Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Vurdering av audio-taktil sensorisk substitusjonstrening hos deltakere med dyp døvhet ved hjelp av hendelsesrelatert potensialteknikk

Published: September 7, 2022 doi: 10.3791/64266
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1
1Instituto de Neurociencias, Universidad de Guadalajara, 2Universidad Michoacana de San Nicolás Hidalgo

Summary

Denne protokollen er utformet for å utforske underliggende læringsrelaterte elektrofysiologiske endringer hos personer med dyp døvhet etter en kort opplæringsperiode i lydtaktil sensorisk substitusjon ved å bruke den hendelsesrelaterte potensielle teknikken.

Abstract

Dette papiret undersøker anvendelsen av elektroencefalogrambaserte metoder for å vurdere effekten av lydtaktil substitusjonstrening hos unge, dypt døve (PD) deltakere, med sikte på å analysere nevrale mekanismer forbundet med vibrotaktil kompleks lyddiskriminering. Elektrisk hjerneaktivitet gjenspeiler dynamiske nevrale endringer, og den tidsmessige presisjonen til hendelsesrelaterte potensialer (ERP) har vist seg å være nøkkelen til å studere tidslåste prosesser mens du utfører atferdsoppgaver som involverer oppmerksomhet og arbeidsminne.

Den nåværende protokollen ble designet for å studere elektrofysiologisk aktivitet hos PD-mens de utførte en kontinuerlig ytelsesoppgave (CPT) ved hjelp av komplekse lydstimuli, bestående av fem forskjellige dyrelyder levert gjennom et bærbart stimulatorsystem som ble båret på høyre pekefinger. Som et gjentatt tiltaksdesign ble elektroencefalogram (EEG) opptak i standardforhold utført før og etter et kort treningsprogram (fem 1 timers økter over 15 dager), etterfulgt av offline artefaktkorreksjon og epoke gjennomsnitt, for å oppnå individuelle og store gjennomsnittlige bølgeformer. Atferdsresultater viser en betydelig forbedring i diskriminering og en mer robust P3-lignende sentroparietal positiv bølgeform for målstimuli etter trening. I denne protokollen bidrar ERP-er til videre forståelse av læringsrelaterte nevrale endringer i PD-assosiert med lydtaktil diskriminering av komplekse lyder.

Introduction

Tidlig dyp døvhet er et sensorisk underskudd som sterkt påvirker muntlig språkoppkjøp og oppfatningen av miljølyder som spiller en viktig rolle i å navigere i hverdagen for de med normal hørsel. En bevart og funksjonell auditiv sensorisk vei lar oss høre fottrinn når noen nærmer seg utenfor synsrekkevidde, reagere på møtende trafikk, ambulansesirener og sikkerhetsalarmer, og svare på vårt eget navn når noen trenger vår oppmerksomhet. Audition er derfor en viktig sans for tale, kommunikasjon, kognitiv utvikling og rettidig samhandling med miljøet, inkludert oppfatningen av potensielle trusler i ens omgivelser. I flere tiår har levedyktigheten av lyd-taktil substitusjon som en alternativ lydoppfattelsesmetode med potensial til å utfylle og lette språkutvikling hos alvorlig hørselshemmede individer blitt utforsket med begrensede resultater 1,2,3. Sensorisk substitusjon tar sikte på å gi brukerne miljøinformasjon gjennom en menneskelig sensorisk kanal som er forskjellig fra den som normalt brukes; Det har vist seg å være mulig på tvers av ulike sensoriske systemer 4,5. Spesielt oppnås lyd-taktil sensorisk substitusjon når hudmekanoreceptorer kan transdusere den fysiske energien til lydbølger som komponerer auditiv informasjon til nevronale eksitasjonsmønstre som kan oppfattes og integreres med de somatosensoriske banene og høyere ordens somatosensoriske kortikale områder6.

Flere studier har vist at dypt døve individer kan skille musikalsk klang utelukkende gjennom vibrotaktil oppfatning7 og diskriminere mellom samme kjønn høyttalere ved hjelp av spektrale signaler av komplekse vibrotaktile stimuli8. Nyere funn har vist at døve individer konkret har hatt nytte av et kort, godt strukturert lydtaktilt persepsjonstreningsprogram, da de betydelig forbedret sin evne til å diskriminere mellom forskjellige rene tonefrekvenser9 og mellom rene toner med forskjellig tidsmessig varighet10. Disse eksperimentene brukte hendelsesrelaterte potensialer (ERP), grafforbindelsesmetoder og kvantitative elektroencefalogram (EEG) målinger for å skildre og analysere funksjonelle hjernemekanismer. Den nevrale aktiviteten knyttet til diskriminering av komplekse miljølyder har imidlertid ikke blitt undersøkt før dette papiret.

ERP-er har vist seg nyttige for å studere tidslåste prosesser, med utrolig tidsoppløsning i størrelsesorden millisekunder, mens du utfører atferdsoppgaver som involverer oppmerksomhetsallokering, arbeidsminne og responsvalg11. Som beskrevet av Luck, Woodman og Vogel12, er ERP-er iboende flerdimensjonale prosesseringsmål og er derfor godt egnet til å måle underkomponentene i kognisjon separat. I et ERP-eksperiment kan den kontinuerlige ERP-bølgeformen fremkalt av presentasjonen av en stimulus brukes til direkte å observere nevral aktivitet som er interponert mellom stimulansen og atferdsresponsen. Andre fordeler med teknikken, som kostnadseffektivitet og ikke-invasiv natur, gjør den til en perfekt passform for å studere det nøyaktige tidsforløpet for kognitive prosesser i kliniske populasjoner. Videre gir ERP-verktøy som brukes i et gjentatt tiltaksdesign, der pasientens elektriske hjerneaktivitet registreres mer enn en gang for å studere endringer i elektrisk aktivitet etter et treningsprogram eller intervensjon, ytterligere innsikt i nevrale endringer over tid.

P3-komponenten, som er det mest omfattende undersøkte kognitive potensialet13, er for tiden anerkjent for å reagere på alle slags stimuli, mest tilsynelatende til stimuli med lav sannsynlighet, eller av høy intensitet eller betydning, eller de som krever noen atferdsmessig eller kognitiv respons14. Denne komponenten har også vist seg å være svært nyttig for å evaluere generell kognitiv effektivitet i kliniske modeller15,16. En klar fordel ved å vurdere endringer i P3-bølgeformen er at det er en lett observerbar nevral respons på grunn av sin større amplitude sammenlignet med andre mindre komponenter; Den har en karakteristisk sentroparietal topografisk fordeling og er også relativt enkel å fremkalle ved hjelp av riktig eksperimentell design17,18,19.

I denne sammenheng er målet med denne studien å utforske læringsrelaterte elektrofysiologiske endringer hos pasienter med dyp døvhet etter trening i en kort periode i vibrotaktil lyddiskriminering. I tillegg brukes ERP-verktøy for å skildre den funksjonelle hjernedynamikken som ligger til grunn for det midlertidige engasjementet av de kognitive ressursene som oppgaven krever.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Studien ble gjennomgått og godkjent av Neuroscience Institutes etiske komité (ET062010-88, Universidad de Guadalajara), og sikret at alle prosedyrer ble utført i samsvar med Helsinkideklarasjonen. Alle deltakerne samtykket til å delta frivillig og ga skriftlig informert samtykke (når de var mindreårige, signerte foreldrene samtykkeskjemaer).

1. Eksperimentell design

  1. Stimulus forberedelse
    1. Søk i Creative Commons-lisensierte lyddatabaser for å velge et sett med dyrelyder i .wav format. Stimuliene i denne studien besto av fem forskjellige dyrelyder: hundebjeffing, kumooing, hest neighing, esel braying og elefant trompeter.
      MERK: Lydstimuliene som brukes her ble tidligere valgt som en samling lyder for det vibrotaktile diskrimineringstreningsprogrammet i våre tidligere studier 9,10.
    2. Rediger lydfilene ved hjelp av en gratis lydredigerer med åpen kildekode for å standardisere intensiteten og lengden på stimuliene til 1500 ms. For denne protokollen, standardiser i en lineær skala fra 0 til 8000 Hz, med en forsterkning på 20 dB, og i et område på 80 dB basert på parametrene etablert i de tidligere studiene 9,10 ved bruk av samme vibrotaktile stimuleringssystem.
    3. Lagre de formaterte lydfilene i et 32-biters flytformat med en prosjekthastighet på 48 000 Hz.
  2. Paradigmeoppsett i elektrofysiologisk presentasjonsprogramvare
    1. Design en kontinuerlig ytelsesoppgave (CPT) ved hjelp av en eksperimentell design- og stimuluspresentasjonsprogramvare, og tilordne stimuliene til en av de to betingelsene: (a) mål (T) stimulus (hund som bjeffer i 20% av forsøkene) og (b) ikke-mål (NT) stimuli (de resterende fire dyrelydene for de andre 80%).
      MERK: Hver tilstand ble merket med samme kode for å synkronisere stimuluspresentasjonsmerker når du programmerer EEG-protokollen i opptaksprogramvaren.
    2. Bygg en pseudo-randomisert stimulus-presentasjon ved hjelp av programvareplattformen der de fem dyrelydene (hund, ku, hest, esel og elefant) hver presenteres 20% av tiden. Sjekk at målstimulansen (hundebjeffing) aldri forekommer mer enn to ganger etter hverandre.
    3. Spesifiser ønsket interstimulusintervall (ISI) og total responstid, og velg svarnøklene som skal brukes til automatisk å samle inn atferdsdata for mål (T) stimuliresponser. Her ble en fast 2000 ms ISI-liste for 150 forsøk og riktig respons for T-stimuli programmert via venstre kontrolltast på et standard tastatur. Deltakerne fikk et tidsvindu på 3500 ms for en atferdsrespons (starter ved stimuluspresentasjon).

2. Valg av deltaker

  1. Rekrutter potensielle deltakere med dyp bilateral sensorineural hørselstapsdiagnose og samle demografiske data, inkludert alder, kjønn, håndpreferanse og utdanningshistorie.
  2. Gjennomfør semistrukturerte kliniske intervjuer for å skjerme deltakerne for personlig eller familiehistorie av psykiatrisk, nevrologisk eller nevrodegenerativ sykdom og for å samle inn informasjon knyttet til døvhet klinisk historie: alder av utbrudd, etiologi og høreapparatbrukshistorie, samt deres foretrukne kommunikasjonsmodus (muntlig, manuell eller tospråklig).
  3. Gjennomfør audiologiske tester (rentonede lufthørselsterskler) ved hjelp av et audiometer for å bekrefte alvorlighetsgraden av hørselstap.
    1. I et lyddempet rom sitter du rett foran deltakeren og plasserer hodetelefoner på dem riktig.
    2. Be deltakerne om å løfte sin dominerende hånd for å signalisere når de kan høre tonen som presenteres gjennom hodetelefonene.
    3. Fra intensitetsnivåer på 20 dB til 110 dB, presenter en ren tone ved seks oktaver i følgende stigende rekkefølge: 250, 500, 1000, 2000, 4000 og 8000 Hz, som starter med venstre øre og gjentar de samme trinnene for høyre øre.
      1. Beregn pasientens rentonede gjennomsnitt (PTA) ved å beregne gjennomsnittlig hørselsterskler på 500, 1000, 2000 og 4000 Hz for hvert øre. Inklusjonskriteriene for hørselstap for studien er et bilateralt rent tonegjennomsnitt (PTA) større enn 90 dB.
      2. Velg deltakere basert på kvalifikasjonskriteriene. Inklusjonskriterier inkluderer i tillegg ingen personlig eller familiær historie med psykiatrisk, nevrologisk eller nevrodegenerativ sykdom og ikke-syndromisk, prelingual dyp bilateral døvhet. Innhent informert samtykke og forklar de eksperimentelle prosedyrene for deltakerne.
        MERK: Alle skjemaene, spørreskjemaene og instruksjonene som ble brukt i studien, ble oversatt til meksikansk tegnspråk (MSL) av en profesjonell MSL-tolk og ble presentert i videoformat ved hjelp av en nettbrett. I tillegg var en MSL-tolk til stede under alle studieprosedyrene.

3. Før trening av EEG-opptaksøkt

  1. Forberedelse av deltaker
    1. Kontroller at deltakerne har kommet til opptaksøkten med rent og tørt hår, uten å ha brukt hårgelé, balsam eller andre hårprodukter som påvirker elektrodeimpedansen.
    2. Be deltakerne om å sitte i en komfortabel stilling, omtrent 60 cm fra stimulusskjermen, og bruk nettbrettet til å spille av MSL-videoklippet med beskrivelsen av forberedelsesprosedyren.
    3. Rengjør områdene der referanse- og elektrookulogramelektroder (EOG) skal plasseres (øreflipper, panne, ytre kantus, infraokulære orbitale rygger, etc.). Tørk først huden med en spritserviett, og påfør deretter EEG slipende prepping gel forsiktig med en bomullspinne for å eksfoliere døde hudceller på overflaten.
    4. Fyll elektrodegullkoppen med ledende elektrodepasta og plasser en elektrode på hvert referansested, vanligvis på høyre og venstre øreflipper eller mastoider. Gjenta trinnene for å plassere minst én vertikal EOG ved den ytre canthus og én horisontal EOG ved den infraokulære orbitalryggen for å overvåke oculomotorisk aktivitet (blink og sakkader). Hold enkeltelektrodene på plass med et stykke 1 i mikroportape.
    5. Be deltakerne om å holde armene rett horisontalt og deretter passe kroppsselen tett, men komfortabelt rundt brystet under armhulene med snapsene midt på brystet.
    6. Plasser EEG kommersielle elektro-cap med 19 Ag / AgCl elektroder (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz, og Pz) topografisk arrangert i henhold til International 10-20 system. Bruk et målebånd for å sjekke deltakerens hodeomkrets for å sikre at du bruker riktig hettestørrelse.
    7. Juster Cz-elektroden med nesen og mål deretter avstanden fra nasionen til inionen slik at Cz-elektroden faller nøyaktig i midten. Knapp de justerbare stroppene på sidene av hetten til kroppsselen slik at elektrohetten strammes godt.
    8. Plasser den gelfylte stumpnålsprøyten inne i elektroden, sirkle nålen for å fjerne hår, og slip deretter hodebunnsområdet forsiktig under elektroden før du påfører den ledende gelen. Ikke bruk for mye gel for å unngå elektrisk brobygging med nærliggende elektrodesteder.
    9. La EEG-ledende gel tørke ved kjølig romtemperatur.
  2. Sette opp EEG-opptaksutstyret
    1. Kalibrer EEG-systemet i henhold til instrumentets instruksjoner, og koble deretter elektrohetten til forsterkersettet med et båndpass på 0,05-30 Hz (3 dB avskjæringspunkter på 6 dB / oktav avrullingskurver), et 60 Hz hakkfilter og en 200 Hz samplingsfrekvens lik en samplingsperiode på 5 ms.
    2. Kontroller at impedansen er under 5 KΩ (for et lavimpedanssystem) på alle elektrodesteder og kontroller på skjermen at alle kanaler registrerer de elektriske signalene jevnt.
  3. Kjøre den eksperimentelle oppgaven
    1. Plasser deltakeren foran dataskjermen og plasser tastaturet på behagelig avstand.
    2. Koble kabelen til den bærbare stimulatorenheten (se figur 1) til datasystemhøyttalerens uttak og still høyttalervolumet til det maksimale intensitetsnivået.
    3. Juster det bærbare stimulatorsystemet på deltakerens høyre pekefingertupp og test.
    4. Bruk nettbrettet til å spille av eksperimentinstruksjonene og utfør en øvelsesprøve for å gjøre motivet kjent med den bærbare stimulatorenheten, de lydtaktile stimuliene og oppgaven. Gjenta MSL-instruksjonene og bekreft forståelsen.
    5. Minn deltakeren på å reagere på hundens bjeffstimulus ved å trykke på venstre kontrolltast med venstre pekefinger bare ved målstimuleringsdeteksjon og å holde tilbake responsen når noen av de fire andre dyrelydene oppfattes. CPTs eksperimentelle paradigme er representert i figur 2.
    6. Gi klare instruksjoner for hvordan du minimerer artefakter og demonstrer effekten av artefakter på EEG i sanntid før du begynner å registrere (anbefales som en standard opptaksprosedyre i forskning med kliniske populasjoner20).
    7. Før du starter CPT-oppgaven, må du kontrollere at hendelsessynkroniseringen mellom den kognitive stimuleringsdatamaskinen og EEG-opptaksdatamaskinen fungerer som den skal. For å gjøre det, begynn å ta opp EEG-signalet og klikk på kommunikasjonsikonet i stimuluspresentasjonsprogramvaregrensesnittet. Når du klikker, vises de hendelsessynkroniserte pulsene nederst på EEG-opptaksskjermen.
    8. Kjør den eksperimentelle oppgaven. Følg nøye med deltakeren og overvåk årvåkenhet, responsutførelse og overdreven bevegelse eller blinking.
    9. Pause og la deltakeren få en kort pause midt i eksperimentet (4 minutter i eksperimentet) slik at de kan blunke, slappe av og bevege seg rundt om nødvendig. Fullfør kjøringen av eksperimentet.

4. Audio-taktil sensorisk substitusjonstreningsprogram

  1. Se tilleggsfil 1, som inneholder en detaljert beskrivelse av fem-øktsprogrammet, for å utføre opplæringen. Automatiser aktivitetene som beskrives ved hjelp av et regneark for å gjøre opplæringen mer systematisk og engasjerende for deltakerne. Bruk originale bilder og lydopptak fra9 og be deltakerne om å svare ved å trykke på en bærbar berøringsskjerm.
    MERK: Innholdet og tabellene i denne filen er gjengitt med tillatelse fra9.

5. EEG-opptaksøkt etter trening

  1. Gjenta nøyaktig de samme trinnene som angitt i avsnitt 3.

6. EEG-analyse

MERK: EEG-anskaffelsestrinnene ble gjort ved hjelp av EEG-opptaksprogramvaren, og EEG-behandlingstrinnene ble gjort ved hjelp av en egen EEG-analyseprogramvare.

  1. EEG rå signal forbehandling
    1. Definer og velg epoker på 1100 ms i de kontinuerlige EEG-dataene, uten bruk av ekstra digitale filtre, ved hjelp av stimulusutbrudd som innledende øyeblikk (t0), og inkludert en 100 ms pre-stimulus som brukes til baseline korreksjon. Supplerende figur 1 illustrerer hvordan 1100 ms-epokene ble valgt i henhold til EEG-analysens kommersielle programvare installert i EEG-opptaksutstyret.
    2. Under artefaktavvisning, ekskluder epoker av data på alle kanaler når spenningen i en gitt opptaksepoke overstiger 100 μV på en hvilken som helst EEG- eller EOG-kanal. Avvis også artefakter ved visuell inspeksjon av epokene. Se supplerende figur 2, som gir et eksempel på epoker som ble avvist manuelt på grunn av okulære artefakter.
  2. Gjennomsnittlig signal
    1. Velg like mange artefaktfrie epoker for hver stimulustilstand (mål og ikke-mål) både før og etter trening. Velg de maksimale epoker som er mulig for å forbedre signal-til-støy-forholdet. Gjør dette for hver EEG-post.
      MERK: I denne protokollen valgte vi i gjennomsnitt 25 riktige responsepoker per tilstand på hvert tidspunkt siden vi var interessert i å evaluere måldiskriminering. Husk at noen ERP-komponenter ikke krever åpenbare atferdsresponser som skal observeres. Deltakere med mindre enn 15 artefaktfrie epoker i hver tilstand ble ekskludert fra studien.
    2. Klikk på Operations-menyen og velg EEG-vinduets gjennomsnittlige alternativ for å gjennomsnittlig individuelle ERP-er.
    3. Velg først alternativet Uavhengig gjennomsnitt bare for å beregne gjennomsnittlig målforsøk. Velg deretter de fire andre ikke-målstimuliene og klikk på alternativet Gjennomsnitt sammen til gjennomsnitt.
    4. Gjenta trinn 6.2.2 og 6.2.3 for hver deltakers EEG-registrering i tilstanden før trening og deretter for tilstanden etter trening.
    5. Når alle de individuelle ERP-ene er beregnet, gjennomsnitt dem sammen for å oppnå de store gjennomsnittlige bølgeformene per stimulusbetingelse for før- og ettertrening. Åpne et hvilket som helst individuelt EP-gjennomsnitt, gå deretter til Operations-menyen og velg Grand-mean gjennomsnittsalternativ . Velg deltakerens individuelle gjennomsnitt som skal inkluderes i gruppegjennomsnittet.
    6. Velg alle målgjennomsnitt før trening fra rullegardinlisten, klikk deretter på Gjennomsnitt-knappen , skriv inn ønsket filnavn, og trykk på Retur-tasten for å lagre. Velg deretter alle ikke-målgjennomsnitt før trening fra rullegardinlisten, klikk på Gjennomsnitt-knappen , skriv inn ønsket filnavn, og trykk igjen på Retur-tasten for å lagre.
    7. Gjenta de forrige trinnene for tilstanden etter trening.
  3. ERP-visualisering og analyser
    1. Velg Operasjoner-menyen for å se listen over lagrede store midler. Klikk deretter på gruppegjennomsnittene du vil plotte inn. Deretter klikker du på Montage-knappen for å velge kanalene du vil plotte.
    2. Gå til Verktøy-menyen , og klikk deretter på Visualiser alternativer for å velge hver bølgeforms farge og linjebredde. Klikk deretter på Signal-menyen , merk av for DC-korreksjonsboksen , skriv inn ønsket grunnlinjestimulusintervall, og trykk deretter på Retur-tasten .
    3. Inspiser nøye de plottede grand-mean bølgeformene for å identifisere komponentene av interesse og deres tilsvarende tidsvinduer.
      MERK: For dette eksperimentet visste vi at bølgeformene, på grunn av oppgavedesign og sensoriske veier understudy for P3, sannsynligvis ville være en positiv komponent som vises senere enn 300 ms i sentroparietalelektroder og med større spenningsamplituder i måltilstanden.
    4. Eksporter individuelle toppamplitudeforsinkelser og spenninger, og importer deretter data i et regneark for å bygge databasen. Gjennomføre en repetert-tiltak Analyse av varians (ANOVA) ved hjelp av en statistikk programvare.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For å illustrere hvordan effekten av den audiotaktile sensoriske substitusjonsdiskrimineringsopplæringen hos PD-individer kan vurderes ved å evaluere endringer i P3 i en gruppe på 17 PD-individer (gjennomsnittsalder = 18,5 år; SD = 7, 2 år; åtte kvinner og 11 menn), skapte vi flere figurer for å skildre ERP-bølgeformene. Resultatene vist i ERP-plottene avslører endringer i en P3-lignende sentroparietal positiv bølgeform som er mer robust for målstimuliene etter trening. I førtreningstilstanden antyder ERP-er at T- og NT-forholdene ikke er like tydelige skilt som i ettertreningstilstanden. Derfor foreslås det at treningsprogrammet på fem økter har innvirkning på den nevrale responsen forbundet med kompleks lydstimulidiskriminering. Figur 3 viser de store gjennomsnittene før trening, og figur 4 viser de store gjennomsnittene etter trening, som viser hovedresultatene av denne undersøkelsen. Figur 5 viser hvordan disse ERP-bølgeformene modifiseres når de plottes ved hjelp av et digitalt lavpassfilter ved 5 Hz. Dette a posteriori-filtreringen reduserer støyen betydelig, introdusert først og fremst av individuell variasjon, samtidig som de treningsrelaterte endringene i P3-bølgeformene av interesse i denne undersøkelsen bevares.

Figure 1
Figur 1: Fotografi av det bærbare stimuleringssystemet (venstre) og demonstrasjon av hvordan det skal plasseres på pekefingeren (høyre). Denne enheten består av en liten fleksibel plastmembran med en 78,5 mm2 overflate som vibrerer som svar på lydtrykkbølger via analog overføring, en lang analog høyttalerinngangskabel og en rød festestrimmel for å justere seg til pekefingeren. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Diagram over Continuous Performance Task (CPT). Spektralbildene som tilsvarer hver av de fem stimulanskategoriene er vist (alle med en varighet på 1500 ms). Målstimulansen (bjeffing) er merket, og ISI-varigheten (inter-stimulusintervall) er spesifisert (2000 ms). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Fortrening av grand-mean bølgeformer og topografiske spenningsfordelingskart. Denne figuren viser de ni fronto-centro-parietale elektrodene (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz og P4) av 10-20 systemelektrodematrisen. Røde linjer tilsvarer målbetingelsen og svarte linjer til ikke-målbetingelsen. De fargede kartene representerer spenningsfordelingen i mikrovolt (μV) ved 620 millisekunder (ms). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Bølgeformer etter trening og topografiske fordelingskart etter trening. Denne figuren viser de ni fronto-centro-parietale elektrodene (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz og P4) av 10-20 systemelektrodematrisen. Røde linjer tilsvarer målbetingelsen og svarte linjer til ikke-målbetingelsen. De fargede kartene representerer spenningsfordelingen i mikrovolt (μV) ved 620 millisekunder (ms). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Fortrening (venstre) og ettertrening (høyre) filtrerte grand-mean bølgeformer og topografiske fordelingskart. Denne figuren viser de tre midtlinjeelektrodene (Fz, Cz og Pz) til 10-20 systemelektrodematrisen etter at et off-line digitalt 5 Hz lavpassfilter ble påført. Blå linjer tilsvarer målbetingelsen og svarte linjer til ikke-målbetingelsen. De fargede kartene representerer spenningsfordelingen i mikrovolt (μV) ved 630 millisekunder (ms). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende figur 1: Epokevalg i rå EEG-registrering ved hjelp av analyseprogramvare. Dette skjermbildet viser en EEG-post med signalet fra 21 kanaler (19 aktive elektroder og 2 oculogramelektroder). Epokene på 1100 millisekunder (ms), som starter på 100 ms før stimuluspresentasjon, velges i et akvarektangel. De tynne røde linjene nederst på skjermen er de synkroniserte stimuluspresentasjonspulsene som er innebygd i EEG-signalet. Klikk her for å laste ned denne filen.

Supplerende figur 2: Eksempler på manuelt avviste epoker som viser okulære artefakter. Dette skjermbildet viser en EEG-post med signalet fra 21 kanaler (19 aktive elektroder og to oculogramelektroder). Epoker valgt i et magenta rektangel har blitt avvist manuelt fordi de inneholder okulære artefakter forårsaket av blinking. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfil 1: Opplæringsprogram for lydtaktil sensorisk substitusjon . En detaljert beskrivelse av fem-økt programmet. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved hjelp av ERP-verktøy designet vi en protokoll for å observere og evaluere den gradvise utviklingen av vibrotaktile diskrimineringsferdigheter for å skille vibrotaktile representasjoner av forskjellige rene toner. Vårt tidligere arbeid har vist at vibrotaktil stimulering er en levedyktig alternativ lydoppfattelsesmetode for dypt døve individer. Men på grunn av kompleksiteten til naturlige lyder sammenlignet med rene toner, garanterer potensialet for språklyddiskriminering en egen utforskning.

Som det første skrittet i denne retningen fokuserer den nåværende protokollen på det spatiotemporale utseendet til ERP-komponenter for ytterligere å forstå de læringsrelaterte nevrale endringene i PD-assosiert med lyd-taktil diskriminering av komplekse lyder. Selv om det ikke er oppnådd en unik konsensus om P3s presise funksjonelle rolle i beslutningsprosessen, tyder resultatene våre på at P3 gjenspeiler en arbeidsminnestyrt målidentifikasjonsmekanisme21, en type kategorisering som kan endres med praksis etter flere treningsøkter som en del av en målrettet læringsstrategi. P3-bølgeformene observert i dette eksperimentet er i samsvar med forslaget om at denne komponenten kan spore selve identifikasjonsprosessen i stedet for å bli fremkalt ved fullføring av stimulusidentifikasjonen22. Både atferdsmessige og elektrofysiologiske resultater støtter forestillingen om at naturlige komplekse lyder, som de som brukes i dette eksperimentet, kan identifiseres og skilles gjennom en vibrotaktil diskrimineringsprosess når enkeltpersoner er riktig opplært. Imidlertid har flere begrensninger blitt nøye vurdert, spesielt den ideelle utvidelsen av prøven. Det er velkjent at den kliniske populasjonen som er rammet av dyp døvhet, er heterogen av natur. Mange variabler som etiologi, grad av hørselstap, debutalder, foreldrenes hørselsstatus, språkeksponering, høreapparatbruk og utdanningsbakgrunn er vanskelige å kontrollere når man velger et studieutvalg med alvorlig hørselsunderskudd. Personer med ikke-syndromisk, prelingual dyp bilateral døvhet er et komplekst utvalg å komme over. Vi intervjuet 36 kandidater med stort hørselstap som var interessert i å delta i denne studien. Av disse oppfylte 23 inklusjonskriteriene, og bare 17 fullførte studien (fem treningsøkter og opptakene før og etter EEG) og hadde tilstrekkelige artefaktfrie EEG-data som kreves for ERP-gjennomsnitt. De fleste studier som inkluderer deltakere fra en klinisk populasjon med dyp bilateral døvhet har brede aldersgrupper og små heterogene prøver. Under forsøket ble det gjort alle anstrengelser for å skaffe en prøve så homogen som mulig.

En annen viktig metodologisk vurdering i denne protokollen er hvorfor et gjennomsnitt på 25 epoker per tilstand (25 mål og 25 ikke-mål) ble brukt for å oppnå de individuelle ERP-gjennomsnittene. Denne beslutningen ble tatt fordi det er nødvendig å optimalisere antall forsøk som inngår i et eksperiment ved å balansere avveiningen mellom kvaliteten på dataene og hvor mye tid og ressurser som brukes på å samle inn dataene. Spesielt når man arbeider med kliniske populasjoner, er det praktiske begrensninger på antall studier som kan presenteres i et enkelt eksperiment, siden det anbefales å redusere tiden deltakerne bruker i laboratoriet20. Deltakerne blir trette og urolige hvis eksperimentet tar for lang tid, noe som forårsaker en økning i støynivået i dataene og påvirker ytelsen på oppgaven negativt. Det er viktig å erkjenne at det er pågående kontroverser om hvor mange forsøk som trengs for å få betydelige ERP-effekter23, fordi det avhenger av flere faktorer som den aktuelle ERP-komponenten, antall opptakssteder, signal-til-støy-forholdet og visse tiltak som Cronbachs alfa (innenfor akseptable parametere når de er større enn 0,6 eller 0,07). Flere kilder har estimert et passende antall forsøk som kreves for stabile P300-bølgeformer ved rundt 20 forsøk 24, 36 forsøk25, 40 til 50 forsøk 26, og til og med opptil 60 forsøk27. Mer spesifikt, i kognitive kontrolloppgaver som Go-NoGo-paradigmet, konkluderte Rietdijk og kolleger28 at det var nødvendig med minst 14 forsøk for å oppnå et internt konsistent estimat for P3 i denne typen oppgaver. De ovennevnte hensynene ble tatt i betraktning både for eksperimentell design og ERP-gjennomsnittsteknikken beskrevet i denne studien.

I sum er hendelsesrelaterte hjernepotensialer et pålitelig og ofte brukt verktøy for å analysere de elektriske endringene som ligger til grunn for hjernens funksjon og atferdsdynamikk. En av de mest fremtredende og vedvarende elektrofysiologiske ERP-responsene er P3-komponenten, som foreslås som en pålitelig indikator for evaluering av diskriminering av vibrotaktile stimuli på tvers av flere foreslåtte metoder29. Det faktum at ERP-er har høy intern konsistens og høy test-retest-pålitelighet, betyr at de er en ideell teknikk for å undersøke endringer i hjerneaktivitet som følge av behandlingsintervensjon i gjentatte tiltaksdesign. Det er imidlertid også viktig å merke seg begrensningene i denne ERP-teknikken, der de små størrelsene til visse ERP-komponenter kan ta mange forsøk for å garantere nøyaktige tiltak, og den romlige oppløsningen til ERP-ene er mye dårligere enn andre neuroimaging-teknikker. Som sådan er denne teknikken bedre egnet for å forstå den tidsmessige dynamikken til nevrofunksjonell aktivering i stedet for den nøyaktige lokaliseringen av denne aktiveringen.

Til tross for disse metodologiske utfordringene er fornyet utforskning av nevroutviklingsutviklingen og tilkobling av hjerneforskjeller som følge av tidlig auditiv deprivasjon en mulighet til å fremme forståelsen av sensorisk substitusjon og språktilegnelse, spesielt når man vender seg til yngre, dypt døve befolkninger. ERP-komponenter er fortsatt noen av de beste verktøyene som er tilgjengelige for nevrologer for å møte denne utfordringen, og har ennå ikke gitt resultater med viktige fremtidige implikasjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Vi bekrefter at det ikke er kjente interessekonflikter knyttet til denne publikasjonen, og det har ikke vært noen vesentlig økonomisk støtte til dette arbeidet som kunne ha påvirket utfallet.

Acknowledgments

Vi takker alle deltakerne og deres familier, samt institusjonene som gjorde dette arbeidet mulig, spesielt Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, A.C., og Preparatoria No. 7. Vi takker også Sandra Márquez for hennes bidrag til dette prosjektet. Dette arbeidet ble finansiert av GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594, og Neuroscience Institute (Universidad de Guadalajara, Mexico).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rothenberg, M., Richard, D. M. Encoding fundamental frequency into vibrotactile frequency. The Journal of the Acoustical Society of America. 66 (4), 1029-1038 (1979).
  2. Plant, G., Arne, R. The transmission of fundamental frequency variations via a single channel vibrotactile aid. Speech Transmission Laboratories Quarterly Progress Report. 24 (2-3), 61-84 (1983).
  3. Bernstein, L. E., Tucker, P. E., Auer, E. T. Potential perceptual bases for successful use of a vibrotactile speech perception aid. Scandinavian Journal of Psychology. 39 (3), 181-186 (1998).
  4. Bach-y-Rita, P., Kercel, S. W. Sensory substitution and the human-machine interface. Trends in Cognitive Sciences. 7 (12), 541-546 (2003).
  5. Bach-y-Rita, P. Tactile sensory substitution studies. Annals of New York Academy of Sciences. 1013 (1), 83-91 (2004).
  6. Kaczmarek, K. A., Webster, J. G., Bach-y-Rita, P., Tompkins, W. J. Electrotactile and vibrotactile displays for sensory substitution systems. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 38 (1), 1-16 (1991).
  7. Russo, F. A., Ammirante, P., Fels, D. I. Vibrotactile discrimination of musical timbre. Journal of Experimental Psychology Human Perception Performance. 38 (4), 822-826 (2012).
  8. Ammirante, P., Russo, F. A., Good, A., Fels, D. I. Feeling voices. PloS One. 8 (1), 369-377 (2013).
  9. González-Garrido, A. A., et al. Vibrotactile discrimination training affects brain connectivity in profoundly deaf individuals. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 28 (2017).
  10. Ruiz-Stovel, V. D., Gonzalez-Garrido, A. A., Gómez-Velázquez, F. R., Alvarado-Rodríguez, F. J., Gallardo-Moreno, G. B. Quantitative EEG measures in profoundly deaf and normal hearing individuals while performing a vibrotactile temporal discrimination task. International Journal of Psychophysiology. 166, 71-82 (2021).
  11. Polich, J. Updating P300: an integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
  12. Luck, S. J., Woodman, G. F., Vogel, E. K. Event-related potential studies of attention. Trends in Cognitive Sciences. 4 (11), 432-440 (2000).
  13. Kelly, S. P., O'Connell, R. G. The neural processes underlying perceptual decision making in humans: recent progress and future directions. Journal of Physiology-Paris. 109 (1-3), 27-37 (2015).
  14. Barry, R. J., et al. Components in the P300: Don't forget the Novelty P3. Psychophysiology. 57 (7), 13371 (2020).
  15. Polich, J. P300 clinical utility and control of variability. Journal of Clinical Neurophysiology. 15 (1), 14-33 (1998).
  16. Polich, J., Criado, J. R. Neuropsychology and neuropharmacology of P3a and P3b. International Journal of Psychophysiology. 60 (2), 172-185 (2006).
  17. Polich, J., Kok, A. Cognitive and biological determinants of P300: an integrative review. Biological Psychology. 41 (2), 103-146 (1995).
  18. Nieuwenhuis, S., Aston-Jones, G., Cohen, J. D. Decision making, the P3, and the locus coeruleus--norepinephrine system. Psychological Bulletin. 131 (4), 510 (2005).
  19. Luck, S. J. An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , MIT Press. (2014).
  20. Kappenman, E. S., Luck, S. J. Best practices for event-related potential research in clinical populations. Biological Psychiatry: Cognitive Neuroscience and Neuroimaging. 1 (2), 110-115 (2016).
  21. Rac-Lubashevsky, R., Kessler, Y. Revisiting the relationship between the P3b and working memory updating. Biological Psychology. 148, 107769 (2019).
  22. Twomey, D. M., Murphy, P. R., Kelly, S. P., O'Connell, R. G. The classic P300 encodes a build-to-threshold decision variable. European Journal of Neuroscience. 42 (1), 1636-1643 (2015).
  23. Boudewyn, M. A., Luck, S. J., Farrens, J. L., Kappenman, E. S. How many trials does it take to get a significant ERP effect? It depends. Psychophysiology. 55 (6), 13049 (2018).
  24. Cohen, J., Polich, J. On the number of trials needed for P300. International Journal ofPsychophysiology. 25 (3), 249-255 (1997).
  25. Duncan, C. C., et al. Event-related potentials in clinical research: guidelines for eliciting, recording, and quantifying mismatch negativity, P300, and N400. Clinical Neurophysiology. 120 (11), 1883-1908 (2009).
  26. Thigpen, N. N., Kappenman, E. S., Keil, A. Assessing the internal consistency of the event-related potential: An example analysis. Psychophysiology. 54 (1), 123-138 (2017).
  27. Huffmeijer, R., Bakermans-Kranenburg, M. J., Alink, L. R., Van IJzendoorn, M. H. Reliability of event-related potentials: the influence of number of trials and electrodes. Physiology & Behavior. 130, 13-22 (2014).
  28. Rietdijk, W. J., Franken, I. H., Thurik, A. R. Internal consistency of event-related potentials associated with cognitive control: N2/P3 and ERN/Pe. PloS One. 9 (7), 102672 (2014).
  29. Alsuradi, H., Park, W., Eid, M. EEG-based neurohaptics research: A literature review. IEEE Access. 8, 49313-49328 (2020).

Tags

Nevrovitenskap utgave 187
Vurdering av audio-taktil sensorisk substitusjonstrening hos deltakere med dyp døvhet ved hjelp av hendelsesrelatert potensialteknikk
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ruiz-Stovel, V. D.,… More

Ruiz-Stovel, V. D., González-Garrido, A. A., Gómez-Velázquez, F. R., Gallardo-Moreno, G. B., Villuendas-González, E. R., Soto-Nava, C. A. Assessment of Audio-Tactile Sensory Substitution Training in Participants with Profound Deafness Using the Event-Related Potential Technique. J. Vis. Exp. (187), e64266, doi:10.3791/64266 (2022).

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