Summary
L'avvento dei sistemi di MEG dimensioni per i più piccoli apre importanti nuove opportunità per studiare lo sviluppo del cervello. Il nuovo sistema, insieme a un protocollo che si allinea requisiti sperimentali con le capacità dei bambini, possono essere utilizzati per studiare i processi cognitivi e del linguaggio nei bambini sani, svegli dai tre ai sei anni.
Abstract
Magnetoencefalografia è una tecnica che rileva i campi magnetici associati con l'attività corticale [1]. L'attività elettrofisiologica del cervello genera campi elettrici - che può essere registrata usando l'elettroencefalografia (EEG) - ed i loro campi magnetici concomitanti - rilevato dal MEG. MEG segnali vengono rilevati da sensori specializzati conosciuto come superconduttori ad interferenza quantistica (SQUID). Sensori superconduttori richiedono un raffreddamento con elio liquido a -270 ° C. Essi sono contenuti all'interno di un isolato vacumm casco chiamato un dewar, che è piena di liquido. CALAMARI sono collocati in posizioni fisse all'interno del casco dewar in elio liquido di raffreddamento, e la testa di un soggetto è collocato all'interno del casco dewar per le misure di MEG. Il casco dewar deve essere dimensionato per soddisfare vincoli opposti. Chiaramente, deve essere grande abbastanza da contenere la maggior parte o tutti i capi della popolazione che saranno studiati. Tuttavia, il casco deve essere anche abbastanza piccolo da mantenere la maggior parte dei sensori SQUID nel raggio d'azione i minuscoli campi cerebrali che sono su misura. Convenzionali whole-head MEG sistemi sono progettati per ospitare oltre il 90% dei capi adulti. Tuttavia i sistemi di adulti non sono adatti per misurare la funzione del cervello in fase di pre-scuola chidren le cui teste hanno un raggio di parecchi centimetri più piccolo rispetto agli adulti. Il KIT-Macquarie Brain Research Laboratory presso Macquarie University utilizza un sistema personalizzato MEG di dimensioni adatte a capi di bambini in età prescolare. Questo sistema bambino ha 64 gradiometri assiale del primo ordine con una linea di base 50 millimetri [2] ed è contenuto all'interno di una stanza magneticamente schermati (MSR) insieme ad un adulto di dimensioni convenzionali sistema MEG [3,4]. Ci sono tre vantaggi principali del casco dewar personalizzati per lo studio dei figli. In primo luogo, il raggio minore della configurazione del sensore porta i sensori SQUID nella gamma dei segnali neuromagnetic delle teste dei bambini. In secondo luogo, il casco più piccolo consente l'inserimento completo di testa di un bambino nel dewar. Pieno inserimento è impedito in adulti caschi dewar a causa della corona più piccola a spalla distanza nei bambini. Questi due fattori sono fondamentali per la registrazione dell'attività cerebrale con MEG, perché i segnali neuromagnetic attenua rapidamente con la distanza. In terzo luogo, il bambino casco personalizzato aiuti nel posizionamento simmetrico della testa e limita la libertà di movimento della testa del bambino all'interno del dewar. Quando viene utilizzato con un protocollo che si allinea alle esigenze di raccolta dati con le capacità motivazionali e comportamentali dei bambini, queste caratteristiche in modo significativo facilitare l'installazione, il posizionamento e misurazione dei segnali MEG.
Protocol
Queste linee guida descrivono attrezzature e le procedure per la misurazione della funzione cognitiva del cervello in età prescolare utilizzando magnetoencefalografia (MEG). In primo luogo, si discute le linee guida generali e le questioni che devono essere considerati durante lo svolgimento di prove sperimentali della funzione cognitiva nei bambini. In secondo luogo, si descrive un protocollo sviluppato per allineare le esigenze di raccolta dati MEG con le capacità motivazionali e comportamentali di quattro anni i bambini.
1. Considerazioni generali per lo studio dei bambini con MEG
Ricercatori MEG affrontare una serie di sfide uniche quando si lavora con sveglio bambini sani. In primo luogo, un ambiente di laboratorio forte e funzionale è probabilmente per intimidire o spaventare i bambini. In secondo luogo, i requisiti di base di uno studio sperimentale MEG includono restrizioni di movimento e di partecipare attivamente ad un compito per un lungo periodo, condizioni che molti adulti trovano noioso e scomodo. Quando si studiano i bambini diventa imperativo di adattare le procedure sperimentali per le capacità e le limitazioni dei bambini. In questa sezione vengono descritti i passi iniziali coinvolti nella preparazione dei soggetti a partecipare a una sessione di acquisizione dati.
1,1 familiarizzazione / Training Session: per bambini in età prescolare una familiarizzazione / sessione di allenamento è prevista prima della effettiva acquisizione dei dati di sessione. Questa sessione permette al bambino di acquisire familiarità con l'ambiente e per i ricercatori al proprio ritmo. Si introduce il bambino e il genitore per i ricercatori e familiarizzare con l'ambiente e le routine di laboratorio. Entro la fine della sessione introduttiva del genitore e bambino a capire tutti i passaggi necessari per partecipare e capire che cosa devono aspettarsi durante la registrazione dei dati. Se durante la prima visita, un bambino appare timido e ansioso, abbiamo un periodo di riproduzione fino a quando non sente più a suo agio. Poi, si procede con l'introduzione di tutte le fasi.
1,2 Spiegare l'ambiente: Per spiegare l'ambiente MEG al bambino, ci avvaliamo di un tema che fornisce una misura di bambino giustificazione per le frazioni. Per esempio, il sistema di MEG è una nave spaziale in attesa di portare i bambini in un'avventura spazio in cui alcuni eventi non familiari possono verificarsi. Il laboratorio è stato anche decorato con adesivi murali e giocattoli (Fig. 1), e ha dedicato una sala giochi. Quando si parla al bambino, usiamo il linguaggio che i bambini possono facilmente capire come il 'congelamento' invece di 'movimento riducendo al minimo', e 'casco astronauta' invece di 'marker-coil cap'.
1,3 Spiegare le procedure per il bambino e ai genitori: Abbiamo indicato il bambino e il genitore le misure che vengono prese prima che il bambino va all'interno della stanza magneticamente schermati (MSR). Uno dei primi passi è quello di adattarsi a cinque marker-coil cappuccio sulla testa del soggetto, queste bobine indicare la posizione della testa del soggetto all'interno del casco MEG. Con l'aiuto del bambino, abbiamo digitalizzare la forma della testa di un pupazzo, e quindi invitiamo il bambino e il genitore di accompagnare il burattino al MSR / astronave. Una volta all'interno della MSR, mettiamo la testa del burattino all'interno del casco per guardare un film. Abbiamo poi chiedere al bambino se vogliono guardare il film con il burattino. Se il bambino è comodo e rilassato e dei genitori è soddisfatto con i nostri protocolli, li invitiamo a giocare una partita dentro l'astronave la prossima volta che visitate il nostro laboratorio.
1,4 cartelle di lavoro: Abbiamo cartelle di lavoro basato sul tema avventura spaziale che mostra le fasi bambini saranno compiuti durante la sessione di test. I bambini sono date queste worksbooks da portare a casa e lavorare attraverso di loro con i loro genitori in preparazione alla prossima visita. Lo scopo della cartelle di lavoro è quello di sottolineare l'importanza dei tre principali requisiti per le prove: a) evitare di qualsiasi materiale ferroso all'interno del MSR, b) la collocazione del tappo marcatore bobina per garantire che i dati precisi co-registrazione e c) e il importanza di rimanere fermo durante la digitalizzazione e acquisizione dati.
2. Un protocollo per la misura di segnali MEG da bambini di età prescolare
2,1 Le attrezzature utilizzate durante l'acquisizione dei dati e delle attività sperimentali
Marker-coil cappuccio: al fine di allineare i dati MEG con informazioni strutturali del soggetto (ad esempio forma della testa MRI o digitalizzate), un set di cinque bobine si trovano in una cuffia che il bambino indossa all'interno del casco MEG. Queste bobine fungono da punti di riferimento e le loro posizioni sono confrontati prima e dopo il compito di misurare quanto la testa del soggetto si è mosso durante l'acquisizione.
Digitizer: Prima di acquisizione dati, la posizione di cinque bobine marcatore e la forma della testa del soggetto è digitalizzati utilizzando un F Polhemusastrak ® digitalizzatore (Colchester, VT). Il digitalizzatore è costituito da una penna digitizer, tre ricevitori, un trasmettitore ed un unità di motion tracking. Questo processo di misura la posizione delle bobine. In seguito questi luoghi vengono confrontati con le informazioni sulla posizione ottenuta MEG per allineare i dati acquisiti magnetico e forma della testa.
Bambino sistema MEG: acquisizione dei dati avviene tramite un whole-head bambino MEG sistema (KIT, Kanazawa, Giappone) [2]. I dati vengono acquisiti in continuo ad una frequenza di campionamento di 1000 Hz, con un filtro passa-banda in linea tra 0,03 Hz e 200Hz. Posizioni della bobina marker sono ottenuti prima e dopo le registrazioni per misurare il movimento della testa. I dati sono rifiutata se il movimento della testa è maggiore di 5 mm.
MEG periferiche di sistema: gli stimoli sperimentali sono controllate da un PC utilizzando Presentazione ® (Sistemi neurocomportamentali, Albany, California). Input visivi sono forniti da un proiettore che si trova al di fuori del MSR e si riflette sullo schermo MSR. Stimoli uditivi sono forniti da modello Etymotic Research ER-30 auricolari inserire dotato di baby-auricolari di dimensioni schiuma (Etymotic Research Inc., Elk Grove Village, Illinois). Il bambino è costantemente monitorata da telecamere a circuito chiuso e lo sperimentatore comunica con il bambino attraverso un microfono.
2.2 Dati di acquisizione: le sessioni di registrazione dei dati riguardano le seguenti fasi:
Fase I: Prima dell'arrivo del bambino
E 'importante avere tutti i computer, software e attrezzature pronto per iniziare l'esperimento non appena il bambino arriva. Come raccomandazione generale, due ricercatori esperti dovrebbe essere presente, mentre il bambino e genitore sono in laboratorio. Comunicazione chiara tra ricercatori, genitori e figli sono cruciali per il successo dell'esperimento.
Stadio II: dopo il bambino arriva
- Moduli di consenso sono firmati e gli sperimentatori controllare se i genitori hanno domande.
- Lo sperimentatore verifica se il bambino si ricorda tutti i passaggi introdotti durante la prima riunione o nei libretti e reintroduce quelli che non vengono ricordati. L'importanza di congelamento o ridurre al minimo movimento durante l'acquisizione e la digitalizzazione dei dati è sottolineato. Questo può essere dimostrato mediante un burattino.
- Poi, lo sperimentatore controlla se il bambino sta trasportando tutto il materiale ferroso (indumenti con macchie glitter, gioielli, giocattoli dimenticati tasche interne, forcine, ecc.) Se effettuano un capo di abbigliamento che contiene materiale ferroso, forniamo loro abbigliamento MEG sicuro. Se il genitore vuole accompagnare il bambino durante l'esperimento, ci assicuriamo che anche rimuovere il materiale ferroso.
Stadio III: Ottenere il bambino pronto per eseguire l'attività all'interno del MSR
- Lo sperimentatore si inserisce il tappo che contiene le 5 bobine marcatore.
- Lo sperimentatore digitalizza la posizione delle bobine marcatore e forma della testa del bambino. Al fine di mantenere la testa in una posizione fissa, si usa un collare che è stato dotato di tre ricevitori. E 'importante rafforzare l'idea di ridurre al minimo movimento o di' congelamento 'regolarmente per ottenere una buona forma della testa. Il bambino può essere ricompensato con un adesivo per fare un buon lavoro al 'congelamento'.
- Il bambino è invitato a entrare nel MSR. Gli auricolari sono inseriti e il bambino è posizionato nel casco MEG dewar in posizione supina.
- Una volta che il bambino è comodamente sdraiato con la testa all'interno del casco MEG, le bobine marcatori sono collegati alla loro unità di alimentazione e la porta MSR è chiuso. Uno sperimentatore rimane (e anche un genitore, se lo si desidera) nella sala durante l'intera sessione.
- Per l'intrattenimento durante l'installazione e tra i blocchi di raccolta dati, un film o un cartone animato può essere proiettato su retro-proiezione su schermo MSR.
Fase IV: esecuzione dell'esperimento
- Una volta che la porta è chiusa MSR, SQUID sono impegnate e di acquisizione dati ha inizio.
- Quando il bambino guarda un film, un coregistrazione pre-test è condotto per assicurarsi che i segnali MEG può essere coregistered alla forma della testa digitalizzati. Questa pre-test consiste in corrispondenza della posizione delle bobine marker ottenuti durante la digitalizzazione con la posizione indicata dal sistema di MEG.
- Una volta che la mostra di prova prima che la testa del bambino è posizionato correttamente all'interno del casco, il ricercatore può iniziare l'esperimento: (a) il film è muto, (b) il ricercatore chiede al figlio se sono pronti a "giocare"; (c) una volta che il gioco inizia, lo sperimentatore fornisce regolarmente il bambino con feedback. Ad esempio, un bambino può essere chiesto di ascoltare una serie di frasi, e di ripetere una parola bersaglio come 'formaggio', appena lo sentono. Queste parole di destinazione sono incorporati in un sottogruppo di cattura trials che sonda continua attenzione al compito, ma non sono inclusi nelle analisi finale.
- Una volta che l'operazione è completata, un altro indicatore di misura della bobina viene eseguita per monitorare la posizione della testa e del movimento.
- Una volta che i calamari sono disinserito, MSR la porta è aperta e il bambino è invitato a una sala giochi dove si può scegliere un premio per il loro buon lavoro.
3. Rappresentante risultati
Uno studio di rappresentanza nel nostro laboratorio utilizzato questo protocollo per studiare lo sviluppo della logica nel linguaggio infantile. Ventisei bambini di età compresa tra 3-4 anni (età media 4 anni e 5 mesi) hanno partecipato ad almeno una sessione di acquisizione. Diciassette di quei bambini tornati per una seconda sessione di test e cinque è venuto per una sessione di test terzo. Movimento della testa media era meno di 3,7 mm (SD 3,1 millimetri), ben all'interno della soglia di 5 mm. Movimenti maggiore di 5 mm si è verificato nel 4,5% delle sessioni, con variazioni che vanno da 5,5 mm a 15 mm (media = 8,6 millimetri, sd = 2,5 mm).
Figura 1. Il casco MSR e MEG sono state decorate con adesivi e pupazzi.
Figura 2. Quattro anni, ragazza di adulti di dimensioni MEG (a sinistra). Nota l'imbottitura in cima alla testa per ridurre al minimo il movimento e la distanza tra testa e casco. Immagine di destra mostra stessa ragazza nel MEG bambino.
Discussion
Questo protocollo è progettato per facilitare le misurazioni della funzione cerebrale cognitiva in soggetti sani e svegli di 4 anni i bambini. Usiamo un sistema di dimensioni personalizzate MEG progettato per adattarsi alla testa di bambini di età pre-scolare. Con questo sistema, un bambino-friendly ambiente di laboratorio, e un protocollo adattato alle capacità e le motivazioni dei bambini, siamo in grado di misurare le funzioni cognitive del cervello in un range di età per i quali esiste attualmente pochissimi dati.
Il KIT-Macquarie sistema è il primo whole-head sistema di dimensioni personalizzate per l'utilizzo con bambini di età pre-scolare. Ci sono tre vantaggi principali del casco dewar personalizzati per lo studio dei figli. In primo luogo, il raggio minore della configurazione del sensore porta i sensori SQUID nella gamma dei segnali neuromagnetic di teste bambini s. In secondo luogo, il casco più piccolo consente l'inserimento completo di testa di un bambino nel dewar. Pieno inserimento è impedito in adulti caschi dewar a causa della corona più piccola a spalla distanza nei bambini (vedi fig. 2). Questi due fattori sono fondamentali per la registrazione dell'attività cerebrale con MEG, perché i segnali neuromagnetic attenua rapidamente con la distanza. In terzo luogo, il bambino casco personalizzato aiuti nel posizionamento simmetrico della testa e limita la libertà di movimento della testa del bambino all'interno del dewar. Queste caratteristiche semplificano notevolmente l'installazione, il posizionamento e misurazione dei segnali MEG dalla portata dei bambini.
L'avvento di dimensioni personalizzate bambino MEG sistema è un importante passo avanti per le neuroscienze cognitive. Alternative tecniche di neuroimaging funzionale che impiegano radiofarmaci o forti campi magnetici potrebbero non essere adatti per l'uso di routine con bambini piccoli. Dal momento che MEG è una tecnica di misurazione completamente passivo non c'è rischio immaginabile per sviluppare tessuti. Attualmente vi sono pochissimi dati MEG da sani di età compresa tra bambini in età prescolare, in quanto i sistemi tradizionali per adulti MEG non sono adatti per utilizzare con i bambini. Bambino sistemi MEG ci permetterà di studiare le funzioni del cervello in età in cui una strutturazione drammatica di attività cerebrale è in corso, fornendo nuove prospettive nello sviluppo normale e patologico delle funzioni cognitive.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato da infrastrutture australiano Research Council Linkage attrezzature e degli impianti di Grant LEO668421 e australiani Research Council Linkage progetto di Grant LP0669471. Gli autori ringraziano la collaborazione di Kanazawa Institute of Technology e Yokogawa Electric Corporation a stabilire il KIT-Macquarie Research Laboratory del cervello.
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).
