Electroencephalographic Responses to Frictional Stimuli: Measurement Setup and Processing Pipeline

Abstract

Tactility is a key sense in the human interaction with the environment. The understanding of tactile perception has become an exciting area in industrial, medical and scienti c research with an emphasis on the development of new haptic technologies. Surprisingly, the quanti cation of tactile perception has, compared to other senses, only recently become a eld of scienti c investigation. The overall goal of this emerging scienti c discipline is an understanding of the causal chain from the contact of the skin with materials to the brain dynamics representing recognition of and emotional reaction to the materials. Each link in this chain depends on individual and environmental factors ranging from the in uence of humidity on contact formation to the role of attention for the perception of touch. This thesis reports on the research of neural correlates to the frictional stimulation of the human ngertip. Event-related electroencephalographic potentials (ERPs) upon the change in ngertip friction are measured and studied, when pins of a programmable Braille-display were brought into skin contact. In order to contribute to the understanding of the causal chain mentioned above, this work combines two research areas which are usually not connected to each other, namely tribology and neuroscience. The goal of the study is to evaluate contributions of friction to the process of haptic perception. Key contributions of this thesis are: 1) Development of a setup to simultaneously record physical forces and ERPs upon tactile stimulation. 2) Implementation of a dedicated signal processing pipeline for the statistical analysis of ERP -amplitudes, -latencies and -instantaneous phases. 3) Interpretation of skin friction data and extraction of neural correlates with respect to varying friction intensities. The tactile stimulation of the ngertip upon raising and lowering of di erent lines of Braille-pins (one, three and ve) caused pronounced N50 and P100 components in the event-related ERPsequences, which is in line with the current literature. Friction between the ngertip and the Braille-system exhibited a characteristic temporal development which is attributed to viscoelastic skin relaxation. Although the force stimuli varied by a factor of two between the di erent Braillepatterns, no signi cant di erences were observed between the amplitudes and latencies of ERPs after standard across-trial averaging. Thus, for the rst time a phase measure for estimating singletrial interactions of somatosensory potentials is proposed. Results show that instantaneous phase coherency is evoked by friction, and that higher friction induces stronger and more time-localized phase coherency

Die Taktilität ist ein zentraler Sinn in der Interaktion mit unserer Umwelt. Das Bestreben, fundierte Erkenntnisse hinsichtlich der taktilenWahrnehmung zu gewinnen erhält groÿen Zuspruch in der industriellen, medizinischen und wissenschaftlichen Forschung, meist mit einem Fokus auf der Entwicklung von haptischen Technologien. Erstaunlicherweise ist jedoch die wissenschaftliche Quanti zierung der taktilen Wahrnehmung, verglichen mit anderen Sinnesmodalitäten, erst seit kurzem ein sich entwickelnder Forschungsbereich. Fokus dieser Disziplin ist es, die kognitive und emotionale Reaktion nach physischem Kontakt mit Materialien zu beschreiben, und die kausale Wirkungskette von der Berührung bis zur Reaktion zu verstehen. Dabei unterliegen die einzelnen Faktoren dieser Kette sowohl individuellen als auch externen Ein üssen, welche von der Luftfeuchtigkeit während des Kontaktes bis hin zur Rolle der Aufmerksamkeit für die Wahrnehmung reichen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von neuronalen Korrelaten nach Reibungsstimulation des menschlichen Fingers. Dazu wurden Reibungsänderungen, welche durch den Kontakt der menschlichen Fingerspitze mit schaltbaren Stiften eines Braille-Display erzeugt wurden, untersucht und die entsprechenden neuronalen Korrelate aufgezeichnet. Um zu dem Verst ändnis der oben erwähnten Wirkungskette beizutragen, werden Ansätze aus zwei für gewöhnlich nicht zusammenhängenden Forschungsbereichen, nämlich der Tribologie und der Neurowissenschaft, kombiniert. Folgende Beiträge sind Hauptbestandteile dieser Arbeit: 1) Realisierung einer Messumgebung zur simultanen Ableitung von Kräften und ereigniskorrelierten Potentialen nach taktiler Stimulation der Fingerspitze. 2) Aufbau einer speziellen Signalverarbeitungskette zur statistischen Analyse von stimulationsabh ängigen EEG -Amplituden, -Latenzen und -instantanen Phasen. 3) Interpretation der erhobenen Reibungsdaten und Extraktion neuronaler Korrelate hinsichtlich variierender Stimulationsintensitäten. Unsere Resultate zeigen, dass die taktile Stimulation der Fingerspitze nach Anheben und Senken von Braille-Stiften zu signi kanten N50 und P100 Komponenten in den ereigniskorrelierten Potentialen führt, im Einklang mit der aktuellen Literatur. Die Reibung zwischen der Fingerspitze und dem Braille-System zeigte einen charakteristischen Signalverlauf, welcher auf viskoelastische Hautrelaxation zurückzuführen ist. Trotz der um einen Faktor zwei verschiedenen Intensit ätsunterschiede zwischen den Stimulationsmustern zeigten sich keine signi kanten Unterschiede zwischen den einfach gemittelten Amplituden der evozierten Potentialen. Erstmalig wurde ein Phasen-Maÿ zur Identi zierung von Unterschieden zwischen somatosensorischen "single-trial" Interaktionen angewandt. Diese Phasenanalyse zeigte, im Gegensatz zur Amplituden- und Latenzanalyse, deutlichere und signi kantere Unterschiede zwischen den Stimulationsparadigmen. Es wird gefolgert, dass Kohärenz zwischen den Momentanphasen durch Reibungsereignisse herbeigef ührt wird und dass durch stärkere Reibung diese Kohärenz, im zeitlichen Verlauf, stärker und lokalisierter wird.