Оценка аудиотактильной сенсорной заместительной тренировки у участников с глубокой глухотой с использованием техники потенциала, связанной с событиями
Summary
Этот протокол предназначен для изучения основных электрофизиологических изменений, связанных с обучением, у субъектов с глубокой глухотой после короткого периода обучения аудиотактильной сенсорной замене путем применения техники потенциала, связанной с событиями.
Abstract
В статье рассматривается применение методов на основе электроэнцефалограммы для оценки эффектов аудиотактильной заместительной тренировки у молодых, глубоко глухих (БП) участников с целью анализа нейронных механизмов, связанных с вибротактильной комплексной звуковой дискриминацией. Электрическая активность мозга отражает динамические нейронные изменения, а временная точность потенциалов, связанных с событиями (ERP), оказалась ключевой в изучении процессов, заблокированных во времени, при выполнении поведенческих задач, которые включают внимание и рабочую память.
Текущий протокол был разработан для изучения электрофизиологической активности у субъектов БП, пока они выполняли задачу непрерывного выполнения (CPT) с использованием сложных звуковых стимулов, состоящих из пяти различных звуков животных, передаваемых через портативную систему стимулятора, надеваемую на правый указательный палец. В качестве конструкции с повторными измерениями записи электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в стандартных условиях выполнялись до и после короткой программы обучения (пять сеансов по 1 ч в течение 15 дней), за которой следовала автономная коррекция артефактов и усреднение эпохи для получения индивидуальных и больших средних осциллограмм. Поведенческие результаты показывают значительное улучшение дискриминации и более надежную P3-подобную центропариетальную положительную форму волны для целевых стимулов после тренировки. В этом протоколе ERP способствуют дальнейшему пониманию связанных с обучением нейронных изменений у субъектов БП, связанных с аудиотактильной дискриминацией сложных звуков.
Introduction
Ранняя глубокая глухота — это сенсорный дефицит, который сильно влияет на овладение устной речью и восприятие звуков окружающей среды, которые играют важную роль в навигации в повседневной жизни для людей с нормальным слухом. Сохраненный и функциональный слуховой сенсорный путь позволяет нам слышать шаги, когда кто-то приближается вне визуального диапазона, реагировать на встречный трафик, сирены скорой помощи и охранные сигнализации и реагировать на наше собственное имя, когда кто-то нуждается в нашем внимании. Таким образом, прослушивание является жизненно важным чувством для речи, общения, когнитивного развития и своевременного взаимодействия с окружающей средой, включая восприятие потенциальных угроз в своем окружении. На протяжении десятилетий жизнеспособность аудиотактильной замены в качестве альтернативного метода восприятия звука, способного дополнять и облегчать развитие речи у лиц с тяжелыми нарушениями слуха, изучалась с ограниченными результатами 1,2,3. Сенсорная замена направлена на предоставление пользователям экологической информации через сенсорный канал человека, отличный от обычно используемого; было продемонстрировано, что он возможен в различных сенсорных системах 4,5. В частности, аудиотактильное сенсорное замещение достигается, когда кожные механорецепторы могут трансдуцировать физическую энергию звуковых волн, которые составляют слуховую информацию, в паттерны возбуждения нейронов, которые могут быть восприняты и интегрированы с соматосенсорными путями и соматосенсорными корковымиобластями более высокого порядка 6.
Несколько исследований показали, что глубоко глухие люди могут различать музыкальный тембр исключительно через вибротактильное восприятие7 и различать однополых носителей, используя спектральные сигналы сложных вибротактильных стимулов8. Более поздние результаты показали, что глухие люди получили конкретную выгоду от краткой, хорошо структурированной программы обучения аудиотактильному восприятию, поскольку они значительно улучшили свою способность различать различные частоты чистого тона9 и между чистыми тонами с различной временной длительностью10. В этих экспериментах использовались потенциалы, связанные с событиями (ERP), методы связности графов и количественные измерения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) для изображения и анализа функциональных механизмов мозга. Тем не менее, нейронная активность, связанная с различением сложных звуков окружающей среды, не была изучена до этой статьи.
ERP оказались полезными для изучения процессов, заблокированных во времени, с невероятным временным разрешением в порядке миллисекунд, при выполнении поведенческих задач, которые включают распределение внимания, рабочую память и выбор ответа11. Как описано Luck, Woodman и Vogel12, ERP по своей сути являются многомерными мерами обработки и поэтому хорошо подходят для отдельного измерения подкомпонентов познания. В эксперименте ERP непрерывная форма сигнала ERP, вызванная представлением стимула, может быть использована для непосредственного наблюдения нейронной активности, которая связана между стимулом и поведенческой реакцией. Другие преимущества метода, такие как его экономическая эффективность и неинвазивный характер, делают его идеальным для изучения точного временного хода когнитивных процессов в клинических популяциях. Кроме того, инструменты ERP, применяемые в конструкции повторяющихся мер, в которой электрическая активность мозга пациентов регистрируется более одного раза для изучения изменений электрической активности после программы обучения или вмешательства, обеспечивают дальнейшее понимание нейронных изменений с течением времени.
Компонент P3, будучи наиболее широко исследованным когнитивным потенциалом13, в настоящее время признан реагирующим на все виды стимулов, большинство из которых, по-видимому, реагируют на стимулы с низкой вероятностью или высокой интенсивностью или значимостью, или те, которые требуют некоторой поведенческой или когнитивной реакции14. Этот компонент также оказался чрезвычайно полезным при оценке общей когнитивной эффективности в клинических моделях15,16. Явным преимуществом оценки изменений в форме сигнала P3 является то, что это легко наблюдаемый нейронный ответ из-за его большей амплитуды по сравнению с другими меньшими компонентами; он имеет характерное центропариетальное топографическое распределение, а также относительно легко обнаруживается при использовании соответствующей экспериментальной конструкции 17,18,19.
В этом контексте целью данного исследования является изучение связанных с обучением электрофизиологических изменений у пациентов с глубокой глухотой после обучения в течение короткого периода времени в вибротактильной звуковой дискриминации. Кроме того, инструменты ERP применяются для отображения функциональной динамики мозга, лежащей в основе временного задействования когнитивных ресурсов, требуемых задачей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Используя инструменты ERP, мы разработали протокол для наблюдения и оценки постепенного развития навыков вибротактильной дискриминации для различения вибротактильных представлений различных чистых тонов. Наша предыдущая работа показала, что вибротактильная стимуляция является жизн…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим всех участников и их семьи, а также учреждения, которые сделали эту работу возможной, в частности Asociación de Sordos de Jalisco, Asociación Deportiva, Cultural y Recreativa de Silentes de Jalisco, Educación Incluyente, A.C., и Preparatoria No. 7. Мы также благодарим Сандру Маркес за ее вклад в этот проект. Эта работа финансировалась GRANT SEP-CONACYT-221809, GRANT SEP-PRODEP 511-6/2020-8586-UDG-PTC-1594 и Институтом неврологии (Universidad de Guadalajara, Мексика).
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).
