Summary
De komst van MEG systemen maat voor jonge kinderen biedt belangrijke nieuwe mogelijkheden om ontwikkeling van de hersenen te bestuderen. Het nieuwe systeem, in combinatie met een protocol dat experimentele eisen uitgelijnd met de capaciteiten van kinderen, kan gebruikt worden om cognitieve en taal processen in gezonde, wakkere kinderen van drie tot zes onderzoekslocaties.
Abstract
Magneto is een techniek die magnetische velden in verband met corticale activiteit [1] detecteert. De elektrofysiologische activiteit van het brein genereert elektrische velden - dat kan worden opgenomen met behulp van elektro-encefalografie (EEG) - en hun bijbehorende magnetische velden - gedetecteerd door MEG. MEG signalen worden herkend door gespecialiseerde sensoren bekend als supergeleidende quantum interferentie apparaten (SQUIDs). Supergeleidende sensoren koeling nodig met vloeibaar helium bij -270 ° C. Ze zijn opgenomen in een vacumm geïsoleerd helm genoemd een Dewar, die is gevuld met vloeistof. Squids worden geplaatst in vaste posities in de helm dewar in het helium koelvloeistof, en een onderwerp het hoofd wordt geplaatst in de helm dewar voor MEG metingen. De helm Dewar moet worden gedimensioneerd op tegen beperkingen te voldoen. Het is duidelijk, moet groot genoeg zijn om de meeste of alle van de hoofden van de bevolking dat zal worden bestudeerd passen. Wel moet de helm ook klein genoeg om de meeste van de SQUID-sensoren te houden binnen het bereik van de kleine cerebrale velden die ze te meten. Conventionele hele kop MEG systemen zijn ontworpen om meer dan 90% van de volwassen hoofden tegemoet te komen. Maar volwassen systemen zijn niet geschikt voor het meten van functioneren van de hersenen in de pre-school chidren wier hoofden een straal van enkele cm kleiner zijn dan volwassenen. De KIT-Macquarie Brain Research Laboratory van de Macquarie University maakt gebruik van een MEG-systeem op maat gemaakte aan de hoofden van de pre-school kinderen te passen. Dit kind systeem heeft 64 eerste-orde-axiale gradiëntmeters met een 50 mm baseline [2] en is opgenomen in een magnetisch afgeschermde ruimte (MSR) in combinatie met een conventionele volwassen-en kleinbedrijf MEG systeem [3,4]. Er zijn drie belangrijke voordelen van de aangepaste helm dewar voor studerende kinderen. Ten eerste, de kleinere straal van de sensor configuratie brengt de SQUID sensoren in het bereik van de neuromagnetic signalen van kinderen het hoofd. Ten tweede, de kleinere helm zorgt voor volledige insertie van het hoofd van een kind in de Dewar. Inlassing volledig wordt voorkomen bij volwassen Dewar helmen als gevolg van de kleinere kroon om de afstand schouder bij kinderen. Deze twee factoren zijn van fundamenteel belang in het opnemen van hersenactiviteit met behulp van MEG, omdat neuromagnetic signalen verzwakken snel met de afstand. Ten derde, het aangepaste kind helm helpt bij de symmetrische plaatsing van het hoofd en beperkt de vrijheid van beweging van het hoofd van het kind binnen de Dewar. Bij gebruik met een protocol dat aan de eisen van het verzamelen van gegevens lijn ligt met de motivatie en het gedrag capaciteiten van kinderen, deze functies aanzienlijk vergemakkelijken setup, positionering, en het meten van MEG signalen.
Protocol
Deze richtlijnen beschrijven apparatuur en procedures voor het meten van de cognitieve functioneren van de hersenen van peuters en kleuters met behulp van magneto (MEG). Eerst bespreken we algemene richtlijnen en problemen die moeten worden overwogen bij de uitvoering van experimentele tests van de cognitieve functies bij kinderen. Ten tweede, beschrijven we een protocol ontwikkeld om de eisen van de MEG het verzamelen van gegevens af te stemmen op de motivationele en gedrags capaciteiten van vier-jarige kinderen.
1. Algemene overwegingen voor het bestuderen van jonge kinderen met MEG
MEG onderzoekers geconfronteerd met een aantal unieke uitdagingen bij het werken met wakker gezonde kinderen. Eerst een sterk en functioneel laboratorium-omgeving is het waarschijnlijk te intimideren of bang jonge kinderen. Ten tweede, de fundamentele eisen van een experimentele MEG studie omvatten beperking van de bewegingsvrijheid en actief bijwonen van een taak voor een langere periode, de omstandigheden dat veel volwassenen vinden vervelend en ongemakkelijk. Bij het bestuderen van kinderen wordt het noodzakelijk om de experimentele procedures aan te passen aan de capaciteiten en beperkingen van de kinderen. In deze paragraaf beschrijven we de eerste stappen die betrokken zijn bij de voorbereiding van het onderwerp om te participeren in een data-acquisitie sessie.
1.1 Kennismaking / Training Sessie: Voor pre-school kinderen een kennismaking / training is voorafgaand aan de eigenlijke data-acquisitie sessie gepland. Deze sessie laat het kind om vertrouwd te raken met de omgeving en de onderzoekers in hun eigen tempo. We introduceren het kind en de ouder aan de onderzoekers en hen vertrouwd te maken met de lab omgeving en routines. Tegen het einde van de inleidende sessie de ouder en het kind te begrijpen alle stappen die betrokken zijn bij de deelnemende en begrijpen wat ze moeten verwachten tijdens de opname van gegevens. Indien tijdens het eerste bezoek, een kind lijkt verlegen of angstig, hebben we een periode van speeltijd tot ze voelen zich meer comfortabel. Dan gaan we met de introductie van alle stappen.
1.2 Uitleg van het milieu: Om de MEG-omgeving uit te leggen aan het kind, gebruiken we een thema dat een kind-vriendelijke rechtvaardiging voor de omgeving biedt. Bijvoorbeeld, de MEG-systeem is een ruimteschip te wachten om de kinderen mee op een ruimteavontuur waar sommige onbekende gebeurtenissen kunnen optreden. Het laboratorium is ook versierd met muurstickers en speelgoed (afb. 1), en het heeft een speciale speelkamer. Als u spreekt met het kind, gebruiken we taal die kinderen gemakkelijk kan begrijpen, zoals 'bevriezen' in plaats van 'het minimaliseren van beweging', en 'astronaut helm' in plaats van 'marker-spoel cap'.
1.3 Uitleg van de procedures voor het kind en de ouders: We tonen het kind en de ouder van de stappen die worden genomen voordat het kind gaat in de magnetisch afgeschermde ruimte (MSR). Een van de eerste stappen is om te passen een vijf marker-coil pet op het hoofd van het onderwerp, deze spoelen geven de positie van het hoofd van het onderwerp in de MEG helm. Met de hulp van het kind, we digitaliseren het hoofd vorm van een pop, en dan nodigen wij het kind en de ouder om de pop aan de MSR / ruimteschip te begeleiden. Eenmaal binnen in de MSR, plaatsen we de marionet het hoofd in de helm om een film te kijken. Vervolgens hebben we vragen het kind als ze willen de film met de pop te kijken. Als het kind is comfortabel en ontspannen en hun ouders tevreden is met onze protocollen, nodigen wij hen om een spel te spelen in het ruimteschip de volgende keer dat ze bezoek aan onze lab.
1.4 Werkboeken: We hebben werkmappen op basis van de ruimte avontuur thema dat de stappen die kinderen tijdens de testsessie shows. Kinderen krijgen deze worksbooks naar huis te nemen en door hen samen met hun ouders als voorbereiding op het volgende bezoek. Het doel van de werkboeken is om het belang van de drie grote eisen te benadrukken voor het testen van: a) het vermijden van een ferro-materiaal in de MSR, b) de plaatsing van de marker spoel cap nauwkeurige gegevens te co-registratie en c te garanderen) en de belang van de resterende nog tijdens de digitalisering en data-acquisitie.
2. Een protocol voor het meten van MEG signalen van pre-schoolgaande kinderen
2.1 apparatuur gebruikt tijdens de data-acquisitie en de experimentele taak
Marker-coil cap: om MEG data af te stemmen op het onderwerp van de structurele informatie (bijvoorbeeld MRI of gedigitaliseerde vorm van het hoofd), een set van vijf rollen worden geplaatst in een badmuts dat het kind draagt in de MEG helm. Deze spoelen fungeren als referentiepunten en hun posities worden vergeleken voor en na de opdracht om te meten hoe veel van het onderwerp hoofd heeft bewogen tijdens de acquisitie.
Digitizer: Voorafgaand aan de data-acquisitie, de positie van de vijf marker spoelen en de vorm van de kop van het onderwerp wordt gedigitaliseerd met behulp van een Polhemus Fastrak ® digitizer (Colchester, VT). De digitizer bestaat uit een pen digitizer, drie ontvangers, een zender en een motion tracking unit. Dit proces meet de locatie van de spoelen. Later deze locaties zijn vergeleken met de locatie-informatie verkregen door MEG om de verworven magnetische data en de vorm van het hoofd af te stemmen.
Kind MEG systeem: Data acquisitie is gedaan met behulp van een hele-head kind MEG-systeem (KIT, Kanazawa, Japan) [2]. Data is continu verworven op een sample rate van 1000 Hz, met een online band pass filter tussen 0,03 Hz en 200 Hz. Marker spoel posities zijn verkregen voor en na de opnames aan het hoofd beweging te meten. De gegevens worden afgewezen indien beweging van het hoofd is groter dan 5 mm.
MEG-systeem randapparatuur: Experimentele stimuli worden gecontroleerd met een PC met behulp Presentation ® (Neurobehavioral Systems, Albany, CA). Visuele input worden geleverd door een projector die zit buiten de MSR en wordt weerspiegeld op het MSR-scherm. Auditieve stimuli worden geleverd door Etymotic Research ER-Model 30 insert oordopjes voorzien met baby-en kleinbedrijf schuim koptelefoon (Etymotic Research Inc, Elk Grove Village, IL). Het kind wordt permanent bewaakt door camera gesloten circuit en de onderzoeker communiceert met het kind door middel van een microfoon.
2.2 Data-acquisitie: Gegevens opnamesessies betrekking op de volgende fasen:
Fase I: Voorafgaand aan de komst kind
Het is belangrijk om alle computers, software en apparatuur klaar om het experiment te starten zodra het kind komt. Als een algemene aanbeveling, moeten twee ervaren onderzoekers aanwezig zijn, terwijl het kind en de ouders zijn in het laboratorium. Duidelijke communicatie tussen onderzoeker, ouder en kind zijn cruciaal voor het succes van het experiment.
Fase II: Na het kind komt
- Toestemmingsformulieren worden ondertekend en de onderzoekers te controleren of de ouders vragen.
- De onderzoeker controleert of het kind onthoudt alle stappen die tijdens de eerste bijeenkomst of in de boekjes en herintroduceert het even welk die niet worden herdacht. Het belang van bevriezing of minimaliseren van beweging tijdens digitalisering en data-acquisitie wordt benadrukt. Dit kan worden aangetoond met behulp van een marionet.
- Dan, de onderzoeker controleert of het kind is het vervoeren van ijzerhoudend materiaal (kleding met glitter patches, sieraden, speelgoed vergeten binnenzakken, haarspelden, etc.). Als zij een kledingstuk dat ijzerhoudend materiaal bevat, we bieden hen een veilige MEG kleding. Als de ouder wil het kind begeleiden tijdens het experiment, zorgen we ervoor dat ze ook hun ferro materiaal te verwijderen.
Fase III: Aan het kind klaar om de taak uit te voeren binnen de MSR
- De onderzoeker past de dop dat de 5 marker spoelen houdt.
- De experimentator digitaliseert de locatie van de marker spoelen en het kind het hoofd vorm te geven. Om de koppen in een vaste positie te behouden, gebruiken we een nek brace die is uitgerust met drie ontvangers. Het is belangrijk te versterken het idee van het minimaliseren van bewegingen of 'bevriezen' regelmatig een goed hoofd vorm te verkrijgen. Kan het kind worden beloond met een sticker voor het doen van een goede baan bij 'bevriezen'.
- Het kind wordt uitgenodigd om de MSR in te voeren. Oordopjes worden ingevoegd en het kind is gepositioneerd in de MEG Dewar helm in liggende positie.
- Zodra het kind is gaan liggen comfortabel met hun hoofd in de MEG helm, zijn de marker spoelen verbonden met hun motor en de MSR deur gesloten is. Een experimentator blijft (en ook een ouder, indien gewenst) in de zaal tijdens de hele sessie.
- Voor entertainment tijdens de setup, en tussen het verzamelen van gegevens blokken, kan een film of cartoon worden geprojecteerd op de MSR back-projectiescherm.
Fase IV: Running het experiment
- Zodra de MSR deur gesloten is, zijn SQUIDs bezig en data-acquisitie begint.
- Als het kind kijkt naar een film, een coregistration pre-test wordt uitgevoerd om ervoor te zorgen dat MEG signalen kunnen worden coregistered aan de gedigitaliseerde vorm van het hoofd. Deze pretest bestaat uit het afstemmen van de positie van de marker spoelen verkregen tijdens digitalisering met de positie aangegeven door de MEG-systeem.
- Zodra de eerste test blijkt dat het kind het hoofd goed is gepositioneerd in de helm, kan de onderzoeker beginnen met het experiment: (a) de film is gedempt, (b) de onderzoeker vraagt de kinderen of ze klaar zijn om "het spel"; (c) zodra het spel begint, de experimentator geeft regelmatig het kind met feedback. Bijvoorbeeld, kan een kind worden gevraagd om te luisteren naar een reeks van zinnen, en een doel woord als 'kaas' te herhalen, zodra ze het horen. Deze doelgroepen woorden zijn ingebed in een subset van de vangst triALS dat de sonde aandacht nog steeds de taak, maar zijn niet opgenomen in de definitieve analyses.
- Zodra de opdracht is voltooid, is een andere marker spoel meting uitgevoerd aan het hoofd houding en beweging te controleren.
- Zodra de SQUIDs zijn ontkoppeld, is de MSR deur open en het kind wordt uitgenodigd om een speelkamer waar ze een prijs voor hun goede werk te kiezen.
3. Representatieve resultaten
Een representatieve studie in ons laboratorium gebruikt dit protocol om de ontwikkeling van de logica in de kinderopvang taal te bestuderen. Zesentwintig kinderen in de leeftijd 3-4 jaar (gemiddelde leeftijd 4 jaar en 5 maanden) aan ten minste een overname sessie. Zeventien van die kinderen terug voor een tweede testsessie en vijf kwam voor een derde testsessie. Gemiddelde beweging van het hoofd was minder dan 3,7 mm (sd 3,1 mm), ruim binnen de 5 mm drempel. Bewegingen van meer dan 5 mm trad op bij 4,5% van de sessies, met variatie variërend van 5,5 mm tot 15 mm (Mean = 8.6mm, sd = 2,5 mm).
Figuur 1. De MSR en MEG helm is versierd met stickers en zacht speelgoed.
Figuur 2. Vier jaar oud meisje in volwassen-en kleinbedrijf MEG (links). Let op de padding aan de bovenkant van haar hoofd om beweging en de afstand tussen hoofd en helm te minimaliseren. Rechter foto toont hetzelfde meisje in het kind MEG.
Discussion
Dit protocol is ontworpen om de metingen van de cognitieve hersenfuncties in gezonde en wakkere 4-jarige kinderen te vergemakkelijken. We maken gebruik van een aangepast formaat MEG systeem ontworpen om de hoofden van de pre-school leeftijd kinderen te passen. Met dit systeem, een kindvriendelijke laboratorium-omgeving, en een protocol aangepast aan de mogelijkheden en motivatie van de kinderen, we zijn in staat om de cognitieve functioneren van de hersenen te meten in een leeftijdscategorie waarvoor er momenteel heel weinig gegevens.
De KIT-Macquarie systeem is het eerste volledige kop-systeem op maat gemaakte voor gebruik met pre-school leeftijd kinderen. Er zijn drie belangrijke voordelen van de aangepaste helm dewar voor studerende kinderen. Ten eerste, de kleinere straal van de sensor configuratie brengt de SQUID sensoren in het bereik van de neuromagnetic signalen van kinderen en hoofd. Ten tweede, de kleinere helm zorgt voor volledige insertie van het hoofd van een kind in de Dewar. Inlassing volledig wordt voorkomen bij volwassen Dewar helmen als gevolg van de kleinere kroon om de afstand schouder bij kinderen (zie Fig. 2). Deze twee factoren zijn van fundamenteel belang in het opnemen van hersenactiviteit met behulp van MEG, omdat neuromagnetic signalen verzwakken snel met de afstand. Ten derde, het aangepaste kind helm helpt bij de symmetrische plaatsing van het hoofd en beperkt de vrijheid van beweging van het hoofd van het kind binnen de Dewar. Deze kenmerken aanzienlijk vergemakkelijken setup, positionering, en het meten van MEG signalen van kinderen.
De komst van op maat gemaakte kind MEG-systeem is een belangrijke stap vooruit voor de cognitieve neurowetenschappen. Alternatieve functionele neuroimaging technieken die radiofarmaca of sterke magnetische velden in dienst is mogelijk niet geschikt voor dagelijks gebruik met jonge kinderen. Omdat MEG is een volledig passief meettechniek is er geen denkbare risico op de ontwikkeling van weefsels. Er is momenteel weinig MEG gegevens van gezonde kinderen van de kleuterschool, omdat de conventionele volwassen MEG systemen zijn niet goed geschikt voor gebruik met kinderen. Kind MEG systemen zal ons toelaten om de hersenfunctie te studeren aan op de leeftijd, waar een dramatische structurering van hersenactiviteit plaatsvindt, biedt nieuwe inzichten in normale en pathologische ontwikkeling van de cognitieve functie.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de Australische Research Council Koppeling infrastructuur apparatuur en faciliteiten Grant LEO668421 en de Australian Research Council Linkage Project Grant LP0669471. De auteurs dankbaar erkennen de medewerking van Kanazawa Institute of Technology en Yokogawa Electric Corporation in tot oprichting van de KIT-Macquarie 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).
