Bewertung des audiotaktilen sensorischen Substitutionstrainings bei Teilnehmern mit hochgradiger Taubheit unter Verwendung der ereignisbezogenen Potenzialtechnik
Summary
Dieses Protokoll wurde entwickelt, um die zugrunde liegenden lernbezogenen elektrophysiologischen Veränderungen bei Probanden mit hochgradiger Taubheit nach einer kurzen Trainingszeit in audiotaktiler sensorischer Substitution unter Anwendung der ereignisbezogenen Potentialtechnik zu untersuchen.
Abstract
Diese Arbeit untersucht die Anwendung von Elektroenzephalogramm-basierten Methoden zur Bewertung der Auswirkungen von audio-taktilem Substitutionstraining bei jungen, hochgradig tauben (PD) Teilnehmern, mit dem Ziel, die neuronalen Mechanismen zu analysieren, die mit der vibrotaktilen komplexen Klangunterscheidung verbunden sind. Die elektrische Gehirnaktivität spiegelt dynamische neuronale Veränderungen wider, und die zeitliche Präzision ereignisbezogener Potenziale (ERPs) hat sich als Schlüssel zur Untersuchung zeitgebundener Prozesse bei der Durchführung von Verhaltensaufgaben erwiesen, die Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis erfordern.
Das aktuelle Protokoll wurde entwickelt, um die elektrophysiologische Aktivität bei Parkinson-Probanden zu untersuchen, während sie eine kontinuierliche Leistungsaufgabe (CPT) mit komplexen Klangreizen durchführten, die aus fünf verschiedenen Tiergeräuschen bestehen, die durch ein tragbares Stimulatorsystem am rechten Zeigefinger abgegeben werden. Als Design mit wiederholten Messungen wurden Elektroenzephalogramm (EEG) unter Standardbedingungen vor und nach einem kurzen Trainingsprogramm (fünf 1-Stunden-Sitzungen über 15 Tage) durchgeführt, gefolgt von einer Offline-Artefaktkorrektur und einer Epochenmittelung, um individuelle und große mittlere Wellenformen zu erhalten. Verhaltensergebnisse zeigen eine signifikante Verbesserung der Unterscheidung und eine robustere P3-ähnliche zentrorietale positive Wellenform für die Zielreize nach dem Training. In diesem Protokoll tragen ERPs zum weiteren Verständnis lernbezogener neuronaler Veränderungen bei Parkinson-Probanden bei, die mit der audiotaktilen Diskriminierung komplexer Klänge verbunden sind.
Introduction
Frühe hochgradige Taubheit ist ein sensorisches Defizit, das den mündlichen Spracherwerb und die Wahrnehmung von Umgebungsgeräuschen stark beeinflusst, die eine wesentliche Rolle bei der Navigation im Alltag von Menschen mit normalem Gehör spielen. Ein erhaltener und funktioneller Hörpfad ermöglicht es uns, Schritte zu hören, wenn sich jemand außerhalb der Sichtweite nähert, auf Gegenverkehr, Krankenwagensirenen und Sicherheitsalarme zu reagieren und auf unseren eigenen Namen zu reagieren, wenn jemand unsere Aufmerksamkeit benötigt. Audition ist daher ein wichtiger Sinn für Sprache, Kommunikation, kognitive Entwicklung und rechtzeitige Interaktion mit der Umwelt, einschließlich der Wahrnehmung potenzieller Bedrohungen in der Umgebung. Seit Jahrzehnten wird die Durchführbarkeit der audiotaktilen Substitution als alternative Schallwahrnehmungsmethode mit dem Potenzial, die Sprachentwicklung bei schwerhörigen Menschen zu ergänzen und zu erleichtern, mit begrenzten Ergebnissen untersucht 1,2,3. Die sensorische Substitution zielt darauf ab, den Nutzern Umweltinformationen über einen menschlichen sensorischen Kanal zur Verfügung zu stellen, der sich von dem normalerweise verwendeten unterscheidet. Es wurde gezeigt, dass es über verschiedene sensorische Systeme hinweg möglich ist 4,5. Insbesondere wird eine audiotaktile sensorische Substitution erreicht, wenn Hautmechanorezeptoren die physikalische Energie von Schallwellen, die auditive Informationen komponieren, in neuronale Erregungsmuster umwandeln können, die wahrgenommen und in die somatosensorischen Bahnen und somatosensorischen kortikalen Bereiche höherer Ordnung integriert werden können6.
Mehrere Studien haben gezeigt, dass hochgradig gehörlose Personen das musikalische Timbre allein durch vibrotaktile Wahrnehmung7 unterscheiden und zwischen gleichgeschlechtlichen Sprechern unterscheiden können, indem sie spektrale Hinweise komplexer vibrotaktiler Reizeverwenden 8. Neuere Erkenntnisse haben gezeigt, dass gehörlose Personen konkret von einem kurzen, gut strukturierten audio-taktilen Wahrnehmungstrainingsprogramm profitierten, da sie ihre Fähigkeit, zwischen verschiedenen Reintonfrequenzen9 und zwischen Reintönen mit unterschiedlicher zeitlicher Dauer10 zu unterscheiden, signifikant verbesserten. Diese Experimente verwendeten ereignisbezogene Potenziale (ERPs), Graphenkonnektivitätsmethoden und quantitative Elektroenzephalogramm (EEG), um funktionelle Gehirnmechanismen darzustellen und zu analysieren. Die neuronale Aktivität, die mit der Unterscheidung komplexer Umgebungsgeräusche verbunden ist, wurde jedoch vor dieser Arbeit nicht untersucht.
ERPs haben sich als nützlich erwiesen, um zeitgebundene Prozesse mit einer unglaublichen Zeitauflösung in der Größenordnung von Millisekunden zu untersuchen, während Verhaltensaufgaben ausgeführt werden, die Aufmerksamkeitszuweisung, Arbeitsgedächtnis und Antwortauswahl beinhalten11. Wie von Luck, Woodman und Vogel12 beschrieben, sind ERPs intrinsisch mehrdimensionale Verarbeitungsmaße und eignen sich daher gut, um die Teilkomponenten der Kognition separat zu messen. In einem ERP-Experiment kann die kontinuierliche ERP-Wellenform, die durch die Präsentation eines Stimulus ausgelöst wird, verwendet werden, um die neuronale Aktivität direkt zu beobachten, die zwischen dem Stimulus und der Verhaltensreaktion liegt. Andere Vorteile der Technik, wie ihre Kosteneffizienz und nicht-invasive Natur, machen sie perfekt geeignet, um den genauen zeitlichen Verlauf kognitiver Prozesse in klinischen Populationen zu untersuchen. Darüber hinaus bieten ERP-Tools, die in einem Repeated-Measures-Design angewendet werden, bei dem die elektrische Gehirnaktivität der Patienten mehr als einmal aufgezeichnet wird, um Veränderungen der elektrischen Aktivität nach einem Trainingsprogramm oder einer Intervention zu untersuchen, weitere Einblicke in neuronale Veränderungen im Laufe der Zeit.
Die P3-Komponente, die das am ausführlichsten erforschte kognitive Potential13 ist, ist derzeit dafür bekannt, auf alle Arten von Reizen zu reagieren, am offensichtlichsten auf Reize mit geringer Wahrscheinlichkeit oder hoher Intensität oder Signifikanz oder solche, die eine Verhaltens- oder kognitive Reaktion erfordern14. Diese Komponente hat sich auch bei der Bewertung der allgemeinen kognitiven Effizienz in klinischen Modellen als äußerst nützlich erwiesen15,16. Ein klarer Vorteil der Beurteilung von Änderungen in der P3-Wellenform besteht darin, dass es sich aufgrund ihrer größeren Amplitude im Vergleich zu anderen kleineren Komponenten um eine leicht beobachtbare neuronale Antwort handelt. Es hat eine charakteristische zentrorietale topographische Verteilung und ist auch relativ leicht mit dem entsprechenden experimentellen Design17,18,19 zu entlocken.
Ziel dieser Studie ist es in diesem Zusammenhang, die lernbedingten elektrophysiologischen Veränderungen bei Patienten mit hochgradiger Taubheit nach kurzzeitigem Training in vibrotaktiler Klangdiskriminierung zu untersuchen. Darüber hinaus werden ERP-Tools eingesetzt, um die funktionelle Gehirndynamik darzustellen, die dem temporären Einsatz der von der Aufgabe geforderten kognitiven Ressourcen zugrunde liegt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mit Hilfe von ERP-Tools haben wir ein Protokoll entwickelt, um die allmähliche Entwicklung von Vibrotactil-Unterscheidungsfähigkeiten zur Unterscheidung von Vibrotactil-Darstellungen verschiedener reiner Töne zu beobachten und zu bewerten. Unsere früheren Arbeiten haben gezeigt, dass die vibrotaktile Stimulation eine praktikable alternative Schallwahrnehmungsmethode für hochgradig gehörlose Personen ist. Aufgrund der Komplexität natürlicher Klänge im Vergleich zu reinen Tönen rechtfertigt das Potenzial für spr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken allen Teilnehmern und ihren Familien sowie den Institutionen, die diese Arbeit ermöglicht haben, insbesondere Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, A.C. und Preparatoria No. 7. Wir danken auch Sandra Márquez für ihren Beitrag zu diesem Projekt. Diese Arbeit wurde von GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594 und dem Neuroscience Institute (Universidad de Guadalajara, Mexiko) finanziert.
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).
