Potenziali evento-correlati somatosensoriali da Pelle Orofacial Stretch Stimolazione

This paper introduces a method for obtaining somatosensory event-related potentials following orofacial skin stretch stimulation. The current method can be used to evaluate the contribution of somatosensory afferents to both speech production and speech perception.

Cortical processing associated with orofacial somatosensory function in speech has received limited experimental attention due to the difficulty of providing precise and controlled stimulation. This article introduces a technique for recording somatosensory event-related potentials (ERP) that uses a novel mechanical stimulation method involving skin deformation using a robotic device. Controlled deformation of the facial skin is used to modulate kinesthetic inputs through excitation of cutaneous mechanoreceptors. By combining somatosensory stimulation with electroencephalographic recording, somatosensory evoked responses can be successfully measured at the level of the cortex. Somatosensory stimulation can be combined with the stimulation of other sensory modalities to assess multisensory interactions. For speech, orofacial stimulation is combined with speech sound stimulation to assess the contribution of multi-sensory processing including the effects of timing differences. The ability to precisely control orofacial somatosensory stimulation during speech perception and speech production with ERP recording is an important tool that provides new insight into the neural organization and neural representations for speech.

Produzione linguistica dipende sia informazioni uditive e somatosensoriale. Il uditivo e feedback somatosensoriale si verificano in combinazione dalle prime vocalizzazioni prodotte da un bambino ed entrambi sono coinvolti nell'apprendimento motorio discorso. Recenti risultati suggeriscono che i processi somatosensoriale contribuiscono alla percezione così come la produzione. Per esempio, l'identificazione del discorso suoni è alterata quando un dispositivo robotico tende la pelle del viso come partecipanti ascoltano stimoli uditivi ^1. Sbuffi d'aria alla guancia che coincidono con gli stimoli uditivi discorso alterano giudizi percettivi dei partecipanti ^2.

Questi effetti somatosensoriale coinvolgono l'attivazione dei meccanocettori cutanee in risposta alla deformazione della pelle. La pelle è deformato in vari modi durante il movimento, e meccanocettori cutanei sono noti per contribuire al senso cinestetico ^3,4. Il ruolo cinestetica di meccanocettori cutanee è demonestrare dalle recenti acquisizioni ^5-7 che i ceppi di pelle-correlate al movimento siano adeguatamente percepiti come flessione o estensione del movimento a seconda del modello di stiramento della pelle ^6. Nel corso della formazione motore discorso, che è la ripetizione di specifica espressione discorso con concomitante facciale discorso tratto pelle, schemi articolatori cambiano in maniera adattiva ^7. Questi studi indicano che la modulazione tratto pelle durante l'azione fornisce un metodo per valutare il contributo delle afferenze cutanee alla funzione cinestetica del sistema sensomotorio.

La funzione cinestetica di meccanocettori cutanee oro-facciale è stato studiato per lo più con metodi psicofisiologici ^7,8 e microelettrodi ricodificazione da nervi sensoriali ^9,10. Qui, il protocollo attuale si concentra sulla combinazione di oro-facciale stimolazione somatosensoriale associata a deformazione pelle del viso e evento relativo potenziale (ERP) di registrazione. Thè procedura ha preciso controllo sperimentale sulla direzione e la tempistica di deformazione pelle del viso utilizzando un dispositivo robotico controllato dal computer. Questo ci permette di testare ipotesi specifiche circa il contributo somatosensoriale di produzione del discorso e la percezione selettivamente e precisamente deformare la pelle del viso in una vasta gamma di orientamenti sia durante l'apprendimento motorio discorso e direttamente in produzione del linguaggio e percezione. Registrazione ERP vengono utilizzati per valutare in modo non invasivo il pattern temporale e la tempistica della influenza di stimolazione somatosensoriale sui comportamenti orofacciali. Il protocollo corrente quindi in grado di valutare i correlati neurali della funzione cinestetica e valutare il contributo del sistema somatosensoriale sia tecnologie vocali, la produzione di parola e discorso percezione.

Per mostrare l'utilità dell'applicazione della stimolazione tratto pelle alla registrazione ERP, il seguente protocollo concentra sull'interazione di somatosensoriale e ingresso uditivo in discorso perception. I risultati evidenziano un potenziale metodo per valutare l'interazione somatosensoriale-uditiva in discorso.

Il protocollo sperimentale attuale segue le linee guida di condotta etica secondo la commissione d'inchiesta Umana Università di Yale.

1. Electroenchephalopgaphy (EEG) Preparazione

1. Misurare le dimensioni della testa per determinare il tappo EEG appropriata.
2. Identificare la posizione del vertice trovando il punto medio tra nasion e inion con un nastro di misurazione.
3. Mettere il tappo EEG sulla testa con il vertice predeterminato come Cz. Esaminare nuovamente Cz dopo aver posizionato il tappo utilizzando un nastro di misurazione, come fatto in 1.2. Si noti che il tappo EEG è dotato di portaelettrodi e il posizionamento degli elettrodi 64 (o supporti) si basa su un sistema modificato 10-20 con sistema di coordinate pre-specificato in base Cz ^11.
   Nota: Questa applicazione rappresentante utilizza una configurazione a 64 elettrodi per valutare i cambiamenti del cuoio capelluto di distribuzione e per l'analisi fonte. Per le applicazioni più semplici (potenziali cambiamenti evento-correlati in ampiezza e latenza) all'USIng meno elettrodi sono possibili. Ci sono due elettrodi aggiuntivi per terra del sistema EEG utilizzato qui. Quei porta elettrodi sono inclusi anche nel tappo.
4. Applicare gel dell'elettrodo portaelettrodi utilizzando una siringa monouso.
5. Collegare elettrodi EEG (compresi elettrodi terra) nei supporti elettrodi corrispondenti le etichette degli elettrodi e ai detentori elettrodi sul tappo dell'elettrodo.
6. Pulire la superficie della pelle con tamponi imbevuti di alcool.
   Nota: Per gli elettrodi per il rilevamento del movimento degli occhi (elettro-oculografia), le posizioni della pelle sono sopra e sotto l'occhio destro (movimento degli occhi verticale), e lateralmente al canto esterno degli occhi entrambi (movimento degli occhi orizzontale); per la stimolazione somatosensoriale la pelle laterale all'angolo orale viene pulita.
7. Riempire i quattro elettrodi elettro-oculografia con il gel dell'elettrodo e fissare gli elettrodi con nastro biadesivo ai siti noti in 1.6.
8. Fissare tutti i cavi degli elettrodi con un cinturino in velcro. Se r, facoltativo, nastro i cavi al corpo del partecipante o degli altri luoghi che non introducono alcun rumore elettrico o meccanico addizionale.
9. Posizionare il partecipante di fronte al monitor e il robot per la stimolazione somatosensoriale. Fissare di nuovo tutti i cavi degli elettrodi come in 1.8.
10. Collegare l'EEG e gli elettrodi elettro-oculografia (compresi gli elettrodi a terra) nei connettori appropriati (etichetta di corrispondenza e di forma connettore) sulla scatola amplificatore del sistema EEG.
11. Verificare che i segnali EEG sono artefatti libero e che il valore di offset si trova in un intervallo accettabile (<50 mV o più piccolo). Se vengono rilevati segnali rumorosi o grandi spostamenti che di solito sono indicativi di alta impedenza, correggere quei segnali di elettrodo con l'aggiunta di gel EEG supplementari e / o riposizionare i capelli che è direttamente sotto l'elettrodo.
12. Inserire gli auricolari compatibili con EEG e verificare che il livello sonoro è in un intervallo confortevole sulla base della relazione soggetto.

Nota: L'attuale protocollo si applica tratto pelle del viso al fine di stimolazione somatosensoriale. L'apparato sperimentale con il sistema EEG è rappresentato in figura 1. I dettagli del dispositivo di stimolazione somatosensoriale sono stati descritti negli studi precedenti ^1,7,12-14. In breve, due piccole linguette di plastica (larghe 2 cm e 3 cm di altezza) sono attaccati con nastro biadesivo per la pelle del viso. Le linguette sono collegati al dispositivo robotico con spago. Il robot genera carichi sistematici tratto pelle secondo i disegni sperimentali. Il protocollo di configurazione per la registrazione ERP è il seguente:

1. Posizionare la testa del partecipante nel poggiatesta per ridurre al minimo il movimento della testa durante la stimolazione. Rimuovere accuratamente i cavi degli elettrodi tra la testa del partecipante e poggiatesta.
2. Chiedere al partecipante di tenere premuto l'interruttore di sicurezza per il robot.
3. Allegare linguette di plastica perla posizione pelle destinazione utilizzando del nastro biadesivo per la stimolazione somatosensoriale. Per il rappresentante traduce ^12,13, in cui il bersaglio è la pelle lateralmente all'angolo orale, posizionare il centro delle linguette sul modiolus, alcuni mm lateralmente all'angolo orale con il centro delle linguette approssimativamente alla stessa altezza dell'angolo orale.
4. Regolare la configurazione della stringa, supporti stringa e il robot per evitare elettrodi EEG e cavi.
5. Applicare alcuni tratti della pelle del viso (un ciclo sinusoide a 3 Hz con una forza massima di 4 N) per controllare artefatti dovuti alla stimolazione (generalmente osservata come relativamente grande ampiezza e frequenza inferiore rispetto alla risposta elettrofisiologica). Se si osservano gli artefatti nei segnali EEG, tornare al 2.4.

3. ERP Registrazione

1. Spiegare il compito sperimentale al soggetto e fornire prove pratiche (un blocco = 10 prove o meno) per confermare se il soggetto understands il compito chiaramente.
   Nota: L'attività sperimentale e presentazione dello stimolo per la registrazione ERP sono preprogrammato in software per la presentazione dello stimolo.
   1. Nel test con rappresentante combinato somatosensoriale e stimolazione uditiva ^12, applicare la stimolazione somatosensoriale associata deformazione pelle a pelle laterale all'angolo orale. Il pattern di tratto è una sinusoide un ciclo (3 Hz) con una forza massima di 4 N. A solo enunciato sintesi vocale che è a metà in un continuum sonoro 10-passo tra "testa" e "aveva" viene utilizzato per la stimolazione uditiva.
   2. Presenti due stimolazioni separatamente o in combinazione. Nella stimolazione combinata, prova tre tempi insorgenza (90 piombo msec e lag, e simultanee in somatosensoriali e uditivi insorgenze: si veda la Figura 3A).
   3. Randomize la presentazione di cinque stimolazioni (somatosensoriale da solo, uditiva solo e tre combinato:. Piombo, simult e lag). Variare l'inter-trial intervallo tra 1.000 e 2.000 msec in modo da evitare l'anticipazione e assuefazione. Il compito sperimentale è quello di identificare se il suono vocale presentato, che è il suono che è acusticamente intermedia tra "testa" e "aveva ', era" capo "premendo un tasto sulla tastiera. Nella condizione solo somatosensoriale, in cui c'è stimolazione uditiva, i partecipanti sono istruiti a rispondere non "testa".
   4. I giudizi dei partecipanti record e il tempo di reazione fin dall'inizio stimolo alla pressione di un tasto con il software per la presentazione dello stimolo. Chiedere al partecipante a guardare un punto di fissazione sullo schermo in modo da ridurre gli artefatti dovuti a movimenti oculari.
   5. Rimuovere il punto di fissazione ogni 10 stimoli per una breve pausa. (Vedi anche altro esempio di compiti e di stimolo presentazione ^12,13)
2. Avviare il software per la registrazione ERP a 512 Hzcampionamento, che registra anche il tempo di inizio della stimolazione nella timeline di dati ERP. Si noti che i timestamp della stimolazione, che comprende anche le informazioni sul tipo di stimolazione, vengono inviati per ogni stimolo dal software per presentazione dello stimolo. I due programmi (per la registrazione ERP e per la presentazione dello stimolo) sono in esecuzione su due PC distinti che sono collegati tramite una porta parallela.
3. Impostare il software per la stimolazione somatosensoriale alla modalità-trigger attesa e quindi avviare la presentazione dello stimolo attivando il software per presentazione dello stimolo. Si noti che il software per la stimolazione somatosensoriale è in corso anche su un PC separato dagli altri due PC. Record 100 ERP per condizione.
   Nota: un segnale di trigger per la stimolazione somatosensoriale ricevuto attraverso un dispositivo di ingresso analogico collegato ad un dispositivo di uscita digitale nel PC per la stimolazione sensoriale. Stimolazione somatosensoriale singolo è prodotto per un trigger.

Questa sezione presenta potenziali evento-correlati di rappresentanza in risposta alla stimolazione somatosensoriale derivante dalla deformazione della pelle del viso. L'apparato sperimentale è rappresentato in figura 1. Stimolazione sinusoidale è stato applicato alla pelle del viso laterale all'angolo orale (Vedi figura 3A come riferimento). Un centinaio di prove tratto sono state registrate per ogni partecipante con 12 partecipanti testati in totale. Dopo aver rimosso le prove con lampeggia e manufatti movimento oculare offline sulla base dei segnali elettro-oculografia orizzontali e verticali (± 150 mV sopra), più dell'85% delle prove sono stati mediati. Segnali EEG sono stati filtrati con un filtro passa-banda 0.5-50 Hz e nuovamente riferimento alla media di tutti gli elettrodi. La Figura 2 mostra la media ERP somatosensoriale dagli elettrodi rappresentativi selezionati. Nelle regioni frontali, picco potenziali negativi sono stati indotti a 100-200 po msecstimolo st insorgenza seguiti da un potenziale positivo a 200-300 msec. La risposta più grande è stata osservata negli elettrodi della linea mediana. Diverso dai precedenti studi di somatosensoriale ERP ^15-18, non ci sono precedenti di latenza (<100 msec) potenzialità. Questo pattern temporale è piuttosto simile alla sequenza tipica N1-P2 dopo stimolazione uditiva ^19. Nel confronto tra la corrispondente coppia di elettrodi nell'emisfero sinistro e destro, il pattern temporale è abbastanza simile probabilmente dovuto alla stimolazione bilaterale.

Figura 1. Apparato sperimentale. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. potenziali evento correlati arisposta alla stimolazione somatosensoriale prodotto da stiramento della pelle del viso. Gli ERP sono stati ottenuti da elettrodi di rappresentanza. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Il primo risultato mostra come i tempi di stimolazione incide interazione multisensoriale durante l'elaborazione vocale ^12. In questo studio, le interazioni di risposta neurale sono stati trovati confrontando ERP ottenuti con coppie stimolo somatosensoriale-uditivo con la somma algebrica degli ERP agli stimoli unisensory presentati separatamente. Il modello di stimoli uditivi-somatosensoriali sono rappresentati in figura 3A. Figura 3B mostra l'andamento dei potenziali evento-correlati in risposta a coppie di stimolo somatosensoriali-uditiva (linea rossa). I rappre Black Linets la somma dei singoli ERP uditivi e somatosensoriali unisensory. I tre pannelli corrispondono l'intervallo di tempo tra due esacerbazioni stimolo: 90 piombo msec di insorgenza somatosensoriale (Sinistra), simultanea (Centro) e 90 msec ritardo (a destra). Quando la stimolazione somatosensoriale fu presentato 90 msec prima dell'inizio uditivo, c'è una differenza tra le risposte accoppiate e sommati (il pannello a sinistra della Figura 3B). Questo effetto di interazione diminuisce gradualmente in funzione del ritardo tra l'somatosensoriale e ingressi uditivi (vedere il cambiamento tra le due linee tratteggiate in Figura 3B). I risultati dimostrano che l'interazione somatosensoriale-uditivo viene modificato dinamicamente con i tempi di stimolazione.

Figura 3. potenziali evento-correlati riflettono un Intera somatosensoriale-uditivaction nel contesto della percezione del parlato. Questa figura è stata modificata da Ito, et al. ¹² (A) pattern temporale di somatosensoriale e stimoli uditivi. (B) potenziali evento-correlati per combinato somatosensoriale e stimolazione uditiva in tre condizioni di temporizzazione (piombo, simultanea, e di ritardo) a elettrodo Pz. La linea rossa rappresenta registrato le risposte a ERP appaiati. La linea tratteggiata rappresenta la somma dei somatosensoriale e ERP uditivo. Le linee tratteggiate verticali definiscono un intervallo di 160-220 msec dopo somatosensoriale esordio in cui vengono valutate le differenze tra "pari" e le risposte "somma". Frecce rappresentano insorgenza uditivo. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Il prossimo risultato dimostra che l'ampiezza del Increa somatosensoriale ERPses in risposta all'ascolto discorso ^13. Il modello di stimolazione somatosensoriale è lo stesso indicato in precedenza. La Figura 4 mostra ERP somatosensoriali, che vengono convertiti in cuoio densità di corrente ²⁰ in analisi off-line, a elettrodi (FC3, FC5, C3) sopra la zona sensomotoria sinistra. Potenziali evento-correlati somatosensoriali sono stati registrati mentre i partecipanti ascoltano il discorso in presenza di sfondo continuo suoni. Lo studio ha testato quattro condizioni di fondo: discorso, suoni non vocali, rosa-rumore e silenziosi ^13. I risultati hanno indicato l'ampiezza dei potenziali evento-correlati somatosensoriale durante l'ascolto di suoni del linguaggio è stata significativamente maggiore rispetto alle altre tre condizioni. Non vi era alcuna differenza significativa di ampiezza per le altre tre condizioni. La figura 4B mostra ampiezza dei massimi normalizzate nelle diverse condizioni. Il risultato indica che l'ascolto di suoni del linguaggio altera il associ trattamento somatosensoriale ated con deformazioni della pelle del viso.

Figura 4. Valorizzazione dei potenziali evento-correlati somatosensoriale causa di suoni di discorso. Gli ERP sono stati registrati in quattro condizioni rumore di fondo (Silenzioso, rumore rosa, la parola e non vocali). Questa figura è stata modificata da Ito, et al. ¹³ (A) modello temporale dei potenziali evento-correlati somatosensoriali nell'area sopra del motore sinistro e la corteccia premotoria. Ogni colore corrisponde ad un diverso stato sano sfondo. Gli ERP sono stati convertiti al cuoio capelluto densità di corrente ^20. (B) Le differenze di grandezze z-score associati con il primo picco del somatosensoriale ERP. Le barre di errore sono errori standard in tutta partecipanti. Ogni colore corrisponde a diverse condizioni di rumore di fondo, come nel pannello A.com / file / ftp_upload / 53621 / 53621fig4large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Gli studi qui riportati dimostrano che la stimolazione somatosensoriale controllato con precisione che viene prodotto dalla deformazione della pelle del viso provoca ERP corticali. Afferenze cutanee sono conosciuti come una ricca fonte di informazioni cinestetica ^3,4 nel movimento degli arti umani e ^5,6 discorso movimento ^7,8,21. Stretching la pelle del viso in modo da riflettere la direzione movimento reale durante parlare induce un senso cinestetico simile al movimento corrispondente. Il metodo attuale che combina registrazioni tratto pelle e ERP controllate precisamente può essere utilizzato per indagare le basi neurali delle funzioni oro-facciale durante una vasta gamma di comportamenti vocali.

Utilizzando stimolazione meccanica e la registrazione simultanea EEG, è importante monitorare i segnali in corso per artefatto. In particolare, dal momento che le corde usati per tendere la pelle sono situati vicino agli elettrodi EEG e cavi, vi è la possibilità di elettricaAl movimento e manufatti che sono indotte nei segnali EEG. Questo manufatto è distinguibile a causa della relativamente grande ampiezza e frequenza inferiore rispetto alla risposta elettrofisiologica. Prima della registrazione, la messa a punto di stimolazione compresa la configurazione corda deve essere controllato attentamente per identificare ed eliminare eventuali artefatti meccanici dovuti alla stimolazione. Sebbene manufatti possono essere rimossi mediante elaborazione segnale post, come il filtraggio o analisi delle componenti indipendenti ²² simile al movimento degli occhi e lampeggiante, segnali puliti sono sempre più desiderabile.

I precedenti studi di potenziali evento-correlati somatosensoriali sono per lo più utilizzati brevi stimoli somatosensoriali che sono state prodotte utilizzando meccanico ^23, elettrica ¹⁸ o laser nocicettivo stimolazione ^15. Input somatosensoriali derivanti da questo tipo di stimolazione non sono associati a un particolare movimento articolatorio in discorso, e, di conseguenza, non possono essereadatto per indagare l'elaborazione corticale discorso-related. Möttönen, et al. ¹⁷ non era riuscito a mostrare un cambiamento di potenziali somato magnetoenchalographic utilizzando semplice labbro toccando durante l'ascolto di suoni discorso. Al contrario, la deformazione della pelle facciale fornisce ingresso cinestesica simile a quella che si verifica in concomitanza con moto discorso articolatorio ^{21 e} sensorimotor adattamento ^7. Questi stimoli interagiscono anche con il discorso elaborazione percettiva ^1,14. L'ERP somatosensoriale dall'attuale perturbazione tratto pelle è più adatto per lo studio di processi corticali discorso relativi rispetto agli altri metodi attualmente disponibili per la stimolazione somatosensoriale. Diverse caratteristiche diverse sono state trovate tra la corrente di stimolazione tratto pelle e i metodi precedenti. Sono necessarie ulteriori indagini tra cui la posizione di origine.

Anche se la deformazione della pelle del viso si verifica to vari gradi durante il movimento discorso ^8, la pelle lateralmente all'angolo orale è densamente innervata con meccanocettori cutanee ^10,24 e può essere prevalentemente responsabile del rilevamento di stirata della pelle durante il discorso. La pelle agli angoli della bocca può essere particolarmente importante per il controllo motore discorso e apprendimento motorio discorso. L'attuale approccio è piuttosto limitato in quanto il tratto della pelle può essere eseguita solo in una direzione e in una posizione per sessione EEG. Utilizzando una deformazione pelle più complesso e la valutazione di molteplici direzioni e / o più posizioni in una sessione EEG fornirà ulteriori indicazioni circa il ruolo specifico di somatosensation nella lavorazione discorso.

Ci sono interessi a lungo in piedi in Scienze della Comunicazione discorso circa la natura delle rappresentazioni e di trasformazione per la produzione vocale e percezione ^25-27. La scoperta dei neuroni specchio ^28,29 ha rafforzato l'idea che divertimento motoreZIONI sono coinvolti nella percezione del linguaggio. Il coinvolgimento del sistema motorio (o il motore e la corteccia premotoria), è stato anche indagato ^30-35 nella percezione dei suoni del linguaggio. Tuttavia, il legame tra la produzione vocale e la percezione è ancora poco conosciuta. Esplorare possibili influenze somatosensoriali sulla percezione discorso può aiutarci a comprendere le basi neurali della percezione del parlato e della produzione, e se si sovrappongono o collegamento. La tecnica attuale di modulare la funzione somatosensoriale ha fornito un nuovo strumento per indagare su questa importante area di indagine. L'attuale tecnica ha il vantaggio aggiuntivo che può essere utilizzata in ricerche di funzione somatosensoriale più in generale e come interagisce con altre modalità sensoriali neurale.

The authors have nothing to disclose.

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institute on Deafness e altri disturbi della comunicazione Grants R21DC013915 e R01DC012502, le scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada e del Consiglio europeo della ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro della Comunità Europea (FP7 / 2007-2013 convenzione di sovvenzione n. 339.152 ).