Kvantitativ bedömning av kortikal Auditory-taktil bearbetning hos barn med funktionshinder

Summary

Mål och enkel mätning av sensorisk bearbetning är extremt svårt i icke-verbal eller sårbara barn. Vi utvecklade en ny metod för att kvantitativt bedöma spädbarn och barn kortikal bearbetning av lätt beröring, ljud tal, och den multisensory bearbetning av de två stimuli, utan att det krävs ett aktivt ämne deltagande eller orsakar obehag i utsatta patienter.

Abstract

Mål och enkel mätning av sensorisk bearbetning är extremt svårt i icke-verbal eller sårbara barn. Vi utvecklade en ny metod för att kvantitativt bedöma barns kortikal bearbetning av lätt beröring, talljud och multisensorisk behandling av de två stimuli, utan att det krävs ett aktivt ämne deltagande eller orsakar barn obehag. För att åstadkomma detta har vi utvecklat en dubbel kanal, tid och kraft kalibrerad luft puff stimulator som gör att både taktil stimulering och bluff kontroll. Vi kombinerade detta med hjälp av händelserelaterade potentiell metod för att möjliggöra hög tidsupplösning av signaler från de primära och sekundära somatosensoriska cortex samt högre orderhantering. Denna metod tillät oss också att mäta en multisensorisk svar på hörsel-taktil stimulering.

Introduction

Studien av att utveckla kortikala sensoriska processer är nödvändig för att förstå grunden för de flesta högre ordningens funktioner. Sensoriska upplevelser är ansvariga för mycket av hjärnans organisation genom spädbarnsåldern och barndomen, vilket lägger grunden för komplexa processer som kognition, kommunikation och motorisk utveckling ^1-3. De flesta pediatriska studier av sensoriska processer fokuserar på auditiv och visuell domäner, främst eftersom dessa stimuli är lättast att utveckla, standardisera och testa. Dock är taktil behandling av särskilt intresse för spädbarn och barn eftersom det är den första känslan att utvecklas hos fostret ^4,5, och somatosensoriska informationen är väsentlig för funktionen av andra kortikala system (t.ex. motor, minne, associativ inlärning, limbiska) ^6. Nuvarande metoder som bedömer somatosensoriska bearbetning begränsas av valet av taktil stimulans. Ett vanligt val är direkt elektrisk mediannervstimulering ^7,8 9. Alla dessa metoder är därför begränsade i sin användning på små barn och spädbarn.

Därför är vårt mål var att utveckla en taktil paradigm som tar upp dessa begränsningar genom att vara icke-invasiv och minska behovet av ett ämne aktiva deltagande. Dessutom krävs det att ha en standardiserad grad av stimulans och en bluff-kontroll. För detta har vi utvecklat den "puffer"-system, en dual-channel, tidsinställda, och kalibrerad luft-puff leveranssystem, vilket tillåter oss att mäta effekterna av lätt beröring hos spädbarn och andra utsatta befolkningsgrupper.

Functional MRI studier visade att stimulering av puffar av luft aktiverar sensoriska cortex, även om längden och utmaningar av sådana studier, t.ex. immobilisering, Lengdina sessioner och ångestväckande inställningar gör dem svåra att utföra på små barn. Därför kombinerade vi vår nya leveranssystem med Event-Related Potential (ERP) metod för att ge tidsupplösning av sensorisk bearbetning av lätt beröring i ett kort, barnvänlig testsession.

Denna nya paradigm ger den nödvändiga flexibiliteten för att studera sensorisk bearbetning i olika populationer, ålder och kliniska situationer. Det har också fördelen av att vara kompatibel med auditiva stimuli, vilket möjliggör multisensoriska bedömningar. Hittills har korrekt och tillförlitlig taktil bedömning inte varit möjligt på spädbarn eller barn som har svårt att på ett tillförlitligt sätt reagera på grund av intellektuella / språkstörning. Denna metod syftar till att fylla denna lucka för att bistå i tidig identifiering av sensorisk bearbetning underskott och intervention under en period av maximal hjärnans plasticitet. Förbättringar av sensorisk bearbetning i barndomen kan påverka kaskadav neurodevelopmental

Följande procedurer är inkluderat i Vanderbilt Institutional Review Board godkända protokoll.

Protocol

1. Bedömning av svar på ljus Touch

1. Placera elektrod nätet (t.ex. 128-kanaler geodetiska givare netto) på barn eller barnets huvud. Justera sensorer för full kontakt med hjälp av varm koksaltlösning. Om det på ett barn, se till att barnet sitter bekvämt i förälder eller vårdgivare knä. Om det på ett spädbarn, se till att barnet är lätt lindad och antingen hålls i vårdgivarens armar eller i ryggläge i en öppen spjälsäng.
2. Placera ett 1 mm munstycke 0,5 cm under toppen på ett pekfinger för den testade handen. Placera fingret för ett litet barn eller palm för ett spädbarn i en formhållare och fäst med kardborreband proximal och distal till gemensam för konsekvent avstånd från munstycket till fingrar eller händer. Det är absolut nödvändigt att barnet behåller korrekt fingerposition under hela testsessionen. Säkerställa detta genom att regelbundet utvärdera finger-och handplacering och har barn med vårdgivare om unga. Om att testa ett spädbarn, sluta protokollOm barnet gråter och ger komfort innan du startar om. Om att testa litet barn, be vårdgivaren att ge tröst och uppmuntran under hela den korta testperioden.
3. Starta luftkompressorn vid 40 psi genom regulatorn att leverera ventil ingångar för taktila stimuli.
4. Kör stimulans leveransprogram.
   1. För den testade sidan, nuvarande 60 puff stimuli slumpmässigt varvat med 60 skenrättegångar (en luftpuff levereras via en separat munstycke pekade bort från fingret).
   2. Presentera inte mer än två repetitioner av en puff eller bluff i rad. Variera mellan rättegång mellanrum slumpmässigt mellan 2,000-2,500 ms. Syftet med detta är att reducera tillvänjning, där ett stimulus inte längre uppfattas. Den totala tiden för en sekvens av 120 studier bör vara 4.5-5 minuter.
   3. Kör identiskt protokoll igen för den andra sidan om att studera asymmetriska somatosensoriska rubbningar.
5. För protokoll som inte kräver uppmärksamhet på stimulans längre ställa upp behövs. Thans gäller spädbarn testning. För förbättring av uppmärksamhet hos små barn (vilket resulterar i större specifika ERP-toppar i inspelning), ger en uppgift.
   1. Uppgift exempel för 5-åringar: Beskriv luftpuffar som "bubblor" blåst av "fisk" i ett "akvarium" (en dekorerad låda döljer blåsapparat). Be barnen gissa om varje "bubbla" levereras med en blå eller en röd "fisk". Berätta för barnet att de inte behöver, och borde inte säga något när de utför denna uppgift (se inrättats med mock akvarium i figur 1).

2. Bedömning av svar på multisensorisk Protocol (Auditory-taktil Samtidig vs Summerat individuella svar)

1. Kör igenom stegen 1,1-1,3, såsom beskrivits ovan. Stimuli beskrivs i Tabell 1.
2. Kör stimulans leveransprogram (t.ex. i E-Prime programvara). För den testade sidan, en auditiv-taktil paradigm kan presentera följande 4 stimuli slumpmässigt, med 60 försök / stimulans: puff, puff-/ga /, / ga /-bluff, bluff. Återigen, för att begränsa risken för tillvänjning, inte utgör mer än två repetitioner av en puff eller bluff i rad i alla förhållanden, och variera mellan rättegång mellanrum slumpmässigt mellan 2,000-2,500 ms. Varje sekvens av 240 studier bör ta mellan 9-10 minuter.
3. Kör identiskt protokoll över för den andra handen.
4. Ge en ljudlös åldersanpassad tecknade vid initiering av protokoll och fortsätter det under hela förfarandet för att förhindra ökad motor artefakter från rastlöshet, och för att minska bakgrunden från stora patient genererade deltavågor när de är uttråkade. Till exempel i 5-åringar, använde vi en slinga på 20 minuter av en köpt video, spelas på mute och startas om innan varje ämne testades. Ingen uppmärksamhet på stimulans som behövs är därför sling tecknad ger en visuell bakgrund bortkopplad från stimuli.

e_title "> 3. Programvara och utrustning Set Up

1. Programmera mjukvaran, inrättat två seriella kommandon som skickas av den stimulans kontroll ansökan. Man identifierar puff, den andra bluff. Har stimulanskontroll ansökan skicka kommandon till en mikrokontroller.
2. Har mikrostyrenheten generera en TTL-puls (exempelvis 20 ms varaktighet) till motsvarande digital utgångskanal. Denna utgång skall delas upp i två linjer, en för den digitala ingången till EEG registreringssystem och en till magnetstyrda luftventiler. Invigningen av båda ventilerna i EEG-dataströmmen.
3. Mät pulsen till bloss latens för både verkliga och simulerade betingelser med ett oscilloskop och en mikrofon. Dessa bör vara enhetlig, och i storleksordningen 10 till 15 msek. Justera för latens efter inspelningen.
4. Beräkna den kraft som utövas på munstycket i PSI med en manometer och genom mätning av munstycksdiameter. Använd formeln F (N) = Tryck * Area. Till exempel, den kraft som utövas frOM en 1 mm radie munstycke vid 6 psi ger F (N) = £ 0,03.
5. För att ändra styr ansökan om multisensorisk protokoll, skicka två seriella kommandon som identifierar en riktig puff eller bluff till mikrokontroller samt ett inspelat tal ljud eller tystnad. OBS: I vårt paradigm har vi använt datorgenererade, accent-neutral / GA / ljud, bland andra, såsom / da /, / du /, / bu / etc.
6. Nuvarande auditiva stimuli via en högtalare placerad på mittlinjen, 2 fot framför motivet.
7. Rikta ljudet insättande timing för att vara samtidig med uppkomsten av den bloss eller med fördröjning uppmätts i steg 3,3, beroende på vilket tillstånd är önskvärt att provaren.

4. Datainsamling och beredning

1. Välj filter och referenser inställningar för att sampla data baserat på standardiserade ERP metoder. Här kan du använda en 1000 Hz med filter som till 0,1-400 Hz. Under datainsamling, se alla elektroder till Cz och rereferenced dem offline till en genomsnittligålder referens.
2. För segmentet data, filtrera inspelade data med önskade filter och segmentering. För denna studie använder en 0,3 till 40 Hz bandpassfilter och segment den pågående EEG baserad på stimulans debut att inkludera en 200 msek prestimulus baslinjen och 500 ms efter stimulus intervall.
3. Utför kvalitetskontroll av uppgifterna. Screen varje segment för motor-och ögon artefakter såsom hög frekvens muskelaktivitet, med hjälp av datoralgoritmer som ingår i ERP. Följ den här skärmen genom en manuell granskning.
4. De automatiserade screening Kriterierna har fastställts enligt följande i detta protokoll, men kan ändras: för ögon kanaler, spänning> 140 μV = öga blinkar och spänning> 55 μV = ögonrörelser.
5. Korrekta uppgifter från förorenade försök med en okulär artefakt korrigering verktyg. Notera: Varje kanal med spänning> 200 μV anses av dålig kvalitet. Om> 15 kanaler är av dålig kvalitet, valde vi att göra hela studien för reproducerbarhet skäl.
6. Genomsnitt ERP. Rereference dem till en genomsnittlig referens och sedan utföra baseline-korrigering som grundar sig på kriterier som valts i steg 4.2. Utdrag genomsnittlig amplitud och topp latenser för olika toppar, extrapolerats från stora genomsnittliga vågformer av fördefinierade populationer. OBS: I vårt fall, vi bygger följande på etablerade litteratur äldre barnens svar på mediannervstimulering ^10-14. Vi använde P50 (30-80 ms), N70 (50-100 ms), P100 (80-150 ms), N140 (130-230 ms) och P2 (250-350 ms) toppar.
7. Inkludera endast data från elektrodlappar förinställda lägen (Figur 2). Härleda uppgifter om enskilda elektroder och genomsnittet inom varje kluster.

Representative Results

Bedömning av lätt beröring (Figur 3):

Kännetecken för det kortikala svar på taktil stimulering med hjälp av Puffer systemet: Mönstren av topparna som svar på puff är mycket lika de kortikala svar erhållna med hjälp av mediannervstimulering i normala vuxna ^10,11. Den tidig reaktion (P50, N70, P100 toppar) speglar främst aktivitet i primära sensoriska cortex ¹² och inte kräver medvetenhet om stimulans. Den sekundära svaret (N140 peak) speglar främst verksamhet i den sekundära sensoriska cortex och medvetenhet om en somatosensoriska stimulans som har dokumenterats i publicerade studier ^13,14. Denna topp i vår paradigm speglar processer i den sekundära sensoriska hjärnbarken, modulerade av uppmärksamhet röra (det "fisk blåsa bubblor uppgift"). Den sena svaret (P2 topp) främst speglar begomgången av kognitiv neural aktivitet i samband med sensorisk stimulering. Denna topp kan reflektera subjektiv känsla för beröring och ofrivillig orientering ^15,16.

Puff vs bluff: Även om bluff presenterar en icke-specifik ton-liknande ljud på mindre än 35 dB, kan det inte anses helt ohörbara ^17, och därmed utgjorde ett lämpligt bluff kontroll. Den bluff är ljudet av luft puff utan känslan av puff, och därför kortikala svar för sådana försök är små på vänster och höger centrala lägen optimala för detektering av taktila SEP. Sham försök produceras tidigt låg amplitud svar under alla förhållanden, olika från taktil stimulering och konsekventa med ton-liknande hörselintryck. Specifikt analys av toppamplituder visade en mätbar skillnad mellan bluff och luft puff för P50 (genomsnittlig amplitud skillnad (D = -2,8 mV 2,7, p = 0,04), N70 (D = -3,9 mV 4,0, p = 0,04) och N140 ( D = -4,1mV 3,5, p = 0,02).

Skillnader mellan drabbade vs opåverkade handen puffer svar i barn med hemiparetic cerebral pares (se tabell 2, modifierad från J. Child Neurology ^18). Som ett bevis på konceptet för Puffer-systemet, var statistisk analys på toppamplituder och latenser för att karakterisera skillnader vid stimulering av den drabbade handen jämfört med opåverkade handen. Medan ämnet befolkningen var liten (N = 8), var signifikanta skillnader observerades mellan de två händer.

Bedömning av svar på multisensorisk protokoll: auditiv-taktil samtidig vs summerade individuella svar (Figur 4)

För att bestämma effekten av multisensoriska interaktioner vid samtidig taktila (pust) och auditiva (talljud) presentation är det viktigt att jämföra den observerade hjärnan svar på algebraiska sum av svaren på auditiv och taktil stimulering redovisas separat. Denna princip analys är väl dokumenterad i audiovisuella studier ^19-21. I detta fall är det bluff-gott skick och puff enbart tillstånd till, som kopplat bluff - tal-ljud gör att vi kan stå för låg amplitud ospecifika auditiva svar visats i figur 1. Eftersom auditiv-taktil multisensoriska effekter är oftast tydligt i de tidiga faserna av kortikala svar ^21, fokuserade vi vår observation på 0-140 ms tidsfönster. Två positiva beräknade toppar observeras, motsvarar P50 (30-80 ms) och P100 (80-150 ms). Omedelbart efter detta, kan observeras en stor negativ nedböjning, troligen motsvarar N140 (130-230 ms).

I en andra studie av 10 barn (5-8) (Figur 4), kan observeras den sanna multisensorisk svar på hörsel-taktil tillstånd att skillnadenar i alla tre nedböjningar. Skillnaden mellan amplituden för de summerade och multisensoriska medelvärden amplituder representerar bidragen av multisensoriska neurala processer till enskilda sensoriska svar. Förekomsten av en multisensorisk auditiv-taktil respons på ett tal ljud-luft puff stimulans hade föreslagits i vuxna med hjälp av neurobehavioral åtgärderna ²² och detta ERP metodik visas för att bekräfta dess existens i barn också, men i nivå med kortikal bearbetning.

ERP Peaks	Kännetecken för svar	P för drabbade vs opåverkad
P50 och N70	Ingen statistisk skillnad mellan affectéd och opåverkad handen stimulering	NS
N140	↑ amplitud i drabbade	0,036
	jämfört med opåverkade handen stimulering
P2	↓ amplitud ipsilateral och ↑ kontra i drabbade	0,046
	jämfört med opåverkade handen stimulering
	↑ latency ipsilaterala i drabbade handen bara	0,005
	jämfört med kontralaterala

class = "jove_step"> Tabell 1. Val av stimuli för multisensory paradigm.

0px; "> auditiv-taktil = sinnen

Sensorisk modalitet	Stimulus typ	Specifika exempel
auditiv	Talljud	datorgenererade / ga / ljud
	Ospecifik ljud	tone-liknande ljud som genereras av luftpuff
taktil	Lätt beröring	kalibrerad luftpuff
Samtidig talljud med touch	samtidig / ga / och puff

Tabell 2. Jämförelse av puffer resultat för drabbade och opåverkad handen hos barn med cerebral pares (N = 8).

. Figur 1 Elektrodklusterrepresentation på ERP-nät:
C: centroparietal
F: frontal
Udda tal motsvarar vänstersidiga platser
Även nummer motsvarar högersidiga platser

Figur 2. Barn som genomgår multisensorisk Testing. Tryckluft strömmar genom gula flexibla munstycken genom papp "akvarium box" och ut i leran mögel där fingret är säkrad. För sken puffar, strömmar tryckluft genom munstycket som syftar på baksidan av lådan. ERP-nätet är på plats och barnet kan visualisera sin arm, omgivning, och lådan.

Figur 3. Jämförelse av svaren puff och skenstyrning i den kontra bark-sida till stimulering av en drabbad handen. Kurvor representerar medelvärden av N = 8 barn (åldrar 5-8), centroparietal platser bara. Svart linje representerar puff, grå linjen representerar bluff svar.

igure 4 "fo: innehåll-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51054/51054fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51054/51054fig4.jpg "/>
Figur 4. Svar spelats in i somatosensoriska området halvklotet kontra till taktil stimulans, binaural auditiv stimulans. Tracings representerar medelvärden av N = 10 barn (åldrar 5-8) *, centroparietal platser bara. Grå linje avser beräknad summerade respons / ga /-sham + puff, svart linje representerar sann multisensorisk svar av samtidig / ga /-puff.
* Det var en separat studie från den som beskrivs i figur 3, som utförs under 2012, även med Vanderbilt IRK-godkända protokoll.

Discussion

Denna nya kombination av luft puff och ERP (kallad "Puffer-systemet") för att mäta bark-behandling av lätt beröring och taktila-hörsel svar tolereras väl av små barn med funktionshinder och spädbarn. Detta gäller för unisensory och multisensoriska versioner, och om uppmärksamhets komponenten läggs till eller inte när det gäller små barn. Orsakerna till framgången för denna metod för att bedöma en ung och sårbar befolkning beror på både användningen av en ofarlig taktil stimulans samt till användning av ERP-metoder och utrustning. Den taktila paradigm kan utföras i totalt 5 min, medan den multisensory paradigm tar 10 min. Detta är speciellt användbart för bedömning av småbarn eller personer med beteendemässiga utmaningar. Stimulansen själv kan kalibreras att aldrig överskrida lätt beröring eller tryck, vilket gör tolerans en nonissue i motsats till elektrisk nervstimulering. Slutligen, den öppenhet och flexibilitet av the mätutrustning, de vardagliga omgivningen och bristen på fysiskt tvång skapar en lugnande och barnvänlig miljö för experiment. Detta gäller särskilt hos spädbarn som kan tröstas av ljus linda och som innehas av en vårdgivare. Denna metod har därför applikationer för patientgrupper i hela spektrumet av hälsa och sjukdom, samt genom livslängden från spädbarnsålder till äldre vuxen ålder.

Dessa egenskaper gör det "Puffer systemet" lättare att administrera hos små barn än funktionell MRI, ger ERP inte ger samma grad av rumslig upplösning ^24. Försiktighet bör iakttas i skriva ERP signalkällor till underliggande strukturer, även i fallet med väl studerade somatosensoriska potentialer ^25. Detta är särskilt viktigt för barn med stora rymd ockuperar hjärnskador. Men, är lika med den tidsupplösning som erbjuds av Puffer system som direkta mediannerv stimulation hos vuxna, i vilken de kortikala ursprunget till olika ERP-toppar har väl karakteriserade.

Ett kritiskt steg i detta paradigm är placeringen av munstycket i närheten till tätare innerverade områden i syfte att uppnå optimal ERP-signalen. Händer, fötter och ansikte är självklara val på grund av sin täta innervation och stora sensoriska representationer i somatosensoriska cortex. Kraften från tryckluften kan också optimeras, antingen genom kompressorn eller genom ändring av munstyckets diameter. Användning av en tryckmätare för att kalibrera den kraft vid nivån för själva munstycket rekommenderas för att säkerställa noggrannheten. Att säkerställa korrekt placering av handen med en form eller armboard med kardborreband kommer att ytterligare se till att avståndet mellan munstycket och hudytan förblir konstant.

Försiktighet bör också användas för att försöka ytterligare minska tiden för paradigm administration eller öka antalet stimuloss prövningar. Sextio prövningar är tillräckliga för att skapa en tydlig ERP signal och tillåter en viss dataförlust på grund av artefakter, men färre försök kanske inte tillförlitliga, reproducerbara data. Omvänt kan flera försök per tillstånd förbättra ERP signalstyrkan men kan också leda till tillvänjning till stimuli, eller ökad motor / okulär artefakter på grund av tristess.

Möjliga ändringar inbyggda i metoden är studiet av uppmärksamhets effekter på stimuli. Den stimulansen är lätt nog att inte kräva uppmärksamhet, men detta kan lätt förstärkas, vilket medförde höjningar i ERP-amplituder i synnerhet i början av topparna från P50 till N140. Även inbyggd i multisensorisk systemet är tillägg av olika talljud och toner. Tidpunkten för hörbara och förnimbara signaler kan även modifieras för att från samtidig till förskjutna, för att studera effekterna av en modalitet på en annan.

Ansökningar som realiseras i en nära framtid inkluderar bredare förlängningav paradigm för spädbarn och nyfödda barn med hjärnskada eller onormala sinnesupplevelser under nyföddhetsperioden, t.ex. intensivvård på sjukhus och ungdomar med funktionshinder. Värdet av sådana tester kan vara både prediktiva för framtida sensomotorisk lem funktion. Det kan också vara ett tecken på barns förmåga att bearbeta flera sensoriska strömmar som anslutna ingångar och vara ett mått på effektivitet för behandlingar som syftar till sensorisk integration. För vuxna, kan kraften i taktil stimulans behöva ökas för att ge liknande resultat. Slutligen tillsatser av visuella stimuli till multisensory modellen är i idéstadiet och kommer att ge en ovärderlig objektivt verktyg för mätning av sensorisk bearbetning funktioner och störningar.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Geodesic sensor net	EGI, Inc., Eugene, OR	depends on size
Net Station EEG software v. 4.2	EGI, Inc., Eugene, OR	NA
E-Prime stimulus control application	PST, Inc. Pittsburgh, PA	NA
Manometer (model 6 in, 0-60 psi)	H. O. Trerice Co, Oak Park, MI
Custom Puffer setup	Nathalie Maitre