从口面皮肤牵拉刺激体感事件相关电位

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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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

言语生产是依赖于听觉和体感的信息。听觉和体感反馈的组合出现由婴儿产生的最早发声并且都参与了言语运动学习。最近的研究结果表明,体感过程有助于感知以及生产。例如,语音识别,当机器人装置拉伸面部皮肤作为参与者听听觉刺激1声音被改变。空气喷到与听觉言语刺激相一致的脸颊改变参与者的感性判断2。

这些体感效果涉及响应于皮肤变形皮肤机械性的激活。运动期间,皮肤变形以各种方式,和皮肤机械性是已知的促进肌肉感觉3,4。皮肤机械感受器的动觉作用是妖由最近的调查结果5-7,该运动相关的皮肤的菌株被适当地视为屈曲或伸展运动取决于皮肤伸展6的图 ​​案strated。在言语动作训练,这是伴面部皮肤弹力语音特定语音的重复过程中,关节模式的改变以自适应方式7。这些研究表明,行动期间调节皮肤伸展提供了评价皮肤传入到感觉系统的动觉功能的贡献的方法。

对颜面部皮肤机械性的运动知觉功能使用心理生理的方法7,8和微电极由感觉神经9,10重新编写了研究居多。这里,当前协议着重于与面部皮肤变形和事件相关电位(ERP)的记录相关联的口面体感刺激的结合。钍是程序有精确的实验控制面部皮肤变形的使用计算机控制的机器人装置的方向和定时。这使我们可以由双方讲话运动学习期间在广泛取向选择性和精确地变形的面部皮肤测试即将语音产生和感知躯体感觉贡献特定假说,并直接在语音生成和感知。 ERP系统记录用于无创地感评价刺激对口颌面行为的影响的时间模式和定时。目前的协议,然后可以评估动觉功能的神经关联和评估体感系统这两个语音处理,言语产生和言语感知的贡献。

要显示的皮肤伸展刺激的ERP记录应用程序的用途,下列方案着重于躯体感觉和听觉输入的语音P上的相互作用erception。结果突出显示,以评估语音体感听觉相互作用提供了新思路。

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Protocol

目前的实验方案如下根据耶鲁大学人权调查委员会的道德行为准则。

1. Electroenchephalopgaphy(EEG)的制备

  1. 测量头的大小来确定合适的EEG帽。
  2. 通过找到鼻根和INION之间的中点用卷尺识别顶点的位置。
  3. 使用预先确定的顶点例如CZ放置在头上的EEG帽。用卷尺为已完成1.2放置盖后再次检查锆石。注意,EEG帽配有电极持有者和安置的64个电极(或持有者)是基于改性:10-20系统预先指定的坐标系统基于锆石11。
    注:此代表应用程序使用64电极配置,以评估头皮分布的变化和来源分析。对于较简单的应用程序(在幅度和延迟事件关联电位的变化)USING少的电极是可能的。有对地面在这里使用的脑电图系统两个附加电极。那些电极夹头也包括在帽。
  4. 在使用一次性注射器的电极持有者应用电极凝胶。
  5. 附上EEG电极(包括接地电极)插入电极座匹配电极和电极帽的电极夹上的标签。
  6. 清洁皮肤表面用酒精垫。
    注意:对于用于检测眼运动(眼电图),皮肤位置是上方和​​下方的右眼(垂直眼运动),以及横向于双眼的外眦(水平眼运动)电极;对于躯体感觉刺激皮肤横向于口服角度被清洁。
  7. 填与电极凝胶四眼电图电极和固定电极用双面胶带在1.6指出的地点。
  8. 安全使用尼龙带所有电极电缆。若Required,用胶带将电缆参与者的身体或不引入任何额外的电气或机械噪声的其他位置。
  9. 放置参与者显示器前,机器人的体感刺激。重新紧固所有电极线为1.8。
  10. 连接脑电和眼电图电极(含接地电极)到相应的connecters(匹配的标签和连接器形状)的脑电图系统的功放盒。
  11. 检查以查看所述EEG信号是工件自由并且该偏移值是在可接受的范围内(<50微伏或更小)。如果发现有噪声的信号,或大偏移,通常是表明为高阻抗,正确通过添加额外的脑电图凝胶和/或重新定位的头发,其直接在电极下的那些电极的信号。
  12. 将脑电图兼容的耳机和确认声级是在一个舒适的范围内基于主题报告。

注:目前的协议适用于面部皮肤伸展躯体感觉刺激的目的。实验装置与脑电图系统于图1。躯体感觉刺激装置的细节,在以前的研究1,7,12-14已经描述。简言之,将两个小塑料卡(宽2厘米和3厘米高度)附着用双面胶带贴到面部皮肤。该卡使用字符串连接到机器人设备。机器人根据实验设计产生系统性的皮肤拉伸负荷。为建立协议的ERP记录如下:

  1. 将参与者的头部在头枕,以刺激过程中尽量减少头部运动。小心取出参与者的头部与头枕之间的电极线。
  2. 请参与者持有机器人的安全开关。
  3. 附加塑料把手,目标皮肤位置用双面胶带为躯体感觉刺激。为代表导致12,13,其中目标是皮肤横向于口服角度,放置在蜗轴的翼片的中心,有几个毫米横向于口腔角与中心翼片的在大致相同的高度的口服角度。
  4. 调整,以避免EEG电极和电缆的串,串支撑和机器人的配置。
  5. 由于刺激(通常观察到相对大的振幅和频率低的电响应比)申请几个面部皮肤伸展(一个循环正弦在3赫兹以4N的最大的力)来检查工件。如果文物在脑电信号观察,回到2.4。

3. ERP记录

  1. 解释了实验任务的主体和提供实践试验(1块= 10次试验或更少),以确认是否标的理解过程显然rstands任务。
    注:该实验任务和刺激呈现的ERP记录在软件刺激呈现preprogramed。
    1. 在代表性的测试与综合体感和听觉刺激12,适用于皮肤变形关联到皮肤横向到口腔角度的体感刺激。舒展的模式是一个周期的正弦曲线(3赫兹)为4 N.单一的合成语音的就是中途“ ”与一个10步声连续“ 已经”被用于听觉刺激最大力量。
    2. 单独或组合呈现两个刺激。在组合的刺激下,测试3发病定时(90毫秒超前和滞后,和同时在体感和听觉声母: 参见图3A)。
    3. 随机五个刺激的呈现(体感孤单,独自听觉和三个结合:铅,SIMULT和L股份公司)。有所不同,以避免预期和习惯化1000和2000毫秒之间的试验间隔。实验任务是通过按下键盘上的键,以确定所呈现的语言声音,其是介于头”声学中间和声音是否“ 有',头“,在体感单独条件,其中有没有听觉刺激,参与者被指示回答不是“ 头”。
    4. 记录参与者的判断,并使用该软件进行刺激呈现的刺激发病的按键反应时间。请参与者在注视显示屏上的固定点,以减少因眼球运动伪影。
    5. 拆下固定点每10刺激了短暂的休息。 (见的任务和刺激呈现12,13的还有其他例子)
  2. 启动软件,ERP记录在512赫兹抽样,其中还记录了刺激的起效时间ERP数据的时间轴。需要注意的是刺激,也包括有关的刺激的类型的信息的时间标记,发送用于从软件刺激呈现每刺激。这两个程序(ERP记录和刺激演示)都是对通过并​​行端口连接的两个独立的PC上运行。
  3. 设置软件的体感刺激触发等待模式,然后通过激活软件刺激呈现开始刺激呈现。注意,该软件用于体感的刺激也单独的PC上运行,从其他两个电脑。每个条件记录100的ERP。
    注意:一个触发信号的体感的刺激通过连接到数字输出装置中的PC进行感官刺激的模拟输入装置被接收。单体感刺激每一个触发产生。</ LI>

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Representative Results

本节介绍针对体感刺激的面部皮肤变形产生的代表性事件相关电位。实验装置于图1。正弦刺激施加到面部皮肤横向于口服角度参见图3A作为参考)。录每个参与者与12名参加者在总测试一百拉伸试验。除去脱机上的水平和垂直眼电图信号的基础上加上闪烁和眼球运动伪影的试验后(超过±150μV),试验超过85%的平均值。 EEG信号过滤用0.5-50赫兹的带通滤波器和再参照跨越所有电极的平均值。 图2示出了从选择的代表电极的平均体感的ERP。在额叶区域,峰值负电位,引起在100-200毫秒POST刺激发病其次是正电位在200-300毫秒。最大反应,观察在中线电极。从体感的ERP 15-18的以前的研究不同,没有较早延迟(<100毫秒)的电位。这时空格局非常相似典型的N1-P2序列之后的听觉刺激19。在相应的一对在左和右半球电极之间的比较,该时间模式相当类似可能是由于双边刺激。

图1
图1实验装置请点击此处查看该图的放大版本。

图2
在图2的事件相关电位回应面部皮肤产生牵拉感刺激的事件相关电位是从代表电极获得。 请点击此处查看该图的放大版本。

第一个结果显示刺激的时机如何影响语音处理12时多感官互动。在这项研究中,神经反应相互作用通过比较使用体感听觉刺激对与事件相关电位的代数和分别介绍了unisensory刺激获得的ERP找到。的听觉刺激体感的模式表示在图3A中。 图3B示出的事件相关电位的模式响应于体感听觉刺激对(红色线)。黑线represenTS个人unisensory听觉和体感的ERP的总和。三板对应于两个刺激起始点之间的时间间隔:体感发病(左),同时(中心)和90毫秒的延迟(右)的90毫秒的领先优势。当体感刺激呈现90毫秒的听觉发病前,有配对并总结出响应(左侧面板图3B)之间的差异。这种相互作用效应逐渐减小体感和听觉输入之间的时间差的函数(参见 3B中的两条虚线之间的变化)。的结果表明,该体感听觉相互作用是动态与刺激的时机进行修改。

图3

图3.事件相关电位反映了体感,听觉INTERAction在言语知觉的情况下,这个数字已经被修改伊藤12(A)的时间感和听觉刺激的格局。 ( 二)事件相关电位在三个计时条件(铅,同时进行的,滞后),在电极Pz的组合体感和听觉刺激。红线代表记录的反应配对的ERP。虚线表示体感和听觉事件相关电位的总和。垂直虚线定义体感发病后间隔160-220毫秒其中“对”和“之”响应之间的差异进行评估。箭头表示听觉发作。 请点击此处查看该图的放大版本。

下一个结果表明,体感的ERP increa的振幅SES响应于听讲话13。体感刺激的图案是相同的,如上所述。 图4示出了体感的ERP,它被转换成头皮的电流密度在20离线分析,在电极(FC3,FC5,C3)在左感觉运动区。体感事件相关电位被记录的同时参与者听讲话中的连续背景声音的存在。该研究测试了4背景条件:语音,非语音的声音,粉红噪声和沉默的13。结果表明体感事件相关电位的振幅在听讲话声音是显著大于另一个三个条件。有对其他三个条件中振幅无显著差异。 图4B示出在不同的条件下归一化的峰值幅度。结果表明,听讲话的声音会改变体感处理associ ated面部皮肤变形。

图4
图4.增强因言语体感事件相关电位声音的有效保护率在四背景声音条件(无声,粉红噪音,语音和非语音)的记录。该图已被修改从伊藤13 体感事件相关电位在上面左马达和前皮层的区域(A)时间格局。每种颜色对应一个不同的背景音的条件。该事件相关电位转换为头皮电流密度20。 (B)的差异与体感的ERP的第一峰相关z得分幅度。误差线是整个参与者的标准误差。每种颜色对应不同的背景声音的条件,如面板A.COM /文件/ ftp_upload / 53621 / 53621fig4large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

这里报道的研究提供的证据表明是受面部皮肤变形所产生精确控制的体感刺激诱导皮层的ERP。皮肤传入是被称为动觉信息3,4人体肢体运动5,6和言语运动7,8,21的丰富来源。拉伸面部皮肤中反映讲话时的实际运动方向的方式诱导肌肉感觉类似于相应的动作。目前相结合的方法精确控制皮肤的拉伸和ERP录音可以用于在广泛讲话的行为进行调查颜面部功能的神经基础。

使用机械性刺激和同时脑电图记录,它监视神器正在进行的信号是非常重要的。特别是,由于琴弦用来拉伸的位置靠近所述EEG电极和电缆的皮肤,有电的可能性人与运动假象所引起的脑电信号。与电生理反应相比,这神器区分,因为比较大的幅度和频率较低。录制前,需要仔细检查,以查明和消除任何机械文物由于刺激的刺激设置,包括串配置。尽管伪影可以邮递的信号处理,如过滤或独立成分分析22类似于眼运动和眨眼被除去,清洁器的信号总是更可取的。

体感事件相关电位在以往的研究大多采用使用机械23,电气18或激光伤害性刺激的15人制作了简短的体感刺激。从这些种刺激所引起的体感的输入不与在语音任何特定的关节运动相关联,并且因此,它们可能并不适用于研究语音相关的皮质处理。 Möttönen, 等人 17未能在听讲话声音来显示使用简单唇攻丝magnetoenchalographic体感电位的变化。与此相反,在面部皮肤的变形提供了类似的发生在与讲话关节运动21和感觉运动适应7一起动觉输入。这些刺激也有言语知觉加工1,14交互。从目前的皮肤伸展扰动的体感ERP是更适合于语音相关皮层处理的调查比目前可用于体感刺激其他方法。目前的皮肤牵拉刺激和以前的方法之间发现一些不同的特点。需要进一步的调查,包括源位置。

虽然面部皮肤的变形发生吨Ø讲话运动8时不同程度的皮肤横向到口腔角度密集的神经支配的皮肤具有机械感受器10,24,可能是主要负责皮肤伸展讲话中的检测。在嘴角的皮肤可以是用于语音电机控制和语音运动学习尤其重要。目前的方法是比较有限的,因为皮肤的拉伸可以只在一个方向,并在每脑电图会议一个位置来完成。在一个脑电图会话中使用的更复杂的皮肤变形和评价多个方向和/或多个位置将提供进一步的深入了解somatosensation在语音处理中的具体作用。

有言语交际研究有关的陈述的性质和处理言语产生和感知25-27长期利益。镜像神经元28,29的发现钢筋的想法,电机乐趣ctions都参与了言语知觉。电机系统(或电机和前皮层)的参与也进行了研究30-35中的感知的语音声音。然而,语音生成和感知之间的联系仍然知之甚少。探索在言语感知可能的体感的影响,可以帮助我们理解言语感知和生产的神经基础,以及他们是否重叠或链接。目前的技术调节体感功能提供了新的工具,调查询问这一重要领域。当前技术具有它可以在体感功能的调查更普遍地使用附加的优点和它如何与在神经处理其它感觉形态相互作用。

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Acknowledgements

这项工作是由国立耳聋与其他交流障碍补助R21DC013915和R01DC012502,在加拿大自然科学和工程研究理事会和欧盟第七框架计划(FP7 / 2007-2013赠款协议没有根据欧洲研究理事会的支持。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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