beregnet på grunnlag av svarsekvenser som fører til en ned regel ved hjelp av følgende formel: p 6 + 6 p 6 (1-p) + 6p 6 (1-p) 2, hvor p er sannsynligheten for en riktig respons...

I samme fag, ble det taktile kube eksperiment utført (figur 5). Hvert forsøk består av 2 stimuleringer. En to-ned og en opp regelen er ansatt og forsøket avsluttes etter 13 reversering poeng. Den taktile skarphet terskelen er 1,6 mm er medianverdien av gitterbredder de siste 10 reversering poeng. Den 2-ned og en opp trapp regel konvergerer til en 71% riktig terskel 25.

Figur 1
Figur 1: Skjematisk diagram som viser installasjonskomponenter for måling av vibrotactile terskler (A) og en typisk testprøve (B).e.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Fysiske egenskaper av vibrasjons stimulus (A) viser skjematisk presentasjon av stimulus bølgeformen.. (B) amplituder for vibrasjons stimuli (x-aksen har en logaritmisk skala). Den svarte sirkelen angir start amplitude styrke for vibrasjonstesting på 125 Hz. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Forholdet av den drivende inngangsspenningen til utgangen forskyvning av den piezoelektriske aktuatoren ved 10 Hz og 125Hz sinusformet inngangsbølgeform, (A og B), målt ved den integrerte sensoren SGS. (C) forholdet mellom 125 Hz drivende inngangsspenning og utgangs målte forskyvninger for settet av vibrasjonsintensitetsnivåer i testing. (D) Nesten identisk inngangsspenningen til utgang forskyvning på det laveste intensitetsnivå, 20 nm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4:. En typisk ytelse av et motiv vises på to-intervallet tvunget-valg vibrasjon påvisning test (A) svarene i faget (correct, åpne sirkler, feil, svarte sirkler) er plottet mot rettssaken serie nummer. (B) et diagram depicting den adaptive metode som søker etter terskelen ved å endre både trinn størrelser og retning (dvs. økende og minkende nivå) over et sett av studier. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
. Figur 5: typisk ytelse av et fag på to alternative tvunget-valg algoritme for gitteret orientering oppgave å bruke den taktile skarphet kube Svarene i motivet (correct, åpne sirkler, feil, svarte sirkler) er plottet mot rettssaken nummer . klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Stimuloss nivåer og de tilsvarende utgangsspenninger (V) for stimulans amplituder
(1 V = 10 mm forskyvning amplitude)
1 0,00179 1. 3 0,02839 25 0,45
2 0,00226 14 0,03574 26 0,56652
3 0,00284 15 0,045 27 0,7132
4 0,00357 16 0,05665 28 0,89787
5 0,0045 17 0,07132 29 1,13035
6 0,00567 18 0,08979 30 1,42302
7 0,00713 19 0,11303 31
8 0,00898 20 0,1423 32 2,25534
9 0,0113 21 0,17915 33 2,83931
10 0,01423 22 0,22553 34 3,57448
11 0,01791 23 0,28393 35 4.5
12 0,02255 24 0,35745

Tabell 1: Tiltaks nivåer og de ​​tilsvarende utgangsspenninger (V) for stimulans amplituder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Teknikkene som brukes til å evaluere VDT varierer med hensyn til enhets spesifikasjoner, maskinvare og testing protokoller. International Organization for Standardization spesifiserer metoder og prosedyrer for å analysere og tolke vibrotactile terskler inkludert anbefalinger for de ulike komponentene i en vibrometre (ISO 13091-1 og 2 26,27) Det beskrevne testsystemet forholder seg til relevante ISO-anbefalinger for testing frekvensområdet (4-125 Hz), metode (variant av opp-ned trappen og tvunget valg), probe størrelse (glatt kantet flat og sirkulær), og testing ved romtemperatur. Oppsettet kan være utstyrt med en sensor bestemme sondens posisjon og forskyvning, og som eventuelt kan være utstyrt med en fast surround isolere vibrasjons stimulus.

Fordelene med den beskrevne anordning ligger i de følgende karakteristika: tilgjengelighet og enkel montering av komponentene; justerbar frekvensområdet 1-500 Hz; bred amplitudeområde (5 nm-90 mikrometer forskyvning); flere probe størrelser; programmering av vibrasjonen stimulans størrelse og varighet; og allsidighet til psykologisk testing protokoll med ulike adaptiv metode. Selv om bærbare systemer er tilgjengelige 28, er oppsettet transportable og har vært brukt i ulike innstillinger som skoler, forskningsinstitusjoner og sykehus. Forskningssentre, men bør ha en godt utstyrt verksted for å dikte opp flere verktøy og utstyr som trengs for den eksperimentelle oppsettet. Det er kommersielt montert og klar til bruk systemer for eksempel tilfelle IV eller Medoc, men disse systemene er konfigurert til å levere bare et begrenset sett av stimuli. I motsetning til dette, kan systemet brukes til å implementere et svært bredt spekter av stimuleringsregimer som er bare begrenset av spesifikasjonene for den piezo element som brukes. På grunn av messing bar størrelse, er det ikke mulig å teste andre områder enn fingre og tær. Vår enhet bruker ikke en surround å begrense stimulering tildet testet hudområdet, og det er sannsynlig at et større område større enn selve huden for å sondere kontakt er stimulert. Til slutt krever fremgangsmåten oppmerksomhet fra et emne for en lengre periode, 15 min i gjennomsnitt. Vanligvis er de 3 første reverse har en større forandring i intensitetsnivået (nivå 4) og en gang fullført terskelen mest sannsynlig ligger innenfor dette område av 4-intensitetsnivå. Med utviklingen av testen, blir fint bestemmelse av terskelen laget. Det finnes andre stopper kriterium som kan bli implementert og integrert i den adaptive fremgangsmåten beskrevet andre steder 29.

Flere enhetsparametere som kan påvirke vibrasjon deteksjonsgrensen er justerbare i oppsett 17. Disse omfatter enhetsparametere slik som kontaktområdet av sonden til huden, til bruk av surround omslutter sonden begrense arealet av stimuleringen, den valgte vibrasjonsfrekvens, håndledd holdning, og psykologisk testing algoritme. psyko testing algoritmer som omfatter fremgangsmåten ifølge grenser og trappen metode har vært anvendt for å bestemme VDT og det er ingen konsensus å begunstige en bestemt metode. Vibrotactile terskler gjør varierer avhengig av psykologisk testmetoden som brukes 20. Estimater av VDT for 125 Hz blir på en pålitelig måte oppnås i området fra 50 til 600 nm ved bruk av den skisserte adaptive fremgangsmåten i den psyko protokollen, og er i samsvar med VDT fra andre studier 5,23. Dessuten; skript for ulike adaptive metoder lett kan utvikles og integreres for å utføre psykologisk test for vibrasjon deteksjonsgrensen 25. Den adaptive prosedyre vi beskrev for bestemmelse av vibrasjons terskelen sikrer at for hver stimulus styrke nivå fagets riktige svar er over 76% riktig for å flytte ned stimulus styrke trapp 22. Siden det kun er to mulige svar, kan en rekke heldige gjetninger feilaktig endre threshold målinger, spesielt ved lave tiltaksnivå. Av denne grunn har vi lagt en modifikasjon, som er en serie av forsøk ved hver vibrasjonsnivå for å minimalisere slike feil. Emner som ikke viser konsistens under prøveserie - avvik på mer enn 4 nivåer mellom reversering poeng - er vanligvis ekskludert fra studien. Huden til sonden kontakt og hvordan sonden oppfører seg og stimulerer huden er svært viktig for enhver psykologisk eksperiment på berøring sensasjon 30,31. Den piezoelektriske aktuatoren er utstyrt med en kompakt strekklapp sensor (SGS) har en forholdsvis høy båndbredde (opp til 3 KHz) og en meget god oppløsning, med god repeterbarhet (0,1% av nominell forskyvning). Derfor har den piezoelektriske enheten høy pålitelighet egenskaper særlig når det gjelder fin innrykk selv ved høye statiske belastninger. Bevegelsen er rett fordi piezo (PICMA stabelen piezo lineær aktuator) vi bruker er innebygd i en guide og dette sikrer at ingen lateral motipå. I tillegg kan servo-styreenheten automatisk kompensere for varierende belastninger eller krefter.

Vurderingen av taktile skarphet vi beskrevet her er avhengig av manuell levering av taktile stimuli. Testen krever imidlertid anvendelse av stimuli for å fremstille vinkelrett deformasjon av huden og ingen skjær skjevheter som kan gi signaler til emnet. Vi velger en litt annen fremgangsmåte for bestemmelse av taktile romlig skarphet og vibrotactile terskel. Vi fikk ikke velge å bruke en større trinnstørrelse endring i utgangspunktet bruke TAC fordi den er utstyrt med noen nivåer for grating bredde (6 nivåer) og disse er ikke konstant eller fast størrelse, men varierer fra større til mindre trinnstørrelse endring. Endringen i størrelsen av gitter bredder mellom de første 3 nivåer er 1,5 mm, mellom det 3. og 4. nivå 1,25 mm, og 4. til 6. 0,5 mm. Faget ytelse i gitteret orientering oppgave er affected ved dybden av fordypningen som følge av den taktile stimuli, vil kraften, og finger størrelsen på fingeren 32,33. Det finnes andre alternativer til den taktile skarphet kube: JVP kupler, og to-punkts diskriminering oppgave. JVP kupler finnes andre alternativer til den taktile kuben. Fordelene er at JVP domer har 8-gitter bredder som varierer fra 0,35 mm til 3,0 mm. JVP kupler kan benyttes til å vurdere taktile romlig skarphet av tungen og leppene 8, mens to poeng diskriminering oppgave ikke er avhengig av å identifisere grating orientering og er ikke et gyldig mål for taktil romlig skarphet 34. Nylig, problemer forbundet med manuell testing har blitt forbedret gjennom innføring av en automatisert taktile skarphet system som gjelder en tvungen-valg paradigme for å bestemme taktile terskelen for grating orientering 35.

Metodene for å innhente de vibrotactile og taktile skarphet terskler vi beskrevethar vært ansatt for å skjerme enkeltpersoner for berøringsrelaterte egenskaper 3,7,9. I en studie utført av vår gruppe, viste vi at touch-egenskaper er arvelig, og at visse genetiske skader forårsaker hørselstap også påvirket berøringsfølsomhet 7. Videre kan berøringsfølsomhet vurderes under forskjellige eksperimentelle tilstand som vann-indusert fingertupp rynker 9. Det vil være viktig for å gjøre kvantitative målinger av VDT og taktile skarphet hos pasienter med mulig funksjon å endre mutasjoner i gener som er involvert i regulering mechanoreceptor følsomhet 3,7. Faktisk har det vært en siste bølge i identifisering av gener som er direkte involvert i denne prosessen som Piezo2 og STOML3 1,13,14,36,37 og rask fremgang i dette området er sikker på å identifisere nye gener som regulerer touch. Påvirkningen av genetiske varianter i slike "touch" genene vil være ideelt testet i genotypede pasienter med kvantitative psyko metoder like de som er beskrevet her.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Piezo actuator Physik Instrument, Germany P-602.1L The linear piezoelectric actuator, with integrated position sensor and motion amplifier, contains a piezoceramic material that elongates and contracts when voltage is applied. The piezoelectric actuator travels up to100 µm. The actuator is equipped with a flexure guide that ensures straight motion without tilting or lateral offset. The displacement is linear and calibration is done and checked by the manufacturer. It is recommended that on-axis movement of the probe be checked under the microscope. According to the manufacturer, the stimulus amplitude dampens by less than 20% at oscillating frequencies of 1000 Hz. This can be checked by using a force or displacement measuring device (e.g. force transducer from Kleindiek).
Piezo Amplifier/Servo Controller Physik Instrument, Germany E-665 E-665 amplifier/controller drives and controls the displacement of a low-voltage piezoelectric actuator in a system with sensor position feedback (SGS sensors). The servo-controller provides the option for closed loop operation. When applying sinusoidal and oscillating stimuli the amplitude signal deviates from the set amplitude starting from 500 Hz and reaches a maximum decrease of 20% at 1000Hz.  
LabChart Software ADInstruments, USA LabChart 7, MLU60/8 Can create, store and run macro of the psychophysical testing algorithm. 
PowerLab ADInstruments, USA PowerLab 4/35 PL3504 Data Acquisition Hardware. Used with LabChart software.
Brass bar Custom-made Bar made of pure brass, weighs 15.5 kg. When the peizoelectric actuator is mounted on the brass bar it should exert a force of 30 g weight on skin surface.
Monitor Custom-made To mark the 1st and the 2nd interval. The monitor indicates to the subject the time intervals during which the stimulus may be presented.
Response box Custom-made The subject indicates the interval at which stimulus occurred. 
Board  Custom-made Upper surface should be smooth (Plastic), lower surface made of foam to prevent stray vibration ot be transmitted to the stimulating pobe. 
Probe Custom-made A flat circular probe with smoothed edges (thermoplastic material) attached to a screw head. The screw should be of appropriate size to be tightened directly to the moving part of piezoelectric actuator. Size of the probe can be according to preference; in our case, diameter 8.21 mm and surface area 52.9 mm2.
Labchart Script Can be sent on request. See supplementary code file. 
Tactile Acuity Cube MedCore The cube is comprised of 6 sides each containing a grating (bar and groove) whose widths are 0.75, 1.25, 1.75, 3.0, 4.5, and 6.0 mm. 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Poole, K., Herget, R., Lapatsina, L., Ngo, H. D., Lewin, G. R. Tuning Piezo ion channels to detect molecular-scale movements relevant for fine touch. Nat Commun. 5, 3520 (2014).
  2. Lechner, S. G., Lewin, G. R. Hairy sensation. Physiology (Bethesda). 28 (3), 142-150 (2013).
  3. Heidenreich, M., et al. KCNQ4 K(+) channels tune mechanoreceptors for normal touch sensation in mouse and man. Nat Neurosci. 15 (1), 138-145 (2012).
  4. Mountcastle, V. B., Talbot, W. H., Darian-Smith, I., Kornhuber, H. H. Neural basis of the sense of flutter-vibration. Science. 155 (3762), 597-600 (1967).
  5. Bolanowski, S. J. Jr, Gescheider, G. A., Verrillo, R. T., Checkosky, C. M. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. J. Acoust. Soc. Am. 84 (5), 1680-1694 (1988).
  6. Johansson, R. S., Vallbo, A. A. B. Detection of tactile stimuli. Thresholds of afferent units related to psychophysical thresholds in the human hand. J Physiol. 297 (1), 405-422 (1979).
  7. Frenzel, H., et al. A Genetic Basis for Mechanosensory Traits in Humans. PLoS Biol. 10 (5), (2012).
  8. Van Boven, R. W., Johnson, K. O. The limit of tactile spatial resolution in humans: grating orientation discrimination at the lip, tongue, and finger. Neurology. 44 (12), 2361-2366 (1994).
  9. Haseleu, J., Omerbašić, D., Frenzel, H., Gross, M., Lewin, G. R. Water-induced finger wrinkles do not affect touch acuity or dexterity in handling wet objects. PLoS ONE. 9 (1), e84949 (2014).
  10. Bensmaia, S. J., Hsiao, S. S., Denchev, P. V., Killebrew, J. H., Craig, J. C. The tactile perception of stimulus orientation. Somatosens Mot Res. 25 (1), 49-59 (2008).
  11. Poole, K., Moroni, M., Lewin, G. R. Sensory mechanotransduction at membrane-matrix interfaces. Pflugers Arch. , (2014).
  12. Schrenk-Siemens, K., et al. PIEZO2 is required for mechanotransduction in human stem cell-derived touch receptors. Nat. Neurosci. , (2014).
  13. Woo, S. H., et al. Piezo2 is required for Merkel-cell mechanotransduction. Nature. 509 (7502), 622-626 (2014).
  14. Ranade, S. S., et al. Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature. 516 (7529), 121-125 (2014).
  15. Wetzel, C., et al. A stomatin-domain protein essential for touch sensation in the mouse. Nature. 445 (7124), 206-209 (2007).
  16. McMillin, M. J., et al. Mutations in PIEZO2 cause Gordon syndrome, Marden-Walker syndrome, and distal arthrogryposis type 5. Am. J. Hum. Genet. 94 (5), 734-744 (2014).
  17. Gandhi, M. S., Sesek, R., Tuckett, R., Bamberg, S. J. M. Progress in vibrotactile threshold evaluation techniques: a review. J Hand Ther. 24 (3), 240-255 (2011).
  18. Güçlü, B., Bolanowski, S. J. Vibrotactile thresholds of the Non-Pacinian I channel: I. Methodological issues. Somatosens Mot Res. 22 (1-2), 49-56 (2005).
  19. Lindsell, C. J., Griffin, M. J. Normative vibrotactile thresholds measured at five European test centres. Int Arch Occup Environ Health. 76 (7), 517-528 (2003).
  20. Morioka, M., Griffin, M. J. Dependence of vibrotactile thresholds on the psychophysical measurement method. Int Arch Occup Environ Health. 75 (1-2), 78-84 (2002).
  21. Tannan, V., Dennis, R., Tommerdahl, M. A novel device for delivering two-site vibrotactile stimuli to the skin. J. Neurosci. Methods. 147 (2), 75-81 (2005).
  22. Zwislocki, J. J., Relkin, E. M. On a psychophysical transformed-rule up and down method converging on a 75% level of correct responses. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98 (8), 4811-4814 (2001).
  23. Gescheider, G. A., Bolanowski, S. J., Pope, J. V., Verrillo, R. T. A four-channel analysis of the tactile sensitivity of the fingertip: frequency selectivity, spatial summation, and temporal summation. Somatosens Mot Res. 19 (2), 114-124 (2002).
  24. Kuroki, S., Watanabe, J., Nishida, S. Contribution of within- and cross-channel information to vibrotactile frequency discrimination. Brain Res. 1529, 46-55 (2013).
  25. Levitt, H. Transformed up-down methods in psychoacoustics. J. Acoust. Soc. Am. 49 (2), (1971).
  26. International Organization for Standardization. Mechanical vibration-Vibrotactile perception thresholds for the assessment of nerve dysfunction-Part 1: Methods of measurement at the fingertips. ISO 13091-1. , Geneva, Swizerland. (2001).
  27. International Organization for Standardization. Mechanical vibration-Vibrotactile perception thresholds for the assessment of nerve dysfunction-Part 2: Analysis and interpretation of measurements at the fingertips. ISO 13091-2. , Geneva, Switzerland. (2003).
  28. Holden, J. K., Nguyen, R. H., Francisco, E. M., Zhang, Z., Dennis, R. G., Tommerdahl, M. A novel device for the study of somatosensory information processing. J Neurosci Methods. 204 (2), 215-220 (2012).
  29. Güçlü, B., Oztek, C. Tactile sensitivity of children: effects of frequency, masking, and the non-Pacinian I psychophysical channel. J Exp Child Psychol. 98 (2), 113-130 (2007).
  30. Cohen, J. C., Makous, J. C., Bolanowski, S. J. Under which conditions do the skin and probe decouple during sinusoidal vibrations? Exp Brain Res. 129 (2), 211-217 (1999).
  31. Makous, J. C., Gescheider, G. A., Bolanowski, S. J. The effects of static indentation on vibrotactile threshold. J. Acoust. Soc. Am. 99 (5), 3149-3153 (1996).
  32. Goldreich, D., Kanics, I. M. Tactile Acuity is Enhanced in Blindness. J. Neurosci. 23 (8), 3439-3445 (2003).
  33. Peters, R. M., Goldreich, D. Tactile Spatial Acuity in Childhood: Effects of Age and Fingertip Size. PLoS One. 8 (12), (2013).
  34. Tong, J., Mao, O., Goldreich, D. Two-point orientation discrimination versus the traditional two-point test for tactile spatial acuity assessment. Front Hum Neurosci. 7, 579 (2013).
  35. Goldreich, D., Wong, M., Peters, R. M., Kanics, I. M. A Tactile Automated Passive-Finger Stimulator (TAPS). J Vis Exp. (28), (2009).
  36. Coste, B., et al. Piezo proteins are pore-forming subunits of mechanically activated channels. Nature. 483 (7388), 176-181 (2012).
  37. Martinez-Salgado, C., et al. Stomatin and Sensory Neuron Mechanotransduction. J Neurophysiol. 98 (6), 3802-3808 (2007).

Tags

Behavior vibrasjonsdeteksjonsgrensen tvunget-valg psykofysikk taktil skarphet grating orientering sensorisk
Måling av vibrasjon Detection Threshold og Taktil Spatial Acuity i mennesker
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Moshourab, R., Frenzel, H., Lechner, … More

Moshourab, R., Frenzel, H., Lechner, S., Haseleu, J., Bégay, V., Omerbašić, D., Lewin, G. R. Measurement of Vibration Detection Threshold and Tactile Spatial Acuity in Human Subjects. J. Vis. Exp. (115), e52966, doi:10.3791/52966 (2016).

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