Somatosensorisk event-relaterede potentialer fra Orofacial Skin Stretch Stimulation
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
Tale produktion er afhængig af både auditiv og somatosensoriske information. Det auditive og somatosensoriske tilbagemeldinger forekomme i kombination fra de tidligste vokaliseringer produceret af et spædbarn, og begge er involveret i tale motorisk læring. De seneste resultater tyder på, at somatosensoriske processer bidrager til opfattelsen samt produktion. For eksempel lyder identifikationen af talen ændres, når en robot enhed strækker ansigtshuden som deltagere lytter til auditive stimuli 1. Air pust til kinden, der falder sammen med auditive tale stimuli ændrer deltagernes perceptuelle 2 domme.
Disse somatosensoriske virkninger involverer aktiveringen af kutane mekanoreceptorer som reaktion på huden deformation. Huden bliver deformeret på forskellige måder under bevægelse og kutane mekanoreceptorer er kendt for at bidrage til kinæstetiske sans 3,4. Den kinæstetisk rolle kutane mekanoreceptorer er dæmonstrated af nylige fund 5-7, at bevægelsen-relaterede hud stammer er hensigtsmæssigt opfattes som fleksion eller udvidelse bevægelse afhængigt af mønstret for hudens stretch 6. I løbet af talen motor uddannelse, som er en gentagelse af specifikke tale ytring med samtidig ansigtshuden stretch tale, ændrer artikulatoriske mønstre på en adaptiv måde 7. Disse undersøgelser viser, at modulerende hud stræk under handling giver en metode til at vurdere bidraget af kutane afferenter til kinæstetisk funktion sensomotoriske system.
Den kinæstetisk funktion orofaciale kutane mekanoreceptorer er blevet undersøgt for det meste ved hjælp psykofysiologiske metoder 7,8 og mikroelektrode omkodning fra sensoriske nerver 9,10. Her, den nuværende protokol fokuserer på kombinationen af orofacial somatosensoriske stimulation forbundet med ansigtshuden deformation og hændelse med relation potentiale (ERP) optagelse. Ther procedure præcis eksperimentel kontrol over retningen og timingen af ansigtshuden deformation ved hjælp af en computerstyret robot enhed. Dette giver os mulighed for at teste specifikke hypoteser om somatosensoriske bidrag til tale produktion og opfattelse ved selektivt og præcist at deformere ansigtshuden i en bred vifte af orienteringer i både indlæring tale motor og gælder i tale produktion og perception. ERP-optagelse bruges til ikke-invasivt at evaluere den tidsmæssige mønster og timingen af indflydelsen af somatosensoriske stimulation på orofaciale adfærd. Den nuværende protokol kan derefter vurdere de neurale korrelater til kinæstetisk funktion og vurdere bidraget af somatosensoriske system både talebehandling, tale produktion og tale opfattelse.
For at vise nytten af anvendelsen af hudens stretch stimulation til ERP-optagelse, den følgende protokol fokuserer på samspillet mellem somatosensoriske og auditive input i tale perception. Resultaterne fremhæve en potentiel metode til at vurdere somatosensoriske-auditive interaktion i tale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Undersøgelserne rapporteres her godtgøre, præcist styret somatosensoriske stimulation, der produceres af ansigtshuden deformation inducerer kortikale ERP'er. Kutane afferenter er kendt som en rig kilde til information kinæstetisk 3,4 i human bevægeapparatet 5,6 og tale bevægelser 7,8,21. Strækning ansigtshuden på en måde, der afspejler den faktiske bevægelsesretning under talende inducerer en kinæstetisk forstand svarer til den tilsvarende bevægelse. Den nuværende metode…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Institute on Døvhed og anden kommunikation Disorders Grants R21DC013915 og R01DC012502, naturvidenskab og Engineering Research Rådet for Canada og Det Europæiske Forskningsråd under Det Europæiske Fællesskabs syvende rammeprogram (FP7 / 2007-2013 tilskudsaftale nr. 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).
