触覚半自動受動指角刺激装置(TSPAS)
Summary
触覚半自動受動指角刺激剤TSPASは、移動速度、距離、および接触持続時間を制御しながら、被験者の受動指パッドに上昇角刺激を適用するコンピュータ制御触覚刺激システムを使用して触覚空間視力と触覚角度識別を評価する新しい方法です。
Abstract
受動的な触覚は、皮膚から来る刺激情報を受動的かつ静的に知覚する能力である。例えば、空間情報を感知する能力は、手の皮膚の中で最も強いです。この能力は、触覚空間視力と呼び、触覚閾値または差別閾値によって測定される。現在、2点閾値は触覚空間視力の尺度として広く使用されているが、多くの研究では2点の差別に重大な赤字が存在することが示されている。そこで、コンピュータ制御の触覚刺激システムが開発され、触覚半自動受動指角刺激装置(TSPAS)を、触覚空間視力の新たな尺度として触覚角度判別閾値を用いた。TSPASは、移動速度、距離、および接触時間を制御しながら、被写体のパッシブフィンガーパッドに上げられた角度の刺激を適用するシンプルで簡単に操作できるシステムです。TSPASの成分は、触覚角度判別閾値を計算する手順と同様に詳細に説明されています。
Introduction
タッチ知覚は、触覚知覚や触覚を含む体性感覚システムによって処理される感覚の基本的な形態である。受動的な触覚知覚は、アクティブな探索とは対照的に、静的な皮膚1、2と接触するように物体が移動されることを意味する。他の意味と同様に、触覚知覚における空間的分解能は、触覚空間視力とも呼ばれる、通常、触覚閾値、検出閾値、または判別閾値2、3によって表される。過去100年間で、2点閾値は触覚空間視力4の尺度として一般的に使用されてきた。しかし、多くの研究では、2点の識別(TPD)が非空間的なキューを除外できないため、2点閾値が触覚空間能力の無効な指標であることが示されています(例えば、2点が近すぎると、単一のアフェレント受容場を見つけることができ、神経活動の増加を容易に誘発する)、応答3、4、5に対する安定した基準を維持する。TPDの欠点の数のために、触覚格子配方(GO)3、6、2点配向性識別5、文字認識、ギャップ検出7、ドットパターン、ランドールCリング8、および角度判別(AD)9、10などの代替として、いくつかの新しい有望な方法が開発されている。現在、GOの操作上の利点、ならびに使用される刺激の空間構造および複雑さのために、GOは触覚空間視力11、12、13を測定するためにますます使用されている。
触覚GOは基礎的な空間的メカニズムに依存すると考えられているが、それによって触覚空間視力の信頼できる尺度が得られるが、GO性能が非空間的手がかり14によって部分的に影響を受けるかどうか(例えば、方向刺激の違いを識別する手掛かりを提供し得る集中的な徴候)に依然として議論されている。さらに、GOは単純な空間配向(すなわち、水平および垂直)タスクのみで構成され、主に感覚処理を伴い、主に感覚処理を伴い、主な体性感覚皮質における触覚一次処理と後頭頂部皮質(PPC)および上周辺頭体(SMG)15,16,16を含む触覚高度な有限物間の階層的相互作用を探索する際の使用を制限する。これらの欠点を補うために、触覚ADは触覚空間視力9,10を測定するために開発された。AD では、指先を横切って一対の角度が受動的にスライドします。角度はサイズが異なり、対象はどの角度が大きいかを決定する必要があります。この作業を一貫して実行するには、触覚角度の空間的特徴を作業メモリに表現して格納し、比較して識別する必要があります。したがって、触覚ADは、一次処理だけでなく、ワーキングメモリや注意などの触覚の高度な認知も伴う。
様々な線の向き知覚テストのように、触覚ADでは被験者は1つの基準角度と1つの比較角度で連続して提示され、より大きな角度18、19、20、21がどれかを示すように求められる。角度を構成する線は長さが等しく、仮想的な二等分に沿って対称的に分布します。線の空間寸法を対称的に変更することで、すべてのタイプの立上げられた平面角度を作成できます。したがって、この方法の重要な利点は、区別される角度が同様の空間構造を持つということです。また、ADで得られる空間表現は、GOで得られたものよりもシーケンシャルです。しかし、AD閾値は、触覚空間視力が物体22間の空間的差別を可能にするのに十分であるという証拠を提供する。さらに、角度の触覚空間的知覚は、ポイントからラインに経験され、最後に非空間的手がかりが小さな役割しか果たさない2次元平面角度を形成することができる。
ADしきい値は年齢の増加に伴って増加することが判明しました, 触覚ADタスクで高い認知負荷の必要性に起因する可能性があります.したがって、認知障害診断9,10においてモニタリング機構を提供してもよい。ADのパフォーマンスは、年齢に関連する減少の影響を受けるが、継続的なトレーニングまたは同様の触覚タスクトレーニング23によって若者において大幅に改善することができる。さらに、fMRI研究は、遅延サンプルとサンプル触覚角度タスクが、後頭頂皮質17、24のようなワーキングメモリを担う特定の皮質領域を活性化することを示した。これらの知見は、触覚角度の識別が高度な認知を伴う触覚空間視力の有望な尺度であることを示唆している。ここで、触覚AD機器およびその用途について詳細に説明する。他の触覚研究者は、AD機器を再現し、研究に使用することができます。
触覚AD装置、または触覚半自動受動指角刺激装置(TSPAS)は、電子スライドを使用して、一対の角度刺激を伝達して皮膚を横切って受動的にスライドする(図1)。被験者の腕は快適に横たわり、卓上の上に立ち上がります。右手はテーブルの手板の上に置き、人差し指パッドはプレートの開口部の少し下に配置されます。コンピュータソフトウェアは、スライドを制御し、固定速度で移動し、前後に移動することができます。スライドが前進すると、角度刺激は指先から始まる固定速度で皮膚を横切って受動的にスライドします。スライドが開始位置に戻り、別の角度刺激に変化した場合、被験者は人差し指を持ち上げて、開口部に軽く置く順番を待つ必要があります。従って、装置は制御された速度、安定した接触期間および一定の間の間隔で触覚の角度の刺激を提示する。被験者は順序番号を経口で報告し、実験者はそれを応答として登録し、次の試験を行う。
図 1: TSPAS の概要
装置は4つの部分から成っている:1)触覚角度刺激(すなわち、参照角および10の比較角度)。2)被験者の手を所定の位置に固定し、人差し指だけを刺激と接触させ続ける手板。3)触覚刺激を運ぶ電子スライダー。4)電子スライドの速度と移動距離を制御するパソコン(PC)制御システム。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Protocol
Representative Results
Discussion
触覚空間視力、触覚ADのための新しい尺度が提示されます。このシステムでは、一対の角度が、被検体の固定化された人差し指パッドを横切って受動的にスライドする。ADは、GOとTPDの利点を組み合わせ、集中的なキューの影響と単一点の神経ピークインパルス率を低減します。この研究は、参照角度と比較角度4の間の角度差が変化するにつれて、知覚的差別が徐々に変化す…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
日本学術振興会は、日本学術振興会(KAKENHI)助成金JP17J40084、JP18K15339、JP18H05009、JP18H01411、JP18K18835、およびJP17K18855によって支援されました。また、私たちの研究室で、上げ角度の作り方をしてくれた技術者(田村良彦)に感謝します。
Materials
| Acrylic sheet (3 mm) | MonotaRO Co.,Ltd. | 33159874 | Good Material |
| Acrylic sheet (1 mm) | MonotaRO Co.,Ltd. | 45547101 | Good Material |
| EZ limo (easy linear motion motor) | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | EZS3 | Good Motorized Linear Slides |
| Data Editing Software | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | EZED2 | easy to use |
| Operating Manual (Orientalmotor) | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | HL-17151-2 | Good Guidebook |
References
- Smith, A. M., Chapman, C. E., Donati, F., Fortier-Poisson, P., Hayward, V. Perception of simulated local shapes using active and passive touch. Journal of Neurophysiology. 102 (6), 3519-3529 (2009).
- Reuter, E. M., Voelcker-Rehage, C., Vieluf, S., Godde, B. Touch perception throughout working life: Effects of age and expertise. Experimental Brain Research. 216 (2), 287-297 (2012).
- Craig, J. C. Grating orientation as a measure of tactile spatial acuity. Somatosensory and Motor Research. 16 (3), 197-206 (1999).
- Craig, J. C., Johnson, K. O. The two-point threshold: Not a measure of tactile spatial resolution. Current Directions in Psychological Science. 9 (1), 29-32 (2000).
- Tong, J., Mao, O., Goldreich, D. Two-point orientation discrimination versus the traditional two-point test for tactile spatial acuity assessment. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 1-11 (2013).
- Goldreich, D., Wong, M., Peters, R. M., Kanics, I. M. A tactile automated passive-finger stimulator (TAPS). Journal of Visualized Experiments. (28), e1374 (2009).
- Johnson, K. O., Phillips, J. R. Tactile spatial resolution. I. Two-point discrimination, gap detection, grating resolution, and letter recognition. Journal of Neurophysiology. 46 (6), 1177-1191 (1981).
- Legge, G. E., Madison, C., Vaughn, B. N., Cheong, A. M. Y., Miller, J. C. Retention of high tactile acuity throughout the life span in blindness. Perception and Psychophysics. 70 (8), 1471-1488 (2008).
- Yang, J., Ogasa, T., Ohta, Y., Abe, K., Wu, J. Decline of human tactile angle discrimination in patients with mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease. Journal of Alzheimer’s Disease. 22 (1), 225-234 (2010).
- Wu, J., Yang, J., Ogasa, T. Raised-angle discrimination under passive finger movement. Perception. 39 (7), 993-1006 (2010).
- Sathian, K., Zangaladze, A. Tactile learning is task specific but transfers between fingers. Perception and Psychophysics. 59 (1), 119-128 (1997).
- Wong, M., Peters, R. M., Goldreich, D. A physical constraint on perceptual learning: tactile spatial acuity improves with training to a limit set by finger size. Journal of Neuroscience. 33 (22), 9345-9352 (2013).
- Trzcinski, N. K., Gomez-Ramirez, M., Hsiao, S. S. Functional consequences of experience-dependent plasticity on tactile perception following perceptual learning. European Journal of Neuroscience. 44 (6), 2375-2386 (2016).
- Essock, E. A., Krebs, W. K., Prather, J. R. Superior Sensitivity for Tactile Stimuli Oriented Proximally-Distally on the Finger: Implications for Mixed Class 1 and Class 2 Anisotropies. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance. 23 (2), 515-527 (1997).
- Gurtubay-Antolin, A., Leon-Cabrera, P., Rodriguez-Fornells, A. Neural evidence of hierarchical cognitive control during Haptic processing: An fMRI study. eNeuro. 5 (6), (2018).
- Yang, J., et al. Tactile priming modulates the activation of the fronto-parietal circuit during tactile angle match and non-match processing: an fMRI study. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 926 (2014).
- Yu, Y., Yang, J., Ejima, Y., Fukuyama, H., Wu, J. Asymmetric Functional Connectivity of the Contra- and Ipsilateral Secondary Somatosensory Cortex during Tactile Object Recognition. Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2018).
- Olczak, D., Sukumar, V., Pruszynski, J. A. Edge orientation perception during active touch. Journal of Neurophysiology. 120 (5), 2423-2429 (2018).
- Lederman, S. J., Taylor, M. M. Perception of interpolated position and orientation by vision and active touch. Perception and Psychophysics. 6 (3), 153-159 (1969).
- Peters, R. M., Staibano, P., Goldreich, D. Tactile orientation perception: An ideal observer analysis of human psychophysical performance in relation to macaque area 3b receptive fields. Journal of Neurophysiology. 114 (6), 3076-3096 (2015).
- Bensmaia, S. J., Hsiao, S. S., Denchev, P. V., Killebrew, J. H., Craig, J. C. The tactile perception of stimulus orientation. Somatosensory and Motor Research. 25 (1), 49-59 (2008).
- Morash, V., Pensky, A. E. C., Alfaro, A. U., McKerracher, A. A review of haptic spatial abilities in the blind. Spatial Cognition and Computation. 12 (2-3), 83-95 (2012).
- Wang, W., et al. Tactile angle discriminability improvement: roles of training time intervals and different types of training tasks. Journal of Neurophysiology. 122 (5), 1918-1927 (2019).
- Yang, J., et al. Tactile priming modulates the activation of the fronto-parietal circuit during tactile angle match and non-match processing: an fMRI study. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 926 (2014).
- Peters, R. M., Hackeman, E., Goldreich, D. Diminutive Digits Discern Delicate Details: Fingertip Size and the Sex Difference in Tactile Spatial Acuity. Journal of Neuroscience. 29 (50), 15756-15761 (2009).
- Sathian, K., Zangaladze, A., Green, J., Vitek, J. L., DeLong, M. R. Tactile spatial acuity and roughness discrimination: Impairments due to aging and Parkinson’s disease. Neurology. 49 (1), 168-177 (1997).
- Hoehler, F. K. Logistic equations in the analysis of S-shaped curves. Computers in Biology and Medicine. 5 (3), 367-371 (1995).
- Kuehn, E., Doehler, J., Pleger, B. The influence of vision on tactile Hebbian learning. Scientific Reports. 7 (1), 1-11 (2017).
- Weder, B., Nienhusmeier, M., Keel, A., Leenders, K. L., Ludin, H. P. Somatosensory discrimination of shape: Prediction of success in normal volunteers and parkinsonian patients. Experimental Brain Research. 120 (1), 104-108 (1998).
