Mätning av Neuromagnetic hjärnfunktion i förskolan Barn med anpassad storlek MEG

Summary

Tillkomsten av MEG-system storlek för små barn öppnar viktiga nya möjligheter att studera hjärnans utveckling. Det nya systemet, tillsammans med ett protokoll som anpassar experimentell krav med kapacitet barn, kan användas för att studera kognitiva och språkliga processer hos friska, vakna barn i åldrarna tre till sex.

Abstract

Magnetencefalografi är en teknik som upptäcker magnetiska fält i samband med kortikal aktivitet [1]. Den elektrofysiologiska aktivitet i hjärnan genererar elektriska fält - som kan spelas in med hjälp av elektroencefalografi (EEG) - och samtidig magnetfält - upptäcks av MEG. MEG-signaler upptäcks av specialiserade sensorer kallas supraledande quantum interferens enheter (SQUIDar). Supraledande sensorer kräver kylning med flytande helium till -270 ° C. De finns i en vacumm-isolerad hjälm kallas Dewar, som är fylld med vätska. SQUIDS placeras i fasta lägen inne i hjälmen Dewar i helium kylvätska, och försökspersonens huvud placeras inuti hjälmen Dewar för MEG-mätningar. Hjälmen Dewar skall vara dimensionerade för att tillgodose motstående begränsningar. Självklart måste det vara tillräckligt stor för att passa de flesta eller alla huvuden i befolkningen som kommer att studeras. Dock måste hjälmen också vara tillräckligt liten för att hålla de flesta av SQUID-sensorer inom räckhåll för de små cerebral fält som de är att mäta. Konventionella hel-head MEG-system är konstruerade för att mer än 90% av vuxna huvuden. Men vuxna system är inte väl lämpade för att mäta hjärnans funktion i förskolan chidren vars huvuden har en radie flera cm mindre än vuxna. Den KIT-Macquarie Brain Research Laboratory vid Macquarie University använder en MEG-system anpassad storlek för att passa cheferna för förskolebarn. Detta barn system har 64 första ordningens axiell gradiometrar med en 50 mm baseline [2] och finns i en magnetiskt avskärmad plats (MSR) tillsammans med en konventionell vuxen storlek MEG-system [3,4]. Det finns tre huvudsakliga fördelarna med anpassade hjälmen Dewar för att studera barn. Först tar de mindre radie Givarkonfiguration SQUID sensorer i intervallet för neuromagnetic signaler av barns huvuden. För det andra ger den mindre hjälm fullt införande av ett barns huvud i Dewar. Fullständig insättning förhindras hos vuxna Dewar hjälmar på grund av den mindre kronan att ta avstånd från barn. Dessa två faktorer är grundläggande i inspelningen hjärnans aktivitet med hjälp av MEG eftersom neuromagnetic signaler dämpa snabbt med avståndet. Tredje begränsar skräddarsydda barnet hjälmen stöd i den symmetriska placering av huvudet och den fria rörligheten av barnets huvud i Dewar. När den används med ett protokoll som anpassar kraven för insamling av uppgifter med motiverande och beteendemässiga kapacitet av barn, dessa funktioner avsevärt underlätta installation, positionering och mätning av MEG-signaler.

Protocol

Dessa riktlinjer beskriver utrustning och procedurer för att mäta hjärnans kognitiva funktion i förskolebarn med hjälp av magnetencefalografi (MEG). Först diskuterar vi allmänna riktlinjer och frågor som måste beaktas när man utför experimentella tester av kognitiva funktioner hos barn. För det andra beskriver vi ett protokoll som utvecklats för att anpassa kraven i MEG datainsamling med motiverande och beteendemässiga kapacitet fyra år gamla barn.

1. Allmänna överväganden för att studera små barn med MEG

MEG forskare står inför ett antal unika utmaningar när man arbetar med vaken friska barn. För det första är en stark och funktionell laboratoriemiljö sannolikt att hota eller skrämma små barn. För det andra, de grundläggande kraven på en experimentell MEG-studien omfattar begränsning av rörelsefriheten och aktivt delta i en aktivitet under en längre period, förhållanden som många vuxna tycker långtråkig och obekväm. När man studerar barn blir det absolut nödvändigt att anpassa de experimentella förfaranden för att den kapacitet och begränsningar av barnen. I detta avsnitt beskriver vi de första stegen för att förbereda motivet för att delta i en datainsamling session.

1,1 förtrogenhet / träningspass: För förskolebarn en familjaritetsutbildning / träningspass är planerad före det egentliga datainsamling session. Denna session ger barnet möjlighet att bekanta sig med miljön och forskarna i sin egen takt. Vi introducerar barnet och föräldern till forskare och göra dem förtrogna med labbet omgivningen och rutiner. I slutet av den inledande sessionen föräldern och barnet förstå alla steg som ingår i att delta och förstå vad de ska förvänta vid dataregistrering. Om det under det första besöket, visas ett barn blyg eller orolig, vi har en period av lek tills de känner sig mer bekväm. Sedan fortsätter vi med införandet av alla stegen.

1,2 Förklara miljön: Att förklara MEG miljö för barnet, använder vi ett tema som ger en barnvänlig motivering för omgivningen. Till exempel är det MEG-system ett rymdskepp väntar på att ta barnen på ett rymdäventyr där en del obekanta händelser kan inträffa. Laboratoriet har också dekorerat med väggdekorationer och leksaker (bild 1), och den har en särskild lekrum. När man talar till barnet använder vi språk som barn lätt kan förstå som "frysning" istället för "minimera rörelsen" och "astronaut hjälm" istället för "markör-coil cap".

1,3 Förklara förfarandena för barnet och för föräldrarna: Vi visar barnet och den förälder de steg som tas innan barnet går in i magnetiskt avskärmade rummet (MSR). En av de första stegen är för att passa en fem markör-coil tak för ämnet huvud, dessa spolar ange positionen för ämnet huvud inne i MEG hjälmen. Med barnets hjälp, vi digitaliserar huvudet form av en docka, och sedan bjuder vi in ​​barnet och föräldern att följa med marionett till MSR / rymdskepp. Väl inne i MSR, placerar vi dockan huvudet inne i hjälmen för att titta på en film. Vi ber då barnet om de vill titta på filmen med marionett. Om barnet är bekväm och avslappnad och deras föräldrar är nöjda med vårt protokoll, inbjuder vi dem att spela ett spel inne i rymdskeppet nästa gång de besöker vårt laboratorium.

1,4 Arbetsböcker: Vi har arbetsböcker baserade på rymdäventyr tema som visar de steg som barnen kommer att ta under testning sessionen. Barnen ges dessa worksbooks att ta hem och arbeta igenom dem med sina föräldrar inför nästa besök. Syftet med arbetsböcker är att betona vikten av de tre stora krav på att testa: a) undanröjande av alla järnhaltiga material inne i MSR, b) placeringen av markören spole mössa för att säkerställa korrekta uppgifter co-registrering och c) och Betydelsen av kvarvarande fortfarande under digitalisering och datainsamling.

2. Ett protokoll för mätning av MEG-signaler från förskola skolåldern

2,1 utrustning som används vid datainsamling och experimentell uppgift

Marker-spole cap: i syfte att anpassa MEG data med motivets strukturell information (t.ex. MR eller digitaliserade huvudform), en uppsättning av fem spolar placeras i en badmössa som barnet bär inuti MEG hjälmen. Dessa spolar fungerar som referenspunkter och deras positioner jämförs före och efter uppgiften att mäta hur mycket en persons huvud har flyttat under förvärvet.

Digitizer: Före datainsamling, är positionen av fem markör spolar och huvudform av motivet digitaliseras med hjälp av en Polhemus Fastrak ® digitizer (Colchester, VT). Den digitaliserare består av en penna digitizer, tre mottagare, en sändare och en motion tracking enhet. Denna process åtgärder platsen för spolar. Senare dessa platser matchas mot den plats uppgifterna från MEG att anpassa den förvärvade magnetiska data och huvudform.

Barn MEG-system: Datainsamling sker med hjälp av en hel-head barn MEG-system (KIT, Kanazawa, Japan) [2]. Data förvärvas kontinuerligt vid en samplingsfrekvens på 1000 Hz, med en online bandpassfilter mellan 0,03 Hz och 200 Hz. Marker spole positioner har erhållits före och efter inspelningarna för att mäta huvudrörelser. Data avslås om huvudrörelser är större än 5 mm.

MEG-system kringutrustning: Experimentell stimuli styrs med datorn via Presentation ® (neurobeteende Systems, Albany, CA). Visual ingångar levereras av en projektor som sitter utanför MSR och reflekteras på MSR skärmen. Auditiva stimuli levereras av Etymotic Research Modell ER-30 sätter hörlurarna utrustade med baby-storlek skum öronsnäcka (Etymotic Research Inc., Elk Grove Village, IL). Barnet är ständigt övervakas av sluten krets kamera och försöksledaren kommunicerar med barnet genom en mikrofon.

2,2 Datainsamling: Data inspelningar omfatta följande steg:

Steg I: Före barnets ankomst

Det är viktigt att ha alla datorer, programvaror och utrustning redo att starta experimentet så snart barnet anländer. Som en allmän rekommendation bör två erfarna forskare vara närvarande medan barnet och föräldern är i laboratoriet. Klar kommunikation mellan forskare, förälder och barn är avgörande för framgången av försöket.

Steg II: Efter barnet kommer

1. Samtycke former är signerade och praktiker kontrollera om föräldrarna har frågor.
2. Försöksledaren kontrollerar om barnet kommer ihåg alla steg introduceras under det första mötet eller i häften och återinför någon som inte minns. Vikten av att frysa eller minimera rörelse under digitalisering och datainsamling betonas. Detta kan visas med hjälp av en marionett.
3. Sedan kontrollerar försöksledaren om barnet bär på någon järnhaltigt material (kläder med glitter patchar, smycken, leksaker glömt innerfickor, hårnålar etc.). Om de bär ett plagg som innehåller järnhaltigt material ger vi dem med MEG säker kläder. Om föräldern som önskar följa med barnet under försöket, ser vi till att de också ta bort sina järnhaltigt material.

Steg III: Att få barn redo att utföra uppgiften inne i MSR

1. Försöksledaren passar korken som håller 5 markör spolar.
2. Försöksledaren digitaliserar placering av markören spolar och barnets huvud form. För att behålla huvudet i en fast position, använder vi ett nackskydd som har utrustats med tre mottagare. Det är viktigt att stärka idén om att minimera rörelse eller "frysning" regelbundet för att få en bra huvud form. Barnet kan belönas med ett klistermärke för att göra ett bra jobb på "frysning".
3. Barnet uppmanas att komma in i MSR. Hörlurarna är insatt och barnet är placerat i MEG Dewar hjälmen i ryggläge.
4. När barnet ligger ner bekvämt med huvudet inne i MEG-hjälm, är markören spolar anslutna till sin makt enheten och MSR dörren är stängd. En försöksledaren är (och även en förälder, om så önskas) i rummet under hela sessionen.
5. För underhållning under installationen och mellan datainsamling block, kan en film eller tecknade ska projiceras på MSR back-projektorduk.

Steg IV: Köra experimentet

1. När MSR dörren är stängd, är SQUIDar engagerade och datainsamling startar.
2. När barnet tittar på en film, en coregistration förtest görs för att säkerställa att MEG-signaler kan coregistered till digitaliserade huvudform. Denna provkörning består av matchande position markören spolar som erhålls vid digitalisering med den ståndpunkt som framgår av MEG-system.
3. När det första testet visar att barnets huvud är rätt placerad inuti hjälmen, kan forskaren starta experiment: (a) filmen är dämpad, (b) forskaren frågar barnet om de är beredda att "spela spelet"; (c) när spelet startar, ger försöksledaren regelbundet barnet med feedback. Till exempel kan ett barn bli ombedd att lyssna till en rad av meningar, och att upprepa ett mål ord som "ost", så fort de hör den. Dessa mål ord är inbäddade i en delmängd av fångst triALS att sond fortsatt uppmärksamhet för uppgiften, men ingår inte i den slutliga analyserna.
4. När uppgiften är slutförd, är en annan markör spole mätning utföras för att följa huvudets position och rörelse.
5. När SQUIDar är frånkopplad, är MSR dörren öppnas och barnet uppmanas att ett lekrum där de kan välja ett pris för sitt goda arbete.

3. Representativa resultat

En representativ studie i vårt laboratorium som används för detta protokoll för att studera utvecklingen av logik i barns språk. Tjugosex barn i åldern 3-4 år (medelålder 4 år och 5 månader) deltagit i minst ett förvärv session. Sjutton av dessa barn återvände för en andra test session och fem kom för en tredje test session. Genomsnittlig huvudrörelser var mindre än 3,7 mm (sd 3,1 mm), väl inom 5mm tröskeln. Rörelser större än 5mm inträffade hos 4,5% av sessioner, med variation från 5,5 mm till 15 mm (Mean = 8.6mm, sd = 2,5 mm).

Figur 1. MSR och MEG hjälm har inretts med klistermärken och mjuka leksaker.

Figur 2. Fyra årig ​​flicka i vuxen-storlek MEG (vänster). Notera stoppning på toppen av huvudet för att minimera rörelser och avståndet mellan huvud och hjälm. Högra bilden visar samma flicka i barnet MEG.

Discussion

Detta protokoll är att underlätta mätningar av hjärnans kognitiva funktioner hos friska och vakna 4 år gamla barn. Vi använder en anpassad storlek MEG-system utformade för att passa cheferna för förskola skolåldern. Med detta system, en barnvänlig laboratoriemiljö, och ett protokoll anpassat till den kapacitet och motivation för barn, kan vi mäta hjärnans kognitiva funktion i en åldern där det för närvarande mycket lite data.

Den KIT-Macquarie är det första hela-huvudsystem anpassad storlek för användning med förskola skolåldern. Det finns tre huvudsakliga fördelarna med anpassade hjälmen Dewar för att studera barn. Först tar de mindre radie Givarkonfiguration SQUID sensorer i intervallet för neuromagnetic signaler barnens huvuden. För det andra ger den mindre hjälm fullt införande av ett barns huvud i Dewar. Fullständig insättning förhindras hos vuxna Dewar hjälmar på grund av den mindre kronan att ta avstånd från barn (se bild. 2). Dessa två faktorer är grundläggande i inspelningen hjärnans aktivitet med hjälp av MEG eftersom neuromagnetic signaler dämpa snabbt med avståndet. Tredje begränsar skräddarsydda barnet hjälmen stöd i den symmetriska placering av huvudet och den fria rörligheten av barnets huvud i Dewar. Dessa funktioner avsevärt underlätta installation, positionering och mätning av MEG-signaler från barn.

Tillkomsten av anpassad storlek barn MEG-system är ett viktigt framsteg för kognitiv neurovetenskap. Alternativa funktionell neuroradiologiska tekniker som använder radioaktiva läkemedel eller starka magnetfält kan vara olämplig för rutinmässig användning med småbarn. Eftersom MEG är en helt passiv mätmetod finns det ingen tänkbar risk att utveckla vävnader. Det finns idag mycket lite MEG-data från friska förskolebarn i åldrarna barn eftersom vanliga vuxna MEG-system är inte väl lämpade för att användas med barn. Barn MEG-system ger oss möjlighet att studera hjärnans funktion på vid åldrarna där en dramatisk strukturering av hjärnans aktivitet sker, ger nya insikter i normal och patologisk utveckling av kognitiv funktion.

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