Measurement Of neuromagnetischen Hirnfunktionen Kinder im Vorschulalter mit benutzerdefinierten Sized MEG

Summary

Das Aufkommen der MEG-Systeme Größe für Kleinkinder eröffnet wichtige neue Möglichkeiten für die Entwicklung des Gehirns zu studieren. Das neue System, zusammen mit einem Protokoll, das experimentelle Anforderungen deckt sich mit den Fähigkeiten von Kindern, lassen sich kognitive und sprachliche Prozesse bei gesunden, wachen Kindern im Alter von drei Minuten vor sechs studieren.

Abstract

Magnetenzephalographie ist eine Technik, die Magnetfelder mit kortikale Aktivität [1] verbunden erkennt. Die elektrophysiologische Aktivität des Gehirns erzeugt elektrische Felder - das können Sie nur mit der Elektroenzephalographie (EEG) werden - und ihre gleichzeitige magnetische Felder - erkannt von MEG. MEG-Signale werden von spezialisierten Sensoren supraleitenden Quanten-Interferenz-Geräten (SQUIDs) bekannt erkannt. Supraleitende Sensoren benötigen mit flüssigem Helium-Kühlung bei -270 ° C. Sie befinden sich in einem vacumm isolierte Helm genannt Dewar, die mit Flüssigkeit gefüllt ist enthalten. SQUIDs sind in festen Positionen in den Helm Dewar in der Kühlmittel Helium gelegt, und ein Thema ist der Kopf im Helm Dewar für MEG-Messungen gelegt. Der Helm Dewar muss so bemessen sein, gegen Einschränkungen zu befriedigen. Klar, muss es groß genug, um die meisten oder alle die Köpfe in der Bevölkerung, die untersucht werden sollen fit. Allerdings muss der Helm auch klein genug, um die meisten der SQUID-Sensoren im Bereich der kleinen zerebralen Felder, die sie zu messen sind zu halten. Konventionelle ganzen Kopf MEG-Systeme wurden entwickelt, um mehr als 90% der erwachsenen Köpfen unterzubringen. Allerdings Erwachsenen-Systeme sind nicht gut für die Messung Gehirnfunktion in pre-school chidren deren Köpfe haben einen Radius mehrere cm kleiner als Erwachsene geeignet. Die KIT-Macquarie Hirnforschung Laboratory an der Macquarie University wird ein MEG-System benutzerdefinierte Größe, um die Köpfe der Kinder im Vorschulalter geeignet. Dieses Kind-System verfügt über 64 erster Ordnung axiale Gradiometer mit einem 50 mm Baseline [2] und befindet sich in einem magnetisch abgeschirmten Raum (MSR) zusammen mit einem herkömmlichen Erwachsenen-Größe MEG-System enthalten [3,4]. Es gibt drei wesentliche Vorteile der maßgeschneiderten Helm Dewar für das Studium Kinder. Zunächst bringt der kleinere Radius des Sensors Konfiguration der SQUID-Sensoren in den Bereich der neuromagnetischen Signale der Kinder-Köpfe. Zweitens ermöglicht die kleineren Helm vollständige Einführung der Kopf eines Kindes in den Dewar. Vollständige Insertion ist in der Erwachsenenbildung Dewar Helme wegen der kleineren Krone Abstand bei Kindern Schulter verhindert. Diese beiden Faktoren sind grundlegend in der Aufnahme Hirnaktivität mittels MEG, weil neuromagnetischen Signale rasch dämpfen mit Abstand. Drittens schränkt die individuelle Kind Helm hilft bei der symmetrischen Positionierung des Kopfes und die Bewegungsfreiheit der Kopf des Kindes in den Dewar. Wenn es mit einem Protokoll, das den Anforderungen der Datenerhebung deckt sich mit den motivationalen und Verhaltensstörungen Fähigkeiten von Kindern verwendet werden, diese Funktionen erheblich erleichtert Setup, Positionierung und Messung von MEG-Signalen.

Protocol

Diese Richtlinien beschreiben Geräte und Verfahren zur Messung der kognitiven Funktion des Gehirns bei Vorschulkindern mit Magnetenzephalographie (MEG). Zuerst diskutieren wir die allgemeinen Leitlinien und Fragen, die bei der Durchführung experimenteller Untersuchungen der kognitiven Funktion bei Kindern werden müssen. Zweitens beschreiben wir ein Protokoll entwickelt, um die Anforderungen der MEG Datenerhebung mit dem Motivations-und Verhaltens-Kapazitäten von vier-jährige Kinder auszurichten.

1. Allgemeine Überlegungen zur Untersuchung von Kindern mit MEG

MEG-Forscher mit einer Reihe von einzigartigen Herausforderungen bei der Arbeit mit wach gesunde Kinder. Zunächst wird ein starker und funktionelle Laborumgebung wahrscheinlich einschüchtern oder ängstigen kleinen Kindern. Zweitens sind die grundlegenden Anforderungen an eine experimentelle MEG Studie Einschränkung der Bewegungsfreiheit und aktiv teilnehmen, um eine Aufgabe für einen längeren Zeitraum, Bedingungen, dass viele Erwachsene mühsam und unbequem zu finden. Bei der Untersuchung von Kindern wird es unumgänglich, die experimentellen Verfahren, um die Fähigkeiten und Grenzen der Kinder anzupassen. In diesem Abschnitt beschreiben wir die ersten Schritte bei der Vorbereitung der Gegenstand in ein Datenerfassungssystem Sitzung teilnehmen wollen.

1,1 Einarbeitung / Training Session: Für Kinder im Vorschulalter eine Einarbeitung / Schulung wird vor der eigentlichen Datenerfassung Sitzung geplant. Diese Sitzung ermöglicht dem Kind, sich mit der Umwelt und die Forscher in ihrem eigenen Tempo. Wir stellen das Kind und die Eltern auf die Forscher und machen sie mit dem Labor Umgebung und Routinen. Bis zum Ende der Einführungsveranstaltung der Eltern und Kind verstehen, alle Schritte in teilnehmenden beteiligt und verstehen, was sie sollte während der Datenerfassung zu erwarten. Wenn beim ersten Besuch, erscheint ein Kind schüchtern oder ängstlich, haben wir einen Zeitraum von Spielzeit, bis sie sich wohler fühlen. Dann haben wir mit der Einführung der alle Schritte gehen.

1,2 erklären die Umwelt: Um die MEG-Umgebung für das Kind zu erklären, setzen wir ein Thema, das kindgerecht Rechtfertigung für die Umgebung bietet. Zum Beispiel ist die MEG-System ein Raumschiff wartet auf die Kinder auf ein Abenteuer im Weltraum, wo einige ungewohnte Ereignisse auftreten zu nehmen. Das Labor hat auch mit Wandtattoos und Spielzeug (Abb. 1) eingerichtet, und es hat einen eigenen Spielraum. Beim Gespräch mit dem Kind, verwenden wir Sprache, die Kinder können einfach wie "Einfrieren" anstelle von "Minimierung Bewegung" und "Astronaut Helm 'anstelle von' Marker-Coil-cap 'zu verstehen.

1,3 Erläuterung der Verfahren für das Kind und den Eltern: Wir zeigen dem Kind und dem Elternteil die Schritte, die ergriffen werden, bevor das Kind geht in die magnetisch abgeschirmten Raum (MSR) sind. Einer der ersten Schritte ist es, ein Fünf-Marker-Coil-Mütze auf den Kopf des passen; diese Spulen zeigen die Position des Motivs den Kopf in den MEG Helm. Mit dem Kind helfen, digitalisieren wir die Kopfform eine Marionette, und dann laden wir dem Kind und dem Elternteil, der Puppe, die MSR / Raumschiff begleiten. Einmal in der MSR, legen wir die Puppe den Kopf im Helm, um einen Film zu sehen. Dann bitten wir das Kind, wenn sie den Film mit der Puppe sehen wollen. Wenn das Kind bequem und entspannt und ihre Eltern mit unseren Protokollen zufrieden, laden wir sie zu einem Spiel in dem Raumschiff spielen sie das nächste Mal besuchen Sie unsere Labor.

1,4 Workbooks: Wir haben Arbeitsmappen auf dem Weltraumabenteuer Thema, das die Schritte Kinder während der Test-Session dauern wird zeigt basiert. Kinder sind diese worksbooks gegeben mit nach Hause nehmen und die Arbeit durch sie mit ihren Eltern in der Vorbereitung für den nächsten Besuch. Das Ziel der Arbeitsmappen ist es, die Bedeutung der drei wichtigsten Anforderungen für die Prüfung zu betonen: a) die Vermeidung von Eisen-Material im Inneren des MSR, b) die Platzierung von Marker-Spule Kappe, genaue Daten Co-Registrierung und c zu gewährleisten) und die Bedeutung der restlichen noch während der Digitalisierung und Datenerfassung.

2. Ein Verfahren zur Messung der MEG-Signale von pre-Kinder im Grundschulalter

2,1 Ausstattung während der Datenerfassung und experimentelle Aufgabe eingesetzt

Marker-Coil-Kappe: Um MEG-Daten mit dem Thema der strukturellen Informationen (zB MRI oder digitalisierte Kopfform), ein Satz von fünf Spulen auszurichten sind in eine Badekappe, die das Kind trägt in der MEG Helm gelegt. Diese Spulen dienen als Bezugspunkte und ihre Positionen sind vor und nach der Aufgabe zu messen, wie viel den Kopf des bei der Akquisition verschoben wurde verglichen.

Digitizer: Vor Datenerfassung, die Position von fünf Marker Spulen und die Kopfform des Themas wird digitalisiert mit einer Polhemus Fastrak ® Digitizer (Colchester, VT). Der Digitizer besteht aus einem Stift Digitalisierer, drei Empfänger, einem Sender und einem Motion-Tracking-Einheit. Dieser Prozess misst die Lage der Spulen. Später wurden diese Standorte sind gegen die Standortinformationen von MEG erhalten, die erworbenen magnetischen Daten-und Kopfform anzupassen abgestimmt.

Child MEG-System: Die Datenerfassung erfolgt mit Hilfe eines Ganzkörper-Kopf Kind MEG-System (KIT, Kanazawa, Japan) [2]. Die Daten werden kontinuierlich mit einer Abtastrate von 1000 Hz erfasst, mit einem Online-Bandpassfilter zwischen 0,03 Hz und 200Hz. Marker Spule Positionen sind vor und nach Aufnahmen Kopfbewegung Maß erhalten. Die Daten werden abgelehnt, wenn Kopfbewegung ist größer als 5mm.

MEG-System-Peripherie: Experimentelle Reize werden mit einem PC mit Presentation gesteuert ® (Neuropsychologische Systems, Albany, CA). Visuelle Eingänge werden durch einen Projektor, der außerhalb der MSR sitzt und auf die MSR-Bildschirm reflektiert geliefert. Auditive Reize werden von Etymotic Research Modell geliefert ER-30 Einsteckhörern mit Baby-Größe Schaumstoff Ohrmuscheln (Etymotic Research Inc., Elk Grove Village, IL) ausgestattet. Das Kind ist ständig von geschlossenen Kreislauf Kamera überwacht, und der Versuchsleiter kommuniziert mit dem Kind durch ein Mikrofon.

2.2 Daten Akquisition: Data Recording-Sessions beinhalten die folgenden Phasen:

Stufe I: Vor dem Kind die Ankunft

Es ist wichtig, auf allen Computern, Software und Geräte bereit, das Experiment, sobald das Kind kommt zu beginnen. Als allgemeine Empfehlung, sollten zwei erfahrene Forscher vorhanden sein, während das Kind und Eltern im Labor. Klare Kommunikation zwischen Wissenschaftlern, Eltern und Kind sind entscheidend für den Erfolg des Experiments.

Stufe II: Nachdem das Kind kommt

1. Einverständniserklärungen sind unterschrieben und die Experimentatoren überprüfen, ob die Eltern Fragen haben.
2. Der Versuchsleiter überprüft, ob das Kind merkt sich alle Schritte in der ersten Sitzung oder in den Broschüren eingeführt und wieder einführt alle, die nicht vergessen werden. Die Bedeutung des Einfrierens oder Minimierung Bewegung während der Digitalisierung und Datenerfassung wird betont. Dies lässt sich mit einer Marionette sein.
3. Dann prüft der Experimentator, wenn das Kind trägt keine eisenhaltigen Material (Kleidung mit Glitzer-Patches, Schmuck, Spielzeug Innentaschen vergessen, Haarnadeln, usw.). Wenn sie ein Kleidungsstück, das eisenhaltige Material enthält tragen, bieten wir ihnen mit MEG sichere Kleidung. Wenn die Eltern will das Kind während des Experiments zu begleiten, stellen wir sicher, dass sie auch entfernen, deren eisenhaltiges Material.

Stufe III: Getting das Kind bereit, die Aufgabe in der MSR durchführen

1. Der Versuchsleiter passt die Kappe, dass die 5-Marker Spulen hält.
2. Der Versuchsleiter digitalisiert die Lage der Marker Spulen und den Kopf des Kindes zu gestalten. Um den Kopf in einer festen Position zu halten, verwenden wir eine Halskrause, die mit drei Empfängern eingesetzt wurde. Es ist wichtig, die Idee der Minimierung Bewegung oder "Einfrieren" regelmäßig, um eine gute Kopfform erhalten zu verstärken. Das Kind kann mit einem Aufkleber für einen guten Job machen bei "Einfrieren" belohnt werden.
3. Das Kind wird gebeten, die MSR geben. Ohrhörer eingesteckt und das Kind ist in der MEG-Dewar Helm in Rückenlage positioniert.
4. Sobald das Kind im Liegen bequem mit dem Kopf in der MEG Helm, sind die Marker Spulen, um ihre Macht verbunden und die MSR Tür geschlossen ist. Ein Experimentator bleibt (und auch ein Elternteil, wenn gewünscht) in den Raum während der gesamten Sitzung.
5. Für Unterhaltung während des Setups und zwischen Datenerhebung blockiert, kann ein Film oder Cartoon auf die MSR Rückprojektion Leinwand projiziert werden.

Stufe IV: Die Ausführung des Experiments

1. Sobald die MSR Tür geschlossen ist, werden SQUIDs engagiert und Datenerfassung beginnt.
2. Als das Kind sieht einen Film, ein Koregistrierung Pre-Test wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass MEG-Signale können koregistrierten zu den digitalisierten Kopfform. Dieser Vortest besteht aus Anpassung der Position des Markers Spulen während der Digitalisierung mit der Position von der MEG-System gezeigt, erhalten.
3. Nachdem der erste Test zeigt, dass der Kopf des Kindes richtig im Helm positioniert, kann der Forscher Starten des Experiments: (a) der Film ist stumm; (b) der Forscher fragt das Kind, wenn sie bereit sind, "das Spiel" sind; (c) sobald das Spiel beginnt, der Experimentator stellt regelmäßig das Kind mit Feedback. Zum Beispiel kann ein Kind gebeten, sich auf eine Reihe von Sätzen zu hören, und auf ein Ziel Wort wie "Käse" zu wiederholen, sobald sie es hören. Diese Ziel-Worte sind in einer Teilmenge des Fangs tri embeddedlien, die Sonde Aufmerksamkeit weiterhin die Aufgabe, sind aber nicht in die endgültige Auswertung einbezogen.
4. Sobald die Aufgabe abgeschlossen ist, ist ein weiterer Marker Spule Messung durchgeführt, um die Kopfhaltung und Bewegung zu überwachen.
5. Sobald die SQUIDs gelöst sind, ist die MSR Tür öffnete sich und das Kind ist es, ein Spielzimmer, wo sie einen Preis für ihre gute Arbeit wählen können eingeladen.

3. Repräsentative Ergebnisse

Eine repräsentative Studie in unserem Labor verwendet dieses Protokoll, um die Entwicklung der Logik in der Kindersprache zu studieren. Sechsundzwanzig Kinder im Alter von 3-4 Jahren (mittleres Alter 4 Jahre und 5 Monate) nahmen an mindestens einer Übernahme Sitzung. Siebzehn dieser Kinder wieder für einen zweiten Test-Session und fünf kamen zum dritten Test-Session. Durchschnittliche Kopfbewegung war weniger als 3,7 mm (sd 3,1 mm), auch innerhalb der 5mm Schwelle. Movements größer als 5mm traten bei 4,5% der Sitzungen, mit einer Variation von 5,5 mm bis 15 mm (Mittelwert = 8,6 mm, sd = 2,5 mm).

Abbildung 1. Die MSR-und MEG Helm haben mit Aufkleber und Stofftiere eingerichtet.

Abbildung 2. Vier Jahre altes Mädchen in Erwachsenen-Größe MEG (links). Beachten Sie die Polsterung an der Spitze ihres Kopfes, um Bewegung und der Abstand zwischen Kopf und Helm zu minimieren. Bild rechts zeigt dasselbe Mädchen in das Kind MEG.

Discussion

Dieses Protokoll wurde entwickelt, um Messungen der kognitiven Funktion des Gehirns bei gesunden und wachen 4 Jahre alten Kindern zu erleichtern. Wir verwenden einen benutzerdefinierten Formaten MEG-System entwickelt, um die Köpfe der Vorschul-Kinder im Alter fit. Mit diesem System eine kinderfreundliche Laborumgebung, und ein Protokoll angepasst, um die Fähigkeiten und Motivationen von Kindern, sind wir in der Lage, kognitive Funktion des Gehirns in einem Alter, für den gibt es derzeit nur sehr wenige Daten zu messen.

Die KIT-Macquarie System ist das erste Ganzkörper-Kopf-System benutzerdefinierte Größe für den Einsatz mit bereits Kinder im Grundschulalter. Es gibt drei wesentliche Vorteile der maßgeschneiderten Helm Dewar für das Studium Kinder. Zunächst bringt der kleinere Radius des Sensors Konfiguration der SQUID-Sensoren in den Bereich der neuromagnetischen Signale von Kindern die Köpfe. Zweitens ermöglicht die kleineren Helm vollständige Einführung der Kopf eines Kindes in den Dewar. Vollständige Insertion ist in der Erwachsenenbildung Dewar Helme wegen der kleineren Krone Abstand bei Kindern Schulter (siehe Abb. 2). Verhindert. Diese beiden Faktoren sind grundlegend in der Aufnahme Hirnaktivität mittels MEG, weil neuromagnetischen Signale rasch dämpfen mit Abstand. Drittens schränkt die individuelle Kind Helm hilft bei der symmetrischen Positionierung des Kopfes und die Bewegungsfreiheit der Kopf des Kindes in den Dewar. Diese Funktionen deutlich erleichtern Setup, Positionierung und Messung von MEG-Signale von Kindern.

Das Aufkommen von benutzerdefinierten Größe Kind MEG-System ist ein wichtiger Fortschritt für die kognitiven Neurowissenschaften. Alternative funktionelle bildgebende Verfahren, die Radiopharmaka oder starke Magnetfelder einzusetzen möglicherweise nicht geeignet für den routinemäßigen Einsatz mit kleinen Kindern. Da MEG ist eine völlig passive Messverfahren gibt es keine denkbare Risiko für die Entwicklung Gewebe. Es gibt derzeit nur sehr wenig MEG Daten von gesunden Vorschulkindern im Alter von Kindern, weil konventionelle Erwachsenen MEG-Systeme nicht gut geeignet, um mit Kindern eingesetzt. Child MEG-Systeme ermöglichen es uns, die Gehirnfunktion zu Studienbeginn im Alter, wo eine dramatische Gestaltung der Aktivität des Gehirns stattfindet, gibt neue Einblicke in normalen und pathologischen Entwicklung der kognitiven 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