הערכה של אימון החלפה חושית אודיו-מישושית במשתתפים עם חירשות עמוקה באמצעות טכניקת הפוטנציאל הקשורה לאירוע
Summary
פרוטוקול זה נועד לחקור את השינויים האלקטרופיזיולוגיים הבסיסיים הקשורים ללמידה אצל נבדקים עם חירשות עמוקה לאחר תקופת אימון קצרה בהחלפה חושית אודיו-מישושית על ידי יישום טכניקת הפוטנציאל הקשורה לאירוע.
Abstract
מאמר זה בוחן את היישום של שיטות מבוססות אלקטרואנצפלוגרם כדי להעריך את ההשפעות של אימון תחליפי שמע-מישוש במשתתפים צעירים, חירשים לחלוטין (PD), במטרה לנתח את המנגנונים העצביים הקשורים לאפליית צלילים מורכבים וירוטקטילים. פעילות מוחית חשמלית משקפת שינויים עצביים דינמיים, והדיוק הזמני של פוטנציאלים הקשורים לאירועים (ERPs) הוכח כמפתח בחקר תהליכים נעולים בזמן תוך ביצוע משימות התנהגותיות המערבות קשב וזיכרון עבודה.
הפרוטוקול הנוכחי תוכנן לחקור פעילות אלקטרופיזיולוגית בנבדקי PD בזמן שהם ביצעו מטלת ביצועים רציפה (CPT) באמצעות גירויים בעלי צליל מורכב, המורכבים מחמישה צלילי בעלי חיים שונים המועברים באמצעות מערכת גירוי ניידת הנלבשת על האצבע המורה הימנית. כתכנון מדידות חוזרות, הקלטות אלקטרואנצפלוגרם (EEG) בתנאים סטנדרטיים בוצעו לפני ואחרי תוכנית אימונים קצרה (חמישה מפגשים של שעה במשך 15 יום), ולאחר מכן תיקון חפצים לא מקוונים וממוצע תקופה, כדי לקבל צורות גל בודדות וממוצעות. תוצאות התנהגותיות מראות שיפור משמעותי באפליה וצורת גל חיובית צנטרופריטלית חזקה יותר דמוית P3 לגירויי המטרה לאחר אימון. בפרוטוקול זה, ERPs תורמים להבנה נוספת של שינויים עצביים הקשורים ללמידה בנושאי PD הקשורים להבחנה שמעית-מישושית של צלילים מורכבים.
Introduction
חירשות עמוקה מוקדמת היא ליקוי חושי המשפיע מאוד על רכישת שפה אוראלית ועל תפיסת צלילים סביבתיים הממלאים תפקיד חיוני בניווט בחיי היומיום עבור אנשים עם שמיעה תקינה. מסלול חושי שמיעתי שמור ופונקציונלי מאפשר לנו לשמוע צעדים כאשר מישהו מתקרב מחוץ לטווח הראייה, להגיב לתנועה מתקרבת, סירנות אמבולנס ואזעקות אבטחה, ולהגיב לשמנו כאשר מישהו זקוק לתשומת הלב שלנו. אודישן הוא, אם כן, חוש חיוני לדיבור, תקשורת, התפתחות קוגניטיבית ואינטראקציה בזמן עם הסביבה, כולל תפיסת איומים פוטנציאליים בסביבתו של האדם. במשך עשרות שנים, הכדאיות של החלפת שמע-מישוש כשיטת תפיסת צליל חלופית עם פוטנציאל להשלים ולהקל על התפתחות שפה אצל אנשים לקויי שמיעה קשים נחקרה עם תוצאות מוגבלות 1,2,3. החלפה חושית נועדה לספק למשתמשים מידע סביבתי באמצעות ערוץ חושי אנושי שונה מזה המשמש בדרך כלל; זה הוכח כאפשרי במערכות חושיות שונות 4,5. באופן ספציפי, החלפה חושית שמע-מישושית מושגת כאשר מכנורצפטורים בעור יכולים להמיר את האנרגיה הפיזית של גלי קול המרכיבים מידע שמיעתי לדפוסי עירור עצביים שניתן לתפוס ולשלב עם המסלולים הסומטוסנסוריים ואזורי קליפת המוח הסומטוסנסוריים מסדר גבוה יותר6.
מספר מחקרים הראו כי אנשים חירשים עמוקים יכולים להבחין בגוון מוזיקלי אך ורק באמצעות תפיסה וירוטקטילית7 ולהפלות בין דוברים חד-מיניים באמצעות רמזים ספקטרליים של גירויים וירוטקטיליים מורכבים8. ממצאים עדכניים יותר הראו כי אנשים חירשים הפיקו תועלת קונקרטית מתוכנית הכשרה קצרה ומובנית היטב של תפיסה קולית-מישושית, שכן הם שיפרו באופן משמעותי את יכולתם להבחין בין תדרים שונים של צלילים טהורים9 ובין צלילים טהורים עם משך זמן שונה10. ניסויים אלה השתמשו בפוטנציאלים הקשורים לאירועים (ERPs), בשיטות קישוריות גרפים ובמדידות אלקטרואנצפלוגרם כמותיות (EEG) כדי לתאר ולנתח מנגנונים מוחיים תפקודיים. עם זאת, הפעילות העצבית הקשורה להבחנה של צלילים סביבתיים מורכבים לא נבדקה לפני מאמר זה.
ERPs הוכיחו את עצמם כיעילים לחקר תהליכים נעולים בזמן, עם רזולוציית זמן מדהימה בסדר גודל של אלפיות השנייה, תוך ביצוע משימות התנהגותיות הכוללות הקצאת קשב, זיכרון עבודה ובחירת תגובה11. כפי שתואר על ידי לאק, וודמן ווגל12, ERPs הם אמצעי עיבוד רב-ממדיים במהותם ולכן מתאימים היטב למדידה נפרדת של תת-המרכיבים של קוגניציה. בניסוי ERP, ניתן להשתמש בצורת הגל הרציפה של ERP הנוצרת על ידי הצגת גירוי כדי לצפות ישירות בפעילות עצבית המשולבת בין הגירוי לתגובה ההתנהגותית. יתרונות אחרים של הטכניקה, כגון עלות-תועלת ואופיה הלא פולשני, הופכים אותה להתאמה מושלמת לחקר מהלך הזמן המדויק של תהליכים קוגניטיביים באוכלוסיות קליניות. יתר על כן, כלי ERP המיושמים בתכנון מדידות חוזרות, שבו פעילות המוח החשמלית של המטופלים נרשמת יותר מפעם אחת כדי לחקור שינויים בפעילות החשמלית לאחר תוכנית אימון או התערבות, מספקים תובנה נוספת לגבי שינויים עצביים לאורך זמן.
רכיב ה- P3, בהיותו הפוטנציאל הקוגניטיבי הנחקר ביותר13, מוכר כיום כמגיב לכל מיני גירויים, ככל הנראה לגירויים בעלי הסתברות נמוכה, או בעוצמה או במשמעות גבוהה, או כאלה הדורשים תגובה התנהגותית או קוגניטיבית כלשהי14. מרכיב זה הוכח גם כיעיל ביותר בהערכת יעילות קוגנטיבית כללית במודלים קליניים15,16. יתרון ברור בהערכת שינויים בצורת הגל P3 הוא שמדובר בתגובה עצבית הניתנת לצפייה בקלות בגלל המשרעת הגדולה יותר שלה בהשוואה לרכיבים קטנים אחרים; יש לו התפלגות טופוגרפית צנטרופריטלית אופיינית והוא גם קל יחסית לעורר באמצעות התכנון הניסויי המתאים17,18,19.
בהקשר זה, מטרת מחקר זה היא לחקור את השינויים האלקטרופיזיולוגיים הקשורים ללמידה בחולים עם חירשות עמוקה לאחר אימון במשך תקופה קצרה בהבחנה בין צלילים רטטניים. בנוסף, כלי ERP מיושמים כדי לתאר את הדינמיקה המוחית התפקודית העומדת בבסיס המעורבות הזמנית של המשאבים הקוגניטיביים הנדרשים על ידי המשימה.
Protocol
Representative Results
Discussion
באמצעות כלי ERP, עיצבנו פרוטוקול כדי לבחון ולהעריך את ההתפתחות ההדרגתית של מיומנויות אפליה וירוטקטיליות להבחנה בין ייצוגים וירוטקטיליים של גוונים טהורים שונים. עבודתנו הקודמת הראתה כי גירוי רטט הוא שיטת תפיסת קול חלופית בת קיימא עבור אנשים חירשים עמוקים. עם זאת, בגלל המורכבות של צלילים טב?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לכל המשתתפים ולמשפחותיהם, כמו גם למוסדות שאפשרו עבודה זו, בפרט, Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, A.C., ו- Preparatoria No. 7. אנו מודים גם לסנדרה מארקס על תרומתה לפרויקט זה. עבודה זו מומנה על ידי מענק SEP-CONACYT-221809, מענק SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594, והמכון למדעי המוח (אוניברסיטת גוודלחרה, מקסיקו).
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).
