Summary
L'avènement de systèmes MEG taille pour les jeunes enfants ouvre de nouvelles possibilités importantes pour étudier le développement du cerveau. Le nouveau système, avec un protocole qui aligne les exigences expérimentales avec les capacités des enfants, peuvent être utilisées pour étudier les processus cognitifs et linguistiques dans la santé, les enfants éveillés trois à six ans.
Abstract
Magnétoencéphalographie est une technique qui détecte les champs magnétiques associés à l'activité corticale [1]. L'activité électrophysiologique du cerveau génère des champs électriques - qui peuvent être enregistrés en utilisant l'électroencéphalographie (EEG) - et leurs concomitante des champs magnétiques - détecté par le MEG. Signaux MEG sont détectés par des capteurs spécialisés connu comme dispositifs supraconducteurs à interférence quantique (SQUID). Capteurs supraconducteurs nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide à -270 ° C. Ils sont contenus à l'intérieur d'un casque vacumm isolé appelé un Dewar, qui est rempli de liquide. CALMARS sont placés dans des positions fixes à l'intérieur du dewar casque dans le liquide de refroidissement hélium, et la tête d'un sujet est placé à l'intérieur du casque pour les mesures Dewar MEG. Le Dewar casque doit être dimensionné pour satisfaire les contraintes opposées. De toute évidence, il doit être assez grand pour s'adapter à la plupart ou la totalité des têtes de la population qui sera étudiée. Cependant, le casque doit être également assez petit pour garder la plupart des capteurs SQUID à portée des champs minuscules cérébrale qu'ils sont à mesurer. Conventionnel toute tête systèmes MEG sont conçus pour accueillir plus de 90% des chefs d'adulte. Cependant les systèmes les adultes ne sont pas bien adaptés pour mesurer la fonction cérébrale chez les pré-scolaire chidren dont les têtes ont un cm de rayon de plusieurs plus petits que les adultes. Le KIT-Macquarie Brain Research Laboratory à l'Université Macquarie utilise un système personnalisé de MEG dimensionné pour s'adapter à la tête des enfants d'âge préscolaire. Ce système enfant a 64 de premier ordre gradiomètres axiale avec une base de 50 mm [2] et est contenue à l'intérieur d'une salle de blindage magnétique (MSR), avec une taille adulte conventionnelle système MEG [3,4]. Il ya trois principaux avantages du casque personnalisé Dewar pour étudier les enfants. Tout d'abord, le plus petit rayon de la configuration du capteur apporte les capteurs SQUID à portée des signaux neuromagnetic de têtes d'enfants. Deuxièmement, le plus petit casque permet l'insertion complète de la tête d'un enfant dans le Dewar. Insertion complète est empêché de casques Dewar adultes en raison de la petite couronne à l'épaule à distance chez les enfants. Ces deux facteurs sont fondamentaux dans l'enregistrement de l'activité cérébrale à l'aide de signaux MEG parce neuromagnetic s'atténuent rapidement avec la distance. Troisièmement, les aides personnalisées casque enfant dans le positionnement symétrique de la tête et les limites de la liberté de mouvement de la tête de l'enfant au sein du Dewar. Lorsqu'il est utilisé avec un protocole qui permet d'aligner les exigences de collecte de données avec les capacités de motivation et de comportement des enfants, ces caractéristiques facilitent considérablement l'installation, le positionnement et la mesure des signaux MEG.
Protocol
Ces lignes directrices décrivent l'équipement et des procédures pour mesurer la fonction cognitive du cerveau à l'âge préscolaire en utilisant la magnétoencéphalographie (MEG). D'abord, nous débattre d'orientations générales et des questions qui doivent être considérés lors de l'exécution des tests expérimentaux de la fonction cognitive chez les enfants. Deuxièmement, nous décrivons un protocole développé pour aligner les exigences du MEG collecte de données avec les capacités de motivation et de comportement de quatre ans, les enfants.
1. Considérations générales pour l'étude des jeunes enfants avec le MEG
MEG chercheurs font face à un certain nombre de défis uniques lorsqu'ils travaillent avec des enfants sains éveillés. Tout d'abord, un environnement de laboratoire austère et fonctionnelle est susceptible d'intimider ou effrayer les jeunes enfants. Deuxièmement, les exigences de base d'une étude expérimentale MEG incluent la restriction de mouvement et d'assister activement à une tâche pendant une période prolongée, les conditions que de nombreux adultes à trouver pénible et inconfortable. Lorsque l'on étudie les enfants, il devient impératif d'adapter les procédures expérimentales pour les capacités et les limites des enfants. Dans cette section, nous décrivons les étapes initiales impliquées dans la préparation du sujet à participer à une séance d'acquisition de données.
1.1 Familiarisation / session de formation: Pour enfants d'âge préscolaire d'une séance de familiarisation / formation est prévue avant la séance d'acquisition de données réelles. Cette session permet à l'enfant de se familiariser avec l'environnement et les chercheurs à leur propre rythme. Nous introduisons l'enfant et le parent pour les chercheurs et les familiariser avec l'environnement de laboratoire et des routines. À la fin de la séance d'introduction le parent et l'enfant de comprendre toutes les étapes de participer et de comprendre ce qu'ils doivent s'attendre lors de l'enregistrement des données. Si au cours de la première visite, un enfant apparaît timide ou anxieux, nous avons une période de temps de jeu jusqu'à ce qu'ils se sentent plus à l'aise. Ensuite, nous procédons à la mise en place de toutes les étapes.
1.2 Explication de l'environnement: Pour expliquer l'environnement MEG à l'enfant, nous employons un thème qui fournit une justification adaptés aux enfants pour l'environnement. Par exemple, le système MEG est un vaisseau spatial d'attente pour prendre les enfants sur une aventure spatiale où certains évènements inconnus peuvent se produire. Le laboratoire a également été décoré avec des stickers muraux et des jouets (Fig. 1), et il a une salle de jeu dédié. Lorsque vous parlez à l'enfant, nous utilisons le langage que les enfants peuvent facilement comprendre comme le «gel», au lieu de «mouvement minimiser», et «casque de l'astronaute" au lieu de «marqueur bobine plafond».
1.3 Expliquer les procédures pour l'enfant et aux parents: Nous montrer à l'enfant et le parent les mesures qui sont prises avant que l'enfant va à l'intérieur de la salle à blindage magnétique (MSR). Une des premières étapes consiste à installer un marqueur de cinq-bobine capuchon sur la tête du sujet; ces bobines indiquer la position de la tête du sujet à l'intérieur du casque de MEG. Avec l'aide de l'enfant, nous numérisons la forme la tête d'une marionnette, et nous invitons l'enfant et le parent pour accompagner la marionnette de la MSR / vaisseau spatial. Une fois à l'intérieur du MSR, nous plaçons la tête de la marionnette à l'intérieur du casque pour regarder un film. Nous avons ensuite demander à l'enfant si elles veulent regarder le film avec les marionnettes. Si l'enfant est à l'aise et détendu et leurs parents est satisfait de nos protocoles, nous les invitons à jouer à un jeu à l'intérieur du vaisseau spatial lors de leur prochaine visite de notre laboratoire.
1,4 classeurs: Nous avons classeurs basés sur le thème aventure spatiale qui montre les étapes les enfants auront lors de la session de test. Les enfants reçoivent ces worksbooks à la maison et travailler à travers eux avec leurs parents dans la préparation de la prochaine visite. L'objectif des classeurs est de souligner l'importance des trois principales exigences pour les tests suivants: a) l'évitement de tout matériau ferreux à l'intérieur du MSR, b) le placement de la bobine bouchon marqueur pour s'assurer que les données précises de co-enregistrement, et c) et le importance de rester immobile pendant la numérisation et d'acquisition de données.
2. Un protocole pour la mesure des signaux MEG du pré-scolaire des enfants âgés
2.1 Le matériel utilisé lors de l'acquisition des données et la tâche expérimentale
Marqueur bobine bouchon: en vue d'aligner les données MEG avec des informations structurelles du sujet (par exemple, forme de la tête par IRM ou numérisés), un ensemble de cinq bobines sont placées dans un bonnet de bain que l'enfant porte à l'intérieur du casque de MEG. Ces bobines agissent comme points de référence et leurs positions sont comparées avant et après la tâche de mesurer à quel point la tête du sujet s'est déplacé lors de l'acquisition.
Digitizer: Avant l'acquisition de données, la position des cinq bobines marqueur et le forme de la tête du sujet est numérisé en utilisant un F Polhemusastrak ® numériseur (Colchester, VT). Le numériseur est constitué d'un numériseur stylo, trois récepteurs, un émetteur et d'une unité de suivi de mouvement. Ce processus de mesures de l'emplacement des bobines. Plus tard, ces lieux sont comparées à des informations de localisation obtenues par le MEG pour aligner les données acquises magnétique et forme de la tête.
Enfant MEG système: L'acquisition des données se fait en utilisant toute une tête-enfant MEG système (KIT, Kanazawa, Japon) [2]. Les données sont acquises en continu à une fréquence d'échantillonnage de 1000Hz, avec une bande passante de filtre en ligne entre 0,03 Hz et 200Hz. Positions serpentin marqueurs sont obtenues avant et après les enregistrements de mesurer les mouvements de tête. Les données sont rejetées si les mouvements de tête est supérieure à 5mm.
MEG périphériques du système: les stimuli expérimentaux sont contrôlés avec un PC en utilisant Présentation ® (Systèmes neurocomportementales, Albany, Californie). Entrées visuelles sont livrés par un projecteur qui se trouve en dehors de la MSR et se reflète sur l'écran de MSR. Les stimuli auditifs sont livrées par la recherche de modèle Etymotic ER-30 écouteurs insert équipé d'écouteurs baby-taille en mousse (Etymotic Research Inc, Elk Grove Village, IL). L'enfant est constamment surveillée par caméra en circuit fermé et l'expérimentateur communique avec l'enfant grâce à un microphone.
2.2 Acquisition de données: des sessions d'enregistrement de données impliquent les étapes suivantes:
Étape I: Avant l'arrivée de l'enfant
Il est important d'avoir tous les ordinateurs, les logiciels et le matériel prêt à commencer l'expérience dès que l'enfant arrive. Comme recommandation générale, deux chercheurs expérimentés devraient être présents alors que l'enfant et le parent sont dans le laboratoire. Des communications claires entre le chercheur, parent et enfant sont cruciales pour le succès de l'expérience.
Phase II: Après l'arrivée de l'enfant
- Les formulaires de consentement sont signés et les expérimentateurs vérifier si les parents ont des questions.
- L'expérimentateur vérifie si l'enfant se souvient de toutes les étapes introduit lors de la première réunion ou dans les brochures et réintroduit toutes celles qui ne sont pas mémorisées. L'importance du point de congélation ou de minimiser le mouvement lors de l'acquisition de numérisation et de données est soulignée. Cela peut être démontré à l'aide d'une marionnette.
- Ensuite, l'expérimentateur vérifie si l'enfant est transportant les matières ferreuses (vêtements avec des taches paillettes, bijoux, jouets oubliés à l'intérieur des poches, épingles à cheveux, etc.) Si elles portent un vêtement qui contient un matériau ferreux, nous leur fournissons des vêtements de sécurité MEG. Si le parent souhaite accompagner l'enfant durant l'expérience, nous nous assurons qu'ils éliminent également les matériaux ferreux.
Stade III: Mise à l'enfant prêt à accomplir la tâche à l'intérieur du MSR
- L'expérimentateur s'adapte le bouchon qui détient les 5 bobines marqueur.
- L'expérimentateur numérise l'emplacement des bobines marqueur et forme de la tête de l'enfant. Afin de maintenir la tête dans une position fixe, nous utilisons une minerve qui a été équipé de trois récepteurs. Il est important de renforcer l'idée de minimiser le mouvement ou «gel» régulièrement pour obtenir une forme bonne tête. L'enfant peut être récompensé avec un autocollant pour faire un bon travail au «gel».
- L'enfant est invité à entrer dans le MSR. Les écouteurs sont insérés et que l'enfant est placé dans le casque MEG Dewar en position couchée.
- Une fois que l'enfant est couché confortablement avec leur tête dans le casque MEG, les bobines de marqueur sont connectés à leur unité d'alimentation et la porte est fermée MSR. Un expérimentateur reste (et aussi un parent, si désiré) dans la salle pendant toute la session.
- Pour le divertissement pendant l'installation et entre les blocs de collecte de données, un film ou une bande dessinée peut être projetée sur le MSR rétroprojection écran.
Stade IV: Exécution de l'expérience
- Une fois la porte est fermée MSR, calmars sont engagés et d'acquisition de données commence.
- Comme l'enfant regarde un film, un coregistration pré-test est effectué pour s'assurer que les signaux MEG peuvent être recalées à la forme la tête numérisée. Ce pré-test consiste à apparier la position du marqueur de bobines obtenues au cours de numérisation avec la position affichée par le système MEG.
- Une fois les spectacles premier test que la tête de l'enfant est correctement positionné à l'intérieur du casque, le chercheur peut commencer l'expérience: (a) le film est coupé, (b) le chercheur demande aux enfants si ils sont prêts à «jouer le jeu»; (c) une fois que le jeu commence, l'expérimentateur fournit régulièrement de l'enfant avec rétroaction. Par exemple, un enfant peut être demandé à écouter une série de phrases, et à répéter un mot cible comme «fromage», dès qu'ils l'entendent. Ces mots cibles sont intégrés dans un sous-ensemble des prises trials que la sonde a poursuivi l'attention à la tâche, mais ne sont pas inclus dans les analyses finales.
- Une fois la tâche terminée, une autre mesure serpentin marqueur est effectuée pour surveiller position de la tête et le mouvement.
- Une fois les calmars sont désengagés, la porte est ouverte et MSR l'enfant est invité à une salle de jeux où ils peuvent choisir un prix pour leur bon travail.
3. Les résultats représentatifs
Une étude représentative dans notre laboratoire a utilisé ce protocole pour l'étude du développement de la logique dans le langage des enfants. Vingt-six enfants âgés de 3-4 ans (moyenne d'âge de 4 ans et 5 mois) ont participé à au moins une séance d'acquisition. Dix-sept de ces enfants sont retournés pour une séance de tests et de cinq secondes est venu pour une séance de tests tiers. Mouvement de la tête moyenne était inférieure à 3,7 mm (SD 3,1 mm), dans le seuil de 5 mm. Mouvements de plus de 5mm survenus chez 4,5% des séances, avec des variations allant de 5,5 mm à 15 mm (moyenne = 8,6 mm, sd = 2,5 mm).
Figure 1. Le casque MSR et MEG ont été décorés avec des autocollants et des peluches.
Figure 2. Quatre ans, fille de taille adulte MEG (à gauche). Notez le rembourrage au sommet de sa tête pour minimiser le mouvement et la distance entre la tête et le casque. Photo de droite montre la même fille dans le MEG enfant.
Discussion
Ce protocole est conçu pour faciliter les mesures de la fonction cognitive du cerveau en bonne santé et d'éveil de 4 ans les enfants. Nous utilisons un système de taille personnalisée MEG conçu pour s'adapter à la tête des enfants d'âge préscolaire âgés. Avec ce système, un enfant-amicale environnement de laboratoire, et un protocole adapté aux capacités et aux motivations des enfants, nous sommes capables de mesurer le fonctionnement du cerveau cognitif dans une tranche d'âge pour lequel il est actuellement très peu de données.
Le système KIT-Macquarie est le premier système de mesure entière-tête de taille pour une utilisation avec enfants d'âge préscolaire âgés. Il ya trois principaux avantages du casque personnalisé Dewar pour étudier les enfants. Tout d'abord, le plus petit rayon de la configuration du capteur apporte les capteurs SQUID à portée des signaux neuromagnetic de têtes d'enfants s. Deuxièmement, le plus petit casque permet l'insertion complète de la tête d'un enfant dans le Dewar. Insertion complète est empêché de casques Dewar adultes en raison de la petite couronne à l'épaule à distance chez les enfants (voir Fig. 2). Ces deux facteurs sont fondamentaux dans l'enregistrement de l'activité cérébrale à l'aide de signaux MEG parce neuromagnetic s'atténuent rapidement avec la distance. Troisièmement, les aides personnalisées casque enfant dans le positionnement symétrique de la tête et les limites de la liberté de mouvement de la tête de l'enfant au sein du Dewar. Ces fonctionnalités facilitent considérablement l'installation, le positionnement et la mesure des signaux MEG des enfants.
L'avènement de taille personnalisée enfants MEG système est une avancée importante pour les neurosciences cognitives. Alternative techniques de neuroimagerie fonctionnelle qui emploient des produits radiopharmaceutiques ou des champs magnétiques puissants peuvent ne pas convenir pour une utilisation courante avec de jeunes enfants. Depuis MEG est une technique de mesure entièrement passive il n'ya aucun risque concevable de développer des tissus. Il ya actuellement très peu de données MEG de sain enfants d'âge préscolaire, parce que les adultes conventionnels systèmes MEG ne sont pas bien adaptés à utiliser avec les enfants. Enfant systèmes MEG va nous permettre d'étudier le fonctionnement du cerveau aux âges où une structuration dramatique de l'activité du cerveau se produit, fournissant de nouveaux aperçus sur le développement normal et pathologique des fonctions cognitives.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par l'Australian Research Council matériel d'infrastructure de liaison et accorder des facilités et des LEO668421 Australian Research Council Linkage Grant Project LP0669471. Les auteurs remercient la collaboration de l'Institut de Technologie de Kanazawa et Yokogawa Electric Corporation en instituant le Laboratoire KIT-Macquarie recherche sur le cerveau.
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).
