Potenciais relacionados a eventos somatossensorial de pele Orofacial estiramento Estimulação

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

Produção da fala é dependente tanto da informação auditiva e somatossensorial. O auditiva e feedback somatossensorial ocorrer em combinação, desde as primeiras vocalizações produzidas por uma criança e ambos estão envolvidos na aprendizagem motora da fala. Resultados recentes sugerem que processos contribuem para a percepção somatossensoriais, bem como de produção. Por exemplo, a identificação dos sons da fala se altera quando um dispositivo de autómato, estica a pele facial como participantes ouvir a estímulos auditivos 1. Sopros de ar para o rosto que coincidem com estímulos de fala auditivos alterar julgamentos perceptivos 2 participantes.

Estes efeitos somatossensoriais envolvem a activação de mecanorreceptores cutâneas em resposta à deformação da pele. A pele é deformada de várias maneiras, durante o movimento, e mecanorreceptores cutâneas são conhecidos por contribuir para cinestésica 3,4 sentido. O papel cinestésica de mecanorreceptores cutâneas é demôniostrated por descobertas recentes 5-7 que as tensões relacionadas com o movimento da pele são adequadamente percebidas como flexão ou extensão de movimento, dependendo do padrão de estiramento da pele 6. Sobre o curso de formação motora da fala, que é a repetição do enunciado discurso específico com discurso estiramento da pele facial concomitante, padrões articulatórios mudar de forma adaptativa 7. Estes estudos indicam que a modulação estiramento da pele durante a ação fornece um método para avaliar a contribuição de aferentes cutâneos para a função cinestésica do sistema sensório-motor.

A função cinestésica de mecanorreceptores cutâneas orofaciais tem sido estudada principalmente através de métodos psicofisiológicos 7,8 e microeletrodos recodificação de nervos sensoriais 9,10. Aqui, o protocolo actual centra-se na combinação de estimulação somatossensorial orofacial associada a deformação pele facial e potencial (ERP) de gravação de evento relacionado. ºé procedimento tem o controle experimental preciso sobre a direção eo momento da deformação da pele facial usando um dispositivo robótico controlado por computador. Isto permite-nos testar hipóteses específicas sobre a contribuição somatossensorial para a produção da fala e percepção seletiva e precisamente por deformar a pele do rosto em uma ampla gama de orientações durante a aprendizagem motora da fala e diretamente na produção da fala e percepção. Gravação de ERP são utilizados para avaliar de forma não invasiva o padrão temporal e ao momento da influência da estimulação somatossensorial sobre os comportamentos orofaciais. O protocolo atual, em seguida, pode avaliar os correlatos neurais da função cinestésica e avaliar a contribuição do sistema somatossensorial para o processamento da fala, fala e fala produção percepção.

Para mostrar a utilidade da aplicação da estimulação estiramento da pele para a gravação de ERP, o protocolo que se segue concentra-se na interacção de somatossensorial e auditivo entrada no discurso perception. Os resultados destacam um método potencial para avaliar a interação somatossensorial-auditiva no discurso.

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Protocol

O protocolo experimental atual segue as diretrizes de conduta ética de acordo com o Comitê de Investigação Humana da Universidade de Yale.

1. Electroenchephalopgaphy (EEG) Preparação

  1. Meça o tamanho da cabeça para determinar a tampa EEG apropriado.
  2. Identificar a localização do vértice por encontrar o ponto médio entre nasion e inion com uma fita métrica.
  3. Coloque a tampa EEG na cabeça usando o vértice pré-determinado como Cz. Examine Cz novamente depois de colocar a tampa, utilizando uma fita métrica como feito em 1.2. Note-se que a tampa do EEG é equipado com suportes de eléctrodo e a colocação dos eléctrodos (64) ou suportes baseia-se num sistema de 10-20 modificada com sistema de coordenadas pré-determinado com base em Cz 11.
    Nota: Este aplicativo representante usa uma configuração de 64 eletrodo para avaliar as mudanças de distribuição no couro cabeludo e para análise fonte. Para aplicações mais simples (relacionados a eventos possíveis mudanças na amplitude e latência) using menos eléctrodos são possíveis. Há dois eletrodos adicionais para solo no sistema de EEG usados ​​aqui. Esses detentores do eléctrodo são também incluídos no tampão.
  4. Aplique gel eletrodo nos suportes de eletrodos utilizando uma seringa descartável.
  5. Anexar eletrodos de EEG (incluindo eléctrodos de terra) para os eletrodos correspondentes titulares os rótulos dos eletrodos e para os titulares de eletrodos sobre a tampa do eletrodo.
  6. Limpe a superfície da pele com compressas embebidas em álcool.
    Nota: Para eléctrodos para detecção de movimento dos olhos (electro-oculografia), os locais de pele são acima e abaixo do olho direito (olho movimento vertical), e lateralmente ao canto externo do olho dos olhos ambos (movimento ocular horizontal); para a estimulação somatossensorial lateral pele ao ângulo oral é limpo.
  7. Encha os quatro eletrodos eletro-oculografia com o gel do eletrodo e garantir os eletrodos com fita dupla face aos sites anotados em 1.6.
  8. Prenda todos os cabos de força, usando uma cinta de velcro. Se required, tape os cabos ao corpo do participante ou de outros locais que não introduzem qualquer ruído elétrico ou mecânico adicional.
  9. Posicione o participante na frente do monitor e do robô para a estimulação somatossensorial. Prenda todos os cabos de força novamente como em 1.8.
  10. Ligue a EEG e eletrodos eletro-oculografia (incluindo os eletrodos de aterramento) nos conectores apropriados (etiqueta correspondentes e forma conector) na caixa de amplificador do sistema de EEG.
  11. Verifique se os sinais de EEG são artefato livre e que o valor de compensação está em uma faixa aceitável (<50 mV ou menor). Se sinais ruidosos ou grandes deslocamentos que geralmente são indicativos de alta impedância são encontrados, corrigir esses sinais de eletrodos, adicionando gel EEG adicional e / ou reposicionamento de cabelo que está diretamente sob o eletrodo.
  12. Inserir os fones de ouvido compatíveis com EEG e confirmar que o nível de som está em uma faixa confortável com base no relatório em questão.

Nota: O protocolo atual aplica-se o estiramento da pele facial com a finalidade de estimulação somatossensorial. A configuração experimental com o sistema de EEG é representado na Figura 1. Os detalhes do dispositivo de estimulação somatosensorial foram descritos nos estudos anteriores 1,7,12-14. Resumidamente, duas presilhas de plástico pequenas (2 cm de largura e 3 cm de altura) são unidas com fita dupla face para a pele facial. As guias estão ligados ao dispositivo robótico usando a corda. O robô gera cargas sistemáticas de estiramento da pele de acordo com projetos experimentais. O protocolo de configuração para gravação de ERP é a seguinte:

  1. Coloque a cabeça do participante no encosto de cabeça, a fim de minimizar o movimento da cabeça durante a estimulação. Remova cuidadosamente os cabos de força entre a cabeça do participante e encosto de cabeça.
  2. Peça ao participante para segurar o interruptor de segurança para o robô.
  3. Anexar presilhas de plástico paraa localização da pele alvo usando fita dupla face para a estimulação somatossensorial. Os resultados representativos para a 12,13, em que o alvo é a pele de lateral para o ângulo oral, colocar o centro das abas no modiolus, alguns mm lateral ao ângulo oral com o centro das abas aproximadamente à mesma altura do ângulo oral.
  4. Ajuste a configuração da cadeia, suportes de corda eo robô a fim de evitar eletrodos e cabos de EEG.
  5. Aplique algumas trechos da pele facial (um ciclo sinusoid em 3 Hz com uma força máxima de 4 N) para verificar artefatos devido ao estímulo (geralmente observado como amplitude relativamente grande e menor freqüência comparada com a resposta eletrofisiológica). Se os artefatos são observados nos sinais de EEG, volte para 2,4.

Gravação 3. ERP

  1. Explique a tarefa experimental para o assunto e fornecer provas práticas (um bloco = 10 ensaios ou menos) para confirmar se o assunto understands claramente a tarefa.
    Nota: A tarefa experimental e apresentação do estímulo para a gravação de ERP são preprogramed em software para apresentação do estímulo.
    1. No teste de representante com somatossensorial combinados e estimulação auditiva 12, aplicar a estimulação somatossensorial associada a deformação da pele para a pele de lateral para o ângulo oral. O padrão de estiramento é um sinusoid um ciclo (3 Hz) com uma força máxima de 4 N. A única fala voz sintetizada que está a meio caminho de um continuum de som de 10 passos entre "cabeça" e "tinha" é usado para a estimulação auditiva.
    2. Apresentar ambos os estímulos separadamente ou em combinação. Na estimulação combinada, teste três horários de início (90 ms de chumbo e lag, e simultâneas em somatossensorial e auditivas onsets: ver Figura 3A).
    3. Randomize a apresentação de cinco estímulos (somatossensorial sozinho, auditivo sozinho e três combinado:. Ligação, simult e lag). Varie o intervalo inter-julgamento entre 1.000 e 2.000 ms, a fim de evitar a antecipação e habituação. A tarefa experimental é identificar se o som de fala apresentado, que é o som que é acusticamente intermediário entre o "cabeça" e "tinha", era "cabeça" pressionando uma tecla em um teclado. Na condição sozinho somatossensorial, em que há há estimulação auditiva, os participantes são instruídos a responder não "cabeça".
    4. Juízos participantes recordes e o tempo de reacção do início do estímulo à imprensa chave usando o software de apresentação do estímulo. Peça ao participante para olhar um ponto de fixação na tela, a fim de reduzir artefatos devido a olho-movimento.
    5. Remova o ponto de fixação a cada 10 estímulos para uma curta pausa. (Veja também outro exemplo de tarefa eo estímulo de apresentação 12,13)
  2. Inicie o software para gravação de ERP em 512 Hzamostragem, que também registra o tempo de início da estimulação no cronograma de dados do ERP. Note-se que as marcas de tempo da estimulação, que também inclui as informações sobre o tipo de estimulação, são enviados para todos os estímulos do software para a apresentação do estímulo. Os dois programas (para gravação de ERP e para a apresentação do estímulo) estão rodando em dois computadores separados que estão conectados através de uma porta paralela.
  3. Defina o software para a estimulação somatossensorial para o modo de espera de disparo e, em seguida, iniciar a apresentação do estímulo pela ativação do software para apresentação do estímulo. Note que o software para a estimulação somatossensorial também está rodando em um PC separado dos outros dois PCs. Ficha 100 ERPs por condição.
    Nota: Um sinal de disparo para a estimulação somatosensorial é recebida através de um dispositivo de entrada analógico, que é ligado a um dispositivo de saída digital no PC para a estimulação sensorial. Estimulação somatossensorial único é produzido por um gatilho. </ li>

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Representative Results

Esta seção apresenta potenciais representativos relacionados a eventos em resposta à estimulação somatossensorial resultante da deformação da pele facial. A montagem experimental é representado na Figura 1. Sinusoidal estimulação foi aplicada à pele facial lateral, para o ângulo via oral (ver a Figura 3A como referência). Uma centena de ensaios de estiramento foram registrados para cada participante com 12 participantes testados no total. Depois de retirar os ensaios com pisca e artefactos de movimento do olho com base off-line dos sinais electro-oculography horizontais e verticais (ao longo ± 150 mV), mais do que 85% dos ensaios foram em média. Sinais de EEG foram filtrados com um filtro passa-banda de 0,5-50 Hz e re-referenciado ao valor médio de todos os eléctrodos. A Figura 2 mostra a média de ERP somatossensorial de eléctrodos representativos seleccionados. Em regiões frontais, os potenciais de pico negativos foram induzidas a 100-200 po msegestímulo st início seguido de um potencial positivo a 200-300 ms. A maior resposta foi observada nos eléctrodos de linha média. Diferente dos estudos prévios de somatossensorial ERP 15-18, não há latência mais cedo (<100 ms) potenciais. Este padrão temporal é bastante semelhante à sequência típica N1-P2 após a estimulação auditiva 19. Na comparação entre o par correspondente de eletrodos em hemisférios esquerdo e direito, o padrão temporal é bastante semelhante provavelmente devido à estimulação bilateral.

figura 1
Figura 1. Instalação experimental. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. potenciais relacionados com eventos emresposta à estimulação somatossensorial produzido por estiramento da pele facial. Os ERPs foram obtidos a partir de eletrodos representativos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O primeiro resultado mostra como o tempo de estimulação multissensorial afeta a interação durante o processamento da fala 12. Neste estudo, as interações da resposta neural foram encontrados comparando ERPs obtidos utilizando pares de estímulo somatossensorial-auditiva com a soma algébrica dos ERPs aos estímulos unisensory apresentados separadamente. O padrão de estímulos auditivo-somatossensorial estão representados na Figura 3A. A Figura 3B mostra o padrão de potenciais relacionados a eventos em resposta a pares de estímulo somatossensorial-auditiva (linha vermelha). As linhas pretas represents a soma dos ERPs auditivo e somatossensorial unisensory individuais. Os três painéis correspondem ao intervalo de tempo entre dois inícios de estímulo: 90 chumbo ms do início somatossensorial (Esquerda), simultânea (Centro) e 90 ms de latência (Direita). Quando a estimulação somatosensorial foi apresentada 90 ms antes do aparecimento auditivo, existe uma diferença entre as respostas emparelhados e somadas (o painel esquerdo na Figura 3B). Este efeito diminui gradualmente interacção como uma função do intervalo de tempo entre o somatossensorial e auditivo entradas (ver a mudança entre as duas linhas a tracejado na Figura 3B). Os resultados demonstram que a interacção somatossensorial-auditivo é dinamicamente modificada com o tempo de estimulação.

Figura 3

Figura 3. potenciais relacionados a eventos refletem uma intera somatossensorial-auditivacção no contexto da percepção da fala. Este valor foi modificado a partir Ito, et al. 12 (A) padrão temporal de estímulos auditivos e somatossensorial. (B) potenciais relacionados a eventos para somatossensorial combinados e estimulação auditiva em três condições de temporização (chumbo, simultânea, e lag) no eletrodo Pz. A linha vermelha representa respostas a ERPs emparelhados gravado. A linha tracejada representa a soma de somatossensorial e ERPs auditivo. As linhas pontilhadas verticais definir um intervalo de 160-220 ms após o início somatossensorial em que são avaliadas as diferenças entre "pares" e respostas "soma". As setas representam início auditivo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O próximo resultado demonstra que a amplitude do aumen somatossensorial ERPses em resposta à escuta da fala 13. O padrão de estimulação somatosensorial é o mesmo como mencionado acima. A Figura 4 mostra ERPs somatossensoriais, que são convertidos em couro cabeludo a densidade de corrente de 20 em análise off-line, em eléctrodos (FC3, FC5, C3) sobre a área sensório esquerda. Potenciais relacionados a eventos somatossensorial foram registrados enquanto os participantes ouvir o discurso na presença de fundo contínuo soa. O estudo testou quatro condições fundo: fala, sons sem voz, rosa-ruído e silêncio 13. Os resultados indicaram a amplitude de potenciais relacionados a eventos somatossensorial durante a ouvir os sons da fala foi significativamente maior do que as outras três condições. Não houve diferença significativa em amplitude para os outros três condições. A Figura 4B mostra amplitudes de pico normalizado em diferentes condições. O resultado indica que ouvir os sons da fala altera o asso processamento somatossensorial ciado a deformação da pele facial.

Figura 4
Figura 4. Aperfeiçoamento de potenciais relacionados a eventos somatossensorial devido aos sons da fala. Os ERPs foram registrados em quatro condições sonoro de fundo (em silêncio, ruído rosa, fala e não vocal). Esta figura foi modificado a partir Ito, et al 13. (A) Padrão temporal de potenciais relacionados a eventos somatossensorial na área acima do motor esquerdo e córtex pré-motor. Cada cor corresponde a uma condição som de fundo diferente. Os ERPs foram convertidos para couro cabeludo densidade de corrente 20. (B) as diferenças em magnitudes z-score associados com o primeiro pico do somatossensorial ERPs. As barras de erro são os erros padrão entre os participantes. Cada cor corresponde a diferentes condições de som de fundo, como no painel A.com / arquivos / ftp_upload / 53621 / 53621fig4large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Os estudos aqui apresentados fornecem evidência que a estimulação somatosensorial controlada com precisão, que é produzida pela deformação da pele facial induz ERPs corticais. Aferentes cutâneas são conhecidos como uma rica fonte de informação cinestésica 3,4 em circulação membro humano 5,6 e fala movimento 7,8,21. Esticando a pele facial de uma forma que reflete o sentido do movimento real durante discurso induz um sentido cinestésico semelhante ao movimento correspondente. O método actual combinação de gravações de estiramento da pele e ERP precisamente controlada podem ser utilizadas para investigar a base neuronal da função orofacial durante uma grande variedade de comportamentos de fala.

Usando estimulação mecânica e gravação simultânea de EEG, é importante monitorar os sinais contínuos de artefato. Em particular, uma vez que as cordas utilizadas para esticar a pele está localizado perto dos eléctrodos de EEG e cabos, há a possibilidade de elétricoal e artefatos de movimento a ser induzidos em sinais de EEG. Este artefato é distinguível por causa da amplitude relativamente grande e menor freqüência em comparação com a resposta eletrofisiológica. Antes da gravação, a instalação de estimulação, incluindo a configuração de string precisa ser verificado com cuidado para identificar e eliminar quaisquer artefatos mecânicos devido à estimulação. Embora os artefatos podem ser removidos por processamento de sinal post, como a filtragem ou análise de componentes independentes 22 semelhante ao movimento dos olhos e piscando, os sinais mais limpos são sempre mais desejável.

Os estudos prévios de potenciais relacionados a eventos somatossensorial ter usado principalmente estímulos somatossensorial breves que foram produzidos usando mecânica 23, 18 elétrica ou laser estimulação nociceptiva 15. Entradas somatossensoriais resultantes destes tipos de estimulação não estão associados com qualquer movimento articulatório nomeadamente na fala, e, portanto, eles não podem seradequado para investigar o processamento cortical relacionados à fala. Möttönen, et al. 17 não conseguiram mostrar uma mudança de potenciais somatossensoriais magnetoenchalographic usando lábio simples toque durante a ouvir os sons da fala. Em contraste, a deformação da pele facial fornece a entrada cinestésica semelhante ao que ocorre em conjugação com o movimento articulatório da fala 21 e sensoriomotora adaptação 7. Estes estímulos também interagir com discurso processamento perceptual 1,14. O ERP somatossensorial da perturbação estiramento da pele atual é mais adequado para a investigação de processamento cortical relacionados à fala do que os outros métodos actualmente disponíveis para a estimulação somatossensorial. Foram encontradas várias características diferentes entre o estímulo estiramento da pele atuais e os métodos anteriores. Outras investigações incluindo o local de origem é necessária.

Apesar de a deformação da pele facial ocorre tO graus variáveis ​​de movimento durante o discurso 8, lateral da pele para o ângulo está densamente inervada por via oral com mecanorreceptores cutâneas 10,24 e podem ser predominantemente responsável pela detecção de estiramento da pele durante a fala. A pele nos cantos da boca pode ser especialmente importante para o controlo do motor de fala e aprendizagem motor de fala. A abordagem atual é um pouco limitada, pois o trecho da pele só pode ser feito em uma direção e em um único local por sessão EEG. Usando uma deformação da pele mais complexa e avaliar várias direções e / ou em vários locais em uma sessão EEG irá fornecer uma visão mais aprofundada do papel específico dos somatossensação no processamento de fala.

Há interesses de longa data em estudos de comunicação de fala a respeito da natureza das representações e processamento na produção da fala e percepção 25-27. A descoberta dos neurônios espelho 28,29 reforçou a idéia de que a diversão do motorficções estão envolvidos na percepção da fala. O envolvimento do sistema motor (ou o córtex motor e pré-motora) também foi investigado 30-35 na percepção dos sons da fala. No entanto, a ligação entre a produção da fala e percepção ainda é pouco compreendida. Explorando possíveis influências somatossensorial na percepção da fala pode nos ajudar a entender as bases neurais da percepção da fala e da produção, e se eles se sobrepõem ou link. A técnica atual de modulação da função somatosensorial forneceu uma nova ferramenta para investigar esta importante área de investigação. A técnica actual, tem a vantagem adicional de que pode ser utilizada em investigações de função somatossensorial e mais geralmente como interage com outras modalidades sensoriais no processamento neuronal.

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Acknowledgements

Este trabalho foi financiado pelo Instituto Nacional de Surdez e Outros Distúrbios de Comunicação Grants R21DC013915 e R01DC012502, as ciências naturais e do Conselho de Investigação do Canadá Engenharia e do Conselho Europeu de Investigação no âmbito do Sétimo Programa-Quadro da Comunidade Europeia (/ 2007-2013 Acordo FP7 Grant não 339,152. ).

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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