Оценка аудиотактильной сенсорной заместительной тренировки у участников с глубокой глухотой с использованием техники потенциала, связанной с событиями

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

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 корковыми^{областями} 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 моделях^15,16. 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.

протокол

Исследование было рассмотрено и одобрено Комитетом по этике Института неврологии (ET062010-88, Университет Гвадалахары), гарантируя, что все процедуры были проведены в соответствии с Хельсинкской декларацией. Все участники согласились участвовать добровольно и дали письменное информированное согласие (при несовершеннолетними родители подписывали формы согласия).

1. Экспериментальное проектирование

1. Подготовка стимулов
   1. Выполните поиск в лицензированных звуковых базах данных Creative Commons, чтобы выбрать набор звуков животных в .wav формате. Стимулы в этом исследовании состояли из пяти различных звуков животных: собачий лай, коровье мычание, дрожь лошади, ослиное бряцание и труба слона.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Звуковые стимулы, используемые здесь, были ранее выбраны в качестве коллекции звуков для программы обучения вибротактильной дискриминации в наших более ранних исследованиях ^9,10.
   2. Редактируйте звуковые файлы с помощью бесплатного аудиоредактора с открытым исходным кодом, чтобы стандартизировать интенсивность и длину стимулов до 1500 мс. Для этого протокола стандартизируют в линейной шкале от 0 до 8000 Гц, при усилении 20 дБ и в диапазоне 80 дБ на основе параметров, установленных в предыдущих исследованиях ^9,10 с использованием той же системы вибротактильной стимуляции.
   3. Сохраните отформатированные аудиофайлы в 32-разрядном плавающем формате со скоростью проектирования 48 000 Гц.
2. Установка парадигмы в презентационном программном обеспечении электрофизиологии
   1. Разработайте задачу непрерывного выполнения (CPT) с использованием экспериментального программного обеспечения для проектирования и представления стимулов, назначив стимулы одному из двух условий: (a) целевой (T) стимул (лай собаки в 20% испытаний) и (b) нецелевые (NT) стимулы (остальные четыре звука животных для остальных 80%).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Каждое условие было помечено одним и тем же кодом для синхронизации знаков представления стимулов при программировании протокола ЭЭГ в записывающем программном обеспечении.
   2. Создайте псевдо-рандомизированную презентацию стимулов с помощью программной платформы, в которой пять звуков животных (собака, корова, лошадь, осел и слон) представлены в 20% случаев. Убедитесь, что целевой стимул (лай собаки) никогда не возникает более двух раз подряд.
   3. Укажите желаемый межстимульный интервал (ISI) и общее время отклика, а также выберите клавиши ответа, которые будут использоваться для автоматического сбора поведенческих данных для целевых (Т) реакций на стимулы. Здесь фиксированный список ISI 2000 мс для 150 испытаний и правильный ответ для T-стимулов были запрограммированы с помощью левой клавиши управления на стандартной клавиатуре компьютера. Участникам было дано временное окно 3500 мс для поведенческой реакции (начиная с презентации стимула).

2. Выбор участников

1. Набирайте потенциальных участников с глубоким двусторонним диагнозом сенсоневральной потери слуха и собирайте демографические данные, включая возраст, пол, предпочтения рук и историю образования.
2. Проводить полуструктурированные клинические интервью для скрининга участников на личную или семейную историю психиатрических, неврологических или нейродегенеративных заболеваний и собирать информацию, относящуюся к клинической истории глухоты: возраст начала, этиология и история использования слуховых аппаратов, а также их предпочтительный способ общения (устный, ручной или двуязычный).
3. Проведите аудиологические тесты (чистотональные воздушные пороги слуха) с использованием аудиометра для подтверждения тяжести потери слуха.
   1. В комнате с ослабленным звуком сядьте прямо перед участником и правильно наденьте на него наушники.
   2. Попросите участников поднять свою доминирующую руку, чтобы сигнализировать всякий раз, когда они могут услышать тон, представленный через наушники.
   3. В диапазоне от 20 дБ до 110 дБ уровни интенсивности представляют чистый тон на шести октавах в следующем порядке возрастания: 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц, начиная с левого уха и повторяя те же шаги для правого уха.
      1. Рассчитайте среднее значение чистого тона пациента (PTA), усреднив пороги слуха на уровне 500, 1000, 2000 и 4000 Гц для каждого уха. Критерием включения тяжести потери слуха для исследования является двустороннее среднее значение чистого тона (PTA), превышающее 90 дБ.
      2. Отбирайте участников на основе критериев приемлемости. Критерии включения также включают отсутствие личной или семейной истории психиатрических, неврологических или нейродегенеративных заболеваний и несиндромную, прелингвальную глубокую двустороннюю глухоту. Получить информированное согласие и объяснить участникам экспериментальные процедуры.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Все формы, анкеты и инструкции, использованные в исследовании, были переведены на мексиканский язык жестов (MSL) профессиональным переводчиком MSL и были представлены в видеоформате с использованием планшетного компьютера. Кроме того, во время всех учебных процедур присутствовал переводчик MSL.

3. Предтренировочная сессия записи ЭЭГ

1. Подготовка участников
   1. Убедитесь, что участники пришли на сеанс записи с чистыми и сухими волосами, не использовав гель для волос, кондиционер или другие продукты для волос, которые влияют на импеданс электродов.
   2. Попросите участников сесть в удобное положение, примерно в 60 см от экрана стимула, и с помощью планшетного устройства воспроизвести видеоклип MSL с описанием процедуры подготовки.
   3. Очистите участки, где будут размещены опорные и электроокулографические (ЭОГ) электроды (мочки ушей, лоб, наружный кантус, инфраокулярные орбитальные гребни и т.д.). Сначала протрите кожу спиртовым тампоном, а затем аккуратно нанесите ээг-абразивно-подготовительный гель ватным тампоном, чтобы отшелушить мертвые клетки кожи на поверхности.
   4. Заполните золотую чашку электрода проводящей электродной пастой и поместите электрод на каждый опорный участок, обычно на правой и левой мочках ушей или мастоидах. Повторите шаги, чтобы поместить по крайней мере один вертикальный EOG на внешнем кантусе и один горизонтальный EOG на инфраокулярном орбитальном гребне для мониторинга глазодвигательной активности (моргания и саккады). Удерживайте одиночные электроды на месте куском 1 в микропоровой ленте.
   5. Попросите участников держать руки прямо горизонтально, а затем плотно, но удобно облегать обвязку туловища вокруг груди под мышками с защелками в середине груди.
   6. Поместите коммерческий электроколпачок ЭЭГ с 19 электродами Ag/AgCl (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz и Pz), расположенными в соответствии с международной системой 10-20. Используйте измерительную ленту, чтобы проверить окружность головы участника, чтобы убедиться, что вы используете правильный размер колпачка.
   7. Выровняйте электрод Cz с носом, а затем измерьте расстояние от носа до иниона, чтобы электрод Cz упал точно посередине. Пристегните регулируемые ремни по бокам колпачка к жгуту корпуса так, чтобы электроколпачок был надежно затянут.
   8. Поместите заполненный гелем шприц с тупой иглой внутрь электрода, обведите иглу, чтобы удалить волосы, а затем аккуратно истирайте область кожи головы под электродом перед нанесением проводящего геля. Не наносите слишком много геля, чтобы избежать электрического моста с соседними участками электродов.
   9. Дайте проводящему гелю ЭЭГ высохнуть при прохладной комнатной температуре.
2. Настройка записывающего оборудования ЭЭГ
   1. Откалибруйте систему ЭЭГ в соответствии с инструкциями прибора, затем подключите электроколпачок к усилителю, установленному на полосе пропускания 0,05-30 Гц (точки отсечения 3 дБ кривых отката 6 дБ/октава), насечку-фильтр 60 Гц и частоту дискретизации 200 Гц, равную периоду дискретизации 5 мс.
   2. Убедитесь, что импеданс ниже 5 кОм (для системы с низким импедансом) во всех участках электродов и проверьте на мониторе, что все каналы плавно регистрируют электрические сигналы.
3. Выполнение экспериментальной задачи
   1. Расположите участника перед монитором компьютера и расположите клавиатуру на удобном расстоянии.
   2. Подключите кабель портативного стимулирующего устройства (см. рисунок 1) к розетке динамика компьютерной системы и установите громкость динамика на максимальный уровень интенсивности.
   3. Отрегулируйте портативную систему стимулятора на правом указательном пальце участника и проведите тест.
   4. Используя планшетное устройство, воспроизведите инструкции эксперимента и выполните практическое испытание, чтобы ознакомить субъекта с портативным стимулирующим устройством, аудиотактильными стимулами и заданием. Повторите инструкции MSL и проверьте понимание.
   5. Напомните участнику, чтобы он реагировал на стимул лая собаки, нажимая левую клавишу управления левым указательным пальцем только при обнаружении целевого стимула, и сдерживал свою реакцию, когда воспринимается любой из других четырех звуков животных. Экспериментальная парадигма CPT представлена на рисунке 2.
   6. Предоставьте четкие инструкции о том, как минимизировать артефакты и продемонстрировать влияние артефактов на ЭЭГ в режиме реального времени, прежде чем начать запись (рекомендуется в качестве стандартной процедуры записи в исследованиях с клиническими популяциями²⁰).
   7. Перед началом задачи CPT убедитесь, что синхронизация событий между компьютером когнитивной стимуляции и компьютером записи ЭЭГ работает правильно. Для этого начните запись сигнала ЭЭГ и нажмите на значок связи в интерфейсе программного обеспечения для представления стимулов. При щелчке синхронизированные с событиями импульсы появляются в нижней части экрана записи ЭЭГ.
   8. Запустите экспериментальную задачу. Внимательно наблюдайте за участником и следите за бдительностью, выполнением реакции, чрезмерным движением или морганием.
   9. Сделайте паузу и дайте участнику небольшой перерыв в середине эксперимента (через 4 минуты в эксперименте), чтобы он мог моргать, расслабляться и двигаться, если это необходимо. Завершите выполнение эксперимента.

4. Программа тренировки аудиотактильной сенсорной замещения

1. Обратитесь к дополнительному файлу 1, который содержит подробное описание программы из пяти сеансов, чтобы выполнить обучение. Автоматизируйте описанные действия с помощью электронной таблицы, чтобы сделать обучение более систематическим и привлекательным для участников. Используйте оригинальные изображения и аудиозаписи из⁹ и попросите участников ответить, нажав на монитор с сенсорным экраном ноутбука.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Содержимое и таблицы в этом файле были перепечатаны с разрешения^{от 9}.

5. Послетренировочная сессия записи ЭЭГ

1. Повторите те же шаги, что и в разделе 3.

6. Анализ ЭЭГ

ПРИМЕЧАНИЕ: Этапы получения ЭЭГ были выполнены с использованием программного обеспечения для регистрации ЭЭГ, а этапы обработки ЭЭГ были выполнены с использованием отдельного программного обеспечения для анализа ЭЭГ.

1. Предварительная обработка необработанного сигнала ЭЭГ
   1. Определить и выбрать эпохи 1100 мс в непрерывных данных ЭЭГ, без использования дополнительных цифровых фильтров, используя начало стимула в качестве начального мгновенного времени (t0), и включая предварительный стимул 100 мс, используемый для коррекции исходного уровня. Дополнительный рисунок 1 иллюстрирует, как эпохи 1100 мс были выбраны в соответствии с коммерческим программным обеспечением для анализа ЭЭГ, установленным в записывающем оборудовании ЭЭГ.
   2. При отбраковке артефактов исключают периоды данных по всем каналам, когда напряжение в данную эпоху записи превышает 100 мкВ на любом канале ЭЭГ или ЭОГ. Кроме того, отклоняйте артефакты путем визуального осмотра эпох. См. дополнительный рисунок 2, на котором приведен пример эпох, которые были вручную отвергнуты из-за глазных артефактов.
2. Усреднение сигнала
   1. Выберите равное количество эпох без артефактов для каждого условия стимула (целевого и нецелевого) как в дотренировочных, так и в посттренинговых условиях. Выберите максимально возможные эпохи для улучшения отношения сигнал/шум. Сделайте это для каждой записи ЭЭГ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе мы выбрали в среднем 25 правильных эпох ответа на каждое условие в каждый момент времени, поскольку мы были заинтересованы в оценке целевой дискриминации. Имейте в виду, что некоторые компоненты ERP не требуют явных поведенческих реакций. Участники с менее чем 15 эпохами без артефактов в каждом состоянии были исключены из исследования.
   2. Нажмите на меню Операции и выберите опцию усреднения окна ЭЭГ для усреднения отдельных ERP.
   3. Во-первых, выберите параметр Независимое среднее значение, чтобы усреднить только целевые испытания. Затем выберите остальные четыре нецелевых стимула и нажмите на опцию «Среднее вместе », чтобы усреднить.
   4. Повторите шаги 6.2.2 и 6.2.3 для записи ЭЭГ каждого участника в предтренировочном состоянии, а затем для состояния после тренировки.
   5. После того, как все отдельные ERP рассчитаны, усредните их вместе, чтобы получить большие средние формы сигналов для каждого условия стимула для предварительной и посттренировки. Откройте любое отдельное среднее значение EP, затем перейдите в меню «Операции» и выберите опцию усреднения Grand-average . Выберите индивидуальные средние значения участника, которые будут включены в среднее значение группы.
   6. Выберите в раскрывающемся списке все средние целевые значения перед тренировкой, затем нажмите кнопку Среднее , введите нужное имя файла и нажмите клавишу Return для сохранения. Затем выберите из раскрывающегося списка все необученные нецелевые средние значения, нажмите кнопку Среднее , введите нужное имя файла и снова нажмите клавишу Return для сохранения.
   7. Повторите предыдущие шаги для состояния после тренировки.
3. Визуализация и анализ ERP
   1. Выберите меню Операции, чтобы просмотреть список сохраненных больших средств. Затем нажмите на средние значения группы, которые вы хотите построить. Затем нажмите кнопку Монтаж , чтобы выбрать каналы, которые вы хотите построить.
   2. Перейдите в меню «Инструменты», затем нажмите «Параметры визуализации», чтобы выбрать цвет и ширину линии каждой формы сигнала. Затем нажмите на меню Сигнал , установите флажок коррекции постоянного тока , введите нужный базовый интервал стимула, затем нажмите клавишу Return .
   3. Внимательно осмотрите построенные большие средние формы сигналов, чтобы определить интересующие компоненты и соответствующие им временные окна.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого эксперимента мы знали, что формы сигналов, из-за конструкции задачи и сенсорных путей, полученных под наблюдением за P3, скорее всего, будут положительным компонентом, появляющимся позже 300 мс в центропариетальных электродах и с большими амплитудами напряжения в целевом состоянии.
   4. Экспортируйте отдельные амплитуды пиковых амплитуд и напряжения, а затем импортируйте данные в электронную таблицу для создания базы данных. Проведите повторный анализ дисперсии (ANOVA) с помощью статистического программного обеспечения.

Результаты

Проиллюстрировать, как можно оценить эффект аудиотактильной сенсорной заместительной дискриминационной тренировки у лиц с БП путем оценки изменений Р3 в группе из 17 лиц с БП (средний возраст = 18,5 лет; УР = 7,2 года; восемь женщин и 11 мужчин), мы создали несколько фигур, чтобы изобразить форм...

Обсуждение

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...

Материалы

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