Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Bedömning av audio-taktil sensorisk substitutionsträning hos deltagare med djup dövhet med hjälp av den händelserelaterade potentiella tekniken

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

Detta protokoll är utformat för att utforska underliggande inlärningsrelaterade elektrofysiologiska förändringar hos personer med djup dövhet efter en kort träningsperiod i audio-taktil sensorisk substitution genom att tillämpa den händelserelaterade potentiella tekniken.

Abstract

Detta dokument undersöker tillämpningen av elektroencefalogrambaserade metoder för att bedöma effekterna av audio-taktil substitutionsträning hos unga, djupt döva (PD) deltagare, i syfte att analysera de neurala mekanismerna associerade med vibrotaktil komplex ljuddiskriminering. Elektrisk hjärnaktivitet återspeglar dynamiska neurala förändringar, och den tidsmässiga precisionen hos händelserelaterade potentialer (ERP) har visat sig vara nyckeln till att studera tidslåsta processer samtidigt som man utför beteendeuppgifter som involverar uppmärksamhet och arbetsminne.

Det nuvarande protokollet var utformat för att studera elektrofysiologisk aktivitet hos PD-försökspersoner medan de utförde en kontinuerlig prestandauppgift (CPT) med hjälp av komplexa ljudstimuli, bestående av fem olika djurljud levererade genom ett bärbart stimulatorsystem som bärs på höger pekfinger. Som en design med upprepade åtgärder utfördes elektroencefalograminspelningar (EEG) under standardförhållanden före och efter ett kort träningsprogram (fem 1 h-sessioner under 15 dagar), följt av offline-artefaktkorrigering och epokmedelvärde, för att erhålla individuella och grand-mean-vågformer. Beteenderesultat visar en signifikant förbättring av diskriminering och en mer robust P3-liknande centroparietal positiv vågform för målstimuli efter träning. I detta protokoll bidrar ERP till ytterligare förståelse för inlärningsrelaterade neurala förändringar i PD-ämnen associerade med ljudtaktil diskriminering av komplexa ljud.

Introduction

Tidig djup dövhet är ett sensoriskt underskott som starkt påverkar muntligt språkförvärv och uppfattningen av miljöljud som spelar en viktig roll för att navigera i vardagen för dem med normal hörsel. En bevarad och funktionell auditiv sensorisk väg gör att vi kan höra fotsteg när någon närmar sig utanför det visuella området, reagera på mötande trafik, ambulanssirener och säkerhetslarm och svara på vårt eget namn när någon behöver vår uppmärksamhet. Audition är därför en viktig känsla för tal, kommunikation, kognitiv utveckling och snabb interaktion med miljön, inklusive uppfattningen av potentiella hot i ens omgivning. I årtionden har livskraften hos audio-taktil substitution som en alternativ ljuduppfattningsmetod med potential att komplettera och underlätta språkutveckling hos allvarligt hörselskadade individer undersökts med begränsade resultat 1,2,3. Sensorisk substitution syftar till att ge användarna miljöinformation genom en mänsklig sensorisk kanal som skiljer sig från den som normalt används; det har visat sig vara möjligt i olika sensoriska system 4,5. Specifikt uppnås audio-taktil sensorisk substitution när hudmekanoreceptorer kan transducera den fysiska energin hos ljudvågor som komponerar hörselinformation till neuronala excitationsmönster som kan uppfattas och integreras med de somatosensoriska vägarna och högre ordning somatosensoriska kortikala områden6.

Flera studier har visat att djupt döva individer kan skilja musikalisk klang enbart genom vibrotaktil uppfattning7 och skilja mellan talare av samma kön med hjälp av spektrala ledtrådar av komplexa vibrotaktila stimuli8. Nyare resultat har visat att döva individer konkret gynnades av ett kort, välstrukturerat audio-taktilt perceptionsträningsprogram, eftersom de avsevärt förbättrade sin förmåga att skilja mellan olika rentonsfrekvenser9 och mellan rena toner med olika tidslängd10. Dessa experiment använde händelserelaterade potentialer (ERP), grafanslutningsmetoder och kvantitativa elektroencefalogrammätningar (EEG) för att skildra och analysera funktionella hjärnmekanismer. Den neurala aktiviteten i samband med diskriminering av komplexa miljöljud har emellertid inte undersökts före detta dokument.

ERP har visat sig vara användbara för att studera tidslåsta processer, med otrolig tidsupplösning i storleksordningen millisekunder, samtidigt som de utför beteendeuppgifter som involverar uppmärksamhetsallokering, arbetsminne och svarsval11. Som beskrivits av Luck, Woodman och Vogel12 är ERP: er i sig flerdimensionella bearbetningsmått och är därför väl lämpade för att separat mäta delkomponenterna i kognition. I ett ERP-experiment kan den kontinuerliga ERP-vågformen som framkallas genom presentationen av en stimulans användas för att direkt observera neural aktivitet som är placerad mellan stimulansen och beteendesvaret. Andra fördelar med tekniken, såsom dess kostnadseffektivitet och icke-invasiva natur, gör det perfekt att studera den exakta tidsförloppet för kognitiva processer i kliniska populationer. Dessutom ger ERP-verktyg som tillämpas i en design med upprepade åtgärder, där patienternas elektriska hjärnaktivitet registreras mer än en gång för att studera förändringar i elektrisk aktivitet efter ett träningsprogram eller intervention, ytterligare insikt i neurala förändringar över tid.

P3-komponenten, som är den mest omfattande undersökta kognitiva potentialen13, är för närvarande erkänd för att svara på alla typer av stimuli, mest uppenbarligen till stimuli med låg sannolikhet, eller av hög intensitet eller betydelse, eller sådana som kräver något beteendemässigt eller kognitivt svar14. Denna komponent har också visat sig vara extremt användbar för att utvärdera allmän kognitiv effektivitet i kliniska modeller15,16. En klar fördel med att bedöma förändringar i P3-vågformen är att det är ett lätt observerbart neuralt svar på grund av dess större amplitud jämfört med andra mindre komponenter; Den har en karakteristisk centroparietal topografisk fördelning och är också relativt lätt att framkalla med lämplig experimentell design17,18,19.

I detta sammanhang är syftet med denna studie att undersöka de inlärningsrelaterade elektrofysiologiska förändringarna hos patienter med djup dövhet efter träning under en kort period i vibrotaktil ljuddiskriminering. Dessutom används ERP-verktyg för att skildra den funktionella hjärndynamiken som ligger till grund för det tillfälliga engagemanget för de kognitiva resurser som uppgiften kräver.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Studien granskades och godkändes av Neurovetenskapsinstitutets etikkommitté (ET062010-88, Universidad de Guadalajara), vilket säkerställde att alla procedurer genomfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Alla deltagare gick med på att delta frivilligt och gav skriftligt informerat samtycke (när de var minderåriga undertecknade föräldrarna samtyckesformulär).

1. Experimentell design

  1. Stimulus förberedelse
    1. Sök i Creative Commons-licensierade ljuddatabaser för att välja en uppsättning djurljud i .wav format. Stimuli i denna studie bestod av fem olika djurljud: hundskällande, ko-mooing, hästgranne, åsneflås och elefanttrumpetning.
      OBS: De ljudstimuli som används här har tidigare valts ut som en samling ljud för det vibrotaktila diskrimineringsprogrammet i våra tidigare studier 9,10.
    2. Redigera ljudfilerna med en gratis ljudredigerare med öppen källkod för att standardisera stimuli intensitet och längd till 1500 ms. För detta protokoll, standardisera på en linjär skala från 0 till 8000 Hz, vid en förstärkning av 20 dB och i ett intervall av 80 dB baserat på parametrarna som fastställts i tidigare studier 9,10 med användning av samma vibrotaktila stimuleringssystem.
    3. Spara de formaterade ljudfilerna i ett 32-bitars float-format med en projekthastighet på 48 000 Hz.
  2. Paradigminställning i programvaran för elektrofysiologisk presentation
    1. Designa en kontinuerlig prestandauppgift (CPT) med hjälp av en experimentell design- och stimulanspresentationsprogramvara, tilldela stimuli till ett av de två villkoren: (a) mål (T) stimulans (hund som skäller i 20% av försöken) och (b) icke-mål (NT) stimuli (de återstående fyra djurljuden för de andra 80%).
      OBS: Varje villkor märktes med samma kod för att synkronisera stimulanspresentationsmärken vid programmering av EEG-protokollet i inspelningsprogramvaran.
    2. Bygg en pseudo-randomiserad stimulanspresentation med hjälp av mjukvaruplattformen där de fem djurljuden (hund, ko, häst, åsna och elefant) presenteras var och en 20% av tiden. Kontrollera att målstimulansen (hundens skällande) aldrig inträffar mer än två gånger i följd.
    3. Ange önskat interstimulusintervall (ISI) och den totala svarstiden och välj de svarsnycklar som ska användas för att automatiskt samla in beteendedata för målstimuli (T). Här programmerades en fast ISI-lista på 2000 ms för 150 försök och rätt svar för T-stimuli via vänster kontrolltangent på ett vanligt datortangentbord. Deltagarna fick ett tidsfönster på 3500 ms för ett beteendemässigt svar (börjar vid stimulanspresentation).

2. Val av deltagare

  1. Rekrytera potentiella deltagare med djupgående bilateral sensorineural hörselnedsättningsdiagnos och samla in demografiska data, inklusive ålder, kön, handpreferens och utbildningshistoria.
  2. Genomföra semistrukturerade kliniska intervjuer för att screena deltagare för personlig eller familjehistoria av psykiatrisk, neurologisk eller neurodegenerativ sjukdom och för att samla in information om dövhet klinisk historia: debutåldern, etiologi och användningshistorik för hörapparater, samt deras föredragna kommunikationsläge (muntligt, manuellt eller tvåspråkigt).
  3. Utför audiologiska tester (rentonade lufttrösklar) med hjälp av en audiometer för att bekräfta svårighetsgraden av hörselnedsättning.
    1. I ett ljuddämpat rum sitter du direkt framför deltagaren och placerar hörlurarna ordentligt på dem.
    2. Instruera deltagarna att räcka upp sin dominerande hand för att signalera när de kan höra tonen som presenteras genom hörlurarna.
    3. Allt från 20 dB till 110 dB intensitetsnivåer, presentera en ren ton vid sex oktaver i följande stigande ordning: 250, 500, 1000, 2000, 4000 och 8000 Hz, börjar med vänster öra och upprepar samma steg för höger öra.
      1. Beräkna patientens rentonsmedelvärde (PTA) genom att beräkna medelvärdet för hörseltrösklarna vid 500, 1000, 2000 och 4000 Hz för varje öra. Inklusionskriterierna för hörselnedsättningsgrad för studien är ett bilateralt rent tonmedelvärde (PTA) större än 90 dB.
      2. Välj deltagare baserat på behörighetskriterierna. Inklusionskriterier inkluderar dessutom ingen personlig eller familjehistoria av psykiatrisk, neurologisk eller neurodegenerativ sjukdom och icke-syndromisk, prelingual djup bilateral dövhet. Få informerat samtycke och förklara de experimentella procedurerna för deltagarna.
        OBS: Alla formulär, frågeformulär och instruktioner som användes i studien översattes till mexikanskt teckenspråk (MSL) av en professionell MSL-tolk och presenterades i videoformat med hjälp av en surfplatta. Dessutom fanns en MSL-tolk närvarande under alla studieprocedurer.

3. EEG-inspelningssession före träning

  1. Förberedelse av deltagare
    1. Kontrollera att deltagarna har kommit till inspelningssessionen med rent och torrt hår, utan att ha använt någon hårgelé, balsam eller andra hårprodukter som påverkar elektrodimpedansen.
    2. Be deltagarna att sitta i en bekväm position, cirka 60 cm från stimulansskärmen, och använd surfplattan för att spela MSL-videoklippet med beskrivningen av förberedelseproceduren.
    3. Rengör de områden där referens- och elektrookulogramelektroder (EOG) kommer att placeras (örsnibbar, panna, yttre canthus, infraokulära orbitalryggar etc.). Torka först av huden med en alkoholpinne och applicera sedan EEG-slipande preppinggel försiktigt med en bomullspinne för att exfoliera döda hudceller på ytan.
    4. Fyll elektrodguldkoppen med ledande elektrodpasta och placera en elektrod på varje referensplats, vanligtvis till höger och vänster örsnibbar eller mastoider. Upprepa stegen för att placera minst en vertikal EOG vid den yttre canthus och en horisontell EOG vid den infraokulära orbitalryggen för att övervaka oculomotorisk aktivitet (blinkningar och sackader). Håll de enskilda elektroderna på plats med en bit av 1 i mikroportejp.
    5. Be deltagarna att hålla armarna raka horisontellt och sedan passa kroppsselen tätt men bekvämt runt bröstet under armhålorna med snäppen mitt på bröstet.
    6. Placera EEG:s kommersiella elektrolock med 19 Ag/AgCl-elektroder (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz och Pz) topografiskt anordnade enligt det internationella 10-20-systemet. Använd ett måttband för att kontrollera deltagarens huvudomkrets för att säkerställa att du använder rätt lockstorlek.
    7. Rikta in Cz-elektroden mot näsan och mät sedan avståndet från nasion till injon så att Cz-elektroden faller exakt i mitten. Knäpp de justerbara remmarna på lockets sidor till kroppsselen så att elektrolocket dras åt ordentligt.
    8. Placera den gelfyllda trubbnålssprutan inuti elektroden, cirkla nålen för att ta bort hår och avlägsna sedan försiktigt hårbottenområdet under elektroden innan du applicerar den ledande gelén. Applicera inte för mycket gel för att undvika elektrisk överbryggning med närliggande elektrodplatser.
    9. Låt EEG-ledande gel torka vid sval rumstemperatur.
  2. Ställa in EEG-färdskrivaren
    1. Kalibrera EEG-systemet enligt instrumentets instruktioner och anslut sedan elektrolocket till förstärkaren inställd på ett bandpass på 0,05-30 Hz (3 dB brytpunkter på 6 dB / oktavrullningskurvor), ett 60 Hz hackfilter och en 200 Hz samplingsfrekvens som är lika med en 5 ms provtagningsperiod.
    2. Kontrollera att impedansen är under 5 KΩ (för ett lågimpedanssystem) på alla elektrodställen och kontrollera på monitorn att alla kanaler registrerar de elektriska signalerna smidigt.
  3. Köra den experimentella uppgiften
    1. Placera deltagaren framför datorskärmen och placera tangentbordet på ett bekvämt avstånd.
    2. Anslut kabeln till den bärbara stimulatorn (se bild 1) till datorsystemets högtalares uttag och ställ in högtalarvolymen på den maximala intensitetsnivån.
    3. Justera det bärbara stimulatorsystemet på deltagarens högra pekfingertopp och testa.
    4. Använd surfplattan, spela experimentinstruktionerna och utför en övningsförsök för att bekanta motivet med den bärbara stimulatorenheten, de ljudtaktila stimuli och uppgiften. Upprepa MSL-instruktionerna och kontrollera förståelsen.
    5. Påminn deltagaren om att svara på hundens skällstimulans genom att trycka på vänster kontrollknapp med vänster pekfinger endast vid upptäckt av målstimulans och att hålla tillbaka sitt svar när något av de andra fyra djurljuden uppfattas. CPT:s experimentella paradigm representeras i figur 2.
    6. Ge tydliga instruktioner för hur du minimerar artefakter och demonstrerar effekten av artefakter på EEG i realtid innan du börjar spela in (rekommenderas som en standardinspelningsprocedur i forskning med kliniska populationer20).
    7. Innan du startar CPT-uppgiften, kontrollera att händelsesynkroniseringen mellan den kognitiva stimuleringsdatorn och EEG-inspelningsdatorn fungerar korrekt. För att göra det, börja spela in EEG-signalen och klicka på kommunikationsikonen i gränssnittet för stimulanspresentationsprogramvaran. När du klickar visas de händelsesynkroniserade pulserna längst ner på EEG-inspelningsskärmen.
    8. Kör den experimentella uppgiften. Observera deltagaren noggrant och övervaka vakenhet, svarskörning och överdriven rörelse eller blinkning.
    9. Pausa och ge deltagaren en kort paus mitt i experimentet (vid 4 minuter i experimentet) så att de kan blinka, slappna av och röra sig om det behövs. Slutför körningen av experimentet.

4. Träningsprogram för ljudtaktil sensorisk substitution

  1. Se tilläggsfil 1, som innehåller en detaljerad beskrivning av femsessionsprogrammet, för att utföra träningen. Automatisera de beskrivna aktiviteterna med hjälp av ett kalkylblad för att göra utbildningen mer systematisk och engagerande för deltagarna. Använd originalbilder och ljudinspelningar från9 och be deltagarna att svara genom att trycka på en bärbar pekskärm.
    OBS: Innehållet och tabellerna i den här filen har tryckts om med tillstånd från9.

5. EEG-inspelningssession efter träning

  1. Upprepa exakt samma steg som anges i avsnitt 3.

6. EEG-analys

OBS: EEG-förvärvsstegen gjordes med hjälp av EEG-inspelningsprogramvaran, och EEG-bearbetningsstegen gjordes med hjälp av en separat EEG-analysprogramvara.

  1. Förbehandling av EEG-råsignaler
    1. Definiera och välj epoker på 1100 ms i kontinuerliga EEG-data, utan användning av ytterligare digitala filter, med hjälp av stimulansstart som initialt tidsmoment (t0) och inklusive en 100 ms pre-stimulans som används för baslinjekorrigering. Kompletterande figur 1 illustrerar hur epokerna på 1100 ms valdes ut enligt den kommersiella programvaran för EEG-analys installerad i EEG-färdskrivaren.
    2. Under artefaktavstötning, uteslut epoker av data på alla kanaler när spänningen i en given inspelningsepok överstiger 100 μV på någon EEG- eller EOG-kanal. Avvisa också artefakter genom visuell inspektion av epokerna. Se kompletterande figur 2, som ger ett exempel på epoker som manuellt avvisades på grund av okulära artefakter.
  2. Signalmedelvärde
    1. Välj lika många artefaktfria epoker för varje stimulanstillstånd (mål och icke-mål) under både förhållandena före och efter träningen. Välj de maximala epokerna som är möjliga för att förbättra signal-brusförhållandet. Gör detta för varje EEG-post.
      OBS: I detta protokoll valde vi i genomsnitt 25 korrekta svarsepoker per villkor vid varje tidpunkt eftersom vi var intresserade av att utvärdera måldiskriminering. Tänk på att vissa ERP-komponenter inte kräver att öppna beteendesvar observeras. Deltagare med mindre än 15 artefaktfria epoker i varje tillstånd uteslöts från studien.
    2. Klicka på menyn Operationer och välj alternativet EEG-fönstermedelvärde för att beräkna genomsnittliga enskilda ERP: er.
    3. Välj först alternativet Oberoende medelvärde för att endast genomsnittligt målförsök. Välj sedan de andra fyra icke-målstimuli och klicka på Genomsnitt tillsammans alternativ till genomsnitt.
    4. Upprepa steg 6.2.2 och 6.2.3 för varje deltagares EEG-registrering i tillståndet före träningen och sedan för tillståndet efter träningen.
    5. När alla enskilda ERP: er har beräknats, genomsnitt dem tillsammans för att erhålla de stora medelvärdena för vågformer per stimulanstillstånd för för- och efterträning. Öppna ett enskilt EP-genomsnitt, gå sedan till menyn Operationer och välj alternativet Medelvärde för medelvärde. Välj deltagarens individuella medelvärden som ska ingå i gruppgenomsnittet.
    6. Välj alla målmedelvärden för förträning i listrutan, klicka sedan på knappen Genomsnitt, skriv önskat filnamn och tryck på returtangenten för att spara. Välj sedan alla medelvärden för icke-målträning före träning i listrutan, klicka på knappen Genomsnitt, skriv önskat filnamn och tryck igen på returtangenten för att spara.
    7. Upprepa föregående steg för tillståndet efter träningen.
  3. ERP-visualisering och analyser
    1. Välj menyn Operationer för att se listan över sparade stora medel. Klicka sedan på de gruppmedelvärden som du vill rita. Klicka sedan på Montage-knappen för att välja de kanaler du vill rita.
    2. Gå till verktygsmenyn och klicka sedan på Visualisera alternativ för att välja varje vågforms färg och linjebredd. Klicka sedan på signalmenyn , markera DC-korrigeringsrutan , skriv in önskat baslinjestimulansintervall och tryck sedan på returtangenten .
    3. Inspektera noggrant de plottade stora vågformerna för att identifiera komponenterna av intresse och deras motsvarande tidsfönster.
      OBS: För detta experiment visste vi att vågformerna, på grund av uppgiftsdesignen och sensoriska vägar som understudy för P3, mycket troligt skulle vara en positiv komponent som uppträder senare än 300 ms i centroparietalelektroder och med större spänningsamplituder i måltillståndet.
    4. Exportera enskilda svarstider och spänningar för toppamplituder och importera sedan data i ett kalkylblad för att skapa databasen. Genomför en analys av varians (ANOVA) med upprepade mått med hjälp av ett statistikprogram.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att illustrera hur effekten av den audiotaktila sensoriska substitutionsdiskrimineringsträningen hos PD-individer kan bedömas genom att utvärdera förändringar i P3 i en grupp av 17 PD-individer (medelålder = 18,5 år; SD = 7,2 år; åtta kvinnor och 11 män) skapade vi flera figurer för att skildra ERP-vågformerna. Resultaten som visas i ERP-diagrammen avslöjar förändringar i en P3-liknande centroparietal positiv vågform som är mer robust för målstimuli efter träning. I tillståndet före utbildningen föreslår ERP: er att T- och NT-villkoren inte är lika tydligt urskiljbara som i tillståndet efter träningen. Därför föreslås att träningsprogrammet med fem sessioner har en inverkan på det neurala svaret i samband med diskriminering av komplexa ljudstimuli. Figur 3 visar de stora medelvärdena före träningen, och figur 4 visar de stora medelvärdena efter träningen, som visar de viktigaste resultaten av denna undersökning. Figur 5 visar hur dessa ERP-vågformer modifieras när de plottas med hjälp av ett digitalt lågpassfilter vid 5 Hz. Denna filtrering i efterhand minskar avsevärt bruset, som främst introduceras av individuell variabilitet, samtidigt som de träningsrelaterade förändringarna i P3-vågformerna av intresse i denna undersökning bevaras.

Figure 1
Figur 1: Fotografi av det bärbara stimuleringssystemet (vänster) och demonstration av hur det ska placeras på pekfingret (höger). Denna enhet består av ett litet flexibelt plastmembran med en yta på 78,5 mm2 som vibrerar som svar på ljudtrycksvågor via analog överföring, en lång analog högtalaringångskabel och en röd fästremsa för att justera till pekfingret. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Bild 2: Diagram över den kontinuerliga prestandauppgiften (CPT). Spektralbilderna som motsvarar var och en av de fem kategorierna av stimulans visas (alla med en varaktighet på 1500 ms). Målstimulansen (skällande) är märkt och ISI-varaktigheten (inter-stimulusintervall) specificeras (2000 ms). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Förträning av stora vågformer och topografiska spänningsfördelningskartor. Denna figur visar de nio fronto-centro-parietala elektroderna (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz och P4) i 10-20-systemelektroduppsättningen. Röda linjer motsvarar målvillkoret och svarta linjer till icke-målvillkoret. De färgade kartorna representerar spänningsfördelningen i mikrovolt (μV) vid 620 millisekunder (ms). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Vågformer med medelvärde efter träning och topografiska fördelningskartor. Denna figur visar de nio fronto-centro-parietala elektroderna (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz och P4) i 10-20-systemelektroduppsättningen. Röda linjer motsvarar målvillkoret och svarta linjer till icke-målvillkoret. De färgade kartorna representerar spänningsfördelningen i mikrovolt (μV) vid 620 millisekunder (ms). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Före och efter träning (höger) filtrerade stora vågformer och topografiska fördelningskartor. Denna figur visar de tre mittlinjeelektroderna (Fz, Cz och Pz) i 10-20-systemelektroduppsättningen efter att ett off-line digitalt 5 Hz lågpassfilter applicerades. Blå linjer motsvarar målvillkoret och svarta linjer till icke-målvillkoret. De färgade kartorna representerar spänningsfördelningen i mikrovolt (μV) vid 630 millisekunder (ms). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 1: Epokval i rå EEG-inspelning med analysprogramvara. Denna skärmdump visar en EEG-post med signalen från 21 kanaler (19 aktiva elektroder och 2 okulogramelektroder). Epokerna på 1100 millisekunder (ms), som börjar vid 100 ms före stimulanspresentation, väljs i en vattenrektangel. De tunna röda linjerna längst ner på skärmen är de synkroniserade stimulanspresentationspulserna inbäddade i EEG-signalen. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 2: Exempel på manuellt avvisade epoker som visar okulära artefakter. Denna skärmdump visar en EEG-post med signalen från 21 kanaler (19 aktiva elektroder och två okulogramelektroder). Epoker valda i en magenta rektangel har avvisats manuellt eftersom de innehåller okulära artefakter orsakade av blinkande. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande fil 1: Träningsprogram för ljudtaktil sensorisk substitution. En detaljerad beskrivning av femsessionsprogrammet. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med hjälp av ERP-verktyg utformade vi ett protokoll för att observera och utvärdera den gradvisa utvecklingen av vibrotaktila diskrimineringsfärdigheter för att skilja vibrotaktila representationer av olika rena toner. Vårt tidigare arbete har visat att vibrotaktil stimulering är en livskraftig alternativ ljuduppfattningsmetod för djupt döva individer. Men på grund av komplexiteten hos naturliga ljud jämfört med rena toner, motiverar potentialen för språkljuddiskriminering en separat utforskning.

Som det första steget i denna riktning fokuserar det nuvarande protokollet på det spatiotemporala utseendet på ERP-komponenter för att ytterligare förstå de inlärningsrelaterade neurala förändringarna hos PD-ämnen som är associerade med ljudtaktil diskriminering av komplexa ljud. Även om en unik konsensus om P3: s exakta funktionella roll i beslutsfattandet inte har uppnåtts, tyder våra resultat på att P3 återspeglar en arbetsminnesstyrd målidentifieringsmekanism21, en typ av kategorisering som kan modifieras med övning efter flera träningspass som en del av en målstyrd inlärningsstrategi. De P3-vågformer som observerats i detta experiment överensstämmer med förslaget att denna komponent skulle kunna spåra själva identifieringsprocessen snarare än att framkallas genom slutförandet av stimulansidentifieringen22. Både beteendemässiga och elektrofysiologiska resultat stöder uppfattningen att naturliga komplexa ljud, som de som används i detta experiment, kan identifieras och särskiljas genom en vibrotaktil diskrimineringsprocess när individer har utbildats på lämpligt sätt. Flera begränsningar har dock noga övervägts, särskilt den ideala förlängningen av provet. Det är välkänt att den kliniska befolkningen som lider av djup dövhet är heterogen till sin natur. Många variabler som etiologi, grad av hörselnedsättning, debutålder, föräldrarnas hörselstatus, språkexponering, hörapparatanvändning och utbildningsbakgrund är svåra att kontrollera när man väljer ett studieprov med ett allvarligt hörselunderskott. Individer med icke-syndromisk, prelingual djup bilateral dövhet är ett komplext urval att stöta på. Vi intervjuade 36 kandidater med grav hörselnedsättning som var intresserade av att delta i denna studie. Av dessa uppfyllde 23 inklusionskriterierna, och endast 17 slutförde studien (fem träningspass och inspelningssessionerna före och efter EEG) och hade tillräckliga artefaktfria EEG-data som krävs för ERP-medelvärde. De flesta studier som inkluderar deltagare från en klinisk population med djup bilateral dövhet har breda åldersintervall och små heterogena prover. Under experimentet gjordes alla ansträngningar för att skaffa ett så homogent prov som möjligt.

En annan viktig metodologisk övervägande i detta protokoll är varför i genomsnitt 25 epoker per villkor (25 mål och 25 icke-mål) användes för att erhålla de individuella ERP-medelvärdena. Detta beslut fattades eftersom det är nödvändigt att optimera antalet prövningar som ingår i ett experiment genom att balansera avvägningen mellan kvaliteten på data och hur mycket tid och resurser som spenderas på att samla in data. Särskilt när man arbetar med kliniska populationer finns det praktiska gränser för antalet prövningar som kan presenteras i ett enda experiment eftersom det är lämpligt att minska tiden deltagarna tillbringar i labbet20. Deltagarna blir trötta och krångliga om experimentet tar för lång tid vilket orsakar en ökning av ljudnivån i data och påverkar prestationen på uppgiften negativt. Det är viktigt att erkänna att det pågår kontroverser om hur många försök som behövs för att få betydande ERP-effekter23, eftersom det beror på flera faktorer som ERP-komponenten i fråga, antalet inspelningsplatser, signal-brusförhållandet och vissa mått som Cronbachs alfa (inom acceptabla parametrar när de är större än 0,6 eller 0,07). Flera källor har uppskattat ett lämpligt antal prövningar som krävs för stabila P300-vågformer vid cirka 20 prövningar 24, 36 prövningar 25, 40 till 50 prövningar26 och till och med upp till 60 prövningar27. Mer specifikt, i kognitiva kontrolluppgifter som Go-NoGo-paradigmet, drog Rietdijk och kollegor28 slutsatsen att minst 14 prövningar krävdes för att få en internt konsekvent uppskattning för P3 i denna typ av uppgift. De ovan nämnda övervägandena beaktades både för den experimentella designen och ERP-medelvärdestekniken som beskrivs i denna studie.

Sammanfattningsvis är händelserelaterade hjärnpotentialer ett pålitligt och vanligt verktyg för att analysera de elektriska förändringar som ligger till grund för hjärnans funktion och beteendedynamik. Ett av de mest framträdande och ihållande elektrofysiologiska ERP-svaren är P3-komponenten, som föreslås som en tillförlitlig indikator för utvärdering av diskriminering av vibrotaktila stimuli över flera föreslagna metoder29. Det faktum att ERP har hög intern konsistens och hög test-retest-tillförlitlighet innebär att de är en idealisk teknik för att undersöka förändringar i hjärnaktivitet till följd av behandlingsintervention i upprepade åtgärder. Det är dock också viktigt att notera begränsningarna i denna ERP-teknik, där de små storlekarna hos vissa ERP-komponenter kan ta många försök för att garantera exakta åtgärder, och den rumsliga upplösningen av ERP: erna är mycket sämre än andra neuroimaging-tekniker. Som sådan är denna teknik bättre lämpad för att förstå den tidsmässiga dynamiken i neurofunktionell aktivering snarare än den exakta lokaliseringen av denna aktivering.

Trots dessa metodologiska utmaningar är förnyad utforskning av neurodevelopmental evolution och anslutning av hjärnskillnader till följd av tidig hörselbrist en möjlighet att främja förståelsen av sensorisk substitution och språkförvärv, särskilt när man vänder sig till yngre, djupt döva populationer. ERP-komponenter är fortfarande några av de bästa verktygen som finns tillgängliga för neuroforskare för att möta denna utmaning och har ännu inte gett resultat med viktiga framtida konsekvenser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Vi bekräftar att det inte finns några kända intressekonflikter i samband med denna publikation och att det inte har funnits något betydande ekonomiskt stöd för detta arbete som kan ha påverkat dess resultat.

Acknowledgments

Vi tackar alla deltagare och deras familjer, liksom de institutioner som gjorde detta arbete möjligt, särskilt Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, AC och Preparatoria nr 7. Vi tackar också Sandra Márquez för hennes bidrag till detta projekt. Detta arbete finansierades av GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594 och Neuroscience Institute (Universidad de Guadalajara, Mexiko).

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

Neurovetenskap utgåva 187
Bedömning av audio-taktil sensorisk substitutionsträning hos deltagare med djup dövhet med hjälp av den händelserelaterade potentiella tekniken
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