Somatosensoriska händelserelaterade potentialer från Orofacial Skin Stretch Stimulering
Summary
This paper introduces a method for obtaining somatosensory event-related potentials following orofacial skin stretch stimulation. The current method can be used to evaluate the contribution of somatosensory afferents to both speech production and speech perception.
Abstract
Cortical processing associated with orofacial somatosensory function in speech has received limited experimental attention due to the difficulty of providing precise and controlled stimulation. This article introduces a technique for recording somatosensory event-related potentials (ERP) that uses a novel mechanical stimulation method involving skin deformation using a robotic device. Controlled deformation of the facial skin is used to modulate kinesthetic inputs through excitation of cutaneous mechanoreceptors. By combining somatosensory stimulation with electroencephalographic recording, somatosensory evoked responses can be successfully measured at the level of the cortex. Somatosensory stimulation can be combined with the stimulation of other sensory modalities to assess multisensory interactions. For speech, orofacial stimulation is combined with speech sound stimulation to assess the contribution of multi-sensory processing including the effects of timing differences. The ability to precisely control orofacial somatosensory stimulation during speech perception and speech production with ERP recording is an important tool that provides new insight into the neural organization and neural representations for speech.
Introduction
Talproduktion är beroende av både auditiv och somatosensoriska information. Hörsel och somatosensoriska återkoppling uppstå i kombination från de tidigaste läten som produceras av ett spädbarn och båda är involverade i tal motorisk inlärning. Nya resultat tyder på att somatosensoriska processer bidrar till uppfattningen samt produktion. Till exempel låter identifieringen av tal ändras när en robotanordning sträcker huden i ansiktet som deltagare lyssnar på hörsel stimuli 1. Luft puffar till kinden som sammanfaller med hörsel tal stimuli förändrar deltagarnas perceptuella domar 2.
Dessa somatosensoriska effekter innebär aktivering av kutan mekanoreceptorer som svar på huden deformation. Huden deformeras på olika sätt under rörelse, och kutan mekanoreceptorer är kända för att bidra till kinestetiska känsla 3,4. Den kinestetiska roll kutana mekanoreceptorer är demonstrated av nya rön 5-7 att rörelserelaterade stammar huden är lämpligt uppfattas som böjning eller utvidgning rörelse beroende på mönstret i huden stretch 6. Under tal motorisk träning, vilket är en upprepning av specifika tal yttrande med samtidig ansiktshud stretch tal, artikulatoriska mönster förändras på ett adaptivt sätt 7. Dessa studier tyder på att modulera hud stretch under åtgärder tillhandahåller en metod för att bedöma bidrag kutan afferenter till kinestetiska funktion sensomotoriken.
Det kinestetiska funktion orofaciala kutan mekanoreceptorer har studerats mestadels använder psykofysiologiska metoder 7,8 och mikro omkodning av sensoriska nerver 9,10. Här fokuserar det nuvarande protokollet på kombinationen av orofacial somatosensoriska stimulering i samband med ansiktshud deformation och mäss potential (ERP) inspelning. Thär proceduren har exakt experimentell kontroll över riktning och tidpunkten för ansiktshud deformation med hjälp av en datorstyrd robotanordning. Detta ger oss möjlighet att testa specifika hypoteser om somatosensoriska bidrag till tal produktion och perception genom att selektivt och exakt deformerande hud i ansiktet i ett brett spektrum av inriktningar under både tal motorisk inlärning och direkt i tal produktion och perception. ERP inspelning används för att icke-invasivt utvärdera tidsmönstret och tidpunkten för påverkan av somatosensoriska stimulering orofaciala beteenden. Det nuvarande protokollet kan sedan utvärdera de neurala korrelat till kinestetiska funktion och bedöma bidrag känsel både tal bearbetning, produktion och tal talperception.
För att visa användbarheten av tillämpningen av huden stretch stimulans för att ERP inspelning, fokuserar följande protokoll på samspelet mellan somatosensoriska och hörsel ingång i tal perception. Resultaten markera en potentiell metod för att bedöma somatosensoriska-hörsel interaktion i tal.
Protocol
Representative Results
Discussion
De studier som rapporteras här ger belägg för att exakt kontrollerad somatosensoriska stimulering som produceras av ansiktshud deformation framkallar kortikala ERP. Kutana afferenter är känd som en rik källa till kinesthetic uppgifter 3,4 i mänsklig lem rörelse 5,6 och tal rörelse 7,8,21. Stretching huden i ansiktet på ett sätt som återspeglar den verkliga rörelsen riktning under tala inducerar ett kinesthetic mening liknar motsvarande rörelse. Den nuvarande metoden att kom…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Institute on Dövhet och andra kommunikationsstörningar Grants R21DC013915 och R01DC012502, naturvetenskap och teknik Research Council of Canada och Europeiska forskningsrådets inom ramen för Europeiska gemenskapens sjunde ramprogram (FP7 / 2007-2013 Bidragsavtal nr. 339152 ).
Materials
| EEG recording system | Biosemi | ActiveTwo | |
| Robotic decice for skin stretch | Geomagic | Phantom Premium 1.0 | |
| EEG-compatible earphones | Etymotic research | ER3A | |
| Software for visual and auditory stimulation | Neurobehavioral Systems | Presentation | |
| Electrode gel | Parker Laboratories, INC | Signa gel | |
| Double sided tape | 3M | 1522 | |
| Disposable syringe | Monoject | 412 Curved Tip | |
| Analog input device | National Instuments | PCI-6036E | |
| Degital output device | Measurement computing | USB-1208FS |
References
- Ito, T., Tiede, M., Ostry, D. J. Somatosensory function in speech perception. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 1245-1248 (2009).
- Gick, B., Derrick, D. Aero-tactile integration in speech perception. Nature. 462, 502-504 (2009).
- McCloskey, D. I. Kinesthetic sensibility. Physiol Rev. 58, 763-820 (1978).
- Proske, U., Gandevia, S. C. The kinaesthetic senses. J Physiol. 587, 4139-4146 (2009).
- 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).
- 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).
- Ito, T., Ostry, D. J. Somatosensory contribution to motor learning due to facial skin deformation. J Neurophysiol. 104, 1230-1238 (2010).
- Connor, N. P., Abbs, J. H. Movement-related skin strain associated with goal-oriented lip actions. Exp Brain Res. 123, 235-241 (1998).
- Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. &. #. 1. 9. 4. ;., Abbs, J. H. Mechanoreceptive afferent activity in the infraorbital nerve in man during speech and chewing movements. Exp Brain Res. 72, 209-214 (1988).
- Nordin, M., Hagbarth, K. E. Mechanoreceptive units in the human infra-orbital nerve. Acta Physiol Scand. 135, 149-161 (1989).
- . 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).
- Ito, T., Gracco, V. L., Ostry, D. J. Temporal factors affecting somatosensory-auditory interactions in speech processing. Frontiers in psychology. 5, 1198 (2014).
- 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).
- Ito, T., Ostry, D. J. Speech sounds alter facial skin sensation. J Neurophysiol. 107, 442-447 (2012).
- Kenton, B., et al. Peripheral fiber correlates to noxious thermal stimulation in humans. Neuroscience letters. 17, 301-306 (1980).
- 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).
- Möttönen, R., Järveläinen, J., Sams, M., Hari, R. Viewing speech modulates activity in the left SI mouth cortex. Neuroimage. 24, 731-737 (2005).
- Soustiel, J. F., Feinsod, M., Hafner, H. Short latency trigeminal evoked potentials: normative data and clinical correlations. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 80, 119-125 (1991).
- Martin, B. A., Tremblay, K. L., Korczak, P. Speech evoked potentials: from the laboratory to the clinic. Ear and hearing. 29, 285-313 (2008).
- Perrin, F., Bertrand, O., Pernier, J. Scalp current density mapping: value and estimation from potential data. IEEE Trans Biomed Eng. 34, 283-288 (1987).
- Ito, T., Gomi, H. Cutaneous mechanoreceptors contribute to the generation of a cortical reflex in speech. Neuroreport. 18, 907-910 (2007).
- Onton, J., Westerfield, M., Townsend, J., Makeig, S. Imaging human EEG dynamics using independent component analysis. Neurosci Biobehav Rev. 30, 808-822 (2006).
- 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).
- Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. &. #. 1. 9. 4. ;., Westberg, K. G. Mechanoreceptor activity from the human face and oral mucosa. Exp Brain Res. 72, 204-208 (1988).
- Diehl, R. L., Lotto, A. J., Holt, L. L. Speech perception. Annu Rev Psychol. 55, 149-179 (2004).
- Liberman, A. M., Mattingly, I. G. The motor theory of speech perception revised. Cognition. 21, 1-36 (1985).
- 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).
- Rizzolatti, G., Craighero, L. The mirror-neuron system. Annu Rev Neurosci. 27, 169-192 (2004).
- Rizzolatti, G., Fabbri-Destro, M. The mirror system and its role in social cognition. Curr Opin Neurobiol. 18, 179-184 (2008).
- D’Ausilio, A., et al. The motor somatotopy of speech perception. Curr Biol. 19, 381-385 (2009).
- 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).
- 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).
- Möttönen, R., Watkins, K. E. Motor representations of articulators contribute to categorical perception of speech sounds. J Neurosci. 29, 9819-9825 (2009).
- 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).
- 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).
