الحسية الجسدية الإمكانيات المتعلقة الحدث من الجلد فموي وجهي تمتد تحفيز
Summary
This paper introduces a method for obtaining somatosensory event-related potentials following orofacial skin stretch stimulation. The current method can be used to evaluate the contribution of somatosensory afferents to both speech production and speech perception.
Abstract
Cortical processing associated with orofacial somatosensory function in speech has received limited experimental attention due to the difficulty of providing precise and controlled stimulation. This article introduces a technique for recording somatosensory event-related potentials (ERP) that uses a novel mechanical stimulation method involving skin deformation using a robotic device. Controlled deformation of the facial skin is used to modulate kinesthetic inputs through excitation of cutaneous mechanoreceptors. By combining somatosensory stimulation with electroencephalographic recording, somatosensory evoked responses can be successfully measured at the level of the cortex. Somatosensory stimulation can be combined with the stimulation of other sensory modalities to assess multisensory interactions. For speech, orofacial stimulation is combined with speech sound stimulation to assess the contribution of multi-sensory processing including the effects of timing differences. The ability to precisely control orofacial somatosensory stimulation during speech perception and speech production with ERP recording is an important tool that provides new insight into the neural organization and neural representations for speech.
Introduction
إنتاج الكلام يعتمد على كل المعلومات السمعية والحسية الجسدية. السمعية وردود الفعل جسدي حسي تحدث في تركيبة من أقرب الالفاظ التي ينتجها الرضع وتشارك على حد سواء في تعلم الكلام الحركية. النتائج الأخيرة تشير إلى أن تسهم العمليات الحسية الجسدية للتصور وكذلك الإنتاج. على سبيل المثال، والتعرف على أصوات الكلام عندما يتم تبديل جهاز الروبوتية تمتد على بشرة الوجه كما يستمع المشاركون للمؤثرات السمعية 1. نفث الهواء إلى الخد التي تتزامن مع المثيرات السمعية خطاب تغير الأحكام المشاركين الإدراك الحسي 2.
هذه الآثار الحسية الجسدية تشمل تفعيل mechanoreceptors الجلدي ردا على تشوه الجلد. ومشوه الجلد بطرق مختلفة أثناء الحركة، ومعروفة mechanoreceptors الجلدي للمساهمة في حس حركي 3،4. دور حركي من mechanoreceptors الجلدي هو شيطانstrated التي كتبها النتائج الأخيرة 5-7 أن سلالات الجلد ذات الصلة الحركة وينظر بشكل مناسب كما انثناء أو تمديد الحركة تبعا لنمط تمتد الجلد 6. على مدى التدريب على الكلام المحرك، وهو تكرار للكلام خطاب معين مع ما يصاحب ذلك الوجه خطاب امتداد الجلد، وتغير أنماط تلفظي بطريقة تكيفية 7. وتشير هذه الدراسات إلى أن تحوير امتداد الجلد أثناء العمل يوفر طريقة لتقييم مساهمة afferents الجلدية إلى وظيفة حركي للنظام الحسية.
وقد درس وظيفة حركي من mechanoreceptors الجلدي فموي وجهي معظمها باستخدام الأساليب النفسية ل7،8 ومسرى مكروي إعادة ترميز من الأعصاب الحسية 9،10. هنا، يركز البروتوكول الحالي على الجمع بين التحفيز الحسية الجسدية فموي وجهي المرتبطة الوجه تشوه الجلد وحدث ذات الصلة المحتملة (ERP) تسجيل. عشرهو الإجراء لديه سيطرة التجريبية دقيقة على اتجاه وتوقيت الوجه تشوه الجلد باستخدام جهاز الروبوت الكمبيوتر التي تسيطر عليها. وهذا يسمح لنا لاختبار فرضيات محددة حول مساهمة الحسية الجسدية لإنتاج الكلام والإدراك من قبل بشكل انتقائي وعلى وجه التحديد تشويه بشرة الوجه في مجموعة واسعة من التوجهات خلال كل من تعلم الكلام السيارات ومباشرة في إنتاج الكلام والإدراك. تستخدم تسجيل ERP لتقييم noninvasively النمط الزمني وتوقيت تأثير التحفيز الحسية الجسدية على السلوكيات فموي وجهي. البروتوكول الحالي ثم يمكن تقييم يرتبط العصبية وظيفة حركي وتقييم مساهمة منظومة الحسية الجسدية على حد سواء معالجة الكلام، إنتاج الكلام والكلام التصور.
لإظهار فائدة تطبيق التحفيز امتداد الجلد لتسجيل تخطيط موارد المؤسسات، ويركز البروتوكول التالي على تفاعل الحسية الجسدية والمدخلات السمعية في خطاب صerception. النتائج تسلط الضوء على الطرق المحتملة لتقييم تفاعل الحسية السمعية في الكلام.
Protocol
Representative Results
Discussion
في دراسات نشرت هنا توفر أدلة على أن التحفيز جسدي حسي تسيطر على وجه التحديد التي تم إنتاجها من الوجه تشوه الجلد يدفع نظم تخطيط موارد المؤسسات القشرية. ومن المعروف afferents الجلدية كمصدر غني للمعلومات حركي 3،4 في حركة الأطراف الإنسان 5،6 وخطاب الحركة 7،8،21. …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل المعهد الوطني للصمم واضطرابات التواصل الأخرى المنح R21DC013915 وR01DC012502، العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا ومجلس البحوث الأوروبي في إطار البرنامج الإطاري السابع للجماعة الأوروبية (FP7 / 2007-2013 اتفاقية المنحة رقم 339152 ).
Materials
| EEG recording system | Biosemi | ActiveTwo | |
| Robotic decice for skin stretch | Geomagic | Phantom Premium 1.0 | |
| EEG-compatible earphones | Etymotic research | ER3A | |
| Software for visual and auditory stimulation | Neurobehavioral Systems | Presentation | |
| Electrode gel | Parker Laboratories, INC | Signa gel | |
| Double sided tape | 3M | 1522 | |
| Disposable syringe | Monoject | 412 Curved Tip | |
| Analog input device | National Instuments | PCI-6036E | |
| Degital output device | Measurement computing | USB-1208FS |
Referências
- Ito, T., Tiede, M., Ostry, D. J. Somatosensory function in speech perception. Proc Natl Acad Sci U S A. 106, 1245-1248 (2009).
- Gick, B., Derrick, D. Aero-tactile integration in speech perception. Nature. 462, 502-504 (2009).
- McCloskey, D. I. Kinesthetic sensibility. Physiol Rev. 58, 763-820 (1978).
- Proske, U., Gandevia, S. C. The kinaesthetic senses. J Physiol. 587, 4139-4146 (2009).
- Collins, D. F., Prochazka, A. Movement illusions evoked by ensemble cutaneous input from the dorsum of the human hand. J Physiol. 496 (Pt 3), 857-871 (1996).
- Edin, B. B., Johansson, N. Skin strain patterns provide kinaesthetic information to the human central nervous system. J Physiol. 487 (Pt 1), 243-251 (1995).
- Ito, T., Ostry, D. J. Somatosensory contribution to motor learning due to facial skin deformation. J Neurophysiol. 104, 1230-1238 (2010).
- Connor, N. P., Abbs, J. H. Movement-related skin strain associated with goal-oriented lip actions. Exp Brain Res. 123, 235-241 (1998).
- Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. &. #. 1. 9. 4. ;., Abbs, J. H. Mechanoreceptive afferent activity in the infraorbital nerve in man during speech and chewing movements. Exp Brain Res. 72, 209-214 (1988).
- Nordin, M., Hagbarth, K. E. Mechanoreceptive units in the human infra-orbital nerve. Acta Physiol Scand. 135, 149-161 (1989).
- . Guideline thirteen: guidelines for standard electrode position nomenclature. American Electroencephalographic Society. Journal of clinical neurophysiology : official publication of the American Electroencephalographic Society. 11, 111-113 (1994).
- Ito, T., Gracco, V. L., Ostry, D. J. Temporal factors affecting somatosensory-auditory interactions in speech processing. Frontiers in psychology. 5, 1198 (2014).
- Ito, T., Johns, A. R., Ostry, D. J. Left lateralized enhancement of orofacial somatosensory processing due to speech sounds. J Speech Lang Hear Res. 56, S1875-S1881 (2013).
- Ito, T., Ostry, D. J. Speech sounds alter facial skin sensation. J Neurophysiol. 107, 442-447 (2012).
- Kenton, B., et al. Peripheral fiber correlates to noxious thermal stimulation in humans. Neuroscience letters. 17, 301-306 (1980).
- Larson, C. R., Folkins, J. W., McClean, M. D., Muller, E. M. Sensitivity of the human perioral reflex to parameters of mechanical stretch. Brain Res. 146, 159-164 (1978).
- Möttönen, R., Järveläinen, J., Sams, M., Hari, R. Viewing speech modulates activity in the left SI mouth cortex. Neuroimage. 24, 731-737 (2005).
- Soustiel, J. F., Feinsod, M., Hafner, H. Short latency trigeminal evoked potentials: normative data and clinical correlations. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 80, 119-125 (1991).
- Martin, B. A., Tremblay, K. L., Korczak, P. Speech evoked potentials: from the laboratory to the clinic. Ear and hearing. 29, 285-313 (2008).
- Perrin, F., Bertrand, O., Pernier, J. Scalp current density mapping: value and estimation from potential data. IEEE Trans Biomed Eng. 34, 283-288 (1987).
- Ito, T., Gomi, H. Cutaneous mechanoreceptors contribute to the generation of a cortical reflex in speech. Neuroreport. 18, 907-910 (2007).
- Onton, J., Westerfield, M., Townsend, J., Makeig, S. Imaging human EEG dynamics using independent component analysis. Neurosci Biobehav Rev. 30, 808-822 (2006).
- Larsson, L. E., Prevec, T. S. Somato-sensory response to mechanical stimulation as recorded in the human EEG. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 28, 162-172 (1970).
- Johansson, R. S., Trulsson, M., Olsson, K. &. #. 1. 9. 4. ;., Westberg, K. G. Mechanoreceptor activity from the human face and oral mucosa. Exp Brain Res. 72, 204-208 (1988).
- Diehl, R. L., Lotto, A. J., Holt, L. L. Speech perception. Annu Rev Psychol. 55, 149-179 (2004).
- Liberman, A. M., Mattingly, I. G. The motor theory of speech perception revised. Cognition. 21, 1-36 (1985).
- Schwartz, J. L., Basirat, A., Menard, L., Sato, M. The Perception-for-Action-Control Theory (PACT): A perceptuo-motor theory of speech perception. J Neurolinguist. 25, 336-354 (2012).
- Rizzolatti, G., Craighero, L. The mirror-neuron system. Annu Rev Neurosci. 27, 169-192 (2004).
- Rizzolatti, G., Fabbri-Destro, M. The mirror system and its role in social cognition. Curr Opin Neurobiol. 18, 179-184 (2008).
- D’Ausilio, A., et al. The motor somatotopy of speech perception. Curr Biol. 19, 381-385 (2009).
- Fadiga, L., Craighero, L., Buccino, G., Rizzolatti, G. Speech listening specifically modulates the excitability of tongue muscles: a TMS study. Eur J Neurosci. 15, 399-402 (2002).
- Meister, I. G., Wilson, S. M., Deblieck, C., Wu, A. D., Iacoboni, M. The essential role of premotor cortex in speech perception. Curr Biol. 17, 1692-1696 (2007).
- Möttönen, R., Watkins, K. E. Motor representations of articulators contribute to categorical perception of speech sounds. J Neurosci. 29, 9819-9825 (2009).
- Watkins, K. E., Strafella, A. P., Paus, T. Seeing and hearing speech excites the motor system involved in speech production. Neuropsychologia. 41, 989-994 (2003).
- Wilson, S. M., Saygin, A. P., Sereno, M. I., Iacoboni, M. Listening to speech activates motor areas involved in speech production. Nat Neurosci. 7, 701-702 (2004).
