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A Tactile Automated Passive-Finger Stimulator (TAPS)

Although tactile spatial acuity tests are used in both neuroscience research and clinical assessment, few automated devices exist for delivering ...

We report a case of survival following prolonged immersion and hypothermia. The patient survived for over 9 h in open water, after his vessel capsized and sank in the Pacific Ocean off the coast of Northern California. Water temperature on the day of the sinking was 14.4 degrees C (58.0 degrees F). Although he did have adequate flotation, the patient did not wear a survival suit. On initial physical examination in the Emergency Department (ED), the patient's rectal temperature was 30.0 degrees C (86.0 degrees F). With active rewarming, his temperature returned to normal (37.0 degrees C (98.6 degrees F)) within 5 h. Body fat of the patient was 19.6%, near the 50th percentile for his age (19.0%). Surface/volume ratio of the patient (.0228 m(2)/L) was 19% smaller than a predicted average (.0282 m(2)/L). We believe that the patient's large body habitus contributed to survival and that surface/volume ratio was likely the biophysical variable most closely associated with decreased cooling.

Hypothermia from prolonged immersion: biophysical parameters of a survivor.

Hypothermie bei l&#xE4;ngerem: biophysikalische Parameter eines &#xDC;berlebenden.

We have developed a semi-automated technique for acquiring neurophysiological data during whisker-based tactile discriminative behavior. Water-deprived, blindfolded rats are tethered by means of a harness vest that permits them to contact a rough (250 micrometer grooves) or smooth discriminandum with only their vibrissae. Discriminanda are mounted on a motor-driven carousel, and the rat indicates its choice (rough, smooth) by licking either a right or left water port located near the carousel. A narrow light beam detects general proximity of the animal's nose to the discriminandum, although actual whisker contact is monitored by a SuperVHS camera and measured offline using field-by-field videographic analysis. Rats can be trained within 3-6 weeks at which time they perform 100-150 trials/day at a level of 80% correct. Unit recording from the somatosensory cortex reveals that neurons increase their firing upon whisker contact of a discriminandum and that firing remains elevated during several hundred milliseconds of ongoing contact, even with the smooth surface. Nevertheless, despite the animal's ability to distinguish the rough and smooth surfaces, overall neuronal firing rates were indistinguishable for the two surfaces. In some cases, temporal firing patterns differed, although not in a consistent way across recording sites.

Texture discrimination and unit recordings in the rat whisker/barrel system.

Texture Diskriminierung und Einheit Aufnahmen in der Ratte Whisker / Barrel-System.

Functional imaging studies in blind subjects have shown tactile activation of cortical areas that normally subserve vision, but whether blind people have enhanced tactile acuity has long been controversial. We compared the passive tactile acuity of blind and sighted subjects on a fully automated grating orientation task and used multivariate Bayesian data analysis to determine predictors of acuity. Acuity was significantly superior in blind subjects, independently of the degree of childhood vision, light perception level, or Braille reading. Acuity was strongly dependent on the force of contact between the stimulus surface and the skin, declined with subject age, and was better in women than in men. Despite large intragroup variability, the difference between blind and sighted subjects was highly significant: the average blind subject had the acuity of an average sighted subject of the same gender but 23 years younger. The results suggest that crossmodal plasticity may underlie tactile acuity enhancement in blindness.

Tactile acuity is enhanced in blindness.

Taktile Sehsch&#xE4;rfe wird in Blindheit verbessert.

We compared the abilities of blind and sighted humans to distinguish grooved from smooth surfaces pressed against the stationary index fingertip. Ranging in age from 20 to 72 years, 37 blind and 47 sighted subjects participated in an automated two-alternative forced-choice tactile grating detection task. The tactile acuity of blind and sighted subjects declined with age at equivalent rates (0.011-mm threshold increase per year), but the blind subjects were able to perceive significantly thinner grooves than were their sighted peers (the average difference between blind and sighted subjects of the same age and gender was 0.267 mm). The blind Braille readers performed no better than the blind nonreaders, and the congenitally blind subjects performed equivalently to those with adult-onset blindness. The superior tactile acuity of blind persons may result from the involvement of normally visually responsive cerebrocortical areas in tactile processing, as shown by functional-imaging studies.

Performance of blind and sighted humans on a tactile grating detection task.

Wir verglichen die Kr&auml;fte blinde und sehbehinderte Menschen, gerillte aus glatten Oberfl&auml;chen gegen die station&auml;re Index-Fingerspitze gedr&uuml;ckt zu unterscheiden. Angefangen im Alter von 20 bis 72 Jahre, 37 blinde und 47 gesichteten Themen nahm eine automatische zwei-Alternative gezwungen-Wahl taktile Gitter Erkennung Aufgabe. Die taktile Sch&auml;rfe der Blinde und sehbehinderte Personen sank mit dem Alter zu entsprechenden Preisen (0,011-mm-Schwelle erh&ouml;hen pro Jahr), aber die blinden Themen konnten deutlich d&uuml;nnere Rillen als Gleichaltrigen sehenden waren (die durchschnittliche Differenz zwischen blinde und sehbehinderte Personen des gleichen Alters und Geschlechts 0.267 mm) wahrnehmen. Die blinden Braille-Leser nicht besser als die blinden Nonreaders durchgef&uuml;hrt, und die von Natur aus blinden Themen durchgef&uuml;hrt &Auml;quivalent zu denen mit Adult-Onset Blindheit. Die &uuml;berlegene taktile Sch&auml;rfe der blinden kann sich aus der Beteiligung der normalerweise visuell reagieren Cerebrocortical Bereichen taktile Verarbeitung ergeben, wie funktionelle Bildgebung Studien gezeigt.

Leistung der Blinde und sehbehinderte Menschen auf eine taktile Gitter Erkennung Aufgabe.

When brief stimuli contact the skin in rapid succession at two or more locations, perception strikingly shrinks the intervening distance, and expands the elapsed time, between consecutive events. The origins of these perceptual space-time distortions are unknown.

A Bayesian perceptual model replicates the cutaneous rabbit and other tactile spatiotemporal illusions.

Wenn kurze reizen die Haut unmittelbar nacheinander an zwei oder mehreren Standorten wenden, Wahrnehmung auff&auml;llig schrumpft die eingreifende Entfernung und erweitert die verstrichene Zeit zwischen aufeinander folgenden Ereignissen. Die Urspr&uuml;nge dieser wahrnehmbaren Raum-Zeit-Verzerrungen sind unbekannt.

Ein Bayes-Wahrnehmungs-Modell repliziert das kutanen Kaninchen und andere taktilen raumzeitliche Illusionen.

We have observed that passive tactile spatial acuity, the ability to resolve the spatial structure of surfaces pressed upon the skin, differs subtly but consistently between the sexes, with women able to perceive finer surface detail than men. Eschewing complex central explanations, we hypothesized that this sex difference in somatosensory perception might result from simple physical differences between the fingers of women and men. To investigate, we tested 50 women and 50 men on a tactile grating orientation task and measured the surface area of the participants' index fingertips. In subsets of participants, we additionally measured finger skin compliance and optically imaged the fingerprint microstructure to count sweat pores. We show here that tactile perception improves with decreasing finger size, and that this correlation fully explains the better perception of women, who on average have smaller fingers than men. Indeed, when sex and finger size are both considered in statistical analyses, only finger size predicts tactile acuity. Thus, a man and a woman with fingers of equal size will, on average, enjoy equal tactile acuity. We further show that sweat pores, and presumably the Merkel receptors beneath them, are packed more densely in smaller fingers.

Diminutive digits discern delicate details: fingertip size and the sex difference in tactile spatial acuity.

Wir haben festgestellt, dass passive taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe, die r&auml;umliche Struktur der Oberfl&auml;chen, die auf die Haut gedr&uuml;ckt aufl&ouml;sen unterscheidet subtil aber konsequent zwischen den Geschlechtern, mit Frauen in der Lage, eine feinere Oberfl&auml;chen Detail als M&auml;nner wahrnehmen. Verzicht auf komplexe zentrale Erkl&auml;rungen, vermutet wir, dass dieses Geschlechts-Unterschied in der somatosensorische Wahrnehmung von einfachen physikalischen Unterschiede zwischen die Finger von Frauen und M&auml;nnern f&uuml;hren k&ouml;nnten. Um zu untersuchen, wir testeten 50 Frauen und 50 M&auml;nner auf eine taktile Gitter-Orientierung Aufgabe und die Fl&auml;che eines der Teilnehmer Index Fingerspitzen gemessen. In Teilmengen der Teilnehmer wir zus&auml;tzlich gemessen Finger Haut Kompatibilit&auml;t und optisch abgebildet die Fingerabdruck-Mikrostruktur Schwei&szlig; Poren zu z&auml;hlen. Hier zeigen wir, dass Tastwahrnehmung verbessert mit abnehmender Gr&ouml;&szlig;e der Finger und diese Korrelation vollst&auml;ndig die bessere Wahrnehmung der Frauen, erkl&auml;rt, die im Durchschnitt kleiner Finger als M&auml;nner haben. In der Tat beim Sex und Finger Gr&ouml;&szlig;e gelten sowohl in statistische Analysen, prognostiziert nur Finger Gr&ouml;&szlig;e taktile Sch&auml;rfe. Daher werden ein Mann und eine Frau mit Fingern von gleicher Gr&ouml;&szlig;e im Durchschnitt gleich taktile Sch&auml;rfe genie&szlig;en. Wir weitere Show, die Poren zu schwitzen, und vermutlich die Merkel-Rezeptoren darunter, in kleiner Finger mehr dicht verpackt sind.

Winzige Ziffern erkennen feines: Fingerspitze Gr&ouml;&szlig;e und der unterschiedlichen Geschlechts taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe.

Braille reading is a demanding task that requires the identification of rapidly varying tactile patterns. During proficient reading, neighboring characters impact the fingertip at âˆ¼100 ms intervals, and adjacent raised dots within a character at 50 ms intervals. Because the brain requires time to interpret afferent sensorineural activity, among other reasons, tactile stimuli separated by such short temporal intervals pose a challenge to perception. How, then, do proficient Braille readers successfully interpret inputs arising from their fingertips at such rapid rates? We hypothesized that somatosensory perceptual consolidation occurs more rapidly in proficient Braille readers. If so, Braille readers should outperform sighted participants on masking tasks, which demand rapid perceptual processing, but would not necessarily outperform the sighted on tests of simple vibrotactile sensitivity. To investigate, we conducted two-interval forced-choice vibrotactile detection, amplitude discrimination, and masking tasks on the index fingertips of 89 sighted and 57 profoundly blind humans. Sighted and blind participants had similar unmasked detection (25 ms target tap) and amplitude discrimination (compared with 100 Î¼m reference tap) thresholds, but congenitally blind Braille readers, the fastest readers among the blind participants, exhibited significantly less masking than the sighted (masker, 50 Hz, 50 Î¼m; target-masker delays, Â±50 and Â±100 ms). Indeed, Braille reading speed correlated significantly and specifically with masking task performance, and in particular with the backward masking decay time constant. We conclude that vibrotactile sensitivity is unchanged but that perceptual processing is accelerated in congenitally blind Braille readers.

Vibrotactile masking experiments reveal accelerated somatosensory processing in congenitally blind braille readers.

Braille Lesung ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die die Identifizierung rasch wechselnder taktilen Muster erfordert. W&auml;hrend t&uuml;chtig Lesung, benachbarte Zeichen beeinflussen die Fingerspitze in &sim;100 ms-Intervallen und angrenzenden ausgel&ouml;st Punkte innerhalb eines Zeichens in Abst&auml;nden von 50 ms. Da das Gehirn erfordert Zeit afferente Schallempfindungs-Aktivit&auml;t, unter anderem, zu interpretieren sind taktile Reize durch solche kurzen zeitlichen Abst&auml;nden getrennt eine Herausforderung zur Wahrnehmung. Wie, dann interpretieren t&uuml;chtig Braille-Leser erfolgreich Eing&auml;nge aus ihren Fingerspitzen auf diese schnelle S&auml;tze? Wir die Hypothese, dass somatosensorische Wahrnehmung Konsolidierung im t&uuml;chtig Braille-Leser schneller auftritt. Wenn ja, sollte Braille Leser gesichteten Teilnehmer auf Aufgaben, die fordern schnelle Wahrnehmungs-Verarbeitung, aber w&uuml;rde nicht unbedingt &uuml;bertreffen die gesichteten auf Tests von einfachen vibrotaktile Empfindlichkeit Maskierung &uuml;bertreffen. Um zu untersuchen, f&uuml;hrten wir zwei-Interval gezwungen-Wahl vibrotaktile Erkennung, Amplitudenunterscheidung und Maskierung von Aufgaben auf die Index-Fingerspitzen 89 kurzsichtig und 57 zutiefst blinde Menschen. Sehbehinderte und blinde Teilnehmer hatten &auml;hnliche enttarnt-Erkennung (25 ms Ziel tippen) und Amplitude Diskriminierung (im Vergleich mit 100 &mu;m Verweis Hahn) Schwellen, aber von Natur aus blinden Braille Leser, die schnellsten Leser unter den blinden Teilnehmern zeigte deutlich weniger Maskierung als die gesichteten (Masker, 50 Hz, 50 &mu;m; Ziel-Masker Verz&ouml;gerungen, &plusmn;50 und &plusmn;100 ms). In der Tat Blindenschrift lesen Geschwindigkeit deutlich und speziell mit Maskierung Aufgabendurchf&uuml;hrung und insbesondere mit der r&uuml;ckw&auml;rts korreliert Maskierung Zerfall Zeitkonstante. Wir schlussfolgern, dass vibrotaktile Empfindlichkeit unver&auml;ndert ist aber, dass perzeptiven Verarbeitung von Natur aus blinden Braille-Leser beschleunigt wird.

Vibrotaktile Maskierung Experimente zeigen beschleunigte somatosensorische Verarbeitung in von Natur aus blinden Braille-Leser.

Tactile spatial acuity is enhanced in blindness, according to several studies, but the cause of this enhancement has been controversial. Two competing hypotheses are the tactile experience hypothesis (reliance on the sense of touch drives tactile-acuity enhancement) and the visual deprivation hypothesis (the absence of vision itself drives tactile-acuity enhancement). Here, we performed experiments to distinguish between these two hypotheses. We used force-controlled grating orientation tasks to compare the passive (finger stationary) tactile spatial acuity of 28 profoundly blind and 55 normally sighted humans on the index, middle, and ring fingers of each hand, and on the lips. The tactile experience hypothesis predicted that blind participants would outperform the sighted on the fingers, and that Braille reading would correlate with tactile acuity. The visual deprivation hypothesis predicted that blind participants would outperform the sighted on fingers and lips. Consistent with the tactile experience hypothesis, the blind significantly outperformed the sighted on all fingers, but not on the lips. Additionally, among blind participants, proficient Braille readers on their preferred reading index finger outperformed nonreaders. Finally, proficient Braille readers performed better with their preferred reading index finger than with the opposite index finger, and their acuity on the preferred reading finger correlated with their weekly reading time. These results clearly implicate reliance on the sense of touch as the trigger for tactile spatial acuity enhancement in the blind, and suggest the action of underlying experience-dependent neural mechanisms such as somatosensory and/or cross-modal cortical plasticity.

Tactile spatial acuity enhancement in blindness: evidence for experience-dependent mechanisms.

Taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe ist laut mehreren Studien in Blindheit, verbessert aber die Ursache f&uuml;r diese Verbesserung ist umstritten gewesen. Zwei konkurrierende Hypothesen sind die taktile Erfahrung-Hypothese (Vertrauen auf das Gef&uuml;hl der Ber&uuml;hrung Laufwerke taktile-Sch&auml;rfe-Verbesserung) und die visuelle Entbehrung-Hypothese (ohne Vision selbst f&auml;hrt taktile-Sch&auml;rfe-Verbesserung). Hier f&uuml;hrten wir durch Experimente, zwischen diesen beiden Hypothesen zu unterscheiden. Wir verwendeten Kraft kontrollierten Gitter Orientierung Aufgaben um die passiv (Finger station&auml;re) taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe von 28 zutiefst blind und 55 normal gesichtet, Menschen auf den Index, Mitte und Ring Finger jeder Hand, und auf den Lippen. Die taktile Erfahrung-Hypothese voraus, dass blinde Teilnehmer die gesichteten an den Fingern &uuml;bertreffen w&uuml;rde, und, dass Blindenschrift lesen mit taktilen Sch&auml;rfe korrelieren w&uuml;rde. Die visuelle Entbehrung-Hypothese voraus, dass blinde Teilnehmer am Finger und Lippen die gesichteten &uuml;bertreffen w&uuml;rde. Besser im Einklang mit der Hypothese haptisches Erlebnis, als blinde deutlich die gesichteten an allen Fingern, aber nicht auf den Mund. Dar&uuml;ber hinaus &uuml;bertraf bei den blinden Teilnehmern t&uuml;chtig Braille-Leser auf ihre bevorzugte Lekt&uuml;re-Zeigefinger Nonreaders. Schlie&szlig;lich beherrschen Braille-Leser besser mit ihrem Zeigefinger bevorzugte Lesart als mit dem gegen&uuml;berliegenden Zeigefinger, und ihre Sch&auml;rfe auf die bevorzugte Lekt&uuml;re Finger korreliert mit ihrer pro Lesezeit. Diese Ergebnisse eindeutig impliziere Abh&auml;ngigkeit der Tastsinn als Ausl&ouml;ser f&uuml;r taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe-Erweiterung in den blinden und schlagen Sie die Aktion des zugrunde liegenden Erfahrungen-abh&auml;ngige neuronalen Mechanismen wie somatosensorische und/oder Kreuz-modalen kortikale Plastizit&auml;t.

Taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe-Erweiterung in Blindheit: Beweise f&uuml;r Erlebnis-abh&auml;ngige Mechanismen.

An important unresolved question in sensory neuroscience is whether, and if so with what time course, tactile perception is enhanced by visual deprivation. In three experiments involving 158 normally sighted human participants, we assessed whether tactile spatial acuity improves with short-term visual deprivation over periods ranging from under 10 to over 110 minutes. We used an automated, precisely controlled two-interval forced-choice grating orientation task to assess each participant's ability to discern the orientation of square-wave gratings pressed against the stationary index finger pad of the dominant hand. A two-down one-up staircase (Experiment 1) or a Bayesian adaptive procedure (Experiments 2 and 3) was used to determine the groove width of the grating whose orientation each participant could reliably discriminate. The experiments consistently showed that tactile grating orientation discrimination does not improve with short-term visual deprivation. In fact, we found that tactile performance degraded slightly but significantly upon a brief period of visual deprivation (Experiment 1) and did not improve over periods of up to 110 minutes of deprivation (Experiments 2 and 3). The results additionally showed that grating orientation discrimination tends to improve upon repeated testing, and confirmed that women significantly outperform men on the grating orientation task. We conclude that, contrary to two recent reports but consistent with an earlier literature, passive tactile spatial acuity is not enhanced by short-term visual deprivation. Our findings have important theoretical and practical implications. On the theoretical side, the findings set limits on the time course over which neural mechanisms such as crossmodal plasticity may operate to drive sensory changes; on the practical side, the findings suggest that researchers who compare tactile acuity of blind and sighted participants should not blindfold the sighted participants.

Short-term visual deprivation does not enhance passive tactile spatial acuity.

Eine wichtige ungel&ouml;ste Frage der sensorischen Neurowissenschaften ist ob, und wenn also mit welchen zeitlichen Verlauf, Tastwahrnehmung durch visuelle Deprivation erh&ouml;ht wird. In drei Experimenten mit 158 normalerweise menschliche Teilnehmer gesichtet, wir gepr&uuml;ft, ob taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe mit kurzfristigen visuelle Aberkennung &uuml;ber Zeitr&auml;umen unter 10 bis &uuml;ber 110 Minuten verbessert. Wir verwendeten eine automatisierte, genau kontrollierte zwei-Interval-gezwungen-Wahl-Gitter Orientierung Aufgabe zu beurteilen, jeder Teilnehmer F&auml;higkeit zu erkennen, die Ausrichtung des Quadrat-Welle Gitter gegen das station&auml;re Zeigefinger Pad der dominanten Hand gedr&uuml;ckt. Ein zwei-Down ein-bis Treppe (Versuch 1) oder einem Bayes&#39;schen adaptive Verfahren (Experimente 2 und 3) verwendet wurde, um die Fugenbreite der das Gitter bestimmen deren Ausrichtung jeder Teilnehmer zuverl&auml;ssig unterscheiden k&ouml;nnte. Die Experimente zeigten durchweg das taktile Orientierung Diskriminierung Gitter nicht mit kurzfristigen visuelle Aberkennung verbessert. In der Tat, fanden wir, dass taktile Leistung leicht, aber deutlich auf einen kurzen Zeitraum von visuellen Deprivation (Versuch 1) abgebaut und hat &uuml;ber einen Zeitraum von bis zu 110 Minuten Deprivation (Experimente 2 und 3) nicht verbessert. Die Ergebnisse zeigten, dass Gitter Orientierung Diskriminierung tendenziell nach wiederholten Tests zu verbessern zus&auml;tzlich und best&auml;tigt, dass Frauen M&auml;nner auf das Gitter deutlich &uuml;bertreffen Orientierung Aufgabe. Wir schlie&szlig;en, dass im Gegensatz zu zwei j&uuml;ngsten Berichten aber mit einer fr&uuml;heren Literatur, passive taktile r&auml;umlichen Sch&auml;rfe nicht durch kurzfristige visuelle Deprivation bearbeitet wird. Unsere Erkenntnisse haben wichtige theoretische und praktische Implikationen. Auf der theoretischen Seite werden die Feststellungen Grenzen auf den zeitlichen Verlauf &uuml;ber dem Neuronale Mechanismen wie Crossmodal Plastizit&auml;t zu Laufwerk sensorische Ver&auml;nderungen t&auml;tig werden d&uuml;rfen; aus praktischer Sicht zufolge die Feststellungen Forscher, die taktile Sch&auml;rfe der Blinde und Sehbehinderte Teilnehmer vergleichen die gesichteten Teilnehmer nicht mit verbundenen Augen sollten.

Article	Year
Hypothermia from prolonged immersion: biophysical parameters of a survivor. The Journal of emergency medicine\| PubMed ID: 12113847	2002
Texture discrimination and unit recordings in the rat whisker/barrel system. Physiology & behavior\| PubMed ID: 12527017	2002
Tactile acuity is enhanced in blindness. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 12716952	2003
Performance of blind and sighted humans on a tactile grating detection task. Perception & psychophysics\| PubMed ID: 17378422	2006
A Bayesian perceptual model replicates the cutaneous rabbit and other tactile spatiotemporal illusions. PloS one\| PubMed ID: 17389923	2007
Diminutive digits discern delicate details: fingertip size and the sex difference in tactile spatial acuity. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 20016091	2009
Vibrotactile masking experiments reveal accelerated somatosensory processing in congenitally blind braille readers. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 20980584	2010
Tactile spatial acuity enhancement in blindness: evidence for experience-dependent mechanisms. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience\| PubMed ID: 21562264	2011
Short-term visual deprivation does not enhance passive tactile spatial acuity. PloS one\| PubMed ID: 21966478	2011

Daniel Goldreich

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