Summary
Mesure objective et facile de traitement sensoriel est extrêmement difficile chez les patients pédiatriques non verbaux ou vulnérables. Nous avons développé une nouvelle méthodologie pour évaluer quantitativement les nourrissons et traitement cortical de toucher léger des enfants, phonèmes, et le traitement multisensoriel des deux stimuli, sans nécessiter la participation active de l'objet ou causer de l'inconfort chez les patients vulnérables.
Abstract
Mesure objective et facile de traitement sensoriel est extrêmement difficile chez les patients pédiatriques non verbaux ou vulnérables. Nous avons développé une nouvelle méthodologie pour évaluer quantitativement traitement cortical de touche de lumière, les sons de la parole et le traitement multisensoriel des deux stimuli des enfants, sans nécessiter la participation active de l'objet ou de causer une gêne enfants. Pour ce faire, nous avons développé un double canal, le temps et la force calibrée bouffée d'air stimulateur qui permet à la fois une stimulation tactile et le contrôle de la frime. Nous avons combiné cela avec l'utilisation de la méthodologie potentiel lié à l'événement afin de permettre une haute résolution temporelle des signaux de cortex somatosensoriel primaire et secondaire ainsi que le traitement d'ordre supérieur. Cette méthode nous a également permis de mesurer une réponse multisensorielle de stimulation auditive-tactile.
Introduction
L'étude de l'élaboration de processus sensoriels corticaux est essentielle pour comprendre la base de la plupart des fonctions d'ordre supérieur. Expériences sensorielles sont en grande partie responsables de l'organisation du cerveau pendant la petite enfance et l'enfance, de jeter les bases pour des processus complexes tels que la cognition, la communication et le développement moteur 1-3. La plupart des études pédiatriques sur les processus sensoriels se concentrent sur les domaines auditifs et visuels, principalement parce que ces stimuli sont plus faciles à développer, standardiser et essai. Toutefois, le traitement tactile est d'un intérêt particulier chez les nourrissons et les enfants car il est le premier sens à se développer chez le fœtus 4,5 et informations somatosensoriel fait partie intégrante de la fonction d'autres systèmes corticaux (par exemple moteur, la mémoire, l'apprentissage associatif, limbique) 6. Les méthodes actuelles de traitement évaluant somatosensoriel sont limitées par le choix des stimulus tactile. Un choix commun est médian stimulation électrique du nerf 7,8 directe 9. Tous ces procédés sont donc limités dans leur utilisation chez les jeunes enfants et les nourrissons.
Par conséquent, notre objectif était de développer un modèle tactile qui répond à ces limites en étant non invasive et en réduisant la nécessité d'une participation active d'un sujet. En outre, il devait avoir un niveau normalisé de stimulation et un simulacre de contrôle. Pour ce, nous avons développé le système «pompe», un double canal, chronométré, et calibré système de distribution d'air souffle, ce qui nous permet de mesurer les effets de légèreté chez les nourrissons et les autres populations vulnérables.
Études d'IRM fonctionnelle ont montré que la stimulation par des bouffées d'air active cortex sensoriels, bien que la longueur et les défis de ces études, telles que l'immobilisation, lengtes sessions, et les paramètres de anxiogènes les rendent difficiles à effectuer chez les jeunes enfants. Par conséquent, nous avons combiné notre nouveau système de livraison avec un potentiel (ERP) méthodologie de l'événement-connexes afin de fournir une résolution temporelle de traitement sensoriel du toucher de la lumière dans une brève, séance d'essais enfants.
Ce nouveau paradigme offre la flexibilité nécessaire pour étudier le traitement sensoriel dans diverses populations, les âges et les milieux cliniques. Il a également l'avantage d'être compatible avec des stimuli auditifs, permettant des évaluations multisensorielles. Jusqu'à présent, l'évaluation précise et fiable tactile n'a pas été possible chez les nourrissons ou les enfants qui sont incapables de répondre de façon fiable en raison de troubles intellectuelle / langue. Cette méthodologie vise à combler cette lacune afin d'aider à l'identification précoce des déficits de traitement sensoriel et intervention pendant une période maximale de la plasticité du cerveau. Améliorations dans le traitement sensoriel dans l'enfance peuvent influencer la cascadede développement neurologique
Les procédures suivantes sont tous inclus dans l'Institutional Review Board Vanderbilt protocoles approuvés.
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Protocol
Une. L'évaluation de la réponse à Light Touch
- Placer le filet de l'électrode (par exemple, 128 canaux géodésique capteur net) sur l'enfant ou de la tête de bébé. Régler les capteurs de contact total avec une solution saline chaude. Si un enfant, assurer enfant est assis confortablement dans parent ou tour. Si sur un enfant, veiller à ce que bébé est légèrement emmailloté et soit tenu dans les bras de soignant ou en position couchée dans un lit ouvert.
- Placer une buse de 1 mm à 0,5 cm en dessous de la pointe de l'index de la main testé. Placez le doigt pour un jeune enfant ou de palme pour un nourrisson dans un porte-moule et le fixer avec une bande Velcro proximale et distale à joint pour garantir une distance cohérente de la buse au doigt ou la main. Il est absolument essentiel que l'enfant maintient la position du doigt bonne tout au long de la séance de test. Assurer en évaluer périodiquement doigt et le placement de la main d'avoir un enfant avec soignant si jeune. Si vous testez un enfant, arrêter protocolesi le bébé pleure et offrent un confort avant de redémarrer. Si vous testez jeune enfant, demandez soignant pour offrir confort et réconfort tout au long de la période d'essai court.
- Démarrer le compresseur d'air à 40 psi à travers le régulateur de fournir des intrants de soupape pour des stimuli tactiles.
- Exécutez le programme de livraison de relance.
- Pour la main testé, présents stimuli 60 bouffantes entrecoupées de manière aléatoire avec 60 des simulacres de procès (une bouffée d'air délivré par une buse séparée pointée loin de doigt).
- Ne pas présenter plus de deux répétitions d'une bouffée ou fictive dans une rangée. Variez les intervalles entre les essais au hasard entre 2000-2500 ms. Le but de ceci est de réduire l'accoutumance, où un stimulus n'est plus perçu. Le temps total pour une séquence de 120 essais doit être de 4,5-5 min.
- Exécutez le protocole identique à nouveau pour l'autre part, si l'étude de troubles somato-sensorielles asymétriques.
- Pour les protocoles ne nécessitant pas attention à un stimulus pas encore mis en place est nécessaire. Tsa vaut également pour les essais nourrisson. Pour l'amélioration de l'attention chez les jeunes enfants (qui se traduit par de plus grands pics ERP spécifiques dans l'enregistrement), fournir une tâche.
- Exemple de tâche pour 5 ans: Décrire les bouffées d'air comme "bulles" soufflé par "poisson" dans un "aquarium" (une boîte décorée dissimuler l'appareil de pompe). Demandez aux enfants de deviner si chaque «bulle» est délivré par un bleu ou un "poisson" rouge. Dites à l'enfant qu'ils n'ont pas besoin et ne devrait pas dire quoi que ce soit pendant qu'ils effectuent cette tâche (voir mis en place avec aquarium maquette à la figure 1).
2. L'évaluation de la réponse au protocole multisensoriel (vs simultanée auditive-tactile Résume réponses individuelles)
- Parcourir les étapes 1.1-1.3 comme décrit ci-dessus. Les stimuli sont décrits dans le tableau 1.
- Exécutez le programme de livraison de relance (par exemple dans le logiciel E-Prime). Pour la main testé, un auditif-tactile paradigme peut présenter les quatre stimuli suivants au hasard, avec 60 essais / relance: souffle, puff-/ga /, / ga /-faux, faux. Encore une fois, de limiter la possibilité d'accoutumance, ne présentent pas plus de deux répétitions d'une bouffée ou fictive dans une rangée dans n'importe quelle condition, et varier les intervalles entre les essais au hasard entre 2000-2500 ms. Chaque séquence de 240 essais devrait prendre entre 9-10 min.
- Exécutez protocole identique sur l'autre main.
- Fournir une bande dessinée adaptée à l'âge silencieuse au début du protocole et continuer tout au long de la procédure pour éviter l'augmentation des artefacts de moteur de l'agitation, et à diminuer le fond de grandes ondes delta du patient généré quand ils s'ennuient. Par exemple, chez les enfants de 5 ans, nous avons utilisé une boucle de 20 min d'une vidéo achetée, joué en sourdine et renouvelées avant chaque sujet a été testée. Aucune attention à un stimulus est nécessaire, par conséquent, la bande dessinée en boucle fournit un fond visuel déconnectée des stimuli.
- Pour programmer le logiciel, mis en place deux commandes série envoyées par l'application de contrôle du stimulus. On identifie le souffle, l'autre le trompe-l'œil. Vous avez l'application de contrôle de relance envoyer les commandes à un microcontrôleur.
- Vous avez le microcontrôleur génère une impulsion de durée de vie (par exemple, la durée de 20 ms) au canal de sortie numérique correspondant. Cette sortie doit être divisée en deux lignes, l'une pour l'entrée numérique pour le système d'enregistrement EEG et une pour les soupapes d'air électrovannes-dépendants. Marquer l'ouverture de deux vannes dans le flux de données EEG.
- Mesurer l'impulsion de bouffée de latence pour les conditions réelles et fictives avec un oscilloscope et un microphone. Ceux-ci doivent être les mêmes, et de l'ordre de 10 à 15 msec. Réglez pour le poste d'enregistrement de latence.
- Calculer la force exercée au niveau de la buse en utilisant un manomètre PSI et en mesurant le diamètre de la buse. Utilisez la formule F (N) = Pression * Région. Par exemple, la force exercée from une buse de 1 mm de rayon à 6 psi donne F (N) = £ 0,03.
- Pour modifier l'application de contrôle pour le protocole multisensorielle, envoyer deux commandes série identifiant un réel souffle ou fictive au microcontrôleur ainsi qu'un son discours enregistré ou silence. Remarque: Dans notre paradigme, nous avons utilisé l'ordinateur généré, accent neutre / ga / son, parmi d'autres comme / da /, / du /, / bu /, etc.
- Stimuli auditifs présents à travers un haut-parleur placé à la ligne médiane, 2 m en face de l'objet.
- Aligner la synchronisation de son apparition à être simultanée avec le début de la pâte ou avec le retard mesuré à l'étape 3.3, en fonction de l'état qui est souhaitable pour le testeur.
4. Acquisition de données et préparation
- Choisissez des filtres et des références paramètres pour échantillonner les données selon des méthodes d'ERP standard. Ici, utiliser un 1000 Hz avec filtres fixés à 0,1 à 400 Hz. Lors de la collecte de données, reportez-vous à toutes les électrodes Cz et les rereferenced déconnecté à une moyenneâge de référence.
- Pour segmenter les données, filtrer les données enregistrées avec les filtres souhaités et segmentation. Pour cette étude, utiliser un filtre passe-bande 0,3-40 Hz et le segment de l'EEG continu basé sur le début du stimulus d'inclure une référence ms 200 ms prestimulus et un intervalle post-stimulus 500.
- Effectuer un contrôle de qualité des données. Screen chaque segment pour moteur et oculaires artefacts tels que l'activité musculaire à haute fréquence, en utilisant des algorithmes informatiques inclus dans le logiciel ERP. Suivez cet écran par un examen manuel.
- Les critères de sélection automatisés sont définies comme suit dans ce protocole, mais peuvent être modifiées: pour les canaux d'oeil, tension> 140 mV = clin d'œil et tension> 55 mV = mouvements oculaires.
- Corriger les données provenant d'essais contaminés à l'aide d'un outil de correction d'artefact oculaire. Remarque: Tous les canaux avec une tension> 200 mV est considéré comme de mauvaise qualité. Si> 15 canaux sont de mauvaise qualité, nous avons choisi de jeter l'ensemble du procès pour des raisons de reproductibilité.
- ERP moyenne. Rereference les à une référence moyenne et ensuite effectuer de référence de correction en fonction de critères choisis à l'étape 4.2. Extrait amplitude moyenne et les latences de pointe pour différents pics, extrapolées à partir des grandes formes d'ondes moyennes de populations prédéfinies. Remarque: Dans notre cas, nous avons fondé le suivant sur la littérature établie de la réponse des enfants plus âgés à la stimulation du nerf médian 10-14. Nous avons utilisé P50 (30-80 ms), N70 (50-100 ms), P100 (80-150 ms), N140 (130-230 ms), et P2 (250-350 ms) pics.
- Comprennent uniquement des données provenant des électrodes se chevauchent emplacements prédéfinis (Figure 2). Obtenir des données pour les électrodes individuelles et moyenne dans chaque grappe.
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Representative Results
Évaluation de la touche de lumière (figure 3):
Caractéristiques de la réponse à une stimulation tactile cortical en utilisant le système de décolleur: Les schémas de pics en réponse à la pâte sont très similaires aux réponses obtenues en utilisant une stimulation corticale du nerf médian chez les adultes normaux 10,11. La réponse précoce (P50, N70, pics P100) reflète principalement l'activité dans le cortex sensoriel primaire 12 et ne nécessite pas de prise de conscience de la stimulation. La réponse secondaire (N140 crête) reflète principalement l'activité dans le cortex sensoriel secondaire et la conscience d'un stimulus somatosensoriel comme cela a été documenté dans des études publiées 13,14. Ce pic dans notre paradigme reflète les processus dans le cortex sensoriel secondaire, modulés par l'attention à toucher (la «tâche de bulles poissons d'expansion»). La réponse tardive (P2 de pointe) reflète principalement la begmanche de l'activité neuronale cognitif lié à la stimulation sensorielle. Ce pic peut refléter l'attention subjective de toucher et de l'orientation involontaire 15,16.
Puff vs simulacre: Même si l'imposture présente une sonnerie comme non spécifique à moins de 35 dB, il ne peut pas être considérée comme totalement inaudible 17, et constitue donc un témoin fictif approprié. Le simulacre est le son de la bouffée d'air sans la sensation de la bouffée, et les réponses corticales donc pour ces essais sont de petite taille à des endroits centraux gauche et droite optimales pour la détection de PES tactiles. Des simulacres de procès produites réponses début de faible amplitude dans toutes les conditions, différentes de la stimulation tactile et compatibles avec des stimuli auditifs tonalités comme. Plus précisément, l'analyse des amplitudes de pointe a montré une différence mesurable entre imposture et bouffée d'air pour P50 (différence moyenne amplitude (D = -2,8 mV 2,7, p = 0,04), N70 (D = -3,9 mV 4,0, p = 0,04) et N140 ( D = -4,1mV 3,5, p = 0,02).
Différences entre touchée vs indemnes réponses puffer de main chez les enfants atteints de paralysie cérébrale hémiplégique (voir le tableau 2, modifié de J. Child Neurology 18). Comme une preuve de concept pour le système Puffer, l'analyse statistique a été réalisée sur les amplitudes des pics et des latences de caractériser les différences lors de la stimulation de la main touchée par rapport à la main saine. Alors que la population de sujets était faible (N = 8), des différences significatives ont été observées entre les deux mains.
Évaluation de la réponse à protocole multisensorielle: vs simultanée auditif-tactile réponses individuelles additionnées (Figure 4)
Pour déterminer les effets des interactions multisensorielles associés au tactile simultanée (feuilletée) et auditif (son discours) présentation, il est essentiel de comparer la réponse du cerveau observé les s algébriquesum des réponses à la stimulation auditive et tactile présenté séparément. Ce principe de l'analyse a été bien documentée dans des études audiovisuelles 19-21. Dans ce cas, la condition de sham-son et la seule condition de pâte sont ajoutés, comme une imposture couplé - discours-son permet de rendre compte de l'amplitude des réponses non spécifiques auditives faibles démontré dans la figure 1. Parce que les effets multisensoriels auditives-tactiles sont généralement évident dans les premières phases de réponses corticales 21, nous avons concentré notre observation sur la fenêtre de temps 0-140 ms. Deux pics calculées positives sont observées, correspondant à la P50 (30-80 msec) et P100 (de 80 à 150 ms). Immédiatement après cela, une grande déviation négative peut être observée, le plus probable correspondant à l'N140 (130 à 230 ms).
Dans une deuxième étude de 10 enfants (5-8 ans) (figure 4), la vraie réponse multisensorielle à l'état auditif tactile peut être observé que la différences dans les trois déviations. La différence entre l'amplitude des amplitudes moyennes additionnées et multisensorielles représente les contributions des processus neuronaux multisensorielles aux réponses sensorielles individuelles. L'existence d'une réponse auditive-tactile multisensorielle à un discours souffle son air de relance a été suggéré chez les adultes à l'aide de mesures neurocomportementaux 22 et cette méthodologie ERP semble confirmer son existence chez les enfants aussi, mais au niveau du traitement cortical.
| ERP Peaks | Caractéristiques de la réponse | P pour touchée vs affectée |
| P50 et N70 | Aucune différence statistique entre ce qui comprestimulation et d affectée main | NS |
| N140 | ↑ amplitude dans touchée | 0,036 |
| par rapport à la stimulation de main saine | ||
| P2 | ↓ amplitude ipsilatéral et controlatéral ↑ dans touchée | 0,046 |
| par rapport à la stimulation de main saine | ||
| ↑ ipsilatéral de latence dans la main touchée seulement | 0,005 | |
| par rapport à controlatérale |
| Modalité sensorielle | type de stimulation | Exemple spécifique |
| auditif | son discours | généré par ordinateur / ga / son |
| Son non spécifique | son ton comme générée par bouffée d'air | |
| tactile | Effleurement | calibré bouffée d'air |
| Son discours simultané avec contact | simultanée / ga / et feuilletée |
Tableau 2. Comparaison des résultats de la pompe par la main affectées et non affectées à des enfants atteints de paralysie cérébrale (N = 8).
. Figure 1 électrode représentation de cluster sur ERP net:
C: centropariétales
F: frontal
Les nombres impairs correspondent à des emplacements du côté gauche
Même numéros correspondent à des emplacements du côté droit
Figure 2. Enfant en phase de test multisensoriel. L'air comprimé circule à travers des buses flexibles jaunes par carton "boîte d'aquarium" et sur dans le moule d'argile dans laquelle le doigt est fixé. Pour bouffées de faux, l'air comprimé s'écoule par la buse visant à l'arrière de la boîte. ERP net est en place et l'enfant peut visualiser son bras, l'environnement, et la boîte.
Figure 3. Comparaison des réponses à pâte et le contrôle de trompe-l'œil dans la partie corticale controlatérale à la stimulation d'une main touchée. Les tracés représentent les moyennes de N = 8 enfants (5-8 ans), les emplacements centropariétales seulement. La ligne noire représente souffle, la ligne grise représente réponse imposture.
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Figure 4. Réponses enregistrées dans la zone somato-sensoriel de l'hémisphère controlatéral à un stimulus tactile, stimulus auditif binaural. Tracés représentent les moyennes de N = 10 enfants (âgés de 5-8) *, les lieux centropariétales seulement. Ligne grise représente calculée somme des réponses de / ga /-sham + souffle, ligne noire représente vraie réponse multisensorielle de simultanée / ga / bouffée.
* Il s'agit d'une étude distincte de celle décrite sur la figure 3, effectuée en 2012, avec également des protocoles approuvés par Vanderbilt IRB.
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Discussion
Cette nouvelle combinaison de bouffée d'air et ERP (dénommé "système Puffer") pour mesurer traitement cortical de légèreté et réponses tactiles-auditif est bien toléré par les jeunes enfants handicapés et par les nourrissons. Cela est vrai pour les versions unisensory et multisensorielles, et si la composante attentionnelle est ajouté ou non dans le cas des jeunes enfants. Les raisons du succès de cette méthodologie dans l'évaluation d'une population jeune et vulnérable sont dues à la fois à l'utilisation d'un stimulus tactile inoffensif ainsi que de l'utilisation de méthodes et de l'équipement ERP. Le paradigme tactile peut être effectuée dans un total de 5 min, tandis que le paradigme multisensorielle prend 10 min. Ceci est particulièrement utile pour l'évaluation des enfants en bas âge ou des sujets ayant des problèmes de comportement. Le stimulus lui-même peut être calibré pour jamais dépasser toucher ou la pression de lumière, ce qui rend la tolérance d'un faux problème, contrairement à la stimulation nerveuse électrique. Enfin, l'ouverture et la flexibilité de edispositif de mesure de e, les environs banales et l'absence de contrainte physique pour créer un cadre rassurant et adapté aux enfants pour des expériences. Cela est particulièrement vrai chez les nourrissons qui peuvent être réconfortés par emmaillotage lumière et détenus par un soignant. Par conséquent, cette méthode a des applications pour les populations de patients à travers le spectre de la santé et de la maladie, ainsi que par la durée de vie de l'enfance à l'âge adulte plus âgé.
Bien que ces caractéristiques font du "système Puffer" plus facile à administrer chez les jeunes enfants que l'IRM fonctionnelle, ERP ne fournissent pas le même degré de résolution spatiale 24. Il faut être prudent dans l'attribution de sources de signal ERP de structures sous-jacentes, même dans le cas des potentiels somatosensoriels bien étudiés 25. Ceci est particulièrement pertinent pour les enfants avec de grandes lésions cérébrales intracrâniennes. Cependant, la résolution temporelle offerte par le système de décolleur est égale à celle de stim médians directs nerveuseslation chez les adultes, chez lesquels les origines corticales des différents pics ERP ont été bien caractérisé.
Une étape critique dans ce paradigme est le positionnement de la buse à proximité de zones à plus forte densité innervés afin d'atteindre signal ERP optimale. Les mains, les pieds et le visage sont des choix évidents en raison de leur innervation dense et de grandes représentations sensorielles dans le cortex somatosensoriel. La force de l'air comprimé peut également être optimisée, soit par l'intermédiaire du compresseur ou par la modification du diamètre de la buse. Utilisation d'un manomètre pour étalonner la force au niveau de la buse elle-même est recommandée pour assurer une précision. Assurer le bon positionnement de la main avec un moule ou armboard de bandes Velcro va en outre à ce que la distance entre la buse et la surface de la peau est constante.
La prudence devrait également être utilisé pour essayer de diminuer encore le temps pour l'administration de paradigme ou augmenter le nombre de stimulnous essais. Soixante essais sont suffisantes pour générer un signal ERP claire et permettre une certaine perte de données due à des artefacts, mais moins d'essais ne peuvent pas produire des données fiables, reproductibles. Inversement, d'autres essais par condition peut améliorer la force du signal ERP mais pourraient également entraîner l'accoutumance à des stimulations, ou une augmentation de moteur / oculaire artefacts dus à l'ennui.
Éventuelles modifications intégrées dans la méthodologie sont l'étude des effets de l'attention sur les stimuli. Le stimulus n'est pas assez pour nécessiter des soins lumière, mais cela peut facilement être améliorée, entraînant une augmentation de l'amplitude des ERP en particulier dans les premiers pics de P50 à N140. Également intégré dans le système multisensoriel sont l'ajout de sons et de tons vocaux variés. Le calendrier des signaux auditifs et tactiles peut également être modifié à partir simultanée en quinconce, pour étudier les effets d'une modalité sur l'autre.
Applications étant réalisés dans un proche avenir comprennent l'extension plus largedu paradigme pour les nourrissons et les nouveau-nés souffrant de lésions cérébrales ou des expériences sensorielles anormales dans la période néonatale comme les soins intensifs hospitalisation ainsi que les adolescents handicapés. La valeur de ces tests peut être à la fois prédictif de la future fonction sensori-motrice membre. Il peut aussi être le signe de la capacité des enfants à traiter plusieurs flux sensoriels que des entrées connectées et une mesure de l'efficacité des thérapies visant à l'intégration sensorielle. Pour les adultes, la force du stimulus tactile peut être augmentée pour fournir des résultats similaires. Enfin, les ajouts de stimuli visuels au modèle multisensorielle sont à des stades conceptuels et constitueront un outil précieux pour objectif la mesure des fonctions et des troubles du traitement sensoriel.
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Disclosures
Les auteurs déclarent qu'ils n'ont aucun intérêt financier concurrents.
Acknowledgments
Le projet décrit a été soutenu par le National Center for Research Resources, Grant UL1 RR024975-01, et est maintenant au centre national pour l'avancement des sciences translationnelle, Grant 2 UL1 TR000445-06. Le contenu est exclusivement la responsabilité de leurs auteurs et ne représentent pas nécessairement les vues officielles de la NIH.
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 |
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