Somatosensorische-Event Related Potentials uit Orofacial Skin Stretch Stimulatie
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
Spraakproductie afhankelijk van zowel auditieve en somatosensorische informatie. De auditieve en somatosensorische feedback voorkomen in combinatie vanaf de eerste geluiden geproduceerd door een kind en beide betrokken zijn in spraak motorisch leren. Recente resultaten suggereren dat somatosensorische processen bijdragen aan de perceptie en productie. Zo klinkt de identificatie van spraak wordt gewijzigd wanneer een robot apparaat rekt de huid van het gezicht als deelnemers luisteren naar auditieve stimuli 1. Lucht pufjes om de wang die samenvallen met auditieve stimuli spraak veranderen waarneming 2 oordelen deelnemers.
Deze somatosensorische effecten omvatten de activering van cutane mechanoreceptoren reactie op de huid vervorming. De huid wordt vervormd op verschillende wijzen tijdens beweging, en cutane mechanoreceptoren is gekend dat ze kinesthetisch gevoel 3,4. De kinesthetische rol van cutane mechanoreceptoren is demontoond door de recente bevindingen dat 5-7 voortbewegingsapparaten skin stammen behoren worden beschouwd als flexie of extensie beweging afhankelijk van het patroon van huidrek 6. In de loop van de toespraak motor opleiding, die is de herhaling van specifieke spraakuiting bij gelijktijdig gezichtshuid stretch toespraak, articulatorische patronen veranderen in een adaptieve manier 7. Deze studies geven aan dat modulerende huidrek tijdens werking verschaft een methode om de bijdrage van cutane afferente vezels naar de kinetische werking van de sensorimotorische systeem.
De kinesthetische functie van orofaciale cutane mechanoreceptoren is voornamelijk bestudeerd met behulp van psychofysiologische methoden 7,8 en micro-elektrode hercoderen van gevoelszenuwen 9,10. Hier, het huidige protocol is gericht op de combinatie van orofaciale somatosensorische stimulatie geassocieerd met gezichtshuid vervorming en event gerelateerde potentiaal (ERP) opnemen. This procedure nauwkeurige experimentele controle over de richting en de timing van de gezichtshuid vervorming met behulp van een computergestuurde robot apparaat. Dit stelt ons in staat om specifieke hypotheses over de bijdrage van de somatosensorische om spraak productie en perceptie testen door het selectief en nauwkeurig vervormen gezichtshuid in een breed scala van oriëntaties tijdens zowel spraak motorisch leren en direct in toespraak productie en perceptie. ERP-opname worden gebruikt om niet-invasief evalueren van de tijdelijke patroon en de timing van de invloed van somatosensorische stimulering van orofacial gedrag. Het huidige protocol kan vervolgens de neurale correlaten van kinesthetische functie evalueren en beoordelen van de bijdrage van de somatosensorische systeem om zowel spraakverwerking, spraak productie en spraakverstaan.
Om de bruikbaarheid van de toepassing van huidrek stimulatie ERP opnemen tonen het volgende protocol wordt de interactie van somatosensorische en auditieve input speech perception. De resultaten benadrukken een mogelijke methode om somatosensorische-auditieve interactie beoordelen toespraak.
Protocol
Representative Results
Discussion
De studies gemeld hier bewijzen dat precies gecontroleerde somatosensorische stimulatie die wordt geproduceerd door de gezichtshuid deformatie induceert corticale ERP. Cutane afferenten staan bekend als een rijke bron van informatie kinesthetische 3,4 in de menselijke beweging van de ledematen 5,6 en spraak beweging 7,8,21. Het oprekken van de gezichtshuid zodanig dat de werkelijke bewegingsrichting tijdens het spreken weerspiegelt induceert een kinesthetische zin vergelijkbaar met…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het National Institute on Doofheid en andere communicatie-stoornissen Grants R21DC013915 en R01DC012502, het Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada en de Europese Onderzoeksraad in het kader van het zevende kaderprogramma van de Europese Gemeenschap (FP7 / 2007-2013 subsidieovereenkomst nr. 339.152 ).
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 |
References
- 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. Â., 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, S1875-1881 (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. Â., 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).
