Viewing the body modulates tactile receptive fields

Tactile discrimination performance depends on the receptive field (RF) size of somatosensory cortical (SI) neurons. Psychophysical masking effects can reveal the RF of an idealized "virtual" somatosensory neuron. Previous studies show that top-down factors strongly affect tactile discrimination performance. Here, we show that non-informative vision of the touched body part influences tactile discrimination by modulating tactile RFs. Ten subjects performed spatial discrimination between touch locations on the forearm. Performance was improved when subjects saw their forearm compared to viewing a neutral object in the same location. The extent of visual information was relevant, since restricted view of the forearm did not have this enhancing effect. Vibrotactile maskers were placed symmetrically on either side of the tactile target locations, at two different distances. Overall, masking significantly impaired discrimination performance, but the spatial gradient of masking depended on what subjects viewed. Viewing the body reduced the effect of distant maskers, but enhanced the effect of close maskers, as compared to viewing a neutral object. We propose that viewing the body improves functional touch by sharpening tactile RFs in an early somatosensory map. Top-down modulation of lateral inhibition could underlie these effects.

Variation in the autism candidate gene GABRB3 modulates tactile sensitivity in typically developing children

Background: Autism spectrum conditions have a strong genetic component. Atypical sensory sensitivities are one of the core but neglected features of autism spectrum conditions. GABRB3 is a well-characterised candidate gene for autism spectrum conditions. In mice, heterozygous Gabrb3 deletion is associated with increased tactile sensitivity. However, no study has examined if tactile sensitivity is associated with GABRB3 genetic variation in humans. To test this, we conducted two pilot genetic association studies in the general population, analysing two phenotypic measures of tactile sensitivity (a parent-report and a behavioural measure) for association with 43 SNPs in GABRB3. Findings: Across both tactile sensitivity measures, three SNPs (rs11636966, rs8023959 and rs2162241) were nominally associated with both phenotypes, providing a measure of internal validation. Parent-report scores were nominally associated with six SNPs (P <0.05). Behaviourally measured tactile sensitivity was nominally associated with 10 SNPs (three after Bonferroni correction). Conclusions: This is the first human study to show an association between GABRB3 variation and tactile sensitivity. This provides support for the evidence from animal models implicating the role of GABRB3 variation in the atypical sensory sensitivity in autism spectrum conditions. Future research is underway to directly test this association in cases of autism spectrum conditions.

Top down influence on visuo-tactile interaction modulates neural oscillatory responses

Multisensory integration involves bottom-up as well as top-down processes. We investigated the influences of top-down control on the neural responses to multisensory stimulation using EEG recording and time-frequency analyses. Participants were stimulated at the index or thumb of the left hand, using tactile vibrators mounted on a foam cube. Simultaneously they received a visual distractor from a light emitting diode adjacent to the active vibrator (spatially congruent trial) or adjacent to the inactive vibrator (spatially incongruent trial). The task was to respond to the elevation of the tactile stimulus (upper or lower), while ignoring the simultaneous visual distractor. To manipulate top-down control on this multisensory stimulation, the proportion of spatially congruent (vs. incongruent) trials was changed across blocks. Our results reveal that the behavioral cost of responding to incongruent than congruent trials (i.e., the crossmodal congruency effect) was modulated by the proportion of congruent trials. Most importantly, the EEG gamma band response and the gamma-theta coupling were also affected by this modulation of top-down control, whereas the late theta band response related to the congruency effect was not. These findings suggest that gamma band response is more than a marker of multisensory binding, being also sensitive to the correspondence between expected and actual multisensory stimulation. By contrast, theta band response was affected by congruency but appears to be largely immune to stimulation expectancy.

Methods of sensory augmentation through electro-tactile stimulation of the tongue

This paper details an investigation into sensory substitution by means of direct electrical stimulation of the tongue for the purpose of information input to the human brain. In particular, a device has been constructed and a series of trials have been performed in order to demonstrate the efficacy and performance of an electro-tactile array mounted onto the tongue surface for the purpose of sensory augmentation. Tests have shown that by using a low resolution array a computer-human feedback loop can be successfully implemented by humans in order to complete tasks such as object tracking, surface shape identification and shape recognition with no training or prior experience with the device. Comparisons of this technique have been made with visual alternatives and these show that the tongue based tactile array can match such methods in convenience and accuracy in performing simple tasks.

A strain gauge tactile sensor for finger-mounted applications

This paper describes a strain gauge-based sensor used for measuring finger force. The theory, design, and sensor construction details are presented. It was constructed using metallic strain gauges and a carefully designed structure which has a protection de-vice that impedes the sensor damage when forces higher than 100 N are applied. Its dimensions are suitable for measuring thumb force, but the same design can be used for constructing smaller sensors for other fingers. It is rugged, presents linear response, good repeatability, resolution of 0.3 N, low hysteresis, and sensitivity of 0.12 V/N. It can be useful in rehabilitation engineering, biomechanics, robotics, and medicine.

A semiconductor strain gage tactile transducer

This paper describes the development of a semiconductor strain gage tactile transducer. It was designed with the goal of measuring finger forces without affecting the hand dexterity. The transducer structure was manufactured with stainless steel and has small dimensions ( 4 min diameter and I min thickness). It is light and suitable to connect to the finger pads. It has a device that prevents its damage when forces are applied. The semiconductor strain gage was used over due its small size and high sensitivity, although it has high temperature sensitivity. Theory, design and construction details are presented the signal conditioning circuit is very simple because the semiconductor strain gage sensitivity is high. It presents linear response from 0 to 100 N, 0.5 N resolution, fall time of 7.2 ms, good repeatability, and small hysteresis. The semiconductor strain gage transducer has characteristics that can make it very useful in Rehabilitation Engineering, Robotics, and Medicine.

The initial formation of teachers in scholastic cartography: a report on a research experience

This paper is derived from the PhD research entitled "The initial training of Geography teacher in school cartography: a reflective analysis", developed by the program of Post-graduation in Geography of UNESP, campus of Rio Claro. The research is in the final phase, focused on data analysis and final writing of thesis. In this context, it may be stated that the research orientates in the problematic focused at the understanding of how the recent knowledge produced by the school cartography unfolds in the practices of Geography licentiate students. However, at this time, we will discuss about issues related to the research by the theoretical and practical point of view.

A experiência como fator determinante na representação espacial do deficiente visual

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Image segmentation using morphological watershed applied to cartography

Image segmentation is a process frequently used in several different areas including Cartography. Feature extraction is a very troublesome task, and successful results require more complex techniques and good quality data. The aims of this paper is to study Digital Image Processing techniques, with emphasis in Mathematical Morphology, to use Remote Sensing imagery, making image segmentation, using morphological operators, mainly the multi-scale morphological gradient operator. In the segmentation process, pre-processing operators of Mathematical Morphology were used, and the multi-scales gradient was implemented to create one of the images used as marker image. Orbital image of the Landsat satellite, sensor TM was used. The MATLAB software was used in the implementation of the routines. With the accomplishment of tests, the performance of the implemented operators was verified and carried through the analysis of the results. The extration of linear feature, using mathematical morphology techniques, can contribute in cartographic applications, as cartographic products updating. The comparison to the best result obtained was performed by means of the morphology with conventional techniques of features extraction. © Springer-Verlag 2004.

Digital library of historical cartography: open access to cultural heritage and public good

This paper describes the integration of information between Digital Library of Historical Cartography and Bibliographical Database (DEDALUS), both of the University of São Paulo (USP), to guarantee open, public access by Internet to the maps in the collection and make them available to users everywhere. This digital library was designed by Historical Cartography Studies Laboratory team (LECH/USP), and provides maps images on the Web, of high resolution, as well as such information on these maps as technical-scientific data (projection, scale, coordinates), printing techniques and material support that have made their circulation and cultural consumption possible. The Digital Library of Historical Cartography is accessible not only to the historical cartography researchers, but also to students and the general public. Beyond being a source of information about maps, the Digital Library of Historical Cartography seeks to be interactive, exchanging information and seeking dialogue with different branches of knowledge

Tactile perception - Perception of tactile distance changes with body site: a neural network modelling study.

La distorsione della percezione della distanza tra due stimoli puntuali applicati sulla superfice della pelle di diverse regioni corporee è conosciuta come Illusione di Weber. Questa illusione è stata osservata, e verificata, in molti esperimenti in cui ai soggetti era chiesto di giudicare la distanza tra due stimoli applicati sulla superficie della pelle di differenti parti corporee. Da tali esperimenti si è dedotto che una stessa distanza tra gli stimoli è giudicata differentemente per diverse regioni corporee. Il concetto secondo cui la distanza sulla pelle è spesso percepita in maniera alterata è ampiamente condiviso, ma i meccanismi neurali che manovrano questa illusione sono, allo stesso tempo, ancora ampiamente sconosciuti. In particolare, non è ancora chiaro come sia interpretata la distanza tra due stimoli puntuali simultanei, e quali aree celebrali siano coinvolte in questa elaborazione. L’illusione di Weber può essere spiegata, in parte, considerando la differenza in termini di densità meccano-recettoriale delle differenti regioni corporee, e l’immagine distorta del nostro corpo che risiede nella Corteccia Primaria Somato-Sensoriale (homunculus). Tuttavia, questi meccanismi sembrano non sufficienti a spiegare il fenomeno osservato: infatti, secondo i risultati derivanti da 100 anni di sperimentazioni, le distorsioni effettive nel giudizio delle distanze sono molto più piccole rispetto alle distorsioni che la Corteccia Primaria suggerisce. In altre parole, l’illusione osservata negli esperimenti tattili è molto più piccola rispetto all’effetto prodotto dalla differente densità recettoriale che affligge le diverse parti del corpo, o dall’estensione corticale. Ciò, ha portato a ipotizzare che la percezione della distanza tattile richieda la presenza di un’ulteriore area celebrale, e di ulteriori meccanismi che operino allo scopo di ridimensionare – almeno parzialmente – le informazioni derivanti dalla corteccia primaria, in modo da mantenere una certa costanza nella percezione della distanza tattile lungo la superfice corporea. E’ stata così proposta la presenza di una sorta di “processo di ridimensionamento”, chiamato “Rescaling Process” che opera per ridurre questa illusione verso una percezione più verosimile. Il verificarsi di questo processo è sostenuto da molti ricercatori in ambito neuro scientifico; in particolare, dal Dr. Matthew Longo, neuro scienziato del Department of Psychological Sciences (Birkbeck University of London), le cui ricerche sulla percezione della distanza tattile e sulla rappresentazione corporea sembrano confermare questa ipotesi. Tuttavia, i meccanismi neurali, e i circuiti che stanno alla base di questo potenziale “Rescaling Process” sono ancora ampiamente sconosciuti. Lo scopo di questa tesi è stato quello di chiarire la possibile organizzazione della rete, e i meccanismi neurali che scatenano l’illusione di Weber e il “Rescaling Process”, usando un modello di rete neurale. La maggior parte del lavoro è stata svolta nel Dipartimento di Scienze Psicologiche della Birkbeck University of London, sotto la supervisione del Dott. M. Longo, il quale ha contribuito principalmente all’interpretazione dei risultati del modello, dando suggerimenti sull’elaborazione dei risultati in modo da ottenere un’informazione più chiara; inoltre egli ha fornito utili direttive per la validazione dei risultati durante l’implementazione di test statistici. Per replicare l’illusione di Weber ed il “Rescaling Proess”, la rete neurale è stata organizzata con due strati principali di neuroni corrispondenti a due differenti aree funzionali corticali: • Primo strato di neuroni (il quale dà il via ad una prima elaborazione degli stimoli esterni): questo strato può essere pensato come parte della Corteccia Primaria Somato-Sensoriale affetta da Magnificazione Corticale (homunculus). • Secondo strato di neuroni (successiva elaborazione delle informazioni provenienti dal primo strato): questo strato può rappresentare un’Area Corticale più elevata coinvolta nell’implementazione del “Rescaling Process”. Le reti neurali sono state costruite includendo connessioni sinaptiche all’interno di ogni strato (Sinapsi Laterali), e connessioni sinaptiche tra i due strati neurali (Sinapsi Feed-Forward), assumendo inoltre che l’attività di ogni neurone dipenda dal suo input attraverso una relazione sigmoidale statica, cosi come da una dinamica del primo ordine. In particolare, usando la struttura appena descritta, sono state implementate due differenti reti neurali, per due differenti regioni corporee (per esempio, Mano e Braccio), caratterizzate da differente risoluzione tattile e differente Magnificazione Corticale, in modo da replicare l’Illusione di Weber ed il “Rescaling Process”. Questi modelli possono aiutare a comprendere il meccanismo dell’illusione di Weber e dare così una possibile spiegazione al “Rescaling Process”. Inoltre, le reti neurali implementate forniscono un valido contributo per la comprensione della strategia adottata dal cervello nell’interpretazione della distanza sulla superficie della pelle. Oltre allo scopo di comprensione, tali modelli potrebbero essere impiegati altresì per formulare predizioni che potranno poi essere verificate in seguito, in vivo, su soggetti reali attraverso esperimenti di percezione tattile. E’ importante sottolineare che i modelli implementati sono da considerarsi prettamente come modelli funzionali e non intendono replicare dettagli fisiologici ed anatomici. I principali risultati ottenuti tramite questi modelli sono la riproduzione del fenomeno della “Weber’s Illusion” per due differenti regioni corporee, Mano e Braccio, come riportato nei tanti articoli riguardanti le illusioni tattili (per esempio “The perception of distance and location for dual tactile pressures” di Barry G. Green). L’illusione di Weber è stata registrata attraverso l’output delle reti neurali, e poi rappresentata graficamente, cercando di spiegare le ragioni di tali risultati.

Tactile Perception - Perception of tactile distance on a single skin surface changes with stimulus orientation: a neuronal network modelling study

L’interazione che abbiamo con l’ambiente che ci circonda dipende sia da diverse tipologie di stimoli esterni che percepiamo (tattili, visivi, acustici, ecc.) sia dalla loro elaborazione per opera del nostro sistema nervoso. A volte però, l’integrazione e l’elaborazione di tali input possono causare effetti d’illusione. Ciò si presenta, ad esempio, nella percezione tattile. Infatti, la percezione di distanze tattili varia al variare della regione corporea considerata. Il concetto che distanze sulla cute siano frequentemente erroneamente percepite, è stato scoperto circa un secolo fa da Weber. In particolare, una determinata distanza fisica, è percepita maggiore su parti del corpo che presentano una più alta densità di meccanocettori rispetto a distanze applicate su parti del corpo con inferiore densità. Oltre a questa illusione, un importante fenomeno osservato in vivo è rappresentato dal fatto che la percezione della distanza tattile dipende dall’orientazione degli stimoli applicati sulla cute. In sostanza, la distanza percepita su una regione cutanea varia al variare dell’orientazione degli stimoli applicati. Recentemente, Longo e Haggard (Longo & Haggard, J.Exp.Psychol. Hum Percept Perform 37: 720-726, 2011), allo scopo di investigare come sia rappresentato il nostro corpo all’interno del nostro cervello, hanno messo a confronto distanze tattili a diverse orientazioni sulla mano deducendo che la distanza fra due stimoli puntuali è percepita maggiore se applicata trasversalmente sulla mano anziché longitudinalmente. Tale illusione è nota con il nome di Illusione Tattile Orientazione-Dipendente e diversi risultati riportati in letteratura dimostrano che tale illusione dipende dalla distanza che intercorre fra i due stimoli puntuali sulla cute. Infatti, Green riporta in un suo articolo (Green, Percpept Pshycophys 31, 315-323, 1982) il fatto che maggiore sia la distanza applicata e maggiore risulterà l’effetto illusivo che si presenta. L’illusione di Weber e l’illusione tattile orientazione-dipendente sono spiegate in letteratura considerando differenze riguardanti la densità di recettori, gli effetti di magnificazione corticale a livello della corteccia primaria somatosensoriale (regioni della corteccia somatosensoriale, di dimensioni differenti, sono adibite a diverse regioni corporee) e differenze nella dimensione e forma dei campi recettivi. Tuttavia tali effetti di illusione risultano molto meno rilevanti rispetto a quelli che ci si aspetta semplicemente considerando i meccanismi fisiologici, elencati in precedenza, che li causano. Ciò suggerisce che l’informazione tattile elaborata a livello della corteccia primaria somatosensoriale, riceva successivi step di elaborazione in aree corticali di più alto livello. Esse agiscono allo scopo di ridurre il divario fra distanza percepita trasversalmente e distanza percepita longitudinalmente, rendendole più simili tra loro. Tale processo assume il nome di “Rescaling Process”. I meccanismi neurali che operano nel cervello allo scopo di garantire Rescaling Process restano ancora largamente sconosciuti. Perciò, lo scopo del mio progetto di tesi è stato quello di realizzare un modello di rete neurale che simulasse gli aspetti riguardanti la percezione tattile, l’illusione orientazione-dipendente e il processo di rescaling avanzando possibili ipotesi circa i meccanismi neurali che concorrono alla loro realizzazione. Il modello computazionale si compone di due diversi layers neurali che processano l’informazione tattile. Uno di questi rappresenta un’area corticale di più basso livello (chiamata Area1) nella quale una prima e distorta rappresentazione tattile è realizzata. Per questo, tale layer potrebbe rappresentare un’area della corteccia primaria somatosensoriale, dove la rappresentazione della distanza tattile è significativamente distorta a causa dell’anisotropia dei campi recettivi e della magnificazione corticale. Il secondo layer (chiamato Area2) rappresenta un’area di più alto livello che riceve le informazioni tattili dal primo e ne riduce la loro distorsione mediante Rescaling Process. Questo layer potrebbe rappresentare aree corticali superiori (ad esempio la corteccia parietale o quella temporale) adibite anch’esse alla percezione di distanze tattili ed implicate nel Rescaling Process. Nel modello, i neuroni in Area1 ricevono informazioni dagli stimoli esterni (applicati sulla cute) inviando quindi informazioni ai neuroni in Area2 mediante sinapsi Feed-forward eccitatorie. Di fatto, neuroni appartenenti ad uno stesso layer comunicano fra loro attraverso sinapsi laterali aventi una forma a cappello Messicano. E’ importante affermare che la rete neurale implementata è principalmente un modello concettuale che non si preme di fornire un’accurata riproduzione delle strutture fisiologiche ed anatomiche. Per questo occorre considerare un livello astratto di implementazione senza specificare un’esatta corrispondenza tra layers nel modello e regioni anatomiche presenti nel cervello. Tuttavia, i meccanismi inclusi nel modello sono biologicamente plausibili. Dunque la rete neurale può essere utile per una migliore comprensione dei molteplici meccanismi agenti nel nostro cervello, allo scopo di elaborare diversi input tattili. Infatti, il modello è in grado di riprodurre diversi risultati riportati negli articoli di Green e Longo & Haggard.

Investigating interocclusal perception in tactile teeth sensibility using symmetric and asymmetric analysis

The purpose of this clinical trial was to determine the active tactile sensibility of natural teeth and to obtain a statistical analysis method fitting a psychometric function through the observed data points. On 68 complete dentulous test persons (34 males, 34 females, mean age 45.9 ± 16.1 years), one pair of healthy natural teeth each was tested: n = 24 anterior teeth and n = 44 posterior teeth. The computer-assisted, randomized measurement was done by having the subjects bite on thin copper foils of different thickness (5-200 µm) inserted between the teeth. The threshold of active tactile sensibility was defined by the 50% value of correct answers. Additionally, the gradient of the sensibility curve and the support area (90-10% value) as a description of the shape of the sensibility curve were calculated. For modeling the sensibility curve, symmetric and asymmetric functions were used. The mean sensibility threshold was 14.2 ± 12.1 µm. The older the subject, the higher the tactile threshold (r = 0.42, p = 0.0006). The support area was 41.8 ± 43.3 µm. The higher the 50% threshold, the smaller the gradient of the curve and the larger the support area. The curves showing the active tactile sensibility of natural teeth demonstrate a tendency towards asymmetry, so that the active tactile sensibility of natural teeth can mathematically best be described by using the asymmetric Weibull function.