구강 안면 피부 스트레치 자극에서 체성 감각 이벤트 관련 우수

1Haskins Laboratories, 2Speech and Cognition Department, Gipsa-lab, CNRS, 3Univ. Grenoble-Alpes, 4Department of Psychology, McGill University, 5School of Communication Science and Disorders, McGill University
Published 12/18/2015
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Neuroscience

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Summary

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Ito, T., Ostry, D. J., Gracco, V. L. Somatosensory Event-related Potentials from Orofacial Skin Stretch Stimulation. J. Vis. Exp. (106), e53621, doi:10.3791/53621 (2015).

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Abstract

Introduction

음성 생산은 모두 청각과 체성 감각 정보에 따라 달라집니다. 청각과 체성 감각 피드백은 유아에 의해 생성 된 최초의 발성에서 조합에서 발생하는 모두는 음성 운동 학습에 참여하고 있습니다. 최근 결과 체성 감각 프로세스 인식뿐만 아니라 생산에 기여하는 것이 좋습니다. 로봇 장치가 참가자 청각 자극에 1을 청취으로 얼굴 피부를 뻗어 예를 들어, 음성의 식별이 변경되는 소리. 청각 언어 자극과 일치 뺨에 에어 퍼프 참가자들의인지 판단 (2) 변경.

이러한 효과는 피부 체성 변형에 응답하여 피부 기계적 수용기의 활성화를 수반한다. 피부가 움직이는 동안 다양한 방식으로 변형되고, 피부 근 감각 기계적 수용기는 감각 3,4에 기여하는 것으로 알려져있다. 피부 기계적 수용기의 운동 감각 역할은 악마운동과 관련된 피부 변형이 적절하게 굴곡 또는 확장 움직임 피부 스트레치 (6)의 패턴에 따라로 인식되어 최근 연구 결과 5-7로 strated. 동반 얼굴 피부 스트레치 연설 특정 음성 발언의 반복이다 음성 모터 훈련의 과정 동안, 조음 패턴 적응 방법 7로 변경합니다. 이러한 연구 작업 동안 피부 스트레칭를 변조하는 시스템의 감각 기능 피부 근 감각 구 심성 신경의 기여도를 평가하기위한 방법을 제공하는 것을 나타낸다.

구강 안면 피부 기계적 수용기의 운동 감각 기능은 감각 신경 9,10에서 레코딩 정신 생리 학적 방법 7,8과 미세 전극을 사용하여 주로 연구되고있다. 여기서, 현재 프로토콜은 얼굴 피부 변형 및 이벤트 관련 전위 (ERP)의 기록과 관련된 구강 안면 체성 감각 자극의 결합에 초점을 맞추고있다. 목인 절차는 컴퓨터로 제어되는 로봇 장치를 이용하여 얼굴 피부 변형의 방향과 타이밍을 정밀하게 제어 실험을 갖는다. 이것은 우리가 선택적으로 정확하게 모두 음성 운동 학습시 방향의 넓은 범위에서 얼굴 피부를 변형시켜 음성 생산 및 인식과 체성 감각 기여에 대한 특정 가설을 테스트하고 직접 음성 생산 및 인식을 할 수 있습니다. ERP 기록을 비 침습적으로 구강 안면 동작에 체성 감각 자극의 영향의 시간적 패턴과 타이밍을 평가하는 데 사용된다. 현재 프로토콜은 근 감각 신경 기능의 상관 관계를 평가하고 모두 음성 처리, 음성 제조 및 음성 인식과 체성 시스템의 기여를 평가할 수있다.

ERP 기록에 피부 스트레칭 자극 애플리케이션의 유용성을 보여주기 위해, 다음의 프로토콜은 음성 P에서 체성 청각 입력의 상호 작용에 중점erception. 결과는 연설에서 체성 감각 - 청각의 상호 작용을 평가하기위한 잠재적 인 방법을 강조 표시합니다.

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Protocol

현재 실험 프로토콜은 예일 대학 인간 조사위원회에 따라 윤리적 행위의 지침을 따른다.

1. Electroenchephalopgaphy (EEG) 준비

  1. 적절한 뇌파 캡을 결정하기 위해 머리 크기를 측정한다.
  2. 측정 테이프 nasion 및 inion 사이의 중간 점을 찾아 정점의 위치를​​ 확인합니다.
  3. Cz에로 사전 결정된 정점을 사용하여 머리에 뇌파 캡을 놓습니다. 1.2에서 수행으로 측정하는 테이프를 사용하여 캡을 배치 한 후 다시 Cz에를 검사합니다. EEG 캡 전극 홀더를 구비하고, 전극 (64) (또는 홀더)의 배치는도 11에 기초하여 Cz를 미리 지정된 좌표 시스템으로 변형 10-20 시스템 기준입니다.
    주 :이 대표적인 어플리케이션 두피 분포의 변화를 평가하기 위해 64의 전극 구성을 사용하여 소스 및 분석. 간단한 응용 프로그램 (진폭과 대기 시간에 이벤트 관련 잠재적 인 변경)의 경우 USING 적은 전극이 가능합니다. 여기에 사용 된 뇌파 시스템의 땅에 대한 두 개의 추가 전극이 있습니다. 그 전극 홀더는 캡에 포함되어 있습니다.
  4. 일회용 주사기를 사용하여 전극 홀더에 전극 젤을 적용합니다.
  5. 전극 및 전극 모자에 전극 홀더에 라벨과 일치하는 전극 홀더에 (접지 전극 포함) 뇌파 전극을 연결합니다.
  6. 알코올 패드 피부 표면을 청소한다.
    주 : 양안의 외 안각 (수평 안구 운동)에 눈 움직임 (전기 oculography), 피부의 위치는, 상술과 우안 (수직 안구 운동) 이하, 횡을 검출하기위한 전극 용; 체 감각 자극에 대한 구강 각도 피부 측이 세정된다.
  7. 전극 젤 네 개의 전기 oculography 전극을 입력하고 1.6에 언급 된 사이트에 양면 테이프로 전극을 고정합니다.
  8. 벨크로 스트랩을 사용하여 모든 전극 케이블을 고정합니다. R 경우equired는 참가자의 신체에 케이블이나 추가 전기적 또는 기계적 소음을 소개하지 않는 다른 위치를 테이프.
  9. 모니터 앞의 참가자와 체성 감각 자극에 대한 로봇을 배치합니다. 1.8에서와 같이 다시 모든 전극 케이블을 고정합니다.
  10. 뇌파 시스템의 앰프 상자의 뇌파와 적절한 컨넥터로 (접지 전극 포함) 전기 oculography 전극 (일치하는 레이블 및 커넥터 모양)을 연결합니다.
  11. 뇌파 신호가 무료 유물 및 오프셋 값이 허용 범위 (<50 μV 이하)로되어 있는지 확인하십시오. 일반적으로 높은 임피던스를 나타내는입니다 잡음 신호 나 큰 오프셋이 발견되면 정확한 추가 뇌파 젤을 추가 및 / 또는 전극 바로 아래에 머리를 재배치하여 그 전극 신호.
  12. 뇌파 호환 이어폰을 삽입하고 사운드 레벨이 주제 보고서를 기반으로 편안한 범위에 있는지 확인합니다.

주 : 현재 프로토콜 체성 감각 자극의 목적으로 얼굴 피부 스트레칭을인가한다. EEG 시스템 실험 장치는도 1에 표시된다. 체성 감각 자극 장치의 상세는 이전 연구 1,7,12-14에 기재되어있다. 간단히 말해서, 두 개의 작은 플라스틱 탭 (2cm 폭 3cm 높이)는 얼굴 피부에 양면 테이프로 부착되어있다. 탭은 문자열을 사용하여 로봇 장치에 접속된다. 로봇은 실험적인 디자인에 따라 체계적인 피부 스트레칭 부하를 생성합니다. 다음과 같이 ERP 녹화 설정 프로토콜은 다음과 같습니다

  1. 자극시 헤드의 움직임을 최소화하기 위해, 헤드 레스트의 참가자의 머리를 배치했다. 신중하게 참가자의 머리와 헤드 레스트 사이의 전극 케이블을 제거합니다.
  2. 로봇의 안전 스위치를 개최 참가자를 요청합니다.
  3. 에 플라스틱 탭을 부착체 감각 자극 양면 테이프를 이용하여 대상의 피부 위치. 담당자가 대상이 구강 각도로 피부의 측면 인 12, 13을, 결과를 modiolus의 탭의 중심을 배치, 몇 mm의 약 탭의 중심과 같은 높이와 구강 각도 측 방향 구강 각도.
  4. EEG 전극 및 케이블을 피하기 위해 문자열, 문자열 지원하며 로봇의 구성을 조정한다.
  5. 때문에 (일반적으로 전기 생리 반응과 비교하여 상대적으로 큰 진폭과 낮은 주파수로 관찰) 자극 유물 확인하기 위해 (4 N의 최대 힘 3 Hz에서 한 사이클의 정현파) 몇 얼굴 피부 뻗어을 적용합니다. 유물은 뇌파 신호를 관찰하는 경우, 2.4으로 돌아갑니다.

3. ERP 녹화

  1. (한 블록 = 10 시련 이하) 확인 대상으로 실험적인 작업을 설명하고 연습 시험을 제공 할 경우 대상 운데분명히 작업 rstands.
    참고 : ERP 기록에 대한 실험 작업과 자극의 발표는 자극 프리젠 테이션 소프트웨어 preprogramed 있습니다.
    1. 결합 체성 감각 및 청각 자극 (12)와 대표 시험에서, 구강 각도로 피부의 측면에 피부 변형과 관련된 체성 감각 자극을 적용합니다. 신축성 패턴 4 N. 청각 자극에 사용되는 "한", "헤드"사이 10 단계 사운드 연속체에서의 중간 인 단일 합성 스피치 발성의 최대 힘과 1 사이클 정현파 (3 Hz에서)이다.
    2. 개별적으로 또는 조합을 모두 자극을 제시. 결합 된 자극에서, 테스트 세 개시 타이밍 (체성 감각 및 청각 온셋 90 밀리 납과 지연, 동시는 : 그림 3A 참조).
    3. . 납, simult과 L : 청각 혼자 세 결합, 혼자 다섯 자극의 제시 (체성 감각을 무작위AG). 기대 및 습관화을 피하기 위해 1,000 2,000 밀리 초 사이의 상호 재판 간격을 변화. 실험적인 작업은 키보드의 키를 눌러 "헤드"간의 음향 중간이고 소리 제시 음성 사운드 "헤드" '했다가되었다 "여부를 식별하는 것이다. 체성 단독 상태에서 존재하는 더 청각 자극은 참가자가 없습니다 "머리"를 응답하도록 지시, 없다.
    4. 기록 참가자 판단과 자극 프리젠 테이션 소프트웨어를 사용하여 키를 눌러에 자극 발병에서 반응 시간. 눈의 움직임으로 인한 아티팩트를 감소시키기 위하여 상기 디스플레이 스크린의 고정 지점을 바라 참가자하자.
    5. 짧은 휴식에 들어 고정 지점마다 10 자극을 제거합니다. (작업 및 자극 프리젠 테이션 12,13의 다른 예를 참조하십시오)
  2. 512 Hz에서의 ERP 녹음 소프트웨어를 시작합니다또한 ERP 데이터의 타임 라인에서 자극의 개시 시간을 기록 샘플링. 또한, 자극의 유형에 대한 정보를 포함하는 자극의 타임 스탬프, 자극 프레젠테이션 소프트웨어로부터 각 자극에 대해 전송 참고. (ERP 기록 및 자극 프레 젠 테이션을위한) 두 프로그램은 병렬 포트를 통해 연결되어있는 두 개의 별도의 PC에서 실행되고 있습니다.
  3. 트리거 대기 모드로 체성 감각 자극에 대한 소프트웨어를 설정하고 자극 프리젠 테이션 소프트웨어를 활성화하여 자극 프리젠 테이션을 시작합니다. 체성 감각 자극에 대한 소프트웨어는 또한 다른 두의 PC에서 별도의 PC에서 실행되고 있습니다. 조건에 따라 기록 (100) ERPS.
    주 : 체성 감각 자극에 대한 트리거 신호는 감각 자극 PC에 디지털 출력 장치에 연결되어, 아날로그 입력 장치를 통해 수신된다. 단일 체성 감각 자극은 하나의 트리거 당 생산된다. </ 리>

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Representative Results

이 섹션은 얼굴 피부 변형으로 인한 체성 감각 자극에 응답 대표 사건 관련 전위를 제공합니다. 실험 장치는도 1에 표시된다. 정현파 자극 경구 각도 (기준으로도 3a 참조) 얼굴 피부 측에 적용 하였다. 백 스트레치 시험은 총 시험 12 참가자들과 각 참가자를 남겼습니다. 오프라인 수평 및 수직 oculography 전기 신호에 기초하여 깜박 안구 운동 아티팩트 시험을 제거한 후 (± 150 μV 초과), 실험 85 % 이상을 평균 하였다. EEG 신호 0.5-50 Hz의 대역 통과 필터로 여과하고, 모든 전극들에 걸쳐 평균을 다시 참조 하였다. (2) 대표 전극으로부터 선택된 평균 체성 감각 ERP를 나타낸다. 정면 지역에서 최고 음의 전위는 100 ~ 200 밀리 포에서 유도 하였다세인트 자극은 200 ~ 300 밀리 초에 긍정적 인 잠재력 다음에 시작. 가장 큰 응답은 중간 선 전극에서 관찰되었다. 체성 감각의 ERP 15-18의 이전 연구와는 달리, 더 이전의 대기 시간 (<100 밀리 초) 잠재력이 없습니다. 이 시간 패턴은 청각 자극 (19) 다음과 같은 일반적인 N1-P2의 순서 오히려 유사하다. 왼쪽과 오른쪽 반구 전극의 대응 쌍의 비교에서, 시간적 패턴 아마도 양자 자극으로 인해 매우 유사하다.

그림 1
그림 1. 실험 설정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2. 이벤트 관련 전위에얼굴 피부의 신축성에 의해 생성 된 체성 감각 자극에 반응. ERPS 대표 전극으로부터 얻었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

첫 번째 결과는 자극의 타이밍이 음성 처리 12시 감각적 상호 작용에 영향을 미치는 방법을 보여줍니다. 본 연구에서는 신경 응답의 상호 작용은 별도로 표시 unisensory 자극에 ERPS의 대수 합과 체 감각 - 청각 자극 쌍을 사용하여 얻은 ERPS을 비교하여 발견되었다. 청각 - 체성 감각 자극의 패턴은도 3a에 표시됩니다. 그림 (b)는 체성 감각 - 청각 자극 쌍 (레드 라인)에 대한 응답으로 이벤트 관련 전위의 패턴을 보여줍니다. 블랙 라인 represen개인 unisensory 청각과 체성 감각 ERPS의 합 TS. 세 개의 패널은 두 자극 온 세트 사이의 시간 지연에 해당합니다 체성 감각의 발병 (왼쪽), 동시 (센터)와 90 밀리 초 지연 (오른쪽)의 90 밀리 초 렸습니다. 체 감각 자극이 청각 발병 전에 90 밀리 초를 표시했을 때, 한 쌍의 응답을 합산하고 (도 3b의 좌측 패널) 사이의 차이가있다. 이러한 상호 작용의 효과가 서서히 체성 청각 입력 사이의 시간 지연의 함수로 감소한다 (도 3b에서 두 개의 점선 사이의 변화를 참조). 결과 체성-청각 동적 인터랙션 자극 타이밍 변경되는 것을 보여준다.

그림 3

그림 3. 이벤트 관련 잠재력은 체 감각 - 청각 INTERA을 반영음성 인식의 맥락에서 ction의.이 그림은, 이토에서 체성 감각 및 청각 자극의 등. (12) (A) 시간적 패턴을 수정되었습니다. 전극 년 Pz 세 타이밍 조건 (납, 동시 및 지연)에 결합 된 체성 감각 및 청각 자극 (B) 이벤트 관련 전위. 빨간색 선은 쌍 ERPS에 대한 응답을 기록 나타냅니다. 점선 체성 청각 ERPS의 합을 나타낸다. 수직 점선은 "쌍"과 "합"응답의 차이가 평가되는 체성 감각 발병 후 간격으로 160-220 밀리 초를 정의합니다. 화살표 청각 증상을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

다음의 결과는 보여 그 체성 감각의 ERP increa의 진폭연설 (13)을 듣고 질문에 답변 SES. 체 감각 자극의 패턴은 전술 한 바와 동일하다. (4)가 왼쪽 감각 영역 위에 전극 (FC3, FC5, C3)에서의 오프 - 라인 분석 두피 전류 밀도 (20)로 변환된다 체성 ERPS를, 도시한다. 참가자 배경음의 연속 존재하에 음성을 들으면서 체성 이벤트 관련 전위를 기록 하였다. 음성, 비 음성 사운드, 핑크 노이즈 및 침묵 13 : 연구 4 배경 조건을 테스트 하였다. 결과는 다른 세 가지 조건보다 훨씬 더 컸다 스피치 소리를 듣는 동안 체성 이벤트 관련 전위의 진폭을 나타내었다. 다른 세 가지 조건을위한 진폭의 유의 한 차이는 없었다.도 4B는 상이한 조건에서의 정규화 된 피크 진폭을 나타낸다. 결과는 음성을 듣는 것은 변경합니다에게 체성 감각 처리 associ 소리 있음을 나타냅니다 얼굴 피부 변형으로 ated.

그림 4
음성에 의한 체성 사건 관련 전위 4. 향상 소리 그림은. ERPS는 4 배경 사운드 조건 (자동, 핑크 노이즈, 음성 및 비 음성)에서 기록되었다. 이 그림은 이토 등에서 수정되었습니다. (13) 왼쪽 모터와 전 운동 피질 위의 지역에서 체성 사건 관련 전위 (A) 시간적 패턴. 각각의 컬러는 다른 배경음 조건에 대응한다. ERPS은 전류 밀도 (20)를 두피로 전환했다. 체성 감각 ERPS의 첫 번째 피크와 관련된 Z 점수의 크기에 (B)의 차이. 오차 막대는 참가자에서 표준 오차이다. 각 색상 패널 A. 같이 다른 배경음 조건에 대응COM / 파일 / ftp_upload / 53621 / 53621fig4large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

여기에보고 된 연구는 얼굴 피부의 변형에 의해 생산되는 정밀하게 제어 체성 감각 자극이 대뇌 피질의 ERPS을 유도하는 증거를 제공합니다. 피부의 구 심성은 인간의 사지 운동 5, 6 및 음성 운동 7,8,21에서 운동 감각 정보 3,4의 풍부한 소스로 알려져있다. 말하기 동안 실제 이동 방향을 반영하는 방식으로 얼굴 피부를 스트레칭 운동에 대응하는 근 감각 유사한 감각을 유도한다. 정확하게 제어 피부 스트레칭 및 ERP 녹음을 조합 현재 방법은 스피치의 동작 중에 다양한 구강 안면 신경 기능의 기초를 조사하는데 사용될 수있다.

기계적 자극과 동시에 EEG 기록을 사용하면, 아티펙트에 대한 지속적인 신호를 모니터하는 것이 중요하다. 문자열이 뇌파 전극과 케이블 가까이에있는 피부를 스트레칭하는 데 사용하기 때문에 특히, 전기의 가능성이알 모션 유물은 뇌파 신호에 유도된다. 이 유물은 전기 생리 반응과 비교하기 때문에 상대적으로 큰 진폭과 낮은 주파수의 구별이다. 녹화를 시작하기 전에 문자열 구성을 포함 자극 설치 식별 의한 자극에 기계적 아티팩트를 제거하기 위해주의 깊게 확인해야합니다. 이러한 아티팩트 필터링이나 안구 운동과 유사한 독립 성분 분석 (22)과 같은 깜박임 후 신호 처리에 의해 제거 될 수 있지만, 청소기 신호는 항상 더 바람직하다.

체성 이벤트 관련 전위의 이전의 연구는 주로 기계적 23 18 전기 또는 레이저 통각 자극 (15)을 사용하여 제조 하였다 체성 간단한 자극을 사용 하였다. 이러한 종류의 자극으로부터 발생 체성 입력 음성의 임의의 특정 조음 움직임과 연관되지 않고, 따라서, 그것들이되지 않을 수도음성과 관련된 대뇌 피질의 처리를 조사하기에 적합. Möttönen는 등. (17)는 음성이 소리를 듣는 동안 눌러 간단하게 입술을 사용하여 magnetoenchalographic 체성 감각 전위의 변화를 표시하는 데 실패했다. 대조적으로, 얼굴 피부의 변형이 음성 조음 운동 및 감각 21 적응력 7과 관련하여 발생하는 것과 유사한 운동 감각 입력을 제공한다. 이러한 자극은 음성 지각 처리 1,14와 상호 작용합니다. 현재 피부 스트레치 섭동에서 체성 감각의 ERP는 체성 감각 자극에 대한 현재 사용 가능한 다른 방법보다 음성과 관련된 대뇌 피질의 처리의 조사에 더 적합합니다. 몇 가지 다른 특성은 현재 피부 스트레치 자극하고 이전 방법 사이에 발견되었다. 소스 위치를 포함하여 추가 조사가 필요합니다.

얼굴 피부의 변형은 T를 발생하지만O 음성 모션 8시 정도의 차이, 구강 각도로 피부의 측면은 밀도가 피부 기계적 수용기 10, 24과 신경 지배하고 연설하는 동안 피부의 신축성 검출 주로 책임을 질 수 있습니다. 입의 모서리에 피부는 음성 모터 제어 및 음성 운동 학습에 특히 중요 할 수있다. 피부의 신축 한 방향으로 만 그리고 EEG 세션 당 하나의 위치에서 수행 될 수 있기 때문에 현재의 접근 방식은 다소 제한된다. 한 뇌파 세션에서 여러 방향 및 / 또는 여러 위치를보다 복잡한 피부 변형을 사용하고 평가하는 음성 처리에 somatosensation의 특정 역할에 더 통찰력을 제공 할 것입니다.

음성 생산 및 인식 25-27에서 표현의 자연과 처리에 관한 음성 통신 연구에 오랜 관심이 있습니다. 거울 신경 세포 (28, 29)의 발견은 그 생각을 강화 모터 재미ctions는 음성 인식에 참여하고 있습니다. 음성 사운드의 모터 시스템 (또는 모터와 전 운동 피질)의 참여는 또한 지각 30-35에 조사되었다. 그럼에도 불구하고, 음성 인식과 생산 사이의 링크가 여전히 잘못 이해된다. 음성 인식에 가능한 체성 감각의 영향을 탐구하는 것은 우리가 음성 인식 및 생산의 신경 기초를 이해하는 데 도움이, 그리고 그들은 중복 또는 링크 여부를 할 수 있습니다. 체성 감각 기능 조절에 대한 현재의 기술은 질문의 중요한 영역을 조사 할 수있는 새로운 도구를 제공하고 있습니다. 현재의 기술은 더 일반적 체 감각 기능 연구에 사용될 수있는 추가적인 장점을 가지고 있으며, 그것이 어떻게 처리 신경 감각의 다른 양상과 상호 작용한다.

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Acknowledgements

이 작품은 청각 장애 및 기타 의사 소통 장애 보조금 R21DC013915과 R01DC012502, 자연 과학 및 캐나다의 공학 연구위원회와 유럽 공동체의 일곱 번째 프레임 워크 프로그램 (FP7 / 2,007에서 2,013 사이 그랜트 계약없이 아래 유럽 연구위원회에 국립 연구소에 의해 지원되었다. 339152 ).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
EEG recording system Biosemi ActiveTwo
Robotic decice for skin stretch Geomagic Phantom Premium 1.0
EEG-compatible earphones Etymotic research ER3A
Software for visual and auditory stimulation Neurobehavioral Systems Presentation
Electrode gel Parker Laboratories, INC Signa gel
Double sided tape 3M 1522
Disposable syringe Monoject 412 Curved Tip
Analog input device National Instuments  PCI-6036E
Degital output device Measurement computing USB-1208FS

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References

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