Medição da função cerebral Neuromagnetic Em pré-escolares Com Personalizado MEG Sized

Summary

O advento dos sistemas MEG tamanho para crianças abre novas e importantes oportunidades para estudar o desenvolvimento do cérebro. O novo sistema, juntamente com um protocolo que alinha os requisitos experimental com as capacidades das crianças, pode ser usado para estudar processos cognitivos e de linguagem em crianças saudáveis, com idades entre acordado 05:57.

Abstract

Magnetoencefalografia é uma técnica que detecta campos magnéticos associados com a atividade cortical [1]. A atividade eletrofisiológica do cérebro gera campos elétricos - que podem ser gravados usando eletroencefalografia (EEG) - e seus concomitantes campos magnéticos - detectada por MEG. MEG sinais são detectados por sensores especializados conhecidos como dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUID). Sensores supercondutores requerem refrigeração com hélio líquido a -270 ° C. Eles estão contidos dentro de um capacete vacumm isolado chamado de dewar, que é preenchido com líquido. LULAS são colocados em posições fixas no interior do capacete dewar no refrigerante de hélio, e cabeça de um sujeito é colocado dentro do capacete dewar para medições de MEG. O capacete dewar devem ser dimensionados para satisfazer as restrições opostas. Claramente, ele deve ser grande o suficiente para caber a maioria ou todos os cabeças na população que será estudada. No entanto, o capacete também deve ser pequeno o suficiente para manter a maioria dos sensores SQUID dentro do alcance dos campos minúsculos cerebral que eles são a medida. Sistemas convencionais de todo-cabeça MEG são projetados para acomodar mais de 90% dos chefes de adultos. Sistemas No entanto adultos não são adequados para medir a função cerebral em idade pré-escolar chidren cujas cabeças têm um raio de vários centímetros menores do que os adultos. O KIT-Cérebro Macquarie Research Laboratory na Universidade Macquarie usa um sistema personalizado MEG tamanho para caber na cabeça de crianças pré-escolares. Este sistema tem 64 crianças de primeira ordem gradiómetros axial com uma base de 50 mm [2] e está contido dentro de uma sala magneticamente blindado (MSR), juntamente com um sistema convencional MEG tamanho adulto [3,4]. Existem três principais vantagens do capacete personalizado dewar para estudar as crianças. Primeiro, o menor raio de configuração do sensor traz os sensores SQUID na faixa dos sinais neuromagnetic de cabeças das crianças. Segundo, a menor capacete permite a inserção plena da cabeça de uma criança no dewar. Plena inserção é impedida em capacetes adulto dewar por causa da menor distância coroa a ombro nas crianças. Estes dois fatores são fundamentais na gravação de atividade cerebral usando MEG porque os sinais neuromagnetic atenuar rapidamente com a distância. Terceiro, a aids infantil personalizado capacete no posicionamento simétrico da cabeça e limita a liberdade de movimento da cabeça da criança dentro do dewar. Quando usado com um protocolo que alinha os requisitos de coleta de dados com as capacidades motivacionais e comportamentais das crianças, esses recursos de forma significativa facilitar a configuração, posicionamento e medição de sinais de MEG.

Protocol

Essas orientações descrevem equipamentos e procedimentos para a medição da função cognitiva do cérebro em pré-escolares utilizando magnetoencefalografia (MEG). Em primeiro lugar, discutimos as diretrizes gerais e questões que devem ser considerados aquando da realização de testes experimentais da função cognitiva em crianças. Segundo, nós descrevemos um protocolo desenvolvido para alinhar os requisitos da MEG coleta de dados com as capacidades motivacionais e comportamentais de quatro anos de idade.

1. Considerações gerais para o estudo de crianças com MEG

MEG pesquisadores enfrentam uma série de desafios únicos acordados quando se trabalha com crianças saudáveis. Em primeiro lugar, um ambiente de laboratório austero e funcional é provável para intimidar ou assustar crianças pequenas. Segundo, os requisitos básicos de um estudo experimental MEG incluem restrição de movimento e participar ativamente de uma tarefa por um período prolongado, as condições que muitos adultos encontrar tedioso e desconfortável. Ao estudar crianças torna-se imperativo para adaptar os procedimentos experimentais para as capacidades e limitações das crianças. Nesta seção, descrevemos os passos iniciais envolvidos na preparação do sujeito para participar de uma sessão de aquisição de dados.

Sessão de familiarização 1,1 / Formação: Para pré-escolares de uma sessão de familiarização / formação está agendada antes da sessão real de aquisição de dados. Esta sessão permite que a criança se familiarizar com o ambiente e os pesquisadores em seu próprio ritmo. Introduzimos a criança eo pai para os pesquisadores e familiarizá-los com o ambiente de laboratório e rotinas. Ao final da sessão introdutória, o pai ea criança entender todas as etapas envolvidas em participar e entender o que eles devem esperar durante a gravação de dados. Se durante a primeira visita, uma criança aparece tímido ou ansioso, temos um período de tempo de reprodução até que eles se sentem mais confortáveis. Então, procedemos com a introdução de todas as etapas.

1,2 Explicando o meio ambiente: Para explicar o ambiente MEG para a criança, que empregam um tema que fornece uma justificação criança-amigável para o ambiente. Por exemplo, o sistema MEG é uma nave espacial à espera de levar as crianças em uma aventura espacial, onde alguns eventos estranhos podem ocorrer. O laboratório também foi decorada com adesivos de parede e brinquedos (Fig. 1), e tem uma sala de jogos dedicada. Ao falar com a criança, usamos a linguagem que as crianças podem facilmente compreender como o "congelamento" em vez de "movimento minimizando ', e' capacete de astronauta", em vez de 'cap-coil marcador.

1,3 Explicando os procedimentos para a criança e aos pais: Nós mostramos a criança e os pais os passos que são tomadas antes que a criança vai para dentro da sala de blindagem magnética (MSR). Um dos primeiros passos é encaixar uma tampa marcador bobina e cinco na cabeça do sujeito; estas bobinas indicar a posição da cabeça do sujeito dentro do capacete MEG. Com a ajuda da criança, que digitalizar a forma da cabeça de um boneco, e então nós o convidamos a criança e os pais para acompanhar o boneco para o MSR / nave espacial. Uma vez dentro do MSR, colocamos a cabeça do boneco dentro do capacete para assistir a um filme. Em seguida, pedir que a criança se quiserem assistir o filme com o boneco. Se a criança está confortável e relaxado e seu pai está satisfeito com nossos protocolos, podemos convidá-los para jogar um jogo no interior da nave espacial na próxima vez que visitar o nosso laboratório.

1,4 Workbooks: Temos pastas de trabalho com base no tema aventura espacial que mostra as etapas crianças terão durante a sessão de testes. As crianças são dadas essas worksbooks para levar para casa e trabalhar através deles com seus pais em preparação para a próxima visita. O objetivo das pastas de trabalho é enfatizar a importância dos três requisitos principais para o teste: a) a prevenção de qualquer material ferroso no interior do MSR, b) a colocação de tampa da bobina marcador para garantir que os dados precisos co-registro e c) e os importância de se manter ainda durante a digitalização e aquisição de dados.

2. Um protocolo para medição de sinais de MEG desde a pré-escolares

2,1 Os equipamentos utilizados durante a aquisição de dados ea tarefa experimental

Marcador de bobina-cap: a fim de alinhar os dados MEG com informações estruturais do sujeito (por exemplo, forma da cabeça de ressonância magnética ou digitalizados), um conjunto de cinco bobinas são colocadas em uma touca de natação que a criança usa dentro do capacete MEG. Estas bobinas funcionam como pontos de referência e as suas posições são comparados antes e depois da tarefa de medir o quanto a cabeça do sujeito se moveu durante a aquisição.

Digitalizador: Antes de aquisição de dados, a posição de cinco bobinas marcador eo formato da cabeça do sujeito é digitalizado usando um F Polhemusastrak ® digitalizador (Colchester, VT). O digitador é composto por um digitalizador caneta, três receptores, um transmissor e uma unidade de controlo de movimentos. Este processo de medidas a localização das bobinas. Mais tarde, esses locais são comparados com as informações de localização obtida por MEG para alinhar os dados adquiridos magnético e formato da cabeça.

Sistema de criança MEG: aquisição de dados é feita usando uma cabeça de todo o sistema de criança MEG (KIT, Kanazawa, Japão) [2]. Os dados são adquiridos continuamente a uma taxa de amostragem de 1000Hz, com um passa-banda de filtro online entre 0,03 Hz e 200Hz. Posições bobina marcador são obtidos antes e após as gravações para medir o movimento da cabeça. Os dados são rejeitados se o movimento da cabeça é maior do que 5mm.

MEG sistema de periféricos: estímulos Experimental são controlados com um PC usando ® Presentation (Sistemas Neurocomportamentais, Albany, CA). Informações visuais são entregues por um projetor que fica fora da MSR e é refletida na tela MSR. Estímulos auditivos são entregues pelo Modelo de Pesquisa Etymotic ER-30 fones de ouvido equipados com fones de inserção do bebê do tamanho de espuma (Etymotic Research Inc., Elk Grove Village, IL). A criança é constantemente monitorado por câmera de circuito fechado e o experimentador se comunica com a criança através de um microfone.

2,2 aquisição de dados: as sessões de gravação de dados envolvem as seguintes etapas:

Estágio I: Antes da chegada da criança

É importante ter todos os computadores, software e equipamentos pronto para começar a experiência, logo que a criança chega. Como recomendação geral, dois investigadores experientes devem estar presentes enquanto a criança e os pais estão no laboratório. Comunicação clara entre os pais, pesquisador e criança são cruciais para o sucesso do experimento.

Estágio II: Depois que a criança chega

1. Formulários de consentimento são assinados e os experimentadores verificar se os pais têm dúvidas.
2. O experimentador verifica se a criança se lembra de todas as etapas introduzidas durante a primeira reunião ou nos folhetos e reintroduz as que não são lembrados. A importância do congelamento ou minimizar o movimento durante a aquisição de digitalização e de dados é enfatizada. Isto pode ser demonstrado através de um fantoche.
3. Então, o experimentador verifica se a criança é portador de qualquer material ferroso (roupas com manchas glitter, jóias, brinquedos esquecidos dentro de bolsos, alfinetes de cabelo, etc.) Se eles carregam uma peça de roupa que contém material ferroso, nós fornecê-los com roupas MEG segura. Se o pai quiser acompanhar a criança durante o experimento, podemos garantir que eles também retirar seu material ferroso.

Estágio III: Getting a criança pronto para executar a tarefa dentro do MSR

1. O experimentador se encaixa a tampa que prende os 5 bobinas marcador.
2. O experimentador digitaliza a localização das bobinas marcador e forma da criança cabeça. A fim de manter as cabeças em uma posição fixa, usamos um colar cervical, que foi equipado com três receptores. É importante reforçar a idéia de minimizar o movimento ou "congelamento" regularmente para obter uma forma boa cabeça. A criança pode ser recompensado com um adesivo para fazer um bom trabalho no "congelamento".
3. A criança é convidada a entrar no MSR. Fones de ouvido estão inseridos e que a criança é posicionada no capacete dewar MEG em posição supina.
4. Quando a criança está deitada confortavelmente com a cabeça dentro do capacete MEG, as bobinas marcador estão ligados à sua unidade de potência ea porta MSR está fechado. Um experimentador permanece (e também um pai, se desejar) no quarto durante toda a sessão.
5. Para o entretenimento durante a instalação e entre os blocos de coleta de dados, um filme ou desenho animado pode ser projetada na tela MSR retro-projeção.

Estágio IV: A execução do experimento

1. Assim que a porta está fechada MSR, SQUIDs estão engajados e aquisição de dados começa.
2. Como a criança assiste a um filme, um coregistration pré-teste é realizado para se certificar de que os sinais de MEG pode ser co-registrados para o formato da cabeça digitalizados. Este pré-teste consiste de combinar a posição das bobinas marcador obtidos durante a digitalização com a posição indicada pelo sistema de MEG.
3. Uma vez que a mostra primeiro teste que a cabeça da criança está corretamente posicionado dentro do capacete, o pesquisador pode iniciar o experimento: (a) o filme é mudo; (b) o pesquisador pergunta ao filho se eles estão prontos para "jogar o jogo"; (c) uma vez que o jogo começa, o experimentador fornece regularmente a criança com feedback. Por exemplo, uma criança pode ser convidado a ouvir uma série de frases, e para repetir uma palavra-alvo, tais como 'queijo', assim que ouvi-lo. Estas palavras-alvo são incorporados em um subconjunto de captura trials que sonda continuou a atenção para a tarefa, mas não são incluídos na análise final.
4. Uma vez que a tarefa é concluída, outra medida da bobina marcador é realizado para monitorar a posição da cabeça e do movimento.
5. Uma vez que o SQUIDs são desligados, a porta é aberta e MSR a criança é convidada a uma sala de jogos onde se pode escolher um prêmio para o seu bom trabalho.

3. Resultados representativos

Um estudo representativo em nosso laboratório usado este protocolo para estudar o desenvolvimento da lógica na linguagem infantil. Vinte e seis crianças de 3-4 anos (idade média de 4 anos e 5 meses) participou em pelo menos uma sessão de aquisição. Dezessete dessas crianças voltaram para uma sessão de testes de segunda e cinco vieram para uma sessão de testes de terceiros. O movimento da cabeça média foi de menos de 3,7 mm (sd 3,1 mm), bem dentro do limite de 5 mm. Movimentos maiores que 5mm ocorreu em 4,5% das sessões, com variação variando de 5,5 mm a 15 mm (média = 8,6 milímetros, dp = 2,5 mm).

Figura 1. O capacete MSR e MEG foram decorados com adesivos e brinquedos de pelúcia.

Figura 2. Quatro menina anos de idade, em tamanho adulto MEG (esquerda). Observe o preenchimento no topo da cabeça para minimizar o movimento e da distância entre a cabeça eo capacete. Imagem da direita mostra menina mesmo no MEG criança.

Discussion

Este protocolo é projetado para facilitar as medidas de função cognitiva do cérebro em indivíduos saudáveis ​​e desperta 4 anos de idade. Usamos um sistema de tamanho personalizado MEG projetado para se encaixar as cabeças dos pré-escolares. Com este sistema, uma criança-friendly ambiente de laboratório, e um protocolo adaptado às capacidades e motivações das crianças, somos capazes de medir a função cognitiva do cérebro em uma faixa etária para a qual não é actualmente muito poucos dados.

O sistema de KIT-Macquarie é o costume primeiro sistema todo cabeça de tamanho para uso com pré-escolares. Existem três principais vantagens do capacete personalizado dewar para estudar as crianças. Primeiro, o menor raio de configuração do sensor traz os sensores SQUID na faixa dos sinais neuromagnetic de cabeças de crianças s. Segundo, a menor capacete permite a inserção plena da cabeça de uma criança no dewar. Plena inserção é impedida em capacetes adulto dewar por causa da menor distância coroa a ombro em crianças (ver fig. 2). Estes dois fatores são fundamentais na gravação de atividade cerebral usando MEG porque os sinais neuromagnetic atenuar rapidamente com a distância. Terceiro, a aids infantil personalizado capacete no posicionamento simétrico da cabeça e limita a liberdade de movimento da cabeça da criança dentro do dewar. Estas características significativamente facilitar a configuração, posicionamento e medição de sinais de MEG das crianças.

O advento de tamanho personalizado criança MEG sistema é um avanço importante para a neurociência cognitiva. Alternativas técnicas de neuroimagem funcional radiofármacos que empregam ou fortes campos magnéticos pode não ser adequado para uso de rotina com as crianças. Desde MEG é uma técnica de medição inteiramente passivo não há risco concebível para o desenvolvimento de tecidos. Há actualmente muito poucos dados MEG de pré-escolares saudáveis, porque os sistemas convencionais MEG adultos não são bem adaptados para utilizar com as crianças. Sistemas criança MEG nos permitirá estudar a função cerebral em idades em que uma estruturação dramática da atividade do cérebro está ocorrendo, oferecendo novas percepções sobre o desenvolvimento normal e patológico da função cognitiva.

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