Summary
Появление системы МЭГ размера для маленьких детей, открывает широкие новые возможности для изучения развития мозга. Новая система, вместе с протоколом, который выравнивает экспериментальные требования способностей детей, могут быть использованы для изучения когнитивных и языковых процессов у здоровых, проснись детей в возрасте от трех до шести.
Abstract
Магнитоэнцефалографии это техника, которая обнаруживает магнитных полей, связанных с корковой активности [1]. Электрофизиологические деятельности мозг генерирует электрические поля - что может быть записаны с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) - и их сопутствующие магнитных полей - обнаружены МЭГ. МЭГ сигналов в специализированных датчиков известный как сверхпроводящих квантовых устройств помех (СКВИД). Сверхпроводящие датчики требуют охлаждения жидким гелием при -270 ° C. Они содержатся в vacumm изоляцией шлем называется Дьюара, заполненный жидкостью. СКВИДы находятся в фиксированных позициях внутри шлема дьюара в теплоносителе гелия, и глава субъекта находится внутри шлема Дьюара для измерений МЭГ. Шлем Дьюара должны быть рассчитаны для удовлетворения противоположных ограничений. Очевидно, он должен быть достаточно большим чтобы вместить все или почти все главы в популяции, которые будут изучены. Тем не менее, шлем должен быть достаточно маленьким, чтобы держать большинство SQUID датчиков в пределах зоны крошечный мозговой поля, которые они для измерения. Обычные целые головки MEG системы предназначены для размещения более чем на 90% взрослых головах. Однако взрослые системы не очень хорошо подходит для измерения функции мозга в дошкольных Детское руководители которых радиусом несколько сантиметров меньше, чем взрослые. КИТ-Маккуори мозг научно-исследовательской лаборатории в Macquarie University использует пользовательский MEG системе размер подходит для глав детей дошкольного возраста. Этот ребенок система имеет 64-го порядка осевой градиентометры с 50 мм базовой [2] и содержится внутри магнитно-экранированной комнате (MSR), вместе с обычными взрослого размера системы МЭГ [3,4]. Существуют три основных преимущества индивидуальных шлем Дьюара для изучения детьми. Во-первых, меньший радиус конфигурации датчиков приносит SQUID датчиков в диапазоне neuromagnetic сигналы детские головы. Во-вторых, меньший шлем позволяет полностью вставки головы ребенка в дьюар. Полный вставки не имеет возможности во взрослой шлемы Дьюара из-за меньшего корону к плечу расстояние у детей. Эти два фактора являются основополагающими для записи активности мозга использовании MEG потому neuromagnetic сигналы быстро затухают с расстоянием. В-третьих, настроить ребенка шлем помогает в симметричных позиционирования головы и ограничения свободы передвижения голову ребенка в дьюар. При использовании с протоколом, который выравнивает требования сбора данных с мотивационных и поведенческих способностей детей, эти особенности существенно облегчить установку, позиционирования и измерения сигналов МЭГ.
Protocol
Эти рекомендации описывают оборудование и процедуры для измерения когнитивных функций мозга у дошкольников использованием магнитоэнцефалографии (МЭГ). Во-первых, мы обсуждаем общие принципы и вопросы, которые необходимо учитывать при проведении экспериментальной проверки когнитивных функций у детей. Во-вторых, мы опишем протокол, разработанный по согласованию требований сбора данных с МЭГ мотивационных и поведенческих возможностей четырех-летних детей.
1. Общие соображения для изучения детей раннего возраста с МЭГ
МЭГ исследователи сталкиваются с рядом уникальных проблем при работе с бодрствует здоровых детей. Во-первых, резко и функциональных лабораторных условиях, скорее всего, запугать или пугать маленьких детей. Во-вторых, основные требования экспериментальное исследование MEG включают ограничение движения и активно занимаясь задачу в течение длительного периода, условия, что многие взрослые находят утомительным и неудобным. При изучении детей, становится необходимым адаптировать экспериментальных процедур возможности и ограничения детей. В этом разделе мы рассмотрим первые шаги участие в подготовке при условии участия в сессии сбора данных.
Ознакомление 1,1 / Учебная сессия: Для детей дошкольного возраста ознакомление / тренировка запланирована еще до начала сессии сбора данных. Эта сессия позволяет ребенку познакомиться с окружающей средой и исследователи в своем собственном темпе. Введем ребенка и родителя исследователей и ознакомить их с лабораторией окружение и процедур. По состоянию на конец вступительной сессии родителем и ребенком понять все этапы в участии и понять, что они должны ожидать во время записи данных. Если во время первого визита, ребенок появляется застенчивый или тревогу, у нас есть период воспроизведения, пока они чувствуют себя более комфортно. Затем, мы продолжаем внедрение всех шагов.
1,2 Объясняя окружающей среды: Чтобы объяснить среде МЭГ к данному ребенку, у нас работают тема, которая обеспечивает благоприятные для детей оправдание окрестностях. Например, система MEG является космический корабль ожидания принять детей на космические приключения, где некоторые незнакомые события могут произойти. Лаборатория также украшены стены стикеры и игрушки (рис. 1), и имеет специальный игровой комнате. При разговоре с ребенком, мы используем язык, чтобы дети могли легко понять, такие как "замораживание" вместо "минимизации движения" и "астронавт шлема» вместо «Маркер-катушки предел".
1,3 Объясняя процедуры ребенка и родителей: Мы показываем ребенка и родителя шаги, которые предпринимаются, прежде чем ребенок идет в комнату с магнитным экранированием (MSR). Одним из первых шагов, чтобы соответствовать пять маркеров катушки шапка на голове испытуемого; эти катушки указывают на пост главы субъекта внутри шлема МЭГ. С помощью ребенка, мы оцифровать голову форму марионетка, и тогда мы приглашаем детей и родителей, чтобы сопровождать марионетка в MSR / космический корабль. Оказавшись внутри MSR, кладем голову куклы внутри шлема, чтобы посмотреть фильм. Затем спросите ребенка, если они хотят смотреть фильм с марионеткой. Если ребенку комфортно и расслабленно, и их родители довольны нашим протоколам, мы приглашаем их играть в игру внутри космического корабля в следующий раз они посещают нашу лабораторию.
1,4 книгах: У нас есть книги основаны на тему космических приключений, который показывает шаги дети будут принимать во время тестирования сессии. Дети проходят эти worksbooks, чтобы забрать домой и работать через их со своими родителями в рамках подготовки к следующей поездки. Цель книги состоит в подчеркивании важности три основных требования для тестирования:) отсутствием каких-либо черных материала внутри MSR, б) размещения маркера колпачок катушки для обеспечения точных данных ко-регистрация и в) и важность сохранения еще при оцифровке и сбора данных.
2. Протокол для измерения MEG сигналы от дошкольного возраста
2,1 Оборудование, используемое в процессе сбора данных и экспериментальных задач
Маркер-катушки вместимость: в целях приведения данных МЭГ со структурной информации субъекта (например, МРТ или оцифрованных форма головы), набор из пяти катушек помещаются в плавание колпачком, который ребенок носит внутри шлема МЭГ. Эти катушки выступают в качестве ориентиров и их позиции в сравнении до и после выполнения задачи для измерения количества голову субъекта переехал во время приобретения.
Digitizer: До получения данных, положение маркера пять катушек и форма головы субъекта оцифровывается использованием F Polhemusastrak ® дигитайзер (Колчестер, В. Т.). Дигитайзера состоит из дигитайзер перо, три приемника, передатчика и блок отслеживания движения. Этот процесс меры расположение катушек. Позже эти места сопоставляются с места информации, полученной МЭГ для выравнивания приобретенной магнитных данных и головы.
Система ребенка MEG: Сбор данных осуществляется с помощью целого голову ребенка MEG системы (KIT, Канадзава, Япония) [2]. Данные приобретается непрерывно при частоте дискретизации 1000 Гц, с онлайн полосы пропускания фильтра от 0,03 Гц и 200 Гц. Маркер позиции катушки полученные до и после записи для измерения движения головы. Данные отклоняется, если движения головы больше, чем 5 мм.
МЭГ системы периферийных устройств: Экспериментальные стимулы управляться с ПК при помощи Презентация ® (нейробихевиоральная Systems, Олбани, штат Калифорния). Визуальный входы доставляются проектор, который находится за пределами MSR и отражается на экране MSR. Слуховые стимулы доставляются Etymotic ER Модель исследований-30 вставить наушники оснащены ребенка размера пены наушники (Etymotic Research, Elk Grove Village, Иллинойс). Ребенок постоянно контролируется закрытой камерой цепи и экспериментатор общается с ребенком через микрофон.
2,2 Сбор данных: сессии Запись данных состоит из следующих этапов:
Этап I: До прибытия ребенка
Важно, чтобы все компьютеры, программное обеспечение и оборудование, готова начать эксперимент, как только ребенок приходит. В качестве общей рекомендации, два опытных исследователей должны присутствовать в то время как ребенка и родителя находятся в лаборатории. Очистить связи между исследователем, родителя и ребенка имеют решающее значение для успеха эксперимента.
II этап: После того как ребенок поступает
- Согласие формы подписаны и экспериментаторов проверить, если родители имеют вопросы.
- Экспериментатор проверяет, является ли ребенок помнит все шаги, внесенных в ходе первого заседания или в буклетах и вновь вводит те, которые не помнят. Важность замораживания или сведения к минимуму движение во время приобретения оцифровки и передачи данных, подчеркивается. Это можно продемонстрировать с помощью куклы.
- Затем экспериментатор проверяет, является ли ребенок с любыми железосодержащего материала (одежда с блеском патчи, украшения, игрушки забыли внутренних кармана, заколки и т.д.). Если они несут часть одежды, которая содержит железосодержащего материала, мы предоставляем им MEG безопасной одежды. Если родитель желает, чтобы сопровождать ребенка во время эксперимента, мы гарантируем, что они также удалить их железосодержащего материала.
Стадия III: Получение ребенка готовы выполнить задачу внутри MSR
- Экспериментатор подходит колпачок, который содержит 5 витков маркером.
- Экспериментатор оцифровывает расположение маркера катушки и форма головы ребенка. Для того, чтобы поддерживать голову в фиксированном положении, мы используем шеи фигурную скобку которая была оснащена тремя приемниками. Важно укрепить идею о минимизации движения или "замораживание" регулярно для получения хорошей форме головы. Ребенок может быть вознагражден наклейки для этого хорошую работу на "замораживание".
- Ребенку предлагается ввести MSR. Наушники вставляются и ребенок находится в шлеме MEG дьюара в лежачем положении.
- Как только ребенок лежит удобно с головой внутри шлема MEG, маркер катушки, связанные с их мощности и двери MSR закрыт. Один экспериментатор остается (а также родителей, если это необходимо) в номере в течение всей сессии.
- Для развлечения во время установки и между блоками сбора данных, фильм или мультфильм может быть спроектирован на MSR резервного проекционного экрана.
IV этап: запуск эксперимента
- Как только дверь закрыта MSR, кальмары занимаются и сбора данных начинается.
- Как ребенок смотрит фильм, coregistration предварительное тестирование проводится с целью убедиться, что MEG сигналы могут быть coregistered к оцифрованной форме головы. Это предварительного теста состоит из соответствующих положению маркера катушки, полученные в ходе оцифровки с позицией показано системы МЭГ.
- Как только первый показывает тест, который головой ребенка правильно размещен внутри шлема, исследователь может начать эксперимент: (а) фильм отключен, (б) исследователь спрашивает ребенка, если они готовы "играть в игру"; (с) один раз в начале игры, экспериментатор регулярно предоставляет ребенку с обратной связью. Например, ребенок может попросить, чтобы прослушать ряд предложений, и повторить целевой слова, такие как "сыр", как только они слышат это. Эти целевые слова вложены в подмножество поймать трилов, что зонд продолжал внимательность к задаче, но не включены в окончательный анализ.
- Как только задача выполнена, еще одно измерение, маркер катушки осуществляется контролировать положение головы и движения.
- Как только кальмары отключаются, MSR дверь открывается и ребенка предлагается игровая комната, где они смогут выбрать приз за хорошую работу.
3. Представитель результаты
Репрезентативное исследование в нашей лаборатории использовали этот протокол для изучения развития логики в детский язык. Двадцать шесть детей в возрасте 3-4 лет (средний возраст 4 года и 5 месяцев) принял участие хотя бы в одном приобретение сессии. Семнадцать из тех детей, вернулись за второй сессии тестирования и пять пришли за третью сессию тестирования. Средняя движения головы был меньше, чем 3,7 мм (стандартное отклонение 3,1 мм), в пределах 5 мм порог. Движения более 5 мм произошел в 4,5% от сессий, с изменением в пределах от 5,5 мм до 15 мм (среднее значение = 8.6mm, с.о. = 2,5 мм).
Рисунок 1. MSR и МЭГ шлем был украшен наклейками и мягкими игрушками.
Рисунок 2. Четыре девочки в взрослого размера MEG (слева). Обратите внимание, обивка в верхней части головы, чтобы минимизировать движения и расстояние между головой и шлемом. Правая картинка показывает одну девушку у ребенка МЭГ.
Discussion
Этот протокол предназначен для облегчения измерения когнитивных функций мозга у здоровых и бодрствования 4-летних детей. Мы используем нестандартный MEG Система рассчитана на установку главы дошкольного возраста. С помощью этой системы, доброжелательного отношения к ребенку лабораторных условиях, а также протокол адаптирован к возможностям и мотивации детей, мы можем измерить когнитивные функции мозга в возрастном диапазоне, для которого существует в настоящее время очень мало информации.
КИТ-Маккуори система является первой цельной головой система пользовательских размеров для использования с дошкольного возраста. Существуют три основных преимущества индивидуальных шлем Дьюара для изучения детьми. Во-первых, меньший радиус конфигурации датчиков приносит SQUID датчиков в диапазоне neuromagnetic сигналы детские головы с. Во-вторых, меньший шлем позволяет полностью вставки головы ребенка в дьюар. Полный вставки не имеет возможности во взрослой шлемы Дьюара из-за меньшего корону к плечу расстояние у детей (см. рис. 2). Эти два фактора являются основополагающими для записи активности мозга использовании MEG потому neuromagnetic сигналы быстро затухают с расстоянием. В-третьих, настроить ребенка шлем помогает в симметричных позиционирования головы и ограничения свободы передвижения голову ребенка в дьюар. Эти особенности существенно облегчить установку, позиционирования и измерения сигналов МЭГ от детей.
Появление пользовательских размеров ребенка MEG Система важный шаг вперед для когнитивной нейронауки. Альтернативные методы функциональной нейровизуализации, которые используют радиофармпрепаратов и сильные магнитные поля не могут быть пригодны для повседневного использования с маленькими детьми. С MEG является полностью пассивным измерительной техники нет мыслимые риск для развивающихся тканей. Существует в настоящее время очень мало данных МЭГ от здоровых детей дошкольного возраста, потому что обычные взрослые MEG системы не очень хорошо подходит для использования с детьми. Ребенка MEG системы позволят нам изучить функции мозга при в возрасте, где драматические структурирования деятельности мозга происходит, предоставляя новому взглянуть на нормальных и патологических развитие познавательной функции.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Австралийский исследовательский совет Связь оборудование Инфраструктура и услуги Грант LEO668421 и Австралийский исследовательский совет Связь проекта Грант LP0669471. Авторы выражают благодарность сотрудничества Канадзава технологического института и Yokogawa Electric Corporation в установлении КИТ-Маккуори Brain Research Laboratory.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Whole head child MEG | Kanazawa Institute of Technology (Kanazawa) and Yokogawa Electric Corporation (Tokyo) | Model PQ1064R-N2m | |
| Magnetically shielded room | Fujihara Co. Ltd. | ||
| Digitiser | Polhemus (Colchester, VT) | Fastrack | |
| Experimental control software | Neurobehavioral Systems | Presentation | |
| Earphones | Etymotic Research Inc. | ER-30 |
References
- Hämäläinen, M., Hari, R., Ilmoniemi, R. J., Knuutila, J., Lounasmaa, O. V. Magnetoencephalography- theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain. Rev. Mod. Physics. 65 (2), 413-497 (1993).
- Johnson, B. W., Crain, S., Thornton, R., Tesan, G., Reid, M. Measurement of brain function in pre-school children using a custom sized whole-head MEG sensor array. Clin. Neurophysiol. , (2009).
- Kado, H., Higuchi, M., Shimogawara, M., Haruta, Y., Adachi, Y., Kawai, J., Ogata, H., Uehara, G. Magnetoencephalogram system developed at KIT. IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 4057-4062 (1999).
- Uehara, G., Adachi, Y., Kawai, J., Shimogawara, M., Higuchi, M., Haruta, Y., Ogata, H., Kado, H. Multi-Channel SQUID Systems for Biomagnetic Measurement. IEICE Trans. Electr. E86-C, 43-54 (2003).
