Beoordeling van audio-tactiele sensorische substitutietraining bij deelnemers met diepe doofheid met behulp van de gebeurtenisgerelateerde potentiële techniek
Summary
Dit protocol is ontworpen om onderliggende leergerelateerde elektrofysiologische veranderingen te onderzoeken bij proefpersonen met diepe doofheid na een korte trainingsperiode in audio-tactiele sensorische substitutie door de gebeurtenisgerelateerde potentiële techniek toe te passen.
Abstract
Dit artikel onderzoekt de toepassing van op elektro-encefalogram gebaseerde methoden om de effecten van audio-tactiele substitutietraining bij jonge, diep dove (PD) deelnemers te beoordelen, met als doel de neurale mechanismen te analyseren die verband houden met vibrotactile complexe geluidsdiscriminatie. Elektrische hersenactiviteit weerspiegelt dynamische neurale veranderingen en de temporele precisie van gebeurtenisgerelateerde potentialen (ERP’s) is de sleutel gebleken bij het bestuderen van time-locked processen tijdens het uitvoeren van gedragstaken waarbij aandacht en werkgeheugen betrokken zijn.
Het huidige protocol is ontworpen om elektrofysiologische activiteit bij PD-proefpersonen te bestuderen terwijl ze een continue prestatietaak (CPT) uitvoerden met behulp van complexe geluidsstimuli, bestaande uit vijf verschillende dierengeluiden die worden geleverd door een draagbaar stimulatorsysteem dat op de rechterwijsvinger wordt gedragen. Als een ontwerp met herhaalde maatregelen werden elektro-encefalogram (EEG) -opnames in standaardomstandigheden uitgevoerd voor en na een kort trainingsprogramma (vijf sessies van 1 uur gedurende 15 dagen), gevolgd door offline artefactcorrectie en tijdperkgemiddelde, om individuele en grootgemiddelde golfvormen te verkrijgen. Gedragsresultaten tonen een significante verbetering in discriminatie en een robuustere P3-achtige centropariëtale positieve golfvorm voor de doelprikkels na training. In dit protocol dragen ERP’s bij aan het verdere begrip van leergerelateerde neurale veranderingen in PD-onderwerpen die verband houden met audio-tactiele discriminatie van complexe geluiden.
Introduction
Vroege diepe doofheid is een sensorisch tekort dat sterk van invloed is op orale taalverwerving en de perceptie van omgevingsgeluiden die een essentiële rol spelen bij het navigeren door het dagelijks leven voor mensen met een normaal gehoor. Een bewaard gebleven en functioneel auditief sensorisch pad stelt ons in staat om voetstappen te horen wanneer iemand buiten het visuele bereik nadert, te reageren op tegemoetkomend verkeer, ambulancesirenes en beveiligingsalarmen en te reageren op onze eigen naam wanneer iemand onze aandacht nodig heeft. Auditie is daarom een essentieel gevoel voor spraak, communicatie, cognitieve ontwikkeling en tijdige interactie met de omgeving, inclusief de perceptie van potentiële bedreigingen in iemands omgeving. Al tientallen jaren wordt de levensvatbaarheid van audio-tactiele substitutie als alternatieve geluidsperceptiemethode met het potentieel om de taalontwikkeling bij ernstig slechthorende personen aan te vullen en te vergemakkelijken onderzocht met beperkte resultaten 1,2,3. Sensorische substitutie is bedoeld om gebruikers te voorzien van omgevingsinformatie via een menselijk sensorisch kanaal dat verschilt van het kanaal dat normaal wordt gebruikt; het is aangetoond dat het mogelijk is voor verschillende sensorische systemen 4,5. In het bijzonder wordt audio-tactiele sensorische substitutie bereikt wanneer huidmechanoreceptoren de fysieke energie van geluidsgolven die auditieve informatie samenstellen, kunnen transduceren in neuronale excitatiepatronen die kunnen worden waargenomen en geïntegreerd met de somatosensorische paden en somatosensorische corticale gebieden van hogere orde6.
Verschillende studies hebben aangetoond dat diep dove individuen muzikaal timbre alleen kunnen onderscheiden door vibrotactiele perceptie7 en onderscheid kunnen maken tussen sprekers van hetzelfde geslacht met behulp van spectrale signalen van complexe vibrotactiele stimuli8. Meer recente bevindingen hebben aangetoond dat dove personen concreet profiteerden van een kort, goed gestructureerd audio-tactiel perceptietrainingsprogramma, omdat ze hun vermogen om onderscheid te maken tussen verschillende zuivere toonfrequenties9 en tussen zuivere tonen met verschillende temporele duur aanzienlijk verbeterden10. Deze experimenten gebruikten event-related potentials (ERP’s), grafiekconnectiviteitsmethoden en kwantitatieve elektro-encefalogram (EEG) -metingen om functionele hersenmechanismen weer te geven en te analyseren. De neurale activiteit geassocieerd met de discriminatie van complexe omgevingsgeluiden is echter niet onderzocht voorafgaand aan dit artikel.
ERP’s zijn nuttig gebleken voor het bestuderen van time-locked processen, met een ongelooflijke tijdresolutie in de orde van milliseconden, terwijl gedragstaken worden uitgevoerd waarbij aandachtstoewijzing, werkgeheugen en responsselectie betrokken zijn11. Zoals beschreven door Luck, Woodman en Vogel12, zijn ERP’s intrinsiek multidimensionale verwerkingsmaatregelen en zijn daarom zeer geschikt om de subcomponenten van cognitie afzonderlijk te meten. In een ERP-experiment kan de continue ERP-golfvorm die wordt opgewekt door de presentatie van een stimulus worden gebruikt om direct neurale activiteit te observeren die wordt tussengesteld tussen de stimulus en de gedragsrespons. Andere voordelen van de techniek, zoals de kosteneffectiviteit en het niet-invasieve karakter, maken het een perfecte pasvorm om het precieze tijdsverloop van cognitieve processen in klinische populaties te bestuderen. Bovendien bieden ERP-tools die worden toegepast in een ontwerp met herhaalde maatregelen, waarbij de elektrische hersenactiviteit van patiënten meer dan eens wordt geregistreerd om veranderingen in elektrische activiteit na een trainingsprogramma of interventie te bestuderen, verder inzicht in neurale veranderingen in de loop van de tijd.
De P3-component, die het meest uitgebreid onderzochte cognitieve potentieel is13, wordt momenteel erkend om te reageren op allerlei stimuli, het meest blijkbaar op stimuli met een lage waarschijnlijkheid, of met een hoge intensiteit of betekenis, of stimuli die een gedragsmatige of cognitieve respons vereisen14. Deze component is ook zeer nuttig gebleken bij het evalueren van algemene cognitieve efficiëntie in klinische modellen15,16. Een duidelijk voordeel van het beoordelen van veranderingen in de P3-golfvorm is dat het een gemakkelijk waarneembare neurale respons is vanwege de grotere amplitude in vergelijking met andere kleinere componenten; het heeft een karakteristieke centropariëtale topografische verdeling en is ook relatief gemakkelijk te ontlokken met behulp van het juiste experimentele ontwerp 17,18,19.
In deze context is het doel van deze studie om de leergerelateerde elektrofysiologische veranderingen te onderzoeken bij patiënten met ernstige doofheid na training gedurende een korte periode in vibrotactiele geluidsdiscriminatie. Daarnaast worden ERP-tools toegepast om de functionele hersendynamiek weer te geven die ten grondslag ligt aan de tijdelijke inzet van de cognitieve middelen die door de taak worden vereist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met behulp van ERP-tools hebben we een protocol ontworpen om de geleidelijke ontwikkeling van vibrotactile discriminatievaardigheden te observeren en te evalueren voor het onderscheiden van vibrotactile representaties van verschillende zuivere tonen. Ons eerdere werk heeft aangetoond dat vibrotactiele stimulatie een levensvatbare alternatieve geluidsperceptiemethode is voor diep dove personen. Vanwege de complexiteit van natuurlijke geluiden in vergelijking met zuivere tonen, rechtvaardigt het potentieel voor taalgeluids…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken alle deelnemers en hun families, evenals de instellingen die dit werk mogelijk hebben gemaakt, in het bijzonder Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, A.C., en Preparatoria No. 7. We bedanken ook Sandra Márquez voor haar bijdrage aan dit project. Dit werk werd gefinancierd door GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594 en het Neuroscience Institute (Universidad de Guadalajara, Mexico).
Materials
| Audacity | Audacity team | audacityteam.org | Free, open source, cross-platform audio editing software |
| Audiometer | Resonance | r17a | |
| EEG analysis Software | Neuronic , S.A. | ||
| EEG recording Software | Neuronic , S.A. | ||
| Electro-Cap | Electro-cap International, Inc. | E1-M | Cap with 19 active electrodes, adjustable straps and chest harness. |
| Electro-gel | Electro-cap International, Inc. | ||
| External computer speakers | |||
| Freesound | Music technology group | freesound.org | Database of Creative Commons Licensed sounds |
| Hook and loop fastner | Velcro | ||
| IBM SPSS (Statistical Package for th Social Sciences) | IBM | ||
| Individual electrodes | Cadwell | Gold Cup, 60 in | |
| MEDICID-5 | Neuronic, S.A. | EEG recording equipment (includes amplifier and computer). | |
| Nuprep | Weaver and company | ECG & EEG abrasive skin prepping gel | |
| Portable computer with touch screen | Dell | ||
| SEVITAC-D | Centro Camac, Argentina. Patented by Luis Campos (2002). | http://sevitac-d.com.ar/ | Portable stimulator system is worn on the index-finger tip and it consists of a tiny flexible plastic membrane with a 78.5 mm2 surface area that vibrates in response to sound pressure waves via analog transmission. It has a sound frequency range from 10 Hz to 10 kHz. |
| Stimulus presentation Software Mindtracer | Neuronics, S.A. | ||
| Stimulation computer monitor and keyboard | |||
| Tablet computer | Lenovo | ||
| Ten20 Conductive Neurodiagnostic Electrode paste | weaver and company |
References
- Rothenberg, M., Richard, D. M. Encoding fundamental frequency into vibrotactile frequency. The Journal of the Acoustical Society of America. 66 (4), 1029-1038 (1979).
- Plant, G., Arne, R. The transmission of fundamental frequency variations via a single channel vibrotactile aid. Speech Transmission Laboratories Quarterly Progress Report. 24 (2-3), 61-84 (1983).
- Bernstein, L. E., Tucker, P. E., Auer, E. T. Potential perceptual bases for successful use of a vibrotactile speech perception aid. Scandinavian Journal of Psychology. 39 (3), 181-186 (1998).
- Bach-y-Rita, P., Kercel, S. W. Sensory substitution and the human-machine interface. Trends in Cognitive Sciences. 7 (12), 541-546 (2003).
- Bach-y-Rita, P. Tactile sensory substitution studies. Annals of New York Academy of Sciences. 1013 (1), 83-91 (2004).
- Kaczmarek, K. A., Webster, J. G., Bach-y-Rita, P., Tompkins, W. J. Electrotactile and vibrotactile displays for sensory substitution systems. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 38 (1), 1-16 (1991).
- Russo, F. A., Ammirante, P., Fels, D. I. Vibrotactile discrimination of musical timbre. Journal of Experimental Psychology Human Perception Performance. 38 (4), 822-826 (2012).
- Ammirante, P., Russo, F. A., Good, A., Fels, D. I. Feeling voices. PloS One. 8 (1), 369-377 (2013).
- González-Garrido, A. A., et al. Vibrotactile discrimination training affects brain connectivity in profoundly deaf individuals. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 28 (2017).
- Ruiz-Stovel, V. D., Gonzalez-Garrido, A. A., Gómez-Velázquez, F. R., Alvarado-Rodríguez, F. J., Gallardo-Moreno, G. B. Quantitative EEG measures in profoundly deaf and normal hearing individuals while performing a vibrotactile temporal discrimination task. International Journal of Psychophysiology. 166, 71-82 (2021).
- Polich, J. Updating P300: an integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
- Luck, S. J., Woodman, G. F., Vogel, E. K. Event-related potential studies of attention. Trends in Cognitive Sciences. 4 (11), 432-440 (2000).
- Kelly, S. P., O’Connell, R. G. The neural processes underlying perceptual decision making in humans: recent progress and future directions. Journal of Physiology-Paris. 109 (1-3), 27-37 (2015).
- Barry, R. J., et al. Components in the P300: Don’t forget the Novelty P3. Psychophysiology. 57 (7), 13371 (2020).
- Polich, J. P300 clinical utility and control of variability. Journal of Clinical Neurophysiology. 15 (1), 14-33 (1998).
- Polich, J., Criado, J. R. Neuropsychology and neuropharmacology of P3a and P3b. International Journal of Psychophysiology. 60 (2), 172-185 (2006).
- Polich, J., Kok, A. Cognitive and biological determinants of P300: an integrative review. Biological Psychology. 41 (2), 103-146 (1995).
- Nieuwenhuis, S., Aston-Jones, G., Cohen, J. D. Decision making, the P3, and the locus coeruleus–norepinephrine system. Psychological Bulletin. 131 (4), 510 (2005).
- Luck, S. J. . An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , (2014).
- Kappenman, E. S., Luck, S. J. Best practices for event-related potential research in clinical populations. Biological Psychiatry: Cognitive Neuroscience and Neuroimaging. 1 (2), 110-115 (2016).
- Rac-Lubashevsky, R., Kessler, Y. Revisiting the relationship between the P3b and working memory updating. Biological Psychology. 148, 107769 (2019).
- Twomey, D. M., Murphy, P. R., Kelly, S. P., O’Connell, R. G. The classic P300 encodes a build-to-threshold decision variable. European Journal of Neuroscience. 42 (1), 1636-1643 (2015).
- Boudewyn, M. A., Luck, S. J., Farrens, J. L., Kappenman, E. S. How many trials does it take to get a significant ERP effect? It depends. Psychophysiology. 55 (6), 13049 (2018).
- Cohen, J., Polich, J. On the number of trials needed for P300. International Journal ofPsychophysiology. 25 (3), 249-255 (1997).
- Duncan, C. C., et al. Event-related potentials in clinical research: guidelines for eliciting, recording, and quantifying mismatch negativity, P300, and N400. Clinical Neurophysiology. 120 (11), 1883-1908 (2009).
- Thigpen, N. N., Kappenman, E. S., Keil, A. Assessing the internal consistency of the event-related potential: An example analysis. Psychophysiology. 54 (1), 123-138 (2017).
- Huffmeijer, R., Bakermans-Kranenburg, M. J., Alink, L. R., Van IJzendoorn, M. H. Reliability of event-related potentials: the influence of number of trials and electrodes. Physiology & Behavior. 130, 13-22 (2014).
- Rietdijk, W. J., Franken, I. H., Thurik, A. R. Internal consistency of event-related potentials associated with cognitive control: N2/P3 and ERN/Pe. PloS One. 9 (7), 102672 (2014).
- Alsuradi, H., Park, W., Eid, M. EEG-based neurohaptics research: A literature review. IEEE Access. 8, 49313-49328 (2020).
