Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Beoordeling van audio-tactiele sensorische substitutietraining bij deelnemers met diepe doofheid met behulp van de gebeurtenisgerelateerde potentiële techniek

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

Dit protocol is ontworpen om onderliggende leergerelateerde elektrofysiologische veranderingen te onderzoeken bij proefpersonen met diepe doofheid na een korte trainingsperiode in audio-tactiele sensorische substitutie door de gebeurtenisgerelateerde potentiële techniek toe te passen.

Abstract

Dit artikel onderzoekt de toepassing van op elektro-encefalogram gebaseerde methoden om de effecten van audio-tactiele substitutietraining bij jonge, diep dove (PD) deelnemers te beoordelen, met als doel de neurale mechanismen te analyseren die verband houden met vibrotactile complexe geluidsdiscriminatie. Elektrische hersenactiviteit weerspiegelt dynamische neurale veranderingen en de temporele precisie van gebeurtenisgerelateerde potentialen (ERP's) is de sleutel gebleken bij het bestuderen van time-locked processen tijdens het uitvoeren van gedragstaken waarbij aandacht en werkgeheugen betrokken zijn.

Het huidige protocol is ontworpen om elektrofysiologische activiteit bij PD-proefpersonen te bestuderen terwijl ze een continue prestatietaak (CPT) uitvoerden met behulp van complexe geluidsstimuli, bestaande uit vijf verschillende dierengeluiden die worden geleverd door een draagbaar stimulatorsysteem dat op de rechterwijsvinger wordt gedragen. Als een ontwerp met herhaalde maatregelen werden elektro-encefalogram (EEG) -opnames in standaardomstandigheden uitgevoerd voor en na een kort trainingsprogramma (vijf sessies van 1 uur gedurende 15 dagen), gevolgd door offline artefactcorrectie en tijdperkgemiddelde, om individuele en grootgemiddelde golfvormen te verkrijgen. Gedragsresultaten tonen een significante verbetering in discriminatie en een robuustere P3-achtige centropariëtale positieve golfvorm voor de doelprikkels na training. In dit protocol dragen ERP's bij aan het verdere begrip van leergerelateerde neurale veranderingen in PD-onderwerpen die verband houden met audio-tactiele discriminatie van complexe geluiden.

Introduction

Vroege diepe doofheid is een sensorisch tekort dat sterk van invloed is op orale taalverwerving en de perceptie van omgevingsgeluiden die een essentiële rol spelen bij het navigeren door het dagelijks leven voor mensen met een normaal gehoor. Een bewaard gebleven en functioneel auditief sensorisch pad stelt ons in staat om voetstappen te horen wanneer iemand buiten het visuele bereik nadert, te reageren op tegemoetkomend verkeer, ambulancesirenes en beveiligingsalarmen en te reageren op onze eigen naam wanneer iemand onze aandacht nodig heeft. Auditie is daarom een essentieel gevoel voor spraak, communicatie, cognitieve ontwikkeling en tijdige interactie met de omgeving, inclusief de perceptie van potentiële bedreigingen in iemands omgeving. Al tientallen jaren wordt de levensvatbaarheid van audio-tactiele substitutie als alternatieve geluidsperceptiemethode met het potentieel om de taalontwikkeling bij ernstig slechthorende personen aan te vullen en te vergemakkelijken onderzocht met beperkte resultaten 1,2,3. Sensorische substitutie is bedoeld om gebruikers te voorzien van omgevingsinformatie via een menselijk sensorisch kanaal dat verschilt van het kanaal dat normaal wordt gebruikt; het is aangetoond dat het mogelijk is voor verschillende sensorische systemen 4,5. In het bijzonder wordt audio-tactiele sensorische substitutie bereikt wanneer huidmechanoreceptoren de fysieke energie van geluidsgolven die auditieve informatie samenstellen, kunnen transduceren in neuronale excitatiepatronen die kunnen worden waargenomen en geïntegreerd met de somatosensorische paden en somatosensorische corticale gebieden van hogere orde6.

Verschillende studies hebben aangetoond dat diep dove individuen muzikaal timbre alleen kunnen onderscheiden door vibrotactiele perceptie7 en onderscheid kunnen maken tussen sprekers van hetzelfde geslacht met behulp van spectrale signalen van complexe vibrotactiele stimuli8. Meer recente bevindingen hebben aangetoond dat dove personen concreet profiteerden van een kort, goed gestructureerd audio-tactiel perceptietrainingsprogramma, omdat ze hun vermogen om onderscheid te maken tussen verschillende zuivere toonfrequenties9 en tussen zuivere tonen met verschillende temporele duur aanzienlijk verbeterden10. Deze experimenten gebruikten event-related potentials (ERP's), grafiekconnectiviteitsmethoden en kwantitatieve elektro-encefalogram (EEG) -metingen om functionele hersenmechanismen weer te geven en te analyseren. De neurale activiteit geassocieerd met de discriminatie van complexe omgevingsgeluiden is echter niet onderzocht voorafgaand aan dit artikel.

ERP's zijn nuttig gebleken voor het bestuderen van time-locked processen, met een ongelooflijke tijdresolutie in de orde van milliseconden, terwijl gedragstaken worden uitgevoerd waarbij aandachtstoewijzing, werkgeheugen en responsselectie betrokken zijn11. Zoals beschreven door Luck, Woodman en Vogel12, zijn ERP's intrinsiek multidimensionale verwerkingsmaatregelen en zijn daarom zeer geschikt om de subcomponenten van cognitie afzonderlijk te meten. In een ERP-experiment kan de continue ERP-golfvorm die wordt opgewekt door de presentatie van een stimulus worden gebruikt om direct neurale activiteit te observeren die wordt tussengesteld tussen de stimulus en de gedragsrespons. Andere voordelen van de techniek, zoals de kosteneffectiviteit en het niet-invasieve karakter, maken het een perfecte pasvorm om het precieze tijdsverloop van cognitieve processen in klinische populaties te bestuderen. Bovendien bieden ERP-tools die worden toegepast in een ontwerp met herhaalde maatregelen, waarbij de elektrische hersenactiviteit van patiënten meer dan eens wordt geregistreerd om veranderingen in elektrische activiteit na een trainingsprogramma of interventie te bestuderen, verder inzicht in neurale veranderingen in de loop van de tijd.

De P3-component, die het meest uitgebreid onderzochte cognitieve potentieel is13, wordt momenteel erkend om te reageren op allerlei stimuli, het meest blijkbaar op stimuli met een lage waarschijnlijkheid, of met een hoge intensiteit of betekenis, of stimuli die een gedragsmatige of cognitieve respons vereisen14. Deze component is ook zeer nuttig gebleken bij het evalueren van algemene cognitieve efficiëntie in klinische modellen15,16. Een duidelijk voordeel van het beoordelen van veranderingen in de P3-golfvorm is dat het een gemakkelijk waarneembare neurale respons is vanwege de grotere amplitude in vergelijking met andere kleinere componenten; het heeft een karakteristieke centropariëtale topografische verdeling en is ook relatief gemakkelijk te ontlokken met behulp van het juiste experimentele ontwerp 17,18,19.

In deze context is het doel van deze studie om de leergerelateerde elektrofysiologische veranderingen te onderzoeken bij patiënten met ernstige doofheid na training gedurende een korte periode in vibrotactiele geluidsdiscriminatie. Daarnaast worden ERP-tools toegepast om de functionele hersendynamiek weer te geven die ten grondslag ligt aan de tijdelijke inzet van de cognitieve middelen die door de taak worden vereist.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De studie werd beoordeeld en goedgekeurd door de ethische commissie van het Neuroscience Institute (ET062010-88, Universidad de Guadalajara), en zorgde ervoor dat alle procedures werden uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki. Alle deelnemers stemden ermee in om vrijwillig deel te nemen en gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming (wanneer ze minderjarig waren, ondertekenden ouders toestemmingsformulieren).

1. Experimenteel ontwerp

  1. Stimulusvoorbereiding
    1. Zoek in door Creative Commons gelicentieerde geluidsdatabases om een set dierengeluiden in .wav-indeling te selecteren. De prikkels in dit onderzoek bestonden uit vijf verschillende dierengeluiden: blaffende honden, koeien loeien, paardenburchten, ezels brallen en olifanten trompetteren.
      OPMERKING: De geluidsprikkels die hier worden gebruikt, zijn eerder geselecteerd als een verzameling geluiden voor het trainingsprogramma voor vibrotactiele discriminatie in onze eerdere studies 9,10.
    2. Bewerk de geluidsbestanden met behulp van een gratis, open-source audio-editor om de intensiteit en lengte van de stimuli te standaardiseren tot 1500 ms. Standaardiseer voor dit protocol op een lineaire schaal van 0 tot 8000 Hz, bij een versterking van 20 dB en bij een bereik van 80 dB op basis van de parameters die in de vorige studieszijn vastgesteld 9,10 met behulp van hetzelfde vibrotactiele stimulatiesysteem.
    3. Sla de geformatteerde audiobestanden op in een 32-bits float-indeling met een projectsnelheid van 48.000 Hz.
  2. Paradigma-opstelling in de elektrofysiologische presentatiesoftware
    1. Ontwerp een continue prestatietaak (CPT) met behulp van een experimenteel ontwerp en stimuluspresentatiesoftware, waarbij de stimuli worden toegewezen aan een van de twee voorwaarden: (a) doel (T) stimulus (blaffende hond in 20% van de proeven) en (b) niet-doel (NT) stimuli (de resterende vier dierengeluiden voor de andere 80%).
      OPMERKING: Elke voorwaarde werd gelabeld met dezelfde code om stimuluspresentatiemarkeringen te synchroniseren bij het programmeren van het EEG-protocol in de opnamesoftware.
    2. Bouw een pseudo-gerandomiseerde stimulus-presentatie met behulp van het softwareplatform waarin de vijf dierengeluiden (hond, koe, paard, ezel en olifant) elk 20% van de tijd worden gepresenteerd. Controleer of de doelprikkel (blaffende hond) nooit meer dan twee keer achter elkaar voorkomt.
    3. Geef het gewenste interstimulusinterval (ISI) en de totale responstijd op en selecteer de responssleutels die worden gebruikt om automatisch gedragsgegevens te verzamelen voor doel(T)-stimuliresponsen. Hier werden een vaste ISI-lijst van 2000 ms voor 150 onderzoeken en de juiste respons voor de T-stimuli geprogrammeerd via de linker bedieningstoets op een standaard computertoetsenbord. Deelnemers kregen een tijdvenster van 3500 ms voor een gedragsrespons (beginnend bij stimuluspresentatie).

2. Selectie van deelnemers

  1. Rekruteer potentiële deelnemers met een diepgaande bilaterale diagnose van perceptief gehoorverlies en verzamel demografische gegevens, waaronder leeftijd, geslacht, handvoorkeur en educatieve geschiedenis.
  2. Voer semi-gestructureerde klinische interviews uit om deelnemers te screenen op persoonlijke of familiegeschiedenis van psychiatrische, neurologische of neurodegeneratieve ziekten en om informatie te verzamelen met betrekking tot de klinische geschiedenis van doofheid: de leeftijd van aanvang, etiologie en gebruiksgeschiedenis van hoortoestellen, evenals hun voorkeurscommunicatiemodus (mondeling, handmatig of tweetalig).
  3. Voer audiologische tests uit (zuivere luchthoordrempels) met behulp van een audiometer om de ernst van gehoorverlies te bevestigen.
    1. Ga in een geluidsarme ruimte recht voor de deelnemer zitten en plaats een koptelefoon op de juiste manier.
    2. Instrueer de deelnemers om hun dominante hand op te steken om te signaleren wanneer ze de toon kunnen horen die door de hoofdtelefoon wordt gepresenteerd.
    3. Variërend van 20 dB tot 110 dB intensiteitsniveaus, presenteer een zuivere toon bij zes octaven in de volgende oplopende volgorde: 250, 500, 1000, 2000, 4000 en 8000 Hz, beginnend met het linkeroor en herhalend dezelfde stappen voor het rechteroor.
      1. Bereken het zuivere toongemiddelde (PTA) van de patiënt door het gemiddelde van de gehoordrempels bij 500, 1000, 2000 en 4000 Hz voor elk oor. De inclusiecriteria voor de ernst van het gehoorverlies voor het onderzoek zijn een bilateraal zuivere toongemiddelde (PTA) van meer dan 90 dB.
      2. Selecteer deelnemers op basis van de geschiktheidscriteria. Inclusiecriteria omvatten bovendien geen persoonlijke of familiegeschiedenis van psychiatrische, neurologische of neurodegeneratieve ziekten en niet-syndromale, prelinguale diepe bilaterale doofheid. Verkrijg geïnformeerde toestemming en leg de experimentele procedures uit aan de deelnemers.
        OPMERKING: Alle formulieren, vragenlijsten en instructies die in het onderzoek werden gebruikt, werden vertaald naar Mexicaanse gebarentaal (MSL) door een professionele MSL-tolk en werden gepresenteerd in videoformaat met behulp van een tabletcomputer. Daarnaast was er bij alle onderzoeksprocedures een MSL-tolk aanwezig.

3. Pre-training EEG-opnamesessie

  1. Voorbereiding van de deelnemers
    1. Controleer of de deelnemers naar de opnamesessie zijn gekomen met schoon en droog haar, omdat ze geen haargel, conditioner of andere haarproducten hebben gebruikt die de elektrode-impedantie beïnvloeden.
    2. Vraag de deelnemers om in een comfortabele positie te gaan zitten, op ongeveer 60 cm afstand van het stimulusscherm, en gebruik het tabletapparaat om de MSL-videoclip af te spelen met de beschrijving van de voorbereidingsprocedure.
    3. Reinig de gebieden waar referentie- en elektrooculogram (EOG) elektroden worden geplaatst (oorlellen, voorhoofd, buitenste canthus, infraoculaire orbitale richels, enz.). Veeg eerst de huid af met een alcoholdoekje en breng vervolgens EEG-schurende preppinggel voorzichtig aan met een wattenstaafje om dode huidcellen op het oppervlak te exfoliëren.
    4. Vul de gouden beker van de elektrode met geleidende elektrodepasta en plaats een elektrode op elke referentieplaats, meestal aan de rechterkant en de linker oorlellen of mastoïden. Herhaal de stappen om ten minste één verticale EOG aan de buitenste canthus en één horizontale EOG aan de infraoculaire orbitale richel te plaatsen om de oculomotorische activiteit (knipperingen en saccades) te controleren. Houd de enkele elektroden op hun plaats met een stuk van 1 in micropore tape.
    5. Vraag de deelnemers om hun armen horizontaal recht te houden en vervolgens het lichaamsharnas strak maar comfortabel rond de borst onder de oksels te plaatsen met de kliks in het midden van de borst.
    6. Plaats de EEG commerciële elektrodop met 19 Ag/AgCl elektroden (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz en Pz) topografisch gerangschikt volgens het International 10-20 systeem. Gebruik een meetlint om de hoofdomtrek van de deelnemer te controleren om er zeker van te zijn dat u de juiste dopmaat gebruikt.
    7. Lijn de Cz-elektrode uit met de neus en meet vervolgens de afstand van de nasion tot de inion, zodat de Cz-elektrode precies in het midden valt. Knoop de verstelbare riemen aan de zijkanten van de dop aan het lichaamsharnas zodat de elektrodop stevig wordt aangespannen.
    8. Plaats de met gel gevulde spuit met stompe naald in de elektrode, omcirkel de naald om het haar te verwijderen en schuur vervolgens voorzichtig het hoofdhuidgebied onder de elektrode voordat u de geleidende gel aanbrengt. Breng niet te veel gel aan om elektrische overbrugging met naburige elektrodesites te voorkomen.
    9. Laat de EEG geleidende gel drogen bij koele kamertemperatuur.
  2. Het EEG-controleapparaat instellen
    1. Kalibreer het EEG-systeem volgens de instructies van het instrument en sluit vervolgens de elektrodop aan op de versterker die is ingesteld op een bandpass van 0,05-30 Hz (3 dB-afkappunten van 6 dB / octaaf roll-off curven), een 60 Hz-inkepingsfilter en een bemonsteringsfrequentie van 200 Hz die gelijk is aan een bemonsteringsperiode van 5 ms.
    2. Controleer of de impedantie lager is dan 5 KΩ (voor een systeem met lage impedantie) op alle elektrodeplaatsen en controleer op de monitor of alle kanalen de elektrische signalen soepel registreren.
  3. De experimentele taak uitvoeren
    1. Plaats de deelnemer voor de computermonitor en plaats het toetsenbord op een comfortabele afstand.
    2. Sluit de kabel van het draagbare stimulatorapparaat (zie figuur 1) aan op het stopcontact van de luidspreker van het computersysteem en stel het luidsprekervolume in op het maximale intensiteitsniveau.
    3. Pas het draagbare stimulatorsysteem aan op de rechterwijsvinger van de deelnemer en test.
    4. Speel met behulp van het tablet de experimentinstructies af en voer een oefenproef uit om het onderwerp vertrouwd te maken met het draagbare stimulatorapparaat, de audio-tactiele stimuli en de taak. Herhaal de MSL-instructies en controleer het begrip.
    5. Herinner de deelnemer eraan om te reageren op de blafprikkel van de hond door alleen met zijn linkerwijsvinger op de linkerwijsvinger te drukken bij de detectie van de doelstimulus en om zijn reactie achter te houden wanneer een van de andere vier dierengeluiden wordt waargenomen. Het CPT experimentele paradigma is weergegeven in figuur 2.
    6. Geef duidelijke instructies voor het minimaliseren van artefacten en demonstreer het effect van artefacten op het EEG in realtime voordat u begint met opnemen (aanbevolen als een standaard opnameprocedure in onderzoek met klinische populaties20).
    7. Controleer voordat u de CPT-taak start of de gebeurtenissynchronisatie tussen de cognitieve stimulatiecomputer en de EEG-opnamecomputer goed werkt. Om dit te doen, begint u met het opnemen van het EEG-signaal en klikt u op het communicatiepictogram in de software-interface voor stimuluspresentatie. Bij het klikken verschijnen de gebeurtenis-gesynchroniseerde pulsen onderaan het EEG-opnamescherm.
    8. Voer de experimentele taak uit. Observeer de deelnemer zorgvuldig en controleer de alertheid, reactie-uitvoering en overmatige beweging of knipperen.
    9. Pauzeer en geef de deelnemer een korte pauze in het midden van het experiment (op 4 minuten in het experiment) om hem in staat te stellen te knipperen, te ontspannen en indien nodig te bewegen. Voltooi het uitvoeren van het experiment.

4. Audio-tactiel sensorische substitutie trainingsprogramma

  1. Raadpleeg Aanvullend dossier 1, dat een gedetailleerde beschrijving van het programma van vijf sessies bevat, om de training uit te voeren. Automatiseer de beschreven activiteiten met behulp van een spreadsheet om de training systematischer en boeiender te maken voor de deelnemers. Gebruik originele afbeeldingen en audio-opnamen van9 en vraag de deelnemers om te reageren door op een laptop touch-screen monitor te tikken.
    OPMERKING: De inhoud en tabellen in dit bestand zijn met toestemming van9 herdrukt.

5. Eeg-opnamesessie na de training

  1. Herhaal exact dezelfde stappen als aangegeven in sectie 3.

6. EEG-analyse

OPMERKING: De EEG-acquisitiestappen werden uitgevoerd met behulp van de EEG-opnamesoftware en de EEG-verwerkingsstappen werden uitgevoerd met behulp van een afzonderlijke EEG-analysesoftware.

  1. EEG ruwe signaal voorbewerking
    1. Definieer en selecteer tijdperken van 1100 ms in de continue EEG-gegevens, zonder het gebruik van extra digitale filters, met behulp van stimulus-aanvang als het initiële tijdstip (t0) en inclusief een pre-stimulus van 100 ms die wordt gebruikt voor baselinecorrectie. Aanvullende figuur 1 illustreert hoe de tijdperken van 1100 ms werden geselecteerd volgens de commerciële EEG-analysesoftware die in de EEG-opnameapparatuur was geïnstalleerd.
    2. Sluit tijdens artefactafwijzing tijdperken van gegevens op alle kanalen uit wanneer de spanning in een bepaald opnametijdperk hoger is dan 100 μV op een EEG- of EOG-kanaal. Weiger ook artefacten door visuele inspectie van de tijdperken. Zie aanvullende figuur 2, die een voorbeeld geeft van tijdperken die handmatig werden afgewezen vanwege oculaire artefacten.
  2. Signaalmiddeling
    1. Selecteer een gelijk aantal artefactvrije tijdperken voor elke stimulusconditie (doel en niet-doel) in zowel de pre- als post-trainingsomstandigheden. Selecteer de maximaal mogelijke tijdperken om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Doe dit voor elk EEG-record.
      OPMERKING: In dit protocol hebben we gemiddeld 25 juiste responstijdperken per voorwaarde op elk tijdstip geselecteerd, omdat we geïnteresseerd waren in het evalueren van doeldiscriminatie. Houd er rekening mee dat sommige ERP-componenten geen openlijke gedragsreacties vereisen om te worden waargenomen. Deelnemers met minder dan 15 artefactvrije tijdperken in elke aandoening werden uitgesloten van de studie.
    2. Klik op het menu Operations en selecteer de eeg-venstermiddelingsoptie voor gemiddelde individuele ERP's.
    3. Selecteer eerst de optie Onafhankelijk gemiddelde om alleen doelproeven te gemiddelden. Selecteer vervolgens de andere vier niet-doelstimuli en klik op de optie Gemiddeld samen om het gemiddelde te berekenen.
    4. Herhaal stap 6.2.2 en 6.2.3 voor de EEG-opname van elke deelnemer in de toestand vóór de training en vervolgens voor de toestand na de training.
    5. Zodra alle individuele ERP's zijn berekend, gemiddelde ze samen om de groot-gemiddelde golfvormen per stimulusvoorwaarde voor en na de training te verkrijgen. Open een afzonderlijk EP-gemiddelde, ga naar het menu Bewerkingen en selecteer de optie Grand-mean averaging . Selecteer de individuele gemiddelden van de deelnemer om te worden opgenomen in het groepsgemiddelde.
    6. Kies alle doelgemiddelden voorafgaand aan de training in de vervolgkeuzelijst, klik vervolgens op de knop Gemiddelde , typ de gewenste bestandsnaam en druk op de Return-toets om op te slaan. Selecteer vervolgens alle niet-doelgemiddelden van vóór de training in de vervolgkeuzelijst, klik op de knop Gemiddelde , typ de gewenste bestandsnaam en druk nogmaals op de Return-toets om op te slaan.
    7. Herhaal de vorige stappen voor de toestand na de training.
  3. ERP visualisatie en analyses
    1. Selecteer het menu Bewerkingen om de lijst met opgeslagen grote middelen weer te geven. Klik vervolgens op de groepsgemiddelden die u wilt plotten. Klik vervolgens op de knop Montage om de kanalen te selecteren die u wilt plotten.
    2. Ga naar het menu Extra en klik vervolgens op Opties visualiseren om de kleur en lijnbreedte van elke golfvorm te selecteren. Klik vervolgens op het menu Signaal , vink het dc-correctievakje aan, typ het gewenste basislijnstimulusinterval in en druk vervolgens op de Return-toets .
    3. Inspecteer zorgvuldig de uitgezette grootgemiddelde golfvormen om de componenten van belang en hun bijbehorende tijdvensters te identificeren.
      OPMERKING: Voor dit experiment wisten we dat de golfvormen, vanwege het taakontwerp en de sensorische paden understudy voor P3, zeer waarschijnlijk een positieve component zouden zijn die later dan 300 ms in centropariëtale elektroden zou verschijnen en met grotere spanningsamplitudes in de doelconditie.
    4. Exporteer afzonderlijke piekamplitudelatenties en -spanningen en importeer vervolgens gegevens in een spreadsheet om de database samen te stellen. Voer een analyse van variantie (ANOVA) met herhaalde metingen uit met behulp van statistische software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Illustreren hoe het effect van de audio-tactiele sensorische substitutiediscriminatietraining bij PD-individuen kan worden beoordeeld door veranderingen in P3 te evalueren in een groep van 17 PD-personen (gemiddelde leeftijd = 18,5 jaar; SD = 7,2 jaar; acht vrouwtjes en 11 mannetjes), hebben we verschillende figuren gemaakt om de ERP-golfvormen weer te geven. De resultaten in de ERP-plots laten veranderingen zien in een P3-achtige centropariëtale positieve golfvorm die robuuster is voor de doelprikkels na training. In de pre-training conditie suggereren ERP's dat de T- en NT-condities niet zo duidelijk te onderscheiden zijn als in de post-training conditie. Daarom wordt gesuggereerd dat het trainingsprogramma van vijf sessies een impact heeft op de neurale respons die gepaard gaat met discriminatie van complexe geluidsstimuli. Figuur 3 toont de grote gemiddelden voorafgaand aan de training en figuur 4 toont de grote gemiddelden na de training, die de belangrijkste resultaten van dit onderzoek weergeven. Figuur 5 laat zien hoe deze ERP-golfvormen worden gewijzigd wanneer ze worden uitgezet met behulp van een low-pass digitaal filter op 5 Hz. Deze a posteriori filtering vermindert de ruis aanzienlijk, voornamelijk geïntroduceerd door individuele variabiliteit, terwijl de trainingsgerelateerde veranderingen in de P3-golfvormen die van belang zijn in dit onderzoek behouden blijven.

Figure 1
Figuur 1: Foto van het draagbare stimulatiesysteem (links) en demonstratie van hoe het op de wijsvinger moet worden geplaatst (rechts). Dit apparaat bestaat uit een klein flexibel plastic membraan met een oppervlak van 78,5 mm2 dat trilt als reactie op geluidsdrukgolven via analoge transmissie, een lange analoge luidsprekeringangskabel en een rode bevestigingsstrip om zich aan te passen aan de wijsvinger. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Diagram van de continuous performance task (CPT). De spectrale beelden die overeenkomen met elk van de vijf categorieën stimulus worden getoond (allemaal met een duur van 1500 ms). De doelstimulus (blaffen) wordt gelabeld en de ISI-duur (interstimuleerterinterval) wordt gespecificeerd (2000 ms). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Voortraining van grootgemiddelde golfvormen en topografische spanningsverdelingskaarten. Deze figuur toont de negen fronto-centro-pariëtale elektroden (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz en P4) van de 10-20 systeemelektrode-array. Rode lijnen komen overeen met de doelvoorwaarde en zwarte lijnen met de niet-doelvoorwaarde. De gekleurde kaarten geven de spanningsverdeling weer in microvolt (μV) bij 620 milliseconden (ms). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Post-training grand-mean golfvormen en topografische verdelingskaarten. Deze figuur toont de negen fronto-centro-pariëtale elektroden (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz en P4) van de 10-20 systeemelektrode-array. Rode lijnen komen overeen met de doelvoorwaarde en zwarte lijnen met de niet-doelvoorwaarde. De gekleurde kaarten geven de spanningsverdeling weer in microvolt (μV) bij 620 milliseconden (ms). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Pre-training (links) en post-training (rechts) gefilterde groot-gemiddelde golfvormen en topografische distributiekaarten. Deze figuur toont de drie middellijnelektroden (Fz, Cz en Pz) van de 10-20 systeemelektrode-array nadat een offline digitaal 5 Hz low-pass filter werd toegepast. Blauwe lijnen komen overeen met de doelvoorwaarde en zwarte lijnen met de niet-doelvoorwaarde. De gekleurde kaarten geven de spanningsverdeling weer in microvolt (μV) bij 630 milliseconden (ms). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullende figuur 1: Tijdvakselectie in ruwe EEG-opname met behulp van analysesoftware. Deze screenshot toont een EEG-opname met het signaal van 21 kanalen (19 actieve elektroden en 2 oculogram-elektroden). De tijdperken van 1100 milliseconden (ms), beginnend bij 100 ms voorafgaand aan de stimuluspresentatie, worden geselecteerd in een aquarechthoek. De dunne rode lijnen aan de onderkant van het scherm zijn de gesynchroniseerde stimuluspresentatiepulsen die zijn ingebed in het EEG-signaal. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 2: Voorbeelden van handmatig afgekeurde tijdperken met oculaire artefacten. Deze screenshot toont een EEG-record met het signaal van 21 kanalen (19 actieve elektroden en twee oculogram-elektroden). Tijdperken die in een magenta-rechthoek zijn geselecteerd, zijn handmatig afgewezen omdat ze oculaire artefacten bevatten die worden veroorzaakt door knipperen. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 1: Audio-tactiel sensorisch substitutietrainingsprogramma. Een gedetailleerde beschrijving van het programma van vijf sessies. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Met behulp van ERP-tools hebben we een protocol ontworpen om de geleidelijke ontwikkeling van vibrotactile discriminatievaardigheden te observeren en te evalueren voor het onderscheiden van vibrotactile representaties van verschillende zuivere tonen. Ons eerdere werk heeft aangetoond dat vibrotactiele stimulatie een levensvatbare alternatieve geluidsperceptiemethode is voor diep dove personen. Vanwege de complexiteit van natuurlijke geluiden in vergelijking met zuivere tonen, rechtvaardigt het potentieel voor taalgeluidsdiscriminatie echter een afzonderlijke verkenning.

Als eerste stap in deze richting richt het huidige protocol zich op het spatiotemporale uiterlijk van ERP-componenten om de leergerelateerde neurale veranderingen in PD-onderwerpen geassocieerd met audio-tactiele discriminatie van complexe geluiden verder te begrijpen. Hoewel er geen unieke consensus is bereikt over de precieze functionele rol van de P3 in de besluitvorming, suggereren onze resultaten dat de P3 een werkgeheugengestuurd doelidentificatiemechanisme21 weerspiegelt, een type categorisatie dat kan worden gewijzigd met oefening na verschillende trainingssessies als onderdeel van een doelgerichte leerstrategie. De P3-golfvormen die in dit experiment zijn waargenomen, komen overeen met het voorstel dat deze component het identificatieproces zelf zou kunnen traceren in plaats van te worden opgewekt door de voltooiing van de stimulusidentificatie22. Zowel gedrags- als elektrofysiologische resultaten ondersteunen het idee dat natuurlijke complexe geluiden, zoals die in dit experiment worden gebruikt, kunnen worden geïdentificeerd en onderscheiden door middel van een vibrotactiel discriminatieproces zodra individuen op de juiste manier zijn getraind. Er zijn echter verschillende beperkingen zorgvuldig overwogen, met name de ideale uitbreiding van het monster. Het is bekend dat de klinische populatie die lijdt aan diepe doofheid heterogeen van aard is. Veel variabelen zoals etiologie, mate van gehoorverlies, aanvangsleeftijd, ouderlijke gehoorstatus, taalblootstelling, gebruik van hoortoestellen en educatieve achtergrond zijn moeilijk te beheersen bij het selecteren van een onderzoekssteekproef met een ernstig auditief tekort. Personen met niet-syndromale, prelinguale diepe bilaterale doofheid zijn een complexe steekproef om tegen te komen. We interviewden 36 kandidaten met ernstig gehoorverlies die geïnteresseerd waren om deel te nemen aan dit onderzoek. Daarvan voldeden er 23 aan de inclusiecriteria en slechts 17 voltooiden de studie (vijf trainingssessies en de pre- en post-EEG-opnamesessies) en hadden voldoende artefactvrije EEG-gegevens die nodig waren voor ERP-gemiddelden. De meeste studies met deelnemers uit een klinische populatie met diepgaande bilaterale doofheid hebben brede leeftijdscategorieën en kleine heterogene monsters. Tijdens het experiment werd alles in het werk gesteld om een zo homogeen mogelijk monster te verkrijgen.

Een andere essentiële methodologische overweging in dit protocol is waarom een gemiddelde van 25 tijdperken per aandoening (25 doel en 25 niet-doel) werd gebruikt om de individuele ERP-gemiddelden te verkrijgen. Deze beslissing is genomen omdat het noodzakelijk is om het aantal onderzoeken in een experiment te optimaliseren door de afweging te maken tussen de kwaliteit van de gegevens en de hoeveelheid tijd en middelen die worden besteed aan het verzamelen van de gegevens. Met name bij het werken met klinische populaties zijn er praktische limieten aan het aantal onderzoeken dat in één experiment kan worden gepresenteerd, omdat het raadzaam is om de tijd die deelnemers in het laboratorium doorbrengen te verminderen20. Deelnemers worden vermoeid en onrustig als het experiment te lang duurt, waardoor het geluidsniveau in de gegevens toeneemt en de prestaties van de taak negatief worden beïnvloed. Het is van cruciaal belang om te erkennen dat er voortdurende controverse is over hoeveel proeven nodig zijn om significante ERP-effecten te krijgen23, omdat het afhankelijk is van verschillende factoren, zoals de ERP-component in kwestie, het aantal opnamelocaties, de signaal-ruisverhouding en bepaalde maatregelen zoals cronbach's alfa (binnen aanvaardbare parameters wanneer groter dan 0,6 of 0,07). Verschillende bronnen hebben een passend aantal onderzoeken geschat dat nodig is voor stabiele P300-golfvormen bij ongeveer 20 onderzoeken24, 36 onderzoeken25, 40 tot 50 onderzoeken26 en zelfs tot 60 onderzoeken27. Meer specifiek, in cognitieve controletaken zoals het Go-NoGo-paradigma, concludeerden Rietdijk en collega's28 dat er minimaal 14 onderzoeken nodig waren om een intern consistente schatting voor de P3 in dit type taak te verkrijgen. De bovengenoemde overwegingen werden in aanmerking genomen voor zowel het experimentele ontwerp als de ERP-middelingstechniek die in dit onderzoek wordt beschreven.

Kortom, gebeurtenisgerelateerde hersenpotentialen zijn een betrouwbaar en veelgebruikt hulpmiddel voor het analyseren van de elektrische veranderingen die ten grondslag liggen aan de hersenfunctie en gedragsdynamiek. Een van de meest prominente en persistente elektrofysiologische ERP-responsen is de P3-component, die wordt voorgesteld als een betrouwbare indicator voor het evalueren van de discriminatie van vibrotactiele stimuli in verschillende voorgestelde methoden29. Het feit dat ERP's een hoge interne consistentie en een hoge test-hertestbetrouwbaarheid hebben, betekent dat ze een ideale techniek zijn voor het onderzoeken van veranderingen in hersenactiviteit als gevolg van behandelingsinterventie in ontwerpen met herhaalde metingen. Het is echter ook belangrijk om de beperkingen van deze ERP-techniek op te merken, waarbij de kleine omvang van bepaalde ERP-componenten vele proeven kan vergen om nauwkeurige metingen te garanderen, en de ruimtelijke resolutie van de ERP's veel slechter is dan andere neuroimaging-technieken. Als zodanig is deze techniek beter geschikt voor het begrijpen van de temporele dynamiek van neurofunctionele activering in plaats van de exacte lokalisatie van deze activering.

Ondanks deze methodologische uitdagingen is hernieuwde verkenning van de neurologische evolutie en connectiviteit van hersenverschillen als gevolg van vroege auditieve deprivatie een kans om het begrip van sensorische substitutie en taalverwerving te bevorderen, met name wanneer we ons wenden tot jongere, diep dove populaties. ERP-componenten blijven enkele van de beste tools die beschikbaar zijn voor neurowetenschappers om deze uitdaging aan te gaan en hebben nog geen resultaten opgeleverd met belangrijke toekomstige implicaties.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

We bevestigen dat er geen belangenconflicten bekend zijn in verband met deze publicatie en dat er geen significante financiële steun voor dit werk is geweest die de uitkomst ervan had kunnen beïnvloeden.

Acknowledgments

We bedanken alle deelnemers en hun families, evenals de instellingen die dit werk mogelijk hebben gemaakt, in het bijzonder Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, A.C., en Preparatoria No. 7. We bedanken ook Sandra Márquez voor haar bijdrage aan dit project. Dit werk werd gefinancierd door GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594 en het 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

Neurowetenschappen Nummer 187
Beoordeling van audio-tactiele sensorische substitutietraining bij deelnemers met diepe doofheid met behulp van de gebeurtenisgerelateerde potentiële techniek
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