Соматосенсорные событиями вызванных потенциалов из кожи Stretch Орофациальные стимуляции
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
Производство Речь зависит как слуховой и соматосенсорной информации. Слуховой и соматосенсорной обратной связи происходят в сочетании с самых ранних вокализации, производимых младенца, и оба участвуют в речи двигателя обучения. Последние результаты показывают, что соматосенсорной процессы способствуют восприятию, а также производства. Например, идентификация звуков речи изменяется, когда роботизированное устройство растягивает кожу лица, как участники слушать звуковые раздражители 1. Воздушные клубы к щеке, которые совпадают со слуховыми стимулами речи изменить восприятия суждения участников 2.
Эти эффекты включают соматосенсорной активацию кожных механорецепторов в ответ на деформацию кожи. Кожа деформируется различными способами во время движения, и кожные механорецепторы, как известно, способствует кинестетической смысле 3,4. Кинестетического роль кожных механорецепторов является демонstrated недавние выводы 5-7, что движение связанных штаммы кожи соответствующим воспринимаются как сгибание или движение расширение в зависимости от характера простирания 6 кожи. В течение обучения речи двигателя, который является повторением конкретного речевого высказывания с сопутствующей лицевой растягивание кожи речи, узоры артикуляторные изменить в адаптивном образом 7. Эти исследования показали, что модуляции растягивание кожи во время действия относится к способу оценки вклада кожных афферентов к кинестетической функции системы сенсомоторной.
Кинестетического функция орофациальных кожных механорецепторов изучали главным образом с использованием психофизиологических методов 7,8 и микроэлектрод перекодирование чувствительных нервов 9,10. Здесь текущий протокол фокусируется на сочетании орофациального соматосенсорной стимуляции, связанной с лицевой деформации кожи и события, связанного потенциал (ПРП) записи. Чтэто процедура имеет точное экспериментальное контроль над руководством и сроках лица деформации кожи с помощью роботизированной устройство с компьютерным управлением. Это позволяет проверить определенные гипотезы о вкладе соматосенсорной к производству речи и восприятия избирательно и точно деформируя кожу лица в широком диапазоне ориентаций в течение как обучения речи двигателя и непосредственно в производстве речи и восприятия. Запись ERP используются для неинвазивного оценить временную модель и времени влияния соматосенсорной стимуляции на орофациальных поведения. Текущий протокол, то можно оценить нейронных коррелятов кинестетической функции и оценить вклад системы соматосенсорной к обоим обработки речи, речи производства и восприятия речи.
Чтобы показать полезность применения стрейч кожа стимуляции к записи ERP, следующий протокол фокусируется на взаимодействии соматосенсорной и слуховой вход в речи рerception. Результаты свидетельствуют потенциальную метод оценки соматосенсорной-слуховой взаимодействия в речи.
Protocol
Representative Results
Discussion
Исследования, представленные здесь предоставить доказательства, что именно контролируется соматосенсорной стимуляции, которая производится лицевой деформации кожи индуцирует корковых ССП. Кожные афференты известны как богатый источник кинестетического информации 3,4 в движе?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным институтом глухоты и других расстройств связи Гранты R21DC013915 и R01DC012502, естественных наук и инженерного исследовательский совет Канады и Европейского исследовательского совета при Седьмой Рамочной Программы Европейского Сообщества (FP7 / 2007-2013 Грант соглашение нет. 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).
