Somatosensoriske tilstelninger relaterte Potentials fra Orofacial Skin Stretch Stimulering
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Taleproduksjon er avhengig av både auditive og somatosensoriske informasjon. Det auditive og somatosensoriske tilbakemeldinger oppstå i kombinasjon fra de tidligste lyder produsert av et spedbarn og begge er involvert i tale motorisk læring. Nylige resultater antyder at somatosensoriske prosesser bidrar til oppfatningen samt produksjon. For eksempel lyder identifisering av talen endres når en robotenhet strekker ansiktshuden som deltakere lytte til auditiv stimuli en. Air puffs til kinnet som sammenfaller med auditiv tale stimuli endre deltakernes perseptuelle dommer to.
Disse somatosensoriske effektene involverer aktivering av kutane mechanoreceptors som reaksjon på huden deformasjon. Huden blir deformert på forskjellige måter under bevegelse, og kutane mechanoreceptors er kjent for å bidra til kinetisk følelse 3,4. Den kinestetiske rolle kutane mechanoreceptors er demonstrated av nyere funn 5-7 at bevegelsen relaterte hud stammer er hensiktsmessig oppfattes som fleksjon eller forlengelse bevegelse avhengig av mønsteret av hudstrekning 6. I løpet av talen motor opplæring, som er repetisjon av spesifikk tale ytring ved samtidig ansiktshuden strekning tale, artikulatoriske mønstrene forandrer seg etter en adaptiv måte 7. Disse studiene tyder på at moduler hudstrekning under virkning tilveiebringer en fremgangsmåte for å vurdere bidraget av kutane afferente til kinetisk funksjon av sensorimotoriske system.
Den kinestetiske funksjon Orofacial kutane mechanoreceptors har blitt studert det meste ved hjelp psykofysiologiske metoder 7,8 og microelectrode omkoding fra sensoriske nerver 9,10. Her, fokuserer den aktuelle protokoll på kombinasjonen av orofacial somatosensory stimulering forbundet med ansiktshuden deformasjon og arrangement relatert potensial (ERP) opptak. Ther fremgangsmåten er nøyaktig eksperimentell kontroll over retningen og timingen av ansiktshuden deformasjon ved hjelp av en datamaskin-styrt robotanordning. Dette tillater oss å teste bestemte hypoteser om somatosensory bidrag til produksjon og persepsjon tale ved selektivt og nøyaktig deformeres ansiktshuden i et stort antall stillinger under både tale motor læring og direkte i produksjon og persepsjon tale. ERP-opptak er vant til invasivt evaluere temp mønster og timing av påvirkning av somatosensoriske stimulering på Orofacial atferd. Den nåværende protokollen så kan evaluere nevrale korrelater til kinestetiske funksjon og vurdere bidraget av somatosensoriske systemet til både tale foredling, produksjon og tale taleoppfattelse.
For å vise nytten av anvendelsen av hudstrekning stimulering til ERP-opptak, fokuserer følgende protokoll på samspillet mellom somatosensoriske og auditiv input i tale perception. Resultatene fremheve et potensial metode for å vurdere somatosensory-auditiv samhandling i tale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Studiene som presenteres her gir bevis for at nettopp kontrollert somatosensory stimulering som er produsert av ansiktshuden deformasjon induserer kortikale ERP. Kutane afferenter er kjent som en rik kilde til kinestetisk informasjon 3,4 i menneskelig lem bevegelse 5,6 og tale bevegelse 7,8,21. Stretching ansiktshuden på en måte som gjenspeiler den faktiske bevegelsen retning under taler induserer en kinestetisk følelse lik den tilsvarende bevegelse. Den nåværende metode for å komb…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Institute on døvhet og Other Communication Disorders Grants R21DC013915 og R01DC012502, naturvitenskap og Engineering Research Council of Canada og European Research Council under europeiske fellesskap syvende rammeprogram (FP7 / 2007-2013 Grant Agreement no. 339152 ).
Materials
| 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 |
References
- Ito, T., Tiede, M., Ostry, D. J. Somatosensory function in speech perception. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 1245-1248 (2009).
- Gick, B., Derrick, D. Aero-tactile integration in speech perception. Nature. 462, 502-504 (2009).
- McCloskey, D. I. Kinesthetic sensibility. Physiol Rev. 58, 763-820 (1978).
- Proske, U., Gandevia, S. C. The kinaesthetic senses. J Physiol. 587, 4139-4146 (2009).
- Collins, D. F., Prochazka, A. Movement illusions evoked by ensemble cutaneous input from the dorsum of the human hand. J Physiol. 496 (Pt 3), 857-871 (1996).
- Edin, B. B., Johansson, N. Skin strain patterns provide kinaesthetic information to the human central nervous system. J Physiol. 487 (Pt 1), 243-251 (1995).
- Ito, T., Ostry, D. J. Somatosensory contribution to motor learning due to facial skin deformation. J Neurophysiol. 104, 1230-1238 (2010).
- Connor, N. P., Abbs, J. H. Movement-related skin strain associated with goal-oriented lip actions. Exp Brain Res. 123, 235-241 (1998).
- Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. Â., Abbs, J. H. Mechanoreceptive afferent activity in the infraorbital nerve in man during speech and chewing movements. Exp Brain Res. 72, 209-214 (1988).
- Nordin, M., Hagbarth, K.-E. Mechanoreceptive units in the human infra-orbital nerve. Acta Physiol Scand. 135, 149-161 (1989).
- Guideline thirteen: guidelines for standard electrode position nomenclature. American Electroencephalographic Society. Journal of clinical neurophysiology : official publication of the American Electroencephalographic Society. 11, 111-113 (1994).
- Ito, T., Gracco, V. L., Ostry, D. J. Temporal factors affecting somatosensory-auditory interactions in speech processing. Frontiers in psychology. 5, 1198 (2014).
- Ito, T., Johns, A. R., Ostry, D. J. Left lateralized enhancement of orofacial somatosensory processing due to speech sounds. J Speech Lang Hear Res. 56, S1875-1881 (2013).
- Ito, T., Ostry, D. J. Speech sounds alter facial skin sensation. J Neurophysiol. 107, 442-447 (2012).
- Kenton, B. et al. Peripheral fiber correlates to noxious thermal stimulation in humans. Neuroscience letters. 17, 301-306 (1980).
- Larson, C. R., Folkins, J. W., McClean, M. D., Muller, E. M. Sensitivity of the human perioral reflex to parameters of mechanical stretch. Brain Res. 146, 159-164 (1978).
- Möttönen, R. Järveläinen, J. Sams, M., Hari, R. Viewing speech modulates activity in the left SI mouth cortex. Neuroimage. 24, 731-737 (2005).
- Soustiel, J. F., Feinsod, M., Hafner, H. Short latency trigeminal evoked potentials: normative data and clinical correlations. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 80, 119-125 (1991).
- Martin, B. A., Tremblay, K. L., Korczak, P. Speech evoked potentials: from the laboratory to the clinic. Ear and hearing. 29, 285-313 (2008).
- Perrin, F., Bertrand, O., Pernier, J. Scalp current density mapping: value and estimation from potential data. IEEE Trans Biomed Eng. 34, 283-288 (1987).
- Ito, T., Gomi, H. Cutaneous mechanoreceptors contribute to the generation of a cortical reflex in speech. Neuroreport. 18, 907-910 (2007).
- Onton, J., Westerfield, M., Townsend, J., Makeig, S. Imaging human EEG dynamics using independent component analysis. Neurosci Biobehav Rev. 30, 808-822 (2006).
- Larsson, L. E., Prevec, T. S. Somato-sensory response to mechanical stimulation as recorded in the human EEG. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 28, 162-172 (1970).
- Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. Â., Westberg, K.-G. Mechanoreceptor activity from the human face and oral mucosa. Exp Brain Res. 72, 204-208 (1988).
- Diehl, R. L., Lotto, A. J., Holt, L. L. Speech perception. Annu Rev Psychol. 55, 149-179 (2004).
- Liberman, A. M., Mattingly, I. G. The motor theory of speech perception revised. Cognition. 21, 1-36 (1985).
- Schwartz, J. L., Basirat, A., Menard, L., Sato, M. The Perception-for-Action-Control Theory (PACT): A perceptuo-motor theory of speech perception. J Neurolinguist. 25, 336-354 (2012).
- Rizzolatti, G., Craighero, L. The mirror-neuron system. Annu Rev Neurosci. 27, 169-192 (2004).
- Rizzolatti, G., Fabbri-Destro, M. The mirror system and its role in social cognition. Curr Opin Neurobiol. 18, 179-184 (2008).
- D'Ausilio, A. et al. The motor somatotopy of speech perception. Curr Biol. 19, 381-385 (2009).
- Fadiga, L., Craighero, L., Buccino, G., Rizzolatti, G. Speech listening specifically modulates the excitability of tongue muscles: a TMS study. Eur J Neurosci. 15, 399-402 (2002).
- Meister, I. G., Wilson, S. M., Deblieck, C., Wu, A. D., Iacoboni, M. The essential role of premotor cortex in speech perception. Curr Biol. 17, 1692-1696 (2007).
- Möttönen, R. Watkins, K. E. Motor representations of articulators contribute to categorical perception of speech sounds. J Neurosci. 29, 9819-9825 (2009).
- Watkins, K. E., Strafella, A. P., Paus, T. Seeing and hearing speech excites the motor system involved in speech production. Neuropsychologia. 41, 989-994 (2003).
- Wilson, S. M., Saygin, A. P., Sereno, M. I., Iacoboni, M. Listening to speech activates motor areas involved in speech production. Nat Neurosci. 7, 701-702 (2004).
