Perception de la vitesse : les bases psychophysiques et neuronales

David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées.

Elaborating a tactile-proprioceptive illusion : the kinaesthetic fusion effect

This study investigated the Kinaesthetic Fusion Effect (KFE) first described by Craske and Kenny in 1981. In Experiment 1 the study did not replicate these findings following a change in the reporting method used by participants. Participants did not perceive any reduction in the sagittal separation of a button pressed by the index finger of one arm and a probe touching the other, following repeated exposure to the tactile stimuli present on both unseen arms. This study’s failure to replicate the widely-cited KFE as described by Craske et al. (1984) suggests that it may be contingent on several aspects of visual information, especially the availability of a specific visual reference, the role of instructions regarding gaze direction, and the potential use of a line of sight strategy when referring felt positions to an interposed surface. In addition, a foreshortening effect was found; this may result from a line-of-sight judgment and represent a feature of the reporting method used. Finally, this research will benefit future studies that require participants to report the perceived locations of the unseen limbs. Experiment 2 investigated the KFE when the visual reference was removed and participants made reports of touched position, blindfolded. A number of interesting outcomes arose from this change and may provide clarification to the phenomena.

Tactile abstractions [Exhibition Catalogue Essay]

Among the many meanings of abstraction is the focus on images that are at a distance from their origins. This understanding of abstraction is central to Savanhdary Vongpoothorn’s layered, textured and sensuous canvas Crossing (2003). The references in this painting to Laotian textile design and creation endows it with the sense of a fabric-like nature, gives it the feel of cloth wrapped around bodies and of threads woven into complex symmetrical patterns. Here, the distance from origins is expressed as a separation from the material forms of Lao culture. At the same time the work is a visual reference to the stretching or bending of forms, the breaking up of shapes in the natural or constructed environment, all of which create an expressive effect through the warm rose grid and visual illusions of movement and travel. This visual play suggests the sense that migration or movement is a means through which cultural forms get recoded and translated. The making of Crossing like many of Savanhdary’s works involved manipulation of the canvas through pricking and poking, and then the application of layers and dots of paint. The overall effect is one of a synthesis of different cultural motifs and the addition of new dimensions to familiar forms. This highlights the centrality of the idea of 'reassemblage’ in abstraction, the processes of remaking of self, of the natural world and of cultural artefacts. Savanhdary constructs intricate laced knots of colour and texture in work which expresses the possibilities presented by travel, migration and the subsequent remixture that emerges upon crossing through different cultural worlds.

Hearing loss and a supportive tactile signal in a navigation system : effects on driving behavior and eye movements

An on-road study was conducted to evaluate a complementary tactile navigation signal on driving behaviour and eye movements for drivers with hearing loss (HL) compared to drivers with normal hearing (NH). 32 participants (16 HL and 16 NH) performed two preprogrammed navigation tasks. In one, participants received only visual information, while the other also included a vibration in the seat to guide them in the correct direction. SMI glasses were used for eye tracking, recording the point of gaze within the scene. Analysis was performed on predefined regions. A questionnaire examined participant's experience of the navigation systems. Hearing loss was associated with lower speed, higher satisfaction with the tactile signal and more glances in the rear view mirror. Additionally, tactile support led to less time spent viewing the navigation display.

Integrating visual and tactile information in the perirhinal cortex

By virtue of its widespread afferent projections, perirhinal cortex is thought to bind polymodal information into abstract object-level representations. Consistent with this proposal, deficits in cross-modal integration have been reported after perirhinal lesions in nonhuman primates. It is therefore surprising that imaging studies of humans have not observed perirhinal activation during visual-tactile object matching. Critically, however, these studies did not differentiate between congruent and incongruent trials. This is important because successful integration can only occur when polymodal information indicates a single object (congruent) rather than different objects (incongruent). We scanned neurologically intact individuals using functional magnetic resonance imaging (fMRI) while they matched shapes. We found higher perirhinal activation bilaterally for cross-modal (visual-tactile) than unimodal (visual-visual or tactile-tactile) matching, but only when visual and tactile attributes were congruent. Our results demonstrate that the human perirhinal cortex is involved in cross-modal, visual-tactile, integration and, thus, indicate a functional homology between human and monkey perirhinal cortices.

Temporal acuity in developmental dyslexia across the life span : Tactile, auditory, visual, and crossmodal estimations

Taustaa Kehityksellinen dysleksia (lukivaikeus) on erityinen lukemaan oppimisen vaikeus, johon liittyy usein myös vaikeuksia kirjoittamaan oppimisessa. Lukivaikeuden oletetaan useissa tapauksissa johtuvan vaikeudesta käsitellä kielen äännerakenteita (fonologinen prosessointi). Tämä poikkeavuus voi olla joko lukivaikeuden perimmäinen syy tai vaihtoehtoisesti ongelmat äänteiden käsittelyssä voivat heijastaa jotain vielä perustavamman tason vaikeutta. Eräs tällainen ehdotettu perustavan tasoin syy on poikkeavuus aistien toiminnoissa, erityisesti aistien aikatarkkuudessa. Aikatarkkuudella tarkoitetaan kykyä ja rajoja siinä, kuinka nopeasti esitettyä aistitiedon virtaa henkilö kykenee vastaanottamaan ja käsittelemään. Monet arjen toiminnot lukemisen rinnalla edellyttävät aistien erittäin tarkkaa ajallista erottelukykyä (esimerkiksi kuulo puheen ymmärtämisessä, tunto pintamateriaalin tunnistamisessa). Aikatarkkuusvaikeuksien esiintyvyyttä lukivaikeudessa on tutkittu aiemminkin, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy siitä, onko kaikilla lukivaikeuksisilla näitä ongelmia tai mihin aisteihin vaikeudet mahdollisesti rajoittuvat. Myöskään ei tiedetä, havaitaanko aikatarkkuuden ongelmia kaiken ikäisillä lukivaikeuksisilla vai vaihteleeko mahdollinen ongelmien kuva iän mukana. Lisäksi on epäselvää, kuinka aikatarkkuuden ongelmat itseasiassa ovat yhteydessä kielen käsittelyn ja varsinaisen lukemisen vaikeuksiin. Tutkimussarjan aihe Tässä tutkimussarjassa aikatarkkuutta tutkittiin kolmessa yksittäisessä aistissa, joita olivat tunto, näkö ja kuulo, sekä kolmessa aistien välisessä yhdistelmässä, joita olivat audiotaktiilinen (kuulo-tunto), visuotaktiilinen (näkö-tunto) ja audiovisuaalinen (näkö-kuulo). Aikatarkkuutta arvioitiin kahdella eri menetelmällä, jotta saataisiin lisää tietoa siitä, missä tietyssä aikatarkkuuden osa-alueessa lukivaikeuksisilla mahdollisesti on vaikeuksia. Ensimmäisessä tehtävässä tutkittavan tuli arvioida, ovatko esitetyt ei-kielelliset ärsykkeet samanaikaisia vai eriaikaisia. Toisessa tehtävässä koehenkilön tuli arvioida esitettyjen ei-kielellisten ärsykkeiden esitysjärjestys. Molemmissa tehtävissä määriteltiin millisekuntitasolla (sekunnin tuhannesosa) se esitysnopeus, jolla koehenkilö kykeni arvioimaan ärsykkeiden ajalliset suhteet oikein. Englanninkielinen demonstraatio aikatarkkuustehtävistä löytyy internetistä (http://www.helsinki.fi/hum/ylpsy/neuropsy). Itse aikatarkkuustehtävien lisäksi tutkimussarjassa arvioitiin tutkimushenkilöiden päättelykykyä, kielellisiä toimintoja ja lukemista. Tutkimushenkilöt Tutkimuksiin osallistui 53 lukivaikeuksista ja 66 sujuvaa lukijaa, jotka oli jaettu kolmeen pääikäryhmään: lapset (8-12 vuotta), nuoret aikuiset (20-36 vuotta) ja ikääntyneemmät aikuiset (20-59 vuotta). Ikääntyneempien aikuisten ryhmä oli edelleen jaettu ikävuosikymmenluokkiin, mikä mahdollisti sen tutkimisen, vaikuttaako lisääntyvä aikuisikä lukivaikeuksisten aikatarkkuuteen (20-29, 30-39, 40-49 ja 50-59 -vuotiaat). Tutkimussarjan tulokset Aikatarkkuuden ongelmat lukivaikeuksisilla olivat yleistyneitä yli iän, aistien ja tehtävien Lukivaikeuksiset kaikissa pääikäryhmissä (lapset, nuoret aikuiset, ikääntyneemmän aikuiset) tarvitsivat samanikäisiä sujuvia lukijoita hitaamman esitystahdin, jotta he kykenivät arvioimaan ei-kielellisten ärsykkeiden ajallisen esitystavan oikein. Tämä aikatarkkuuden ongelma havaittiin lukivaikeuksisilla kaikissa aisteissa (tunto, kuulo, näkö) ja niiden yhdistelmissä (audiotaktiilinen, visuotaktiilinen, audiovisuaalinen). Lukivaikeuksisten aikatarkkuusongelmat ilmenivät edelleen molemmissa tehtävätyypeissä (samanaikaisuuden ja järjestyksen arvioinnissa). Aikatarkkuus ja sen ongelmat olivat yhteydessä äänteiden käsittelyyn Aikatarkkuus oli yhteydessä äänteiden käsittelykykyyn (fonologiseen prosessointiin), niin lapsilla kuin aikuisillakin, kaikissa aisteissa, niiden yhdistelmissä ja tehtävätyypeissä. Yhteys ei-kielellisen aikatarkkuuden ja kielellisten toimintojen välillä oli kuitenkin selkeämpi lukivaikeuksisilla kuin sujuvilla lukijoilla. Tämä tarkoittaa, että etenkin lukivaikeuksisilla ryhmätason huono aikatarkkuus oli yhteydessä huonoon äänteiden käsittelyyn (fonologiseen prosessointiin) ja päinvastoin. Suoraa yhteyttä lukemisen ja aikatarkkuuden välillä ei kuitenkaan havaittu. Lisääntyvä aikuisikä heikensi lukivaikeuksisten aikatarkkuutta suhteettoman paljon Tiedonkäsittelyn nopeuden on toistuvasti osoitettu hidastuvan normaalissa ikääntymisessä. Lisääntyvä aikuisikä (20-59 -vuotiailla) heikensikin sekä sujuvien että lukivaikeuksisten aikatarkkuutta. Toisin sanoen, mitä iäkkäämmästä aikuisesta oli kysymys, sitä hitaammin hänelle tuli esittää ärsykkeet, jotta hän kykeni arvioimaan niiden ajalliset suhteet oikein. Tämä ikään liittyvä tavanomainen hidastuminen oli kuitenkin yllättäen suhteettoman nopeaa lukivaikeuksisilla. Toisin sanoen, jo nuorilla lukivaikeuksisilla havaittu aikatarkkuuden vaikeus (ryhmäero verrattuna sujuviin lukijoihin) ei pysynyt saman suuruisena, vaan ryhmien ero kasvoi aikuisiän lisääntyessä. Tulosten merkitys Lukivaikeuden osoitettiin tässä tutkimussarjassa olevan yhteydessä yleistyneeseen vaikeuteen käsitellä ajassa nopeasti muuttuvaa ei-kielellistä aistitietoa (yli aistien ja niiden yhdistelmien, tehtävätyyppien, tutkittavien iän). Tämä osoittaa, että lukivaikeus ei ole ongelma, joka rajoittuu vain kielellisen materiaalin käsittelyn vaikeuksiin (äänteiden käsittely, lukeminen, kirjoittaminen). Nyt havaitut vaikeudet eivät myöskään rajoittuneet vain niihin aisteihin, jotka selkeimmin liittyvät lukemiseen (näkö) ja puhuttuun kieleen (kuulo); Ongelmia esiintyi myös muissa aisteissa (tunto). Lukivaikeuksisten lukijoiden ryhmätasolla havaittu aikatarkkuuden ongelma ei kuitenkaan heijastunut yksilötasolle; Jokainen lukivaikeuksinen ei ollut huono aikatarkkuustehtävissä. Näin ollen ei siis voida väittää, että kaikkien lukivaikeuksisten äänteiden käsittelyn tai lukemaan oppimisen vaikeudet voisivat selittyä aistien toimintojen poikkeavuudella. Aikatarkkuuden ongelmat eivät olleet yhteydessä varsinaiseen lukemiseen. Sekä lukivaikeuksisilla lapsilla että aikuisilla todettiin kuitenkin selkeä yhteys aikatarkkuuden ongelmien ja lukemaan oppimisen keskeisen ennakkoehdon, fonologisen prosessoinnin, välillä. Saattaa siis olla, että synnynnäinen aistien toimintojen poikkeavuus vaikuttaa yksilön suoriutumiseen jo ennen varsinaista lukemaan oppimista, kun ne taidot kehittyvät (fonologinen prosessointi), joille myöhempi lukemaan oppiminen perustuu. Ikäännyttäessä havaittu lukivaikeuksisten suhteettoman nopea aikatarkkuuden heikkeneminen osoittaa, että lukivaikeus ei voi olla ongelma, joka koskee vain lapsuusikää, tai vaikeus, joka johtuu vain kehityksen viivästymästä joka kurottaisiin iän myötä umpeen. Tulosten ymmärtämiseksi onkin muistettava kaksi seikkaa. Lukivaikeus on ensinnäkin yhdistetty synnynnäisiin, pieniin, poikkeavuuksiin aivojen rakenteissa ja toiminnoissa. Toisaalta tavanomaiseen ikääntymiseen liittyy se, että aivot kykenevät yhä huonommin korjaamaan ja kiertämään (kompensoimaan) pieniä vaurioita. Tämän perusteella tutkimussarjan tuloksista voidaan päätellä, että lukivaikeuksisten jo synnynnäisesti heikentyneet aivojen kompensointimahdollisuudet eivät ole yhtä tehokkaita puskuroimaan ikääntymisen tavanomaisia vaikutuksia kuin sujuvilla lukijoilla. Yllättävää kuitenkin on, että tämä korostunut heikkeneminen havaittiin jo suhteellisen nuorilla, työikäisillä, lukivaikeuksisilla, ennen 60 ikävuotta. Samanlaista ikäännyttäessä korostuvaa vaikeutta ei lukivaikeuksilla kuitenkaan havaittu päättelyssä, kielellisissä toiminnoissa tai itse lukemisessa. Vaikuttaakin siis siltä, että ne toiminnot, joita on harjaannutettu aktiivisesti, eivät heikkene kasvavan aikuisiän myötä yhtä suhteettomasti. Alkuperäiset artikkelit Laasonen M, Tomma-Halme J, Lahti-Nuuttila P, Service E, and Virsu V (2000) Rate of information segregation in developmentally dyslexic children, Brain and Language, 75(1), 66-81. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2001) Temporal order and processing acuity of visual, auditory, and tactile perception in developmentally dyslexic young adults, Cognitive, Affective, and Behavioral Neuroscience, 1(4), 394-410. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2002) Crossmodal temporal order and processing acuity in developmentally dyslexic young adults, Brain and Language, 80(3), 340-354. Laasonen M, Lahti-Nuuttila P, and Virsu V (2002) Developmentally impaired processing speed decreases more than normally with age, NeuroReport, 13(9), 1111-1113.

Pre-maps : An Educational Programme for Reading Tactile Maps

It is demanding for children with visual impairment to become aware of the world beyond their immediate experience. They need to learn to control spatial experiences as a whole and understand the relationships between objects, surfaces and themselves. Tactile maps can be an excellent source of information for depicting space and environment. By means of tactile maps children can develop their spatial understanding more efficiently than through direct travel experiences supplemented with verbal explanations. Tactile maps can help children when they are learning to understand environmental, spatial, and directional concepts. The ability to read tactile maps is not self-evident; it is a skill, which must be learned. The main research question was: can children who are visually impaired learn to read tactile maps at the preschool age if they receive structural teaching? The purpose of this study was to develop an educational program for preschool children with visual impairment, the aim of which was to teach them to read tactile maps in order to strengthen their orientation skills and to encourage them to explore the world beyond their immediate experience. The study is a multiple case study describing the development of the map program consisting of eight learning tasks. The program was developed with one preschooler who was blind, and subsequently the program was implemented with three other children. Two of the children were blind from birth, one child had lost her vision at the age of two, and one child had low vision. The program was implemented in a normal preschool. Another objective of the pre-map program was to teach the preschooler with visual impairment to understand the concept of a map. The teaching tools were simple, map-like representations called pre-maps. Before a child with visual impairment can read a comprehensive tactile map, it is important to learn to understand map symbols, and how a three-dimensional model changes to a two-dimensional tactile map. All teaching sessions were videotaped; the results are based on the analysis of the videotapes. Two of the children completed the program successfully, and learned to read a tactile map. The two other children felt happy during the sessions, but it was problematic for them to engage fully in the instruction. One of the two eventually completed the program, while the other developed predominantly emerging skills. The results of the children's performances and the positive feedback from the teachers, assistants and the parents proved that this pre-map program is appropriate teaching material for preschool children who are visually impaired. The program does not demand high-level expertise; also parents, preschool teachers, and school assistants can carry out the program.

Tactile processing in human somatosensory and auditory cortices

Tactile sensation plays an important role in everyday life. While the somatosensory system has been studied extensively, the majority of information has come from studies using animal models. Recent development of high-resolution anatomical and functional imaging techniques has enabled the non-invasive study of human somatosensory cortex and thalamus. This thesis provides new insights into the functional organization of the human brain areas involved in tactile processing using magnetoencephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI). The thesis also demonstrates certain optimizations of MEG and fMRI methods. Tactile digit stimulation elicited stimulus-specific responses in a number of brain areas. Contralateral activation was observed in somatosensory thalamus (Study II), primary somatosensory cortex (SI; I, III, IV), and post-auditory belt area (III). Bilateral activation was observed in secondary somatosensory cortex (SII; II, III, IV). Ipsilateral activation was found in the post-central gyrus (area 2 of SI cortex; IV). In addition, phasic deactivation was observed within ipsilateral SI cortex and bilateral primary motor cortex (IV). Detailed investigation of the tactile responses demonstrated that the arrangement of distal-proximal finger representations in area 3b of SI in humans is similar to that found in monkeys (I). An optimized MEG approach was sufficient to resolve such fine detail in functional organization. The SII region appeared to contain double representations for fingers and toes (II). The detection of activations in the SII region and thalamus improved at the individual and group levels when cardiac-gated fMRI was used (II). Better detection of body part representations at the individual level is an important improvement, because identification of individual representations is crucial for studying brain plasticity in somatosensory areas. The posterior auditory belt area demonstrated responses to both auditory and tactile stimuli (III), implicating this area as a physiological substrate for the auditory-tactile interaction observed in earlier psychophysical studies. Comparison of different smoothing parameters (III) demonstrated that proper evaluation of co-activation should be based on individual subject analysis with minimal or no smoothing. Tactile input consistently influenced area 3b of the human ipsilateral SI cortex (IV). The observed phasic negative fMRI response is proposed to result from interhemispheric inhibition via trans-callosal connections. This thesis contributes to a growing body of human data suggesting that processing of tactile stimuli involves multiple brain areas, with different spatial patterns of cortical activation for different stimuli.

Predicting the Timing of Spikes Evoked by Tactile Stimulation of the Hand

Kim SS, Sripati AP, Bensmaia SJ. Predicting the timing of spikes evoked by tactile stimulation of the hand. J Neurophysiol 104: 1484-1496, 2010. First published July 7, 2010; doi: 10.1152/jn.00187.2010. What does the hand tell the brain? Tactile stimulation of the hand evokes remarkably precise patterns of neural activity, suggesting that the timing of individual spikes may convey information. However, many aspects of the transformation of mechanical deformations of the skin into spike trains remain unknown. Here we describe an integrate-and-fire model that accurately predicts the timing of individual spikes evoked by arbitrary mechanical vibrations in three types of mechanoreceptive afferent fibers that innervate the hand. The model accounts for most known properties of the three fiber types, including rectification, frequency-sensitivity, and patterns of spike entrainment as a function of stimulus frequency. These results not only shed light on the mechanisms of mechanotransduction but can be used to provide realistic tactile feedback in upper-limb neuroprostheses.

Attenuation of self-generated tactile sensations is predictive, not postdictive.

When one finger touches the other, the resulting tactile sensation is perceived as weaker than the same stimulus externally imposed. This attenuation of sensation could result from a predictive process that subtracts the expected sensory consequences of the action, or from a postdictive process that alters the perception of sensations that are judged after the event to be self-generated. In this study we observe attenuation even when the fingers unexpectedly fail to make contact, supporting a predictive process. This predictive attenuation of self-generated sensation may have evolved to enhance the perception of sensations with an external cause.

Increasing top-down suppression from prefrontal cortex facilitates tactile working memory

Navigated transcranial magnetic stimulation (TMS) combined with diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) and tractography allows investigating functional anatomy of the human brain with high precision. Here we demonstrate that working memory (WM) processing of tactile temporal information is facilitated by delivering a single TMS pulse to the middle frontal gyrus (MFG) during memory maintenance. Facilitation was obtained only with a TMS pulse applied to a location of the MFG with anatomical connectivity to the primary somatosensory cortex (S1). TMS improved tactile WM also when distractive tactile stimuli interfered with memory maintenance. Moreover, TMS to the same MFG site attenuated somatosensory evoked responses (SEPs). The results suggest that the TMS-induced memory improvement is explained by increased top-down suppression of interfering sensory processing in S1 via the MFG-S1 link. These results demonstrate an anatomical and functional network that is involved in maintenance of tactile temporal WM. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Tactile Sensing: new directions, new challenges

Lee M.H., ?Tactile Sensing: new directions, new challenges?, Int J. Robotics Research 19: 7, 636-643. July 2000.