Summary

使用事件相关电位技术评估重度耳聋参与者的听觉触觉感觉替代训练

Published: September 07, 2022
doi:

Summary

该协议旨在通过应用事件相关电位技术,在听觉触觉感觉替代的短期训练后,探索严重耳聋受试者的潜在学习相关电生理变化。

Abstract

本文研究了基于脑电图的方法在评估年轻深度聋人(PD)参与者中音频触觉替代训练效果的应用,目的是分析与振动触觉复合体声音辨别相关的神经机制。脑电活动反映了动态的神经变化,事件相关电位(ERP)的时间精度已被证明是研究时间锁定过程的关键,同时执行涉及注意力和工作记忆的行为任务。

目前的协议旨在研究PD受试者的电生理活动,同时他们使用复杂声音刺激执行连续性能任务(CPT),由通过佩戴在右手食指上的便携式刺激器系统传递的五种不同的动物声音组成。作为重复测量设计,在标准条件下进行脑电图(EEG)记录,在简短的训练计划(15天内5次1小时)之前和之后进行,然后进行离线伪影校正和epoch平均,以获得单个和大平均波形。行为结果显示,训练后对目标刺激的辨别力有显着改善,并且对目标刺激的P3样中心顶正波形更强大。在该协议中,ERP有助于进一步了解与复杂声音的听觉触觉辨别相关的PD受试者中与学习相关的神经变化。

Introduction

早期严重耳聋是一种感觉缺陷,强烈影响口头语言习得和环境声音的感知,这些声音在听力正常的人的日常生活中起着至关重要的作用。保存完好且功能齐全的听觉感觉通路使我们能够在有人接近超出视觉范围时听到脚步声,对迎面而来的交通、救护车警报和安全警报做出反应,并在有人需要我们注意时响应我们自己的名字。因此,试听是言语、沟通、认知发展和与环境及时互动的重要感觉,包括对周围潜在威胁的感知。几十年来,人们一直在探索音频触觉替代作为一种替代声音感知方法的可行性,该方法有可能补充和促进严重听力受损者的语言发展,但结果有限1,23感官替代旨在通过不同于通常使用的人类感官渠道为用户提供环境信息;已经证明它可以跨越不同的感觉系统45。具体来说,当皮肤机械感受器可以将构成听觉信息的声波的物理能量转化为神经元激发模式时,就可以实现听觉触觉感觉替代,这些神经元激发模式可以被感知并与体感通路和高阶躯体感觉皮质区域整合6。

一些研究表明,深度耳聋的人可以仅通过振动触觉感知7 来区分音乐音色,并使用复杂振动触觉刺激8的频谱线索来区分同性说话者。最近的研究结果表明,聋人从简短,结构良好的听觉触觉感知培训计划中受益匪浅,因为他们显着提高了区分不同纯音频率9和具有 不同时间持续时间的纯音10的能力。这些实验使用事件相关电位(ERP),图形连接方法和定量脑电图(EEG)测量来描述和分析功能性大脑机制。然而,在本文之前尚未研究与复杂环境声音的辨别相关的神经活动。

ERP已被证明可用于研究时间锁定过程,具有令人难以置信的毫秒级时间分辨率,同时执行涉及注意力分配,工作记忆和响应选择的行为任务11。正如Luck,Woodman和Vogel12所描述的那样,ERP本质上是多维处理措施,因此非常适合单独测量认知的子组件。在ERP实验中,由刺激呈现引起的连续ERP波形可用于直接观察插入刺激和行为反应之间的神经活动。该技术的其他优点,例如其成本效益和非侵入性,使其成为研究临床人群认知过程的精确时间过程的完美选择。此外,ERP工具应用于重复测量设计,其中患者的脑电活动被多次记录以研究训练计划或干预后电活动的变化,从而进一步了解神经随时间的变化。

P3成分是研究最广泛的认知潜力13,目前被认为对各种刺激都有反应,最明显的是低概率的刺激,高强度或重要的刺激,或者需要某种行为或认知反应的刺激14。该组件也被证明在评估临床模型中的一般认知效率方面非常有用1516。评估 P3 波形变化的一个明显优势是,它是一种易于观察到的神经反应,因为与其他较小的分量相比,它的振幅更大;它具有特征性的中心顶形地形分布,并且使用适当的实验设计也相对容易引出171819

在此背景下,本研究的目的是探讨重度耳聋患者在接受振动触觉声音辨别短期训练后与学习相关的电生理变化。此外,ERP工具被应用于描绘任务所需的认知资源的临时参与背后的功能性大脑动态。

Protocol

该研究由神经科学研究所伦理委员会(ET062010-88,瓜达拉哈拉大学)审查和批准,确保所有程序均按照《赫尔辛基宣言》进行。所有参与者都同意自愿参加并给予书面知情同意(未成年时,父母签署同意书)。 1. 实验设计 刺激准备在知识共享许可的声音数据库中搜索,以选择一组.wav格式的动物声音。这项研究中的刺激由五种不同的动物声音组成:?…

Representative Results

为了说明如何通过评估一组17名PD个体(平均年龄= 18.5岁;SD = 7.2 年;8名女性和11名男性),我们创建了几个图形来描绘ERP波形。ERP图中显示的结果揭示了P3样中心顶正波形的变化,该波形在训练后对目标刺激更加稳健。在训练前条件下,ERP表明T和NT条件不像训练后条件那样明显区分。因此,建议五节训练计划对与复杂声音刺激判别相关的神经反应产生影响。图 3 显示了训练前?…

Discussion

使用ERP工具,我们设计了一个协议来观察和评估振动触觉辨别技能的逐渐发展,以区分不同纯色调的振动触觉表示。我们先前的工作已经证明,振动触觉刺激是深度耳聋个体的可行替代声音感知方法。然而,由于自然声音与纯音相比的复杂性,语言声音辨别的可能性值得单独探索。

作为朝着这个方向迈出的第一步,目前的协议侧重于ERP组件的时空外观,以进一步了解PD受试者…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们感谢所有与会者及其家属,以及使这项工作成为可能的机构,特别是哈利斯科州索尔多斯协会、拉科鲁尼亚协会、哈利斯科州默默斯文化与重建、包括教育、AC和预备第7号。我们还要感谢桑德拉·马尔克斯对这个项目的贡献。这项工作由GRANT SEP-CONACYT-221809,GRANT SEP-PRODEP 511-6 / 2020-8586-UDG-PTC-1594和神经科学研究所(墨西哥瓜达拉哈拉大学)资助。

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

  1. Rothenberg, M., Richard, D. M. Encoding fundamental frequency into vibrotactile frequency. The Journal of the Acoustical Society of America. 66 (4), 1029-1038 (1979).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Bach-y-Rita, P., Kercel, S. W. Sensory substitution and the human-machine interface. Trends in Cognitive Sciences. 7 (12), 541-546 (2003).
  5. Bach-y-Rita, P. Tactile sensory substitution studies. Annals of New York Academy of Sciences. 1013 (1), 83-91 (2004).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ammirante, P., Russo, F. A., Good, A., Fels, D. I. Feeling voices. PloS One. 8 (1), 369-377 (2013).
  9. González-Garrido, A. A., et al. Vibrotactile discrimination training affects brain connectivity in profoundly deaf individuals. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 28 (2017).
  10. 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).
  11. Polich, J. Updating P300: an integrative theory of P3a and P3b. Clinical Neurophysiology. 118 (10), 2128-2148 (2007).
  12. Luck, S. J., Woodman, G. F., Vogel, E. K. Event-related potential studies of attention. Trends in Cognitive Sciences. 4 (11), 432-440 (2000).
  13. 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).
  14. Barry, R. J., et al. Components in the P300: Don’t forget the Novelty P3. Psychophysiology. 57 (7), 13371 (2020).
  15. Polich, J. P300 clinical utility and control of variability. Journal of Clinical Neurophysiology. 15 (1), 14-33 (1998).
  16. Polich, J., Criado, J. R. Neuropsychology and neuropharmacology of P3a and P3b. International Journal of Psychophysiology. 60 (2), 172-185 (2006).
  17. Polich, J., Kok, A. Cognitive and biological determinants of P300: an integrative review. Biological Psychology. 41 (2), 103-146 (1995).
  18. Nieuwenhuis, S., Aston-Jones, G., Cohen, J. D. Decision making, the P3, and the locus coeruleus–norepinephrine system. Psychological Bulletin. 131 (4), 510 (2005).
  19. Luck, S. J. . An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , (2014).
  20. 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).
  21. Rac-Lubashevsky, R., Kessler, Y. Revisiting the relationship between the P3b and working memory updating. Biological Psychology. 148, 107769 (2019).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Cohen, J., Polich, J. On the number of trials needed for P300. International Journal ofPsychophysiology. 25 (3), 249-255 (1997).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Alsuradi, H., Park, W., Eid, M. EEG-based neurohaptics research: A literature review. IEEE Access. 8, 49313-49328 (2020).
check_url/cn/64266?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Ruiz-Stovel, V. D., González-Garrido, A. A., Gómez-Velázquez, F. R., Gallardo-Moreno, G. B., Villuendas-González, E. R., Soto-Nava, C. A. Assessment of Audio-Tactile Sensory Substitution Training in Participants with Profound Deafness Using the Event-Related Potential Technique. J. Vis. Exp. (187), e64266, doi:10.3791/64266 (2022).

View Video