Summary
Questo protocollo è progettato per esplorare i cambiamenti elettrofisiologici correlati all'apprendimento in soggetti con sordità profonda dopo un breve periodo di formazione nella sostituzione sensoriale audio-tattile applicando la tecnica del potenziale correlato agli eventi.
Abstract
Questo articolo esamina l'applicazione di metodi basati sull'elettroencefalogramma per valutare gli effetti dell'allenamento di sostituzione audio-tattile in giovani partecipanti profondamente sordi (PD), con l'obiettivo di analizzare i meccanismi neurali associati alla discriminazione del suono complesso vibrotattile. L'attività elettrica del cervello riflette i cambiamenti neurali dinamici e la precisione temporale dei potenziali correlati agli eventi (ERP) ha dimostrato di essere fondamentale nello studio dei processi bloccati nel tempo durante l'esecuzione di compiti comportamentali che coinvolgono l'attenzione e la memoria di lavoro.
L'attuale protocollo è stato progettato per studiare l'attività elettrofisiologica nei soggetti PD mentre eseguivano un compito di prestazione continua (CPT) utilizzando stimoli sonori complessi, costituiti da cinque diversi suoni animali erogati attraverso un sistema di stimolatore portatile indossato sul dito indice destro. Come progetto a misure ripetute, le registrazioni dell'elettroencefalogramma (EEG) in condizioni standard sono state eseguite prima e dopo un breve programma di allenamento (cinque sessioni di 1 ora in 15 giorni), seguite da correzione dell'artefatto offline e media dell'epoca, per ottenere forme d'onda individuali e grand-medie. I risultati comportamentali mostrano un miglioramento significativo della discriminazione e una forma d'onda positiva centroparietale più robusta simile a P3 per gli stimoli target dopo l'allenamento. In questo protocollo, gli ERP contribuiscono all'ulteriore comprensione dei cambiamenti neurali correlati all'apprendimento nei soggetti PD associati alla discriminazione audio-tattile di suoni complessi.
Introduction
La sordità profonda precoce è un deficit sensoriale che influisce fortemente sull'acquisizione del linguaggio orale e sulla percezione dei suoni ambientali che svolgono un ruolo essenziale nella navigazione nella vita quotidiana di coloro che hanno un udito normale. Un percorso sensoriale uditivo conservato e funzionale ci consente di sentire i passi quando qualcuno si avvicina fuori dalla portata visiva, reagire al traffico in arrivo, alle sirene delle ambulanze e agli allarmi di sicurezza e rispondere al nostro nome quando qualcuno ha bisogno della nostra attenzione. L'audizione è, quindi, un senso vitale per la parola, la comunicazione, lo sviluppo cognitivo e l'interazione tempestiva con l'ambiente, compresa la percezione di potenziali minacce nel proprio ambiente. Per decenni, la fattibilità della sostituzione audio-tattile come metodo alternativo di percezione del suono con il potenziale di integrare e facilitare lo sviluppo del linguaggio in individui con gravi problemi di udito è stata esplorata con risultati limitati 1,2,3. La sostituzione sensoriale mira a fornire agli utenti informazioni ambientali attraverso un canale sensoriale umano diverso da quello normalmente utilizzato; È stato dimostrato che è possibile attraverso diversi sistemi sensoriali 4,5. In particolare, la sostituzione sensoriale audio-tattile si ottiene quando i meccanorecettori cutanei possono trasdurre l'energia fisica delle onde sonore che compongono le informazioni uditive in modelli di eccitazione neuronale che possono essere percepiti e integrati con le vie somatosensoriali e le aree corticali somatosensoriali di ordine superiore6.
Diversi studi hanno dimostrato che gli individui profondamente sordi possono distinguere il timbro musicale solo attraverso la percezione vibrotattile7 e discriminare tra parlanti dello stesso sesso usando segnali spettrali di stimoli vibrotattili complessi8. Scoperte più recenti hanno dimostrato che gli individui sordi hanno beneficiato concretamente di un breve e ben strutturato programma di formazione alla percezione audio-tattile, in quanto hanno migliorato significativamente la loro capacità di discriminare tra diverse frequenze di tono puro9 e tra toni puri con diversa durata temporale10. Questi esperimenti hanno utilizzato potenziali correlati agli eventi (ERP), metodi di connettività grafica e misurazioni quantitative dell'elettroencefalogramma (EEG) per rappresentare e analizzare i meccanismi funzionali del cervello. Tuttavia, l'attività neurale associata alla discriminazione di suoni ambientali complessi non è stata esaminata prima di questo articolo.
Gli ERP si sono dimostrati utili per studiare processi bloccati nel tempo, con un'incredibile risoluzione temporale nell'ordine dei millisecondi, mentre eseguono compiti comportamentali che coinvolgono l'allocazione dell'attenzione, la memoria di lavoro e la selezione della risposta11. Come descritto da Luck, Woodman e Vogel12, gli ERP sono misure di elaborazione intrinsecamente multidimensionali e sono quindi adatti a misurare separatamente i sottocomponenti della cognizione. In un esperimento ERP, la forma d'onda ERP continua suscitata dalla presentazione di uno stimolo può essere utilizzata per osservare direttamente l'attività neurale che si interpone tra lo stimolo e la risposta comportamentale. Altri vantaggi della tecnica, come il suo rapporto costo-efficacia e la natura non invasiva, la rendono perfetta per studiare il preciso decorso temporale dei processi cognitivi nelle popolazioni cliniche. Inoltre, gli strumenti ERP applicati in un progetto a misure ripetute, in cui l'attività elettrica cerebrale dei pazienti viene registrata più di una volta per studiare i cambiamenti nell'attività elettrica dopo un programma di allenamento o un intervento, forniscono ulteriori informazioni sui cambiamenti neurali nel tempo.
La componente P3, essendo il potenziale cognitivo più ampiamente studiato13, è attualmente riconosciuto per rispondere a tutti i tipi di stimoli, più apparentemente a stimoli di bassa probabilità, o di alta intensità o significato, o quelli che richiedono una qualche risposta comportamentale o cognitiva14. Questo componente si è anche dimostrato estremamente utile nella valutazione dell'efficienza cognitiva generale nei modelli clinici15,16. Un chiaro vantaggio di valutare i cambiamenti nella forma d'onda P3 è che è una risposta neurale facilmente osservabile a causa della sua maggiore ampiezza rispetto ad altri componenti più piccoli; Ha una caratteristica distribuzione topografica centroparietale ed è anche relativamente facile da ottenere utilizzando l'appropriato disegno sperimentale17,18,19.
In questo contesto, lo scopo di questo studio è quello di esplorare i cambiamenti elettrofisiologici correlati all'apprendimento in pazienti con sordità profonda dopo l'allenamento per un breve periodo nella discriminazione del suono vibrottile. Inoltre, gli strumenti ERP vengono applicati per rappresentare la dinamica funzionale del cervello alla base dell'impegno temporaneo delle risorse cognitive richieste dal compito.
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Protocol
Lo studio è stato esaminato e approvato dal Comitato Etico dell'Istituto di Neuroscienze (ET062010-88, Universidad de Guadalajara), assicurando che tutte le procedure siano state condotte in conformità con la Dichiarazione di Helsinki. Tutti i partecipanti hanno accettato di partecipare volontariamente e hanno dato il consenso informato scritto (quando minorenni, i genitori hanno firmato moduli di consenso).
1. Progettazione sperimentale
- Preparazione dello stimolo
- Cerca nei database sonori con licenza Creative Commons per selezionare una serie di suoni di animali in .wav formato. Gli stimoli in questo studio consistevano in cinque diversi suoni di animali: cane che abbaia, muggito di mucche, nitrito di cavalli, raglio di asini e trombando elefanti.
NOTA: Gli stimoli sonori utilizzati qui sono stati precedentemente selezionati come raccolta di suoni per il programma di allenamento sulla discriminazione vibrotattile nei nostri studi precedenti 9,10. - Modifica i file audio utilizzando un editor audio gratuito e open source per standardizzare l'intensità e la lunghezza degli stimoli a 1500 ms. Per questo protocollo, standardizzare su scala lineare da 0 a 8000 Hz, con un guadagno di 20 dB, e ad un range di 80 dB in base ai parametri stabiliti negli studi precedenti 9,10 utilizzando lo stesso sistema di stimolazione vibrotattile.
- Salvate i file audio formattati in un formato float a 32 bit con una frequenza di progetto di 48.000 Hz.
- Cerca nei database sonori con licenza Creative Commons per selezionare una serie di suoni di animali in .wav formato. Gli stimoli in questo studio consistevano in cinque diversi suoni di animali: cane che abbaia, muggito di mucche, nitrito di cavalli, raglio di asini e trombando elefanti.
- Impostazione del paradigma nel software di presentazione dell'elettrofisiologia
- Progettare un compito di prestazione continua (CPT) utilizzando un software di progettazione sperimentale e presentazione degli stimoli, assegnando gli stimoli a una delle due condizioni: (a) stimolo target (T) (cane che abbaia nel 20% degli studi) e (b) stimoli non bersaglio (NT) (i restanti quattro suoni animali per l'altro 80%).
NOTA: Ogni condizione è stata etichettata con lo stesso codice per sincronizzare i segni di presentazione dello stimolo durante la programmazione del protocollo EEG nel software di registrazione. - Costruisci una presentazione di stimolo pseudo-randomizzata utilizzando la piattaforma software in cui i cinque suoni degli animali (cane, mucca, cavallo, asino ed elefante) sono presentati ciascuno il 20% delle volte. Controllare che lo stimolo bersaglio (abbaiare del cane) non si verifichi mai più di due volte di seguito.
- Specificare l'intervallo di interstimolo desiderato (ISI) e il tempo di risposta totale e selezionare i tasti di risposta che verranno utilizzati per raccogliere automaticamente i dati comportamentali per le risposte agli stimoli target (T). Qui, una lista ISI fissa di 2000 ms per 150 studi e la risposta corretta per gli stimoli T sono stati programmati tramite il tasto di controllo sinistro su una tastiera standard del computer. Ai partecipanti è stata data una finestra temporale di 3500 ms per una risposta comportamentale (a partire dalla presentazione dello stimolo).
- Progettare un compito di prestazione continua (CPT) utilizzando un software di progettazione sperimentale e presentazione degli stimoli, assegnando gli stimoli a una delle due condizioni: (a) stimolo target (T) (cane che abbaia nel 20% degli studi) e (b) stimoli non bersaglio (NT) (i restanti quattro suoni animali per l'altro 80%).
2. Selezione dei partecipanti
- Recluta potenziali partecipanti con una profonda diagnosi bilaterale di perdita dell'udito neurosensoriale e raccogli dati demografici, tra cui età, sesso, preferenza della mano e storia educativa.
- Condurre interviste cliniche semi-strutturate per esaminare i partecipanti per la storia personale o familiare di malattie psichiatriche, neurologiche o neurodegenerative e per raccogliere informazioni relative alla storia clinica della sordità: l'età di insorgenza, l'eziologia e la storia di utilizzo degli apparecchi acustici, nonché la loro modalità di comunicazione preferita (orale, manuale o bilingue).
- Condurre test audiologici (soglie uditive dell'aria pura) utilizzando un audiometro per confermare la gravità della perdita dell'udito.
- In una stanza insonorizzata, siediti direttamente di fronte al partecipante e posiziona correttamente le cuffie su di esse.
- Istruisci i partecipanti ad alzare la mano dominante per segnalare ogni volta che possono sentire il tono presentato attraverso le cuffie.
- Variando da 20 dB a 110 dB livelli di intensità, presentano un tono puro a sei ottave nel seguente ordine crescente: 250, 500, 1000, 2000, 4000 e 8000 Hz, iniziando dall'orecchio sinistro e ripetendo gli stessi passi per l'orecchio destro.
- Calcola la media del tono puro (PTA) del paziente calcolando la media delle soglie uditive a 500, 1000, 2000 e 4000 Hz per ciascun orecchio. I criteri di inclusione della gravità della perdita dell'udito per lo studio sono una media bilaterale di tono puro (PTA) superiore a 90 dB.
- Seleziona i partecipanti in base ai criteri di idoneità. I criteri di inclusione includono inoltre nessuna storia personale o familiare di malattie psichiatriche, neurologiche o neurodegenerative e sordità bilaterale profonda non sindromica, prelinguale. Ottenere il consenso informato e spiegare le procedure sperimentali ai partecipanti.
NOTA: Tutti i moduli, i questionari e le istruzioni utilizzati nello studio sono stati tradotti nella lingua dei segni messicana (MSL) da un interprete MSL professionista e sono stati presentati in formato video utilizzando un tablet. Inoltre, un interprete MSL era presente durante tutte le procedure di studio.
3. Sessione di registrazione EEG pre-allenamento
- Preparazione dei partecipanti
- Verificare che i partecipanti siano arrivati alla sessione di registrazione con capelli puliti e asciutti, non avendo usato gel per capelli, balsamo o altri prodotti per capelli che influenzano l'impedenza dell'elettrodo.
- Chiedere ai partecipanti di sedersi in una posizione comoda, a circa 60 cm di distanza dallo schermo di stimolo, e utilizzare il dispositivo tablet per riprodurre il videoclip MSL con la descrizione della procedura di preparazione.
- Pulire le aree in cui verranno posizionati gli elettrodi di riferimento e elettrooculogrammi (EOG) (lobi delle orecchie, fronte, canto esterno, creste orbitali infraoculari, ecc.). In primo luogo, pulire la pelle con un tampone imbevuto di alcool, quindi applicare delicatamente il gel abrasivo EEG con un batuffolo di cotone per esfoliare le cellule morte sulla superficie.
- Riempire la tazza d'oro dell'elettrodo con pasta per elettrodi conduttiva e posizionare un elettrodo su ciascun sito di riferimento, di solito sui lobi delle orecchie o mastoidi destro e sinistro. Ripetere i passaggi per posizionare almeno un EOG verticale al canto esterno e un EOG orizzontale alla cresta orbitale infraoculare per monitorare l'attività oculomotoria (battiti di ciglia e saccadi). Tenere i singoli elettrodi in posizione con un pezzo di nastro da 1 in micropore.
- Chiedi ai partecipanti di tenere le braccia dritte orizzontalmente e poi montare l'imbracatura del corpo strettamente ma comodamente intorno al petto sotto le ascelle con gli snap nel mezzo del petto.
- Posizionare l'elettrocappello commerciale EEG con 19 elettrodi Ag/AgCl (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz e Pz) disposti topograficamente secondo il sistema internazionale 10-20. Utilizzare un nastro di misurazione per controllare la circonferenza della testa del partecipante per assicurarsi di utilizzare la dimensione corretta del cappuccio.
- Allineare l'elettrodo Cz con il naso e quindi misurare la distanza dal nasion all'inion in modo che l'elettrodo Cz cada esattamente nel mezzo. Bottonare le cinghie regolabili sui lati del cappuccio all'imbracatura del corpo in modo che l'elettro-cappuccio sia saldamente stretto.
- Posizionare la siringa ad ago smussato riempita di gel all'interno dell'elettrodo, circondare l'ago per rimuovere i capelli, quindi abradere delicatamente la regione del cuoio capelluto sotto l'elettrodo prima di applicare il gel conduttivo. Non applicare troppo gel per evitare il collegamento elettrico con i siti di elettrodi vicini.
- Lasciare asciugare il gel conduttivo EEG a temperatura ambiente fredda.
- Messa a punto dell'apparecchio di registrazione EEG
- Calibrare il sistema EEG secondo le istruzioni dello strumento, quindi collegare l'elettro-tappo all'amplificatore impostato su un passaggio di banda di 0,05-30 Hz (3 dB di punti di taglio di 6 dB / curve di roll-off di ottava), un filtro notch di 60 Hz e una frequenza di campionamento di 200 Hz pari a un periodo di campionamento di 5 ms.
- Controllare che l'impedenza sia inferiore a 5 KΩ (per un sistema a bassa impedenza) in tutti i siti di elettrodi e controllare sul monitor che tutti i canali registrino correttamente i segnali elettrici.
- Esecuzione dell'attività sperimentale
- Posizionare il partecipante davanti al monitor del computer e posizionare la tastiera a una distanza confortevole.
- Collegare il cavo del dispositivo stimolatore portatile (vedere la figura 1) alla presa dell'altoparlante del sistema del computer e impostare il volume dell'altoparlante sul livello di intensità massimo.
- Regolare il sistema di stimolatore portatile sulla punta dell'indice destro del partecipante e testare.
- Utilizzando il dispositivo tablet, riprodurre le istruzioni dell'esperimento ed eseguire una prova pratica per familiarizzare il soggetto con il dispositivo stimolatore portatile, gli stimoli audio-tattili e l'attività. Ripetere le istruzioni MSL e verificare la comprensione.
- Ricorda al partecipante di rispondere allo stimolo dell'abbaio del cane premendo il tasto di controllo sinistro con l'indice sinistro solo al rilevamento dello stimolo target e di trattenere la risposta quando viene percepito uno qualsiasi degli altri quattro suoni dell'animale. Il paradigma sperimentale CPT è rappresentato nella Figura 2.
- Fornire istruzioni chiare su come ridurre al minimo gli artefatti e dimostrare l'effetto degli artefatti sull'EEG in tempo reale prima di iniziare la registrazione (raccomandato come procedura di registrazione standard nella ricerca con popolazioni cliniche20).
- Prima di iniziare l'attività CPT, verificare che la sincronizzazione degli eventi tra il computer di stimolazione cognitiva e il computer di registrazione EEG funzioni correttamente. Per fare ciò, avviare la registrazione del segnale EEG e fare clic sull'icona di comunicazione nell'interfaccia del software di presentazione dello stimolo. Al clic, gli impulsi sincronizzati dagli eventi appaiono nella parte inferiore della schermata di registrazione EEG.
- Eseguire l'attività sperimentale. Osservare attentamente il partecipante e monitorare la vigilanza, l'esecuzione della risposta e il movimento eccessivo o il battito delle palpebre.
- Fai una pausa e concedi al partecipante una breve pausa nel mezzo dell'esperimento (a 4 minuti nell'esperimento) per consentire loro di battere le palpebre, rilassarsi e muoversi se necessario. Completare l'esecuzione dell'esperimento.
4. Programma di allenamento di sostituzione sensoriale audio-tattile
- Consultare il file supplementare 1, che contiene una descrizione dettagliata del programma di cinque sessioni, per eseguire la formazione. Automatizza le attività descritte utilizzando un foglio di calcolo per rendere la formazione più sistematica e coinvolgente per i partecipanti. Usa immagini originali e registrazioni audio da9 e chiedi ai partecipanti di rispondere toccando il monitor touch-screen di un laptop.
Nota : il contenuto e le tabelle in questo file sono stati ristampati con il permesso di9.
5. Sessione di registrazione EEG post-allenamento
- Ripetere esattamente gli stessi passaggi specificati nella sezione 3.
6. Analisi EEG
NOTA: Le fasi di acquisizione EEG sono state eseguite utilizzando il software di registrazione EEG e le fasi di elaborazione EEG sono state eseguite utilizzando un software di analisi EEG separato.
- Pre-elaborazione del segnale grezzo EEG
- Definire e selezionare epoche di 1100 ms nei dati EEG continui, senza l'uso di filtri digitali aggiuntivi, utilizzando l'inizio dello stimolo come istante temporale iniziale (t0) e includendo un pre-stimolo di 100 ms utilizzato per la correzione della linea di base. La figura supplementare 1 illustra come le epoche di 1100 ms sono state selezionate in base al software commerciale di analisi EEG installato nell'apparecchiatura di registrazione EEG.
- Durante la reiezione dell'artefatto, escludere le epoche di dati su tutti i canali quando la tensione in una data epoca di registrazione supera i 100 μV su qualsiasi canale EEG o EOG. Inoltre, rifiuta gli artefatti mediante ispezione visiva delle epoche. Si veda la figura supplementare 2, che fornisce un esempio di epoche che sono state rifiutate manualmente a causa di artefatti oculari.
- Media del segnale
- Seleziona un numero uguale di epoche prive di artefatti per ogni condizione di stimolo (target e non target) sia nelle condizioni pre che post-allenamento. Selezionare le epoche massime possibili per migliorare il rapporto segnale-rumore. Fallo per ogni record EEG.
NOTA: In questo protocollo, abbiamo selezionato una media di 25 epoche di risposta corrette per condizione in ogni punto temporale poiché eravamo interessati a valutare la discriminazione del target. Tieni presente che alcuni componenti ERP non richiedono risposte comportamentali evidenti per essere osservati. I partecipanti con meno di 15 epoche prive di artefatti in ciascuna condizione sono stati esclusi dallo studio. - Fare clic sul menu Operazioni e selezionare l'opzione di media della finestra EEG per calcolare la media dei singoli ERP.
- Innanzitutto, seleziona l'opzione Media indipendente per calcolare solo la media degli studi target. Quindi, seleziona gli altri quattro stimoli non target e fai clic sull'opzione Media insieme per mediare.
- Ripetere i passaggi 6.2.2 e 6.2.3 per la registrazione EEG di ciascun partecipante nella condizione pre-allenamento e quindi per la condizione post-allenamento.
- Una volta calcolati tutti i singoli ERP, calcola la media tra loro per ottenere le forme d'onda grand-medie per condizione di stimolo per pre e post-allenamento. Apri una qualsiasi media EP individuale, quindi vai al menu Operazioni e seleziona l'opzione Media media grande . Selezionare le medie individuali del partecipante da includere nella media del gruppo.
- Scegli tutte le medie target pre-allenamento dall'elenco a discesa, quindi fai clic sul pulsante Media , digita il nome del file desiderato e premi il tasto Invio per salvare. Quindi selezionare tutte le medie non target pre-allenamento dall'elenco a discesa, fare clic sul pulsante Media , digitare il nome del file desiderato e premere nuovamente il tasto Invio per salvare.
- Ripetere i passaggi precedenti per la condizione post-allenamento.
- Seleziona un numero uguale di epoche prive di artefatti per ogni condizione di stimolo (target e non target) sia nelle condizioni pre che post-allenamento. Selezionare le epoche massime possibili per migliorare il rapporto segnale-rumore. Fallo per ogni record EEG.
- Visualizzazione e analisi ERP
- Selezionare il menu Operazioni per visualizzare l'elenco dei grandi mezzi salvati. Quindi fare clic sulle medie di gruppo che si desidera tracciare. Quindi, fai clic sul pulsante Montaggio per selezionare i canali che desideri tracciare.
- Vai al menu Strumenti , quindi fai clic su Opzioni di visualizzazione per selezionare il colore e la larghezza della linea di ciascuna forma d'onda. Quindi fare clic sul menu Segnale , selezionare la casella di correzione DC , digitare l'intervallo di stimolo di base desiderato, quindi premere il tasto Invio .
- Ispezionare attentamente le forme d'onda grand-medie tracciate per identificare le componenti di interesse e le finestre temporali corrispondenti.
NOTA: Per questo esperimento, sapevamo che le forme d'onda, a causa della progettazione del compito e dei percorsi sensoriali studiati per P3, sarebbero molto probabilmente una componente positiva che appare dopo 300 ms negli elettrodi centroparietali e con maggiori ampiezze di tensione nella condizione target. - Esportare le singole latenze e tensioni di ampiezza di picco, quindi importare i dati in un foglio di calcolo per creare il database. Condurre un'analisi della varianza a misure ripetute (ANOVA) utilizzando un software di statistica.
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Representative Results
Illustrare come l'effetto dell'allenamento di discriminazione di sostituzione sensoriale audio-tattile negli individui PD può essere valutato valutando i cambiamenti in P3 in un gruppo di 17 individui PD (età media = 18,5 anni; SD = 7,2 anni; otto femmine e 11 maschi), abbiamo creato diverse figure per ritrarre le forme d'onda ERP. I risultati mostrati nei grafici ERP rivelano cambiamenti in una forma d'onda positiva centroparietale simile a P3 che è più robusta per gli stimoli target dopo l'allenamento. Nella condizione pre-allenamento, gli ERP suggeriscono che le condizioni T e NT non sono così chiaramente distinguibili come nella condizione post-allenamento. Pertanto, si suggerisce che il programma di allenamento di cinque sessioni abbia un impatto sulla risposta neurale associata alla discriminazione di stimoli sonori complessi. La Figura 3 mostra le grandi medie pre-allenamento e la Figura 4 mostra le grandi medie post-allenamento, che ritraggono i principali risultati di questa indagine. La Figura 5 mostra come queste forme d'onda ERP vengono modificate quando vengono tracciate utilizzando un filtro digitale passa-basso a 5 Hz. Questo filtraggio a posteriori riduce significativamente il rumore, introdotto principalmente dalla variabilità individuale, pur conservando i cambiamenti legati all'addestramento nelle forme d'onda P3 di interesse in questa indagine.
Figura 1: Fotografia del sistema di stimolazione portatile (a sinistra) e dimostrazione di come dovrebbe essere posizionato sul dito indice (a destra). Questo dispositivo è costituito da una minuscola membrana di plastica flessibile con una superficie di 78,5 mm2 che vibra in risposta alle onde di pressione sonora tramite trasmissione analogica, un lungo cavo di ingresso per altoparlanti analogici e una striscia di fissaggio rossa per adattarsi al dito indice. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Diagramma dell'attività di prestazione continua (CPT). Vengono mostrate le immagini spettrali corrispondenti a ciascuna delle cinque categorie di stimolo (tutte con una durata di 1500 ms). Lo stimolo target (abbaiare) è etichettato e viene specificata la durata ISI (intervallo inter-stimolo) (2000 ms). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Forme d'onda medie di pre-addestramento e mappe topografiche di distribuzione della tensione. Questa figura mostra i nove elettrodi fronto-centro-parietali (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz e P4) della matrice di elettrodi del sistema 10-20. Le linee rosse corrispondono alla condizione di destinazione e le linee nere alla condizione non di destinazione. Le mappe colorate rappresentano la distribuzione della tensione in micro-volt (μV) a 620 millisecondi (ms). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Forme d'onda grand-medie post-allenamento e mappe topografiche di distribuzione. Questa figura mostra i nove elettrodi fronto-centro-parietali (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz e P4) della matrice di elettrodi del sistema 10-20. Le linee rosse corrispondono alla condizione di destinazione e le linee nere alla condizione non di destinazione. Le mappe colorate rappresentano la distribuzione della tensione in micro-volt (μV) a 620 millisecondi (ms). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Forme d'onda filtrate pre-allenamento (a sinistra) e post-allenamento (a destra) e mappe di distribuzione topografica. Questa figura mostra i tre elettrodi della linea mediana (Fz, Cz e Pz) dell'array di elettrodi di sistema 10-20 dopo l'applicazione di un filtro passa-basso digitale off-line a 5 Hz. Le linee blu corrispondono alla condizione di destinazione e le linee nere alla condizione non di destinazione. Le mappe colorate rappresentano la distribuzione della tensione in micro-volt (μV) a 630 millisecondi (ms). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura supplementare 1: Selezione dell'epoca nella registrazione EEG grezza utilizzando un software di analisi. Questa schermata mostra un record EEG con il segnale da 21 canali (19 elettrodi attivi e 2 elettrodi oculogramma). Le epoche di 1100 millisecondi (ms), a partire da 100 ms prima della presentazione dello stimolo, sono selezionate in un rettangolo di acqua. Le sottili linee rosse nella parte inferiore dello schermo sono gli impulsi di presentazione dello stimolo sincronizzati incorporati nel segnale EEG. Clicca qui per scaricare questo file.
Figura supplementare 2: Esempi di epoche rifiutate manualmente che mostrano artefatti oculari. Questa schermata mostra una registrazione EEG con il segnale da 21 canali (19 elettrodi attivi e due elettrodi oculogramma). Le epoche selezionate in un rettangolo magenta sono state rifiutate manualmente perché contengono artefatti oculari causati dal lampeggiamento. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 1: Programma di allenamento di sostituzione sensoriale audio-tattile. Una descrizione dettagliata del programma di cinque sessioni. Clicca qui per scaricare questo file.
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Discussion
Utilizzando strumenti ERP, abbiamo progettato un protocollo per osservare e valutare lo sviluppo graduale delle capacità di discriminazione vibrotattile per distinguere rappresentazioni vibrotattili di diversi toni puri. Il nostro lavoro precedente ha dimostrato che la stimolazione vibrotattile è un metodo alternativo praticabile di percezione del suono per gli individui profondamente sordi. Tuttavia, a causa della complessità dei suoni naturali rispetto ai toni puri, il potenziale di discriminazione del suono linguistico merita un'esplorazione separata.
Come primo passo in questa direzione, l'attuale protocollo si concentra sull'aspetto spaziotemporale dei componenti ERP per comprendere ulteriormente i cambiamenti neurali correlati all'apprendimento nei soggetti PD associati alla discriminazione audio-tattile di suoni complessi. Anche se non è stato raggiunto un consenso unico riguardo al preciso ruolo funzionale del P3 nel processo decisionale, i nostri risultati suggeriscono che il P3 riflette un meccanismo di identificazione del bersaglio guidato dalla memoria di lavoro21, un tipo di categorizzazione che può essere modificata con la pratica dopo diverse sessioni di allenamento come parte di una strategia di apprendimento mirata. Le forme d'onda P3 osservate in questo esperimento sono coerenti con la proposta che questa componente potrebbe tracciare il processo di identificazione stesso piuttosto che essere indotta dal completamento dell'identificazione dello stimolo22. Sia i risultati comportamentali che quelli elettrofisiologici supportano l'idea che i suoni complessi naturali, come quelli utilizzati in questo esperimento, possono essere identificati e distinti attraverso un processo di discriminazione vibrotattile una volta che gli individui sono adeguatamente addestrati. Tuttavia, diverse limitazioni sono state attentamente considerate, in particolare l'estensione ideale del campione. È noto che la popolazione clinica afflitta da sordità profonda è di natura eterogenea. Molte variabili come l'eziologia, il grado di perdita dell'udito, l'età di esordio, lo stato uditivo dei genitori, l'esposizione linguistica, l'uso di apparecchi acustici e il background educativo sono difficili da controllare quando si seleziona un campione di studio con un grave deficit uditivo. Gli individui con sordità bilaterale profonda non sindromica, prelinguale, sono un campione complesso da incontrare. Abbiamo intervistato 36 candidati con perdita uditiva profonda che erano interessati a partecipare a questo studio. Di questi, 23 hanno soddisfatto i criteri di inclusione e solo 17 hanno completato lo studio (cinque sessioni di formazione e le sessioni di registrazione pre e post-EEG) e avevano sufficienti dati EEG privi di artefatti richiesti per la media ERP. La maggior parte degli studi che includono partecipanti provenienti da una popolazione clinica con sordità bilaterale profonda hanno ampie fasce di età e piccoli campioni eterogenei. Durante l'esperimento, sono stati fatti tutti gli sforzi per procurarsi un campione il più omogeneo possibile.
Un'altra considerazione metodologica essenziale in questo protocollo è il motivo per cui è stata utilizzata una media di 25 epoche per condizione (25 target e 25 non target) per ottenere le singole medie ERP. Questa decisione è stata presa poiché è necessario ottimizzare il numero di prove incluse in un esperimento bilanciando il compromesso tra la qualità dei dati e la quantità di tempo e risorse impiegate per raccogliere i dati. In particolare, quando si lavora con popolazioni cliniche, ci sono limiti pratici al numero di studi che possono essere presentati in un singolo esperimento poiché è consigliabile ridurre il tempo che i partecipanti trascorrono in laboratorio20. I partecipanti diventano affaticati e irrequieti se l'esperimento richiede troppo tempo causando un aumento del livello di rumore nei dati e un impatto negativo sulle prestazioni dell'attività. È fondamentale riconoscere che è in corso una controversia su quante prove siano necessarie per ottenere effetti ERP significativi23, perché dipende da diversi fattori come il componente ERP in questione, il numero di siti di registrazione, il rapporto segnale-rumore e alcune misure come l'alfa di Cronbach (entro parametri accettabili quando maggiore di 0,6 o 0,07). Diverse fonti hanno stimato un numero adeguato di prove richieste per forme d'onda stabili P300 a circa 20 prove 24, 36 prove25, da 40 a 50 prove 26 e persino fino a 60 prove27. Più specificamente, in compiti di controllo cognitivo come il paradigma Go-NoGo, Rietdijk e colleghi28 hanno concluso che erano necessari almeno 14 studi per ottenere una stima internamente coerente per il P3 in questo tipo di compito. Le considerazioni di cui sopra sono state prese in considerazione sia per il disegno sperimentale che per la tecnica di media ERP descritta in questo studio.
In sintesi, i potenziali cerebrali correlati agli eventi sono uno strumento affidabile e comunemente usato per analizzare i cambiamenti elettrici alla base della funzione cerebrale e delle dinamiche comportamentali. Una delle risposte ERP elettrofisiologiche più importanti e persistenti è la componente P3, che viene proposta come indicatore affidabile per valutare la discriminazione degli stimoli vibrotattili in diversi metodi proposti29. Il fatto che gli ERP abbiano un'elevata coerenza interna e un'elevata affidabilità test-retest significa che sono una tecnica ideale per esaminare i cambiamenti nell'attività cerebrale derivanti dall'intervento di trattamento nei progetti di misure ripetute. Tuttavia, è anche importante notare i limiti di questa tecnica ERP, in cui le piccole grandezze di alcuni componenti ERP possono richiedere molte prove per garantire misure accurate e la risoluzione spaziale degli ERP è molto più scarsa rispetto ad altre tecniche di neuroimaging. Come tale, questa tecnica è più adatta per comprendere le dinamiche temporali dell'attivazione neurofunzionale piuttosto che l'esatta localizzazione di questa attivazione.
Nonostante queste sfide metodologiche, la rinnovata esplorazione dell'evoluzione dello sviluppo neurologico e della connettività delle differenze cerebrali derivanti dalla deprivazione uditiva precoce è un'opportunità per approfondire la comprensione della sostituzione sensoriale e dell'acquisizione del linguaggio, in particolare quando ci si rivolge a popolazioni più giovani e profondamente sorde. I componenti ERP rimangono alcuni dei migliori strumenti a disposizione dei neuroscienziati per affrontare questa sfida e devono ancora produrre risultati con importanti implicazioni future.
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Disclosures
Confermiamo che non vi sono conflitti di interesse noti associati a questa pubblicazione e non vi è stato alcun sostegno finanziario significativo per questo lavoro che potrebbe averne influenzato l'esito.
Acknowledgments
Ringraziamo tutti i partecipanti e le loro famiglie, così come le istituzioni che hanno reso possibile questo lavoro, in particolare, Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, A.C. e Preparatoria No. 7. Ringraziamo anche Sandra Márquez per il suo contributo a questo progetto. Questo lavoro è stato finanziato da GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594 e dall'Istituto di Neuroscienze (Universidad de Guadalajara, Messico).
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 |
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