Evaluación del entrenamiento de sustitución sensorial audiotáctil en participantes con sordera profunda utilizando la técnica de potencial relacionado con el evento

Resumen

Este protocolo está diseñado para explorar los cambios electrofisiológicos subyacentes relacionados con el aprendizaje en sujetos con sordera profunda después de un corto período de entrenamiento en sustitución sensorial audiotáctil mediante la aplicación de la técnica de potencial relacionado con eventos.

Resumen

Este artículo examina la aplicación de métodos basados en electroencefalograma para evaluar los efectos del entrenamiento de sustitución audiotáctil en participantes jóvenes y sordos profundos (PD), con el objetivo de analizar los mecanismos neuronales asociados con la discriminación de sonidos complejos vibrotáctiles. La actividad eléctrica del cerebro refleja cambios neuronales dinámicos, y la precisión temporal de los potenciales relacionados con eventos (ERP) ha demostrado ser clave en el estudio de los procesos bloqueados en el tiempo mientras se realizan tareas conductuales que involucran la atención y la memoria de trabajo.

El protocolo actual fue diseñado para estudiar la actividad electrofisiológica en sujetos con EP mientras realizaban una tarea de rendimiento continuo (CPT) utilizando estímulos de sonido complejos, que consisten en cinco sonidos diferentes de animales entregados a través de un sistema estimulador portátil que se usa en el dedo índice derecho. Como diseño de medidas repetidas, se realizaron grabaciones de electroencefalograma (EEG) en condiciones estándar antes y después de un breve programa de entrenamiento (cinco sesiones de 1 hora durante 15 días), seguidas de corrección de artefactos fuera de línea y promedio de época, para obtener formas de onda individuales y grandes. Los resultados conductuales muestran una mejora significativa en la discriminación y una forma de onda positiva centroparietal similar a P3 más robusta para los estímulos objetivo después del entrenamiento. En este protocolo, los ERP contribuyen a una mayor comprensión de los cambios neuronales relacionados con el aprendizaje en sujetos con EP asociados con la discriminación audiotáctil de sonidos complejos.

Introducción

La sordera profunda temprana es un déficit sensorial que afecta fuertemente la adquisición del lenguaje oral y la percepción de los sonidos ambientales que juegan un papel esencial en la navegación de la vida cotidiana de las personas con audición normal. Una vía sensorial auditiva preservada y funcional nos permite escuchar pasos cuando alguien se acerca fuera del alcance visual, reaccionar al tráfico que se aproxima, sirenas de ambulancias y alarmas de seguridad, y responder a nuestro propio nombre cuando alguien necesita nuestra atención. La audición es, por lo tanto, un sentido vital para el habla, la comunicación, el desarrollo cognitivo y la interacción oportuna con el entorno, incluida la percepción de amenazas potenciales en el entorno. Durante décadas, se ha explorado la viabilidad de la sustitución audiotáctil como un método alternativo de percepción del sonido con el potencial de complementar y facilitar el desarrollo del lenguaje en individuos con discapacidad auditiva severa con resultados limitados ^1,2,3. La sustitución sensorial tiene como objetivo proporcionar a los usuarios información ambiental a través de un canal sensorial humano diferente del que se utiliza normalmente; Se ha demostrado que es posible a través de diferentes sistemas sensoriales ^4,5. Específicamente, la sustitución sensorial audiotáctil se logra cuando los mecanorreceptores de la piel pueden transducir la energía física de las ondas sonoras que componen la información auditiva en patrones de excitación neuronal que pueden ser percibidos e integrados con las vías somatosensoriales y las áreas corticales somatosensoriales de orden superior⁶.

Varios estudios han demostrado que los individuos con sordera profunda pueden distinguir el timbre musical únicamente a través de la percepción vibrotáctil⁷ y discriminar entre hablantes del mismo sexo utilizando señales espectrales de estímulos vibrotáctiles complejos⁸. Hallazgos más recientes han demostrado que las personas sordas se beneficiaron concretamente de un programa de entrenamiento de percepción audiotáctil breve y bien estructurado, ya que mejoraron significativamente su capacidad para discriminar entre diferentes frecuencias de tonos puros⁹ y entre tonos puros con diferente duración temporal¹⁰. Estos experimentos utilizaron potenciales relacionados con eventos (ERP), métodos de conectividad gráfica y mediciones cuantitativas de electroencefalograma (EEG) para representar y analizar los mecanismos cerebrales funcionales. Sin embargo, la actividad neuronal asociada con la discriminación de sonidos ambientales complejos no se ha examinado antes de este artículo.

Los ERP han demostrado ser útiles para estudiar procesos bloqueados en el tiempo, con una resolución de tiempo increíble del orden de milisegundos, mientras se realizan tareas conductuales que involucran asignación de atención, memoria de trabajo y selección de respuestas¹¹. Como lo describen Luck, Woodman y Vogel¹², los ERP son medidas de procesamiento intrínsecamente multidimensionales y, por lo tanto, son adecuadas para medir por separado los subcomponentes de la cognición. En un experimento ERP, la forma de onda ERP continua provocada por la presentación de un estímulo se puede utilizar para observar directamente la actividad neuronal que se interpone entre el estímulo y la respuesta conductual. Otras ventajas de la técnica, como su rentabilidad y su naturaleza no invasiva, la convierten en una opción perfecta para estudiar el curso preciso de los procesos cognitivos en poblaciones clínicas. Además, las herramientas ERP aplicadas en un diseño de medidas repetidas, en el que la actividad cerebral eléctrica de los pacientes se registra más de una vez para estudiar los cambios en la actividad eléctrica después de un programa de entrenamiento o intervención, proporcionan más información sobre los cambios neuronales a lo largo del tiempo.

El componente P3, siendo el potencial cognitivo más ampliamente investigado¹³, actualmente es reconocido por responder a todo tipo de estímulos, más aparentemente a estímulos de baja probabilidad, o de alta intensidad o significación, o que requieren alguna respuesta conductual o cognitiva¹⁴. Este componente también ha demostrado ser extremadamente útil en la evaluación de la eficiencia cognitiva general en modelos clínicos^15,16. Una clara ventaja de evaluar los cambios en la forma de onda P3 es que es una respuesta neuronal fácilmente observable debido a su mayor amplitud en comparación con otros componentes más pequeños; Tiene una distribución topográfica centroparietal característica y también es relativamente fácil de obtener utilizando el diseño experimental apropiado^17,18,19.

En este contexto, el objetivo de este estudio es explorar los cambios electrofisiológicos relacionados con el aprendizaje en pacientes con sordera profunda después de un entrenamiento durante un corto período en la discriminación del sonido vibrotáctil. Además, las herramientas ERP se aplican para representar la dinámica funcional del cerebro que subyace al compromiso temporal de los recursos cognitivos demandados por la tarea.

Protocolo

El estudio fue revisado y aprobado por el Comité de Ética del Instituto de Neurociencias (ET062010-88, Universidad de Guadalajara), asegurando que todos los procedimientos se llevaron a cabo de acuerdo con la Declaración de Helsinki. Todos los participantes aceptaron participar voluntariamente y dieron su consentimiento informado por escrito (cuando eran menores de edad, los padres firmaron formularios de consentimiento).

1. Diseño experimental

1. Preparación del estímulo
   1. Busque en bases de datos de sonido con licencia Creative Commons para seleccionar un conjunto de sonidos de animales en formato .wav. Los estímulos en este estudio consistieron en cinco sonidos diferentes de animales: ladridos de perros, mugidos de vacas, relinchos de caballos, rebuznos de burros y trompetas de elefantes.
      NOTA: Los estímulos sonoros utilizados aquí fueron previamente seleccionados como una colección de sonidos para el programa de entrenamiento de discriminación vibrotáctil en nuestros estudios anteriores ^9,10.
   2. Edite los archivos de sonido utilizando un editor de audio gratuito de código abierto para estandarizar la intensidad y la duración de los estímulos a 1500 ms. Para este protocolo, estandarizar a escala lineal de 0 a 8000 Hz, a una ganancia de 20 dB, y a un rango de 80 dB en base a los parámetros establecidos en los estudios previos ^9,10 utilizando el mismo sistema de estimulación vibrotáctil.
   3. Guarde los archivos de audio formateados en un formato flotante de 32 bits con una velocidad de proyecto de 48.000 Hz.
2. Configuración del paradigma en el software de presentación de electrofisiología
   1. Diseñar una tarea de rendimiento continuo (CPT) utilizando un software de diseño experimental y presentación de estímulos, asignando los estímulos a una de las dos condiciones: (a) estímulo objetivo (T) (ladridos de perros en el 20% de los ensayos) y (b) estímulos no objetivo (NT) (los cuatro sonidos de animales restantes para el otro 80%).
      NOTA: Cada condición se etiquetó con el mismo código para sincronizar las marcas de presentación de estímulos al programar el protocolo EEG en el software de grabación.
   2. Construya una presentación de estímulo pseudoaleatoria utilizando la plataforma de software en la que los cinco sonidos de animales (perro, vaca, caballo, burro y elefante) se presentan cada uno el 20% del tiempo. Verifique que el estímulo objetivo (ladridos del perro) nunca ocurra más de dos veces seguidas.
   3. Especifique el intervalo interestímulo deseado (ISI) y el tiempo de respuesta total, y seleccione las teclas de respuesta que se utilizarán para recopilar automáticamente datos de comportamiento para las respuestas de estímulos objetivo (T). Aquí, una lista ISI fija de 2000 ms para 150 ensayos y la respuesta correcta para los estímulos T se programaron a través de la tecla de control izquierda en un teclado de computadora estándar. A los participantes se les dio una ventana de tiempo de 3500 ms para una respuesta conductual (comenzando en la presentación del estímulo).

2. Selección de participantes

1. Reclutar participantes potenciales con un diagnóstico profundo de pérdida auditiva neurosensorial bilateral y recopilar datos demográficos, incluida la edad, el sexo, la preferencia de las manos y el historial educativo.
2. Realizar entrevistas clínicas semiestructuradas para evaluar a los participantes en busca de antecedentes personales o familiares de enfermedades psiquiátricas, neurológicas o neurodegenerativas y para recopilar información relacionada con la historia clínica de la sordera: la edad de inicio, la etiología y el historial de uso de audífonos, así como su modo de comunicación preferido (oral, manual o bilingüe).
3. Realice pruebas audiológicas (umbrales de audición de aire de tono puro) utilizando un audiómetro para confirmar la gravedad de la pérdida auditiva.
   1. En una habitación con sonido atenuado, siéntese directamente frente al participante y colóqueles los auriculares correctamente.
   2. Indique a los participantes que levanten su mano dominante para señalar cada vez que puedan escuchar el tono que se presenta a través de los auriculares.
   3. Que van desde los niveles de intensidad de 20 dB a 110 dB, presentan un tono puro a seis octavas en el siguiente orden ascendente: 250, 500, 1000, 2000, 4000 y 8000 Hz, comenzando con el oído izquierdo y repitiendo los mismos pasos para el oído derecho.
      1. Calcule el promedio de tonos puros (PTA) del paciente promediando los umbrales de audición en 500, 1000, 2000 y 4000 Hz para cada oído. El criterio de inclusión de la gravedad de la pérdida auditiva para el estudio es un promedio bilateral de tonos puros (PTA) superior a 90 dB.
      2. Seleccione a los participantes según los criterios de elegibilidad. Los criterios de inclusión también incluyen la ausencia de antecedentes personales o familiares de enfermedades psiquiátricas, neurológicas o neurodegenerativas y la sordera bilateral profunda prelingual no sindrómica. Obtener el consentimiento informado y explicar los procedimientos experimentales a los participantes.
         NOTA: Todos los formularios, cuestionarios e instrucciones utilizados en el estudio fueron traducidos a la lengua de señas mexicana (MSL) por un intérprete profesional de MSL y se presentaron en formato de video utilizando una tableta. Además, un intérprete de MSL estuvo presente durante todos los procedimientos del estudio.

3. Sesión de grabación de EEG previa al entrenamiento

1. Preparación de los participantes
   1. Verifique que los participantes hayan llegado a la sesión de grabación con el cabello limpio y seco, sin haber usado ningún gel para el cabello, acondicionador u otros productos para el cabello que afecten la impedancia de los electrodos.
   2. Pida a los participantes que se sienten en una posición cómoda, aproximadamente a 60 cm de distancia de la pantalla de estímulo, y use la tableta para reproducir el videoclip MSL con la descripción del procedimiento de preparación.
   3. Limpie las áreas donde se colocarán los electrodos de referencia y electrooculograma (EOG) (lóbulos de las orejas, frente, canto externo, crestas orbitarias infraoculares, etc.). Primero, limpie la piel con un hisopo con alcohol y luego aplique el gel de preparación abrasivo EEG suavemente con un hisopo de algodón para exfoliar las células muertas de la piel en la superficie.
   4. Llene la copa de oro del electrodo con pasta conductora de electrodos y coloque un electrodo en cada sitio de referencia, generalmente en los lóbulos de las orejas derecha e izquierda o mastoides. Repita los pasos para colocar al menos un EOG vertical en el canto exterior y un EOG horizontal en la cresta orbital infraocular para monitorear la actividad oculomotora (parpadeos y sacadas). Mantenga los electrodos individuales en su lugar con un trozo de 1 en cinta de microporos.
   5. Pida a los participantes que mantengan sus brazos rectos horizontalmente y luego coloquen el arnés corporal firmemente pero cómodamente alrededor del pecho debajo de las axilas con los broches en el medio del pecho.
   6. Coloque el electro-cap comercial EEG con 19 electrodos Ag/AgCl (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz y Pz) dispuestos topográficamente de acuerdo con el sistema internacional 10-20. Use una cinta métrica para verificar la circunferencia de la cabeza del participante para asegurarse de usar el tamaño adecuado de la tapa.
   7. Alinee el electrodo Cz con la nariz y luego mida la distancia desde la nasión hasta el inion para que el electrodo Cz caiga precisamente en el medio. Abotona las correas ajustables en los lados de la tapa al arnés del cuerpo para que la tapa eléctrica quede firmemente apretada.
   8. Coloque la jeringa de aguja roma llena de gel dentro del electrodo, rodee la aguja para eliminar el vello y luego desgaste suavemente la región del cuero cabelludo debajo del electrodo antes de aplicar el gel conductor. No aplique demasiado gel para evitar el puente eléctrico con los sitios de electrodos vecinos.
   9. Deje que el gel conductor de EEG se seque a temperatura ambiente fresca.
2. Configuración del equipo de grabación de EEG
   1. Calibre el sistema de EEG según las instrucciones del instrumento, luego conecte la tapa eléctrica al conjunto del amplificador a un paso de banda de 0.05-30 Hz (puntos de corte de 3 dB de curvas de roll-off de 6 dB / octava), un filtro de muesca de 60 Hz y una frecuencia de muestreo de 200 Hz igual a un período de muestreo de 5 ms.
   2. Compruebe que la impedancia es inferior a 5 KΩ (para un sistema de baja impedancia) en todos los sitios de electrodos y compruebe en el monitor que todos los canales registran suavemente las señales eléctricas.
3. Ejecución de la tarea experimental
   1. Coloque al participante frente al monitor de la computadora y coloque el teclado a una distancia cómoda.
   2. Conecte el cable del dispositivo estimulador portátil (consulte la figura 1) a la toma del altavoz del sistema informático y ajuste el volumen del altavoz al nivel de intensidad máximo.
   3. Ajuste el sistema estimulador portátil en la yema del dedo índice derecho del participante y pruebe.
   4. Usando el dispositivo de tableta, reproduzca las instrucciones del experimento y ejecute una prueba de práctica para familiarizar al sujeto con el dispositivo estimulador portátil, los estímulos audiotáctiles y la tarea. Repita las instrucciones de MSL y verifique la comprensión.
   5. Recuérdele al participante que responda al estímulo del ladrido del perro presionando la tecla de control izquierda con su dedo índice izquierdo solo al detectar el estímulo objetivo y que retenga su respuesta cuando se perciba cualquiera de los otros cuatro sonidos de animales. El paradigma experimental CPT se representa en la Figura 2.
   6. Proporcione instrucciones claras sobre cómo minimizar los artefactos y demostrar el efecto de los artefactos en el EEG en tiempo real antes de comenzar a grabar (recomendado como un procedimiento de registro estándar en la investigación con poblaciones clínicas²⁰).
   7. Antes de iniciar la tarea CPT, compruebe que la sincronización de eventos entre el ordenador de estimulación cognitiva y el ordenador de grabación de EEG funciona correctamente. Para hacerlo, comience a grabar la señal de EEG y haga clic en el icono de comunicación en la interfaz del software de presentación de estímulos. Al hacer clic, los pulsos sincronizados con eventos aparecen en la parte inferior de la pantalla de grabación de EEG.
   8. Ejecute la tarea experimental. Observe cuidadosamente al participante y controle el estado de alerta, la ejecución de la respuesta y el movimiento excesivo o el parpadeo.
   9. Haga una pausa y permita al participante un breve descanso en medio del experimento (a los 4 minutos en el experimento) para permitirle parpadear, relajarse y moverse si es necesario. Termine de ejecutar el experimento.

4. Programa de entrenamiento de sustitución sensorial audiotáctil

1. Consulte el Archivo Suplementario 1, que contiene una descripción detallada del programa de cinco sesiones, para realizar la capacitación. Automatice las actividades descritas utilizando una hoja de cálculo para que la capacitación sea más sistemática y atractiva para los participantes. Use imágenes originales y grabaciones de audio de⁹ y pida a los participantes que respondan tocando un monitor de pantalla táctil de computadora portátil.
   NOTA: El contenido y las tablas de este archivo se han reimpreso con permiso de⁹.

5. Sesión de grabación de EEG posterior al entrenamiento

1. Repita exactamente los mismos pasos especificados en la sección 3.

6. Análisis EEG

NOTA: Los pasos de adquisición del EEG se realizaron utilizando el software de grabación del EEG, y los pasos de procesamiento del EEG se realizaron utilizando un software de análisis de EEG separado.

1. Preprocesamiento de señal sin procesar EEG
   1. Defina y seleccione épocas de 1100 ms en los datos de EEG continuo, sin el uso de filtros digitales adicionales, utilizando el inicio del estímulo como el instante de tiempo inicial (t0), e incluyendo un preestímulo de 100 ms utilizado para la corrección de la línea de base. La Figura complementaria 1 ilustra cómo se seleccionaron las épocas de 1100 ms de acuerdo con el software comercial de análisis de EEG instalado en el equipo de grabación de EEG.
   2. Durante el rechazo de artefactos, excluya épocas de datos en todos los canales cuando el voltaje en una época de grabación dada supere los 100 μV en cualquier canal EEG o EOG. Además, rechace los artefactos mediante la inspección visual de las épocas. Ver Figura Suplementaria 2, que proporciona un ejemplo de épocas que fueron rechazadas manualmente debido a artefactos oculares.
2. Promedio de señal
   1. Seleccione un número igual de épocas libres de artefactos para cada condición de estímulo (objetivo y no objetivo) tanto en las condiciones previas como posteriores al entrenamiento. Seleccione las épocas máximas posibles para mejorar la relación señal-ruido. Haga esto para cada registro de EEG.
      NOTA: En este protocolo, seleccionamos un promedio de 25 épocas de respuesta correcta por condición en cada punto temporal, ya que estábamos interesados en evaluar la discriminación objetivo. Tenga en cuenta que algunos componentes de ERP no requieren respuestas de comportamiento abiertas para ser observados. Los participantes con menos de 15 épocas libres de artefactos en cada condición fueron excluidos del estudio.
   2. Haga clic en el menú Operaciones y seleccione la opción de promedio de la ventana EEG para promediar ERP individuales.
   3. Primero, seleccione la opción Promedio independiente para promediar solo los ensayos objetivo. Luego, seleccione los otros cuatro estímulos no objetivo y haga clic en la opción Promedio juntos para promediar.
   4. Repita los pasos 6.2.2 y 6.2.3 para el registro de EEG de cada participante en la condición previa al entrenamiento y luego para la condición posterior al entrenamiento.
   5. Una vez que se calculan todos los ERP individuales, promediarlos juntos para obtener las formas de onda de la gran media por condición de estímulo para el pre y el post-entrenamiento. Abra cualquier promedio de EP individual, luego vaya al menú Operaciones y seleccione la opción Promedio de gran media . Seleccione los promedios individuales del participante para incluirlos en el promedio del grupo.
   6. Elija todos los promedios objetivo de preentrenamiento de la lista desplegable, luego haga clic en el botón Promedio , escriba el nombre de archivo deseado y presione la tecla Retorno para guardar. A continuación, seleccione todos los promedios no objetivo previos al entrenamiento de la lista desplegable, haga clic en el botón Promedio , escriba el nombre de archivo deseado y vuelva a presionar la tecla Retorno para guardar.
   7. Repita los pasos anteriores para la condición posterior al entrenamiento.
3. Visualización y análisis de ERP
   1. Seleccione el menú Operaciones para ver la lista de grandes medios guardados. Luego haga clic en los promedios del grupo que desea trazar. A continuación, haga clic en el botón Montaje para seleccionar los canales que desea trazar.
   2. Vaya al menú Herramientas , luego haga clic en Opciones de visualización para seleccionar el color y el ancho de línea de cada forma de onda. Luego haga clic en el menú Señal , marque la casilla de corrección de CC , escriba el intervalo de estímulo de referencia deseado y luego presione la tecla Retorno .
   3. Inspeccione cuidadosamente las formas de onda grand-mean trazadas para identificar los componentes de interés y sus correspondientes ventanas de tiempo.
      NOTA: Para este experimento, sabíamos que las formas de onda, debido al diseño de la tarea y al estudio de las vías sensoriales para P3, muy probablemente serían un componente positivo que aparecería después de 300 ms en electrodos centroparietales y con mayores amplitudes de voltaje en la condición objetivo.
   4. Exporte latencias y voltajes de amplitud máxima individuales y, a continuación, importe datos en una hoja de cálculo para crear la base de datos. Realice un Análisis de Varianza de Medidas Repetidas (ANOVA) utilizando un software de estadísticas.

Resultados

Ilustrar cómo se puede evaluar el efecto del entrenamiento de discriminación por sustitución sensorial audiotáctil en individuos con EP mediante la evaluación de los cambios en P3 en un grupo de 17 individuos con DP (edad media = 18,5 años; DE = 7,2 años; ocho mujeres y 11 hombres), creamos varias figuras para representar las formas de onda del ERP. Los resultados mostrados en los gráficos ERP revelan cambios en una forma de onda positiva centroparietal similar a P3 que es más robusta para los estímulos objetiv...

Discusión

Utilizando herramientas ERP, diseñamos un protocolo para observar y evaluar el desarrollo gradual de las habilidades de discriminación vibrotáctil para distinguir representaciones vibrotáctiles de diferentes tonos puros. Nuestro trabajo previo ha demostrado que la estimulación vibrotáctil es un método alternativo viable de percepción del sonido para personas con sordera profunda. Sin embargo, debido a la complejidad de los sonidos naturales en comparación con los tonos puros, el potencial de discriminación del ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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