Summary
Medida objetiva e fácil de processamento sensorial é extremamente difícil em pacientes pediátricos não-verbais ou vulneráveis. Nós desenvolvemos uma nova metodologia para avaliar quantitativamente lactentes e processamento cortical infantil de leve toque, sons da fala, eo processamento multisensorial dos 2 estímulos, sem a necessidade de participação dos sujeitos ativos ou causar desconforto em pacientes vulneráveis.
Abstract
Medida objetiva e fácil de processamento sensorial é extremamente difícil em pacientes pediátricos não-verbais ou vulneráveis. Nós desenvolvemos uma nova metodologia para avaliar quantitativamente o processamento cortical infantil da luz de toque, sons da fala eo processamento multisensorial dos 2 estímulos, sem a necessidade de participação sujeito ativo ou causando desconforto crianças. Para isso foi desenvolvido um canal duplo, tempo e força calibrada sopro de ar estimulador que permite tanto a estimulação tátil e controle farsa. Juntamos isto com a utilização de metodologia de potencial relacionados com eventos para permitir alta resolução temporal dos sinais dos córtices somatossensorial primário e secundário, bem como o processamento de ordem superior. Esta metodologia também nos permitiu medir a resposta à estimulação multisensorial auditivo-tátil.
Introduction
O estudo do desenvolvimento de processos sensoriais corticais é essencial para compreender a base para a maioria das funções de ordem superior. Experiências sensoriais são responsáveis por grande parte da organização do cérebro através de infância, lançando as bases para processos complexos como a cognição, comunicação e desenvolvimento motor 1-3. A maioria dos estudos pediátricos de processos sensoriais concentrar em domínios auditivas e visuais, principalmente porque estes estímulos são mais fáceis de desenvolver, padronizar e teste. No entanto, o processamento táctil é de particular interesse em lactentes e crianças, uma vez que é o primeiro sentido de desenvolver no feto de 4,5, e a informação somatossensorial é parte integrante da função de outros sistemas corticais (por exemplo, motor, memória, aprendizagem associativa, límbico) 6. Os métodos atuais que avaliam o processamento somatossensorial são limitados pela escolha do estímulo tátil. Uma escolha comum é mediana Estimulação Elétrica Nervosa 7,8 direto 9. Todos estes métodos são, por conseguinte, limita a sua utilização em crianças pequenas e bebés.
Portanto, nosso objetivo foi desenvolver um paradigma tátil que aborda essas limitações por ser não-invasivo e reduzindo a necessidade de participação ativa de um sujeito. Além disso, ele precisava ter um nível padronizado de estimulação e de controle de fraude. Para isso, desenvolveu o sistema de "bombinha", um dual-channel, cronometrado, e sistema de fornecimento de ar sopro calibrado, o que nos permite medir os efeitos do toque leve em crianças e outras populações vulneráveis.
Exames de ressonância magnética funcional mostraram que a estimulação por baforadas de ar ativa córtex sensorial, embora o comprimento e os desafios de tais estudos, como imobilização, Lengtuas sessões e configurações que provocam ansiedade torná-los difíceis de realizar em crianças pequenas. Por isso, nós combinamos nosso sistema de entrega romance com potencial (ERP) metodologia relacionadas a eventos, a fim de fornecer a resolução temporal do processamento sensorial de leve toque em um breve, sessão de testes para crianças.
Este novo paradigma oferece a flexibilidade necessária para estudar o processamento sensorial em diversas populações, idades e contextos clínicos. Tem também a vantagem de ser compatível com os estímulos auditivos, permitindo a avaliação multisensoriais. Até agora, a avaliação precisa e confiável tátil não foi possível em bebês ou em crianças que não são capazes de responder de forma confiável devido a distúrbios intelectual / idioma. Esta metodologia visa preencher esta lacuna, a fim de ajudar na identificação precoce de déficits de processamento sensorial e intervenção durante um período de plasticidade cerebral máxima. Melhorias no processamento sensorial na infância pode influenciar a cascatade desenvolvimento neurológico
Os seguintes procedimentos estão todos incluídos no Vanderbilt Institutional Review Board aprovou protocolos.
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Protocol
1. Avaliação da resposta ao toque de Luz
- Coloque a rede de eletrodo (por exemplo, 128 canais geodésica sensor de líquido) na criança ou na cabeça da criança. Ajustar os sensores de contato total com soro fisiológico morno. Se em uma criança, certifique-se criança está sentada confortavelmente em pai ou cuidador colo. Se por um bebê, garantir que o bebê está levemente enrolado e quer nos braços de cuidador ou em decúbito dorsal em um berço aberto.
- Posicionar um orifício de 1 0,5 mM cm abaixo da ponta do dedo indicador da mão testado. Coloque o dedo para uma criança ou de palma para uma criança em um suporte de molde e prenda com fita de velcro proximal e distal à articulação para garantir a distância consistente de bico para o dedo ou a mão. É absolutamente essencial que a criança mantém a posição do dedo adequada durante toda a sessão de testes. Assegurar esta avaliando periodicamente dedo e colocação de mão e ter filho com cuidador se jovem. Se testar uma criança, parar de protocolose criança chora e proporcionar conforto antes de reiniciar. Se o teste criança, pergunte cuidador para proporcionar conforto e segurança durante todo o período de testes de curta duração.
- Comece compressor de ar a 40 psi através de regulador para fornecer insumos de válvulas para estímulos táteis.
- Execute o programa de entrega de estímulo.
- Para a mão testados, apresentam estímulos 60 sopro intercaladas aleatoriamente com 60 ensaios sham (um sopro de ar entregue através de um bocal separado apontou longe do dedo).
- Não apresentar mais de duas repetições de um sopro ou simulada em uma fileira. Variar os intervalos inter-julgamento aleatoriamente entre 2.000-2.500 ms. O propósito disto é para reduzir a habituação, onde um estímulo não é mais percebida. O tempo total de uma sequência de 120 ensaios devem ser 4,5-5 min.
- Execute o protocolo idêntico novamente para o outro lado, se a estudar distúrbios somatossensorial assimétricos.
- Para os protocolos não exigindo atenção ao estímulo mais nenhuma configuração é necessária. Tsua aplica-se a testes de criança. Para melhoria da atenção em crianças pequenas (o que resulta em maiores picos de ERP específicos na gravação), fornecem uma tarefa.
- Exemplo de tarefa para crianças de 5 anos: Descreva sopros de ar como "bolhas" soprado por "peixe" em um "aquário" (uma caixa decorada esconder o aparelho soprador). Peça às crianças que adivinhar se cada "bolha" é entregue por um azul ou um "peixe" vermelho. Diga à criança que não precisa e não deve dizer nada enquanto eles estão realizando esta tarefa (ver configurado com aquário simulada na Figura 1).
2. Avaliação da resposta ao multisensorial Protocol (vs simultânea auditivo-tátil Resumiu respostas individuais)
- Traspasse passos 1,1-1,3, tal como descrito acima. Os estímulos são descritas na Tabela 1.
- Execute o programa de entrega de estímulos (por exemplo, no software E-Prime). Para o lado testado, um auditivo-tátil paradigma pode apresentar os seguintes quatro estímulos de forma aleatória, com 60 ensaios / estímulo: sopro, puff-/ga /, / ga / simulada, sham. Mais uma vez, para limitar a possibilidade de habituação, não apresentam mais de duas repetições de um sopro ou simulada em uma linha em qualquer condição, e variar os intervalos inter-julgamento aleatoriamente entre 2.000-2.500 ms. Cada seqüência de 240 testes deve levar entre 9-10 min.
- Executar protocolo idêntico ao longo do outro lado.
- Fornecer um cartoon-idade apropriada sem som no início do protocolo e continuá-lo durante todo o procedimento para evitar aumento de artefatos de motor de agitação, e para diminuir o fundo de grandes ondas delta gerado pelo paciente quando estão entediados. Por exemplo, em crianças de 5 anos, foi utilizado um circuito de 20 minutos de um vídeo comprado, jogado no mudo e reiniciado antes de cada sujeito foi testado. Não é necessária nenhuma atenção ao estímulo, pois o desenho animado em loop fornece um ambiente visual desconectado dos estímulos.
- Para programar o software, configurar dois comandos seriais enviados pelo aplicativo de controle de estímulo. Um identifica o sopro, o outro a farsa. Ter o aplicativo de controle de estímulo enviar os comandos para um microcontrolador.
- Ter o microcontrolador gerar um pulso TTL (por exemplo, 20 ms de duração) para o canal de saída digital correspondente. Esta saída tem de ser dividido em duas linhas, uma para a entrada digital para o sistema de registo de EEG e um para as válvulas de ar fechado por solenóide. Marque a abertura de ambas as válvulas no fluxo de dados de EEG.
- Medir o pulso à latência sopro para ambas as condições reais e simuladas com um osciloscópio e um microfone. Estes devem ser uniforme, e na ordem de 10-15 ms. Ajuste para a latência pós-gravação.
- Calcular a força exercida no bocal em PSI usando um manómetro e medindo o diâmetro do bocal. Use a fórmula F (N) = Pressão * Área. Por exemplo, a força exercida from um bocal raio de 1 mm a 6 psi produz F (N) = 0,03 £.
- Para modificar o aplicativo de controle para o protocolo multissensorial, envie dois comandos de série que identificam um sopro real ou simulado para o microcontrolador, bem como um som de voz gravada ou silêncio. Nota: Em nosso paradigma temos usado o computador gerado, o sotaque neutro / ga / som, entre outros, como / da /, / du /, / bu /, etc.
- Estímulos auditivos presente através de um alto-falante colocado na linha média, dois pés na frente do assunto.
- Alinhar a temporização de início do som para ser simultânea com o início do sopro ou com o atraso medido na etapa 3.3, dependendo de qual a condição é desejável para o aparelho de teste.
4. Aquisição de Dados e Elaboração
- Escolha filtros e configurações de referências para provar dados com base em metodologias de ERP padrão. Aqui, usar um 1000 Hz com filtros definidos como 0,1-400 Hz. Durante a coleta de dados, consulte todos os eletrodos para Cz e rereferenced-los off-line para um averreferência idade.
- Para o segmento de dados, filtrar os dados gravados com filtros desejados e segmentação. Para este estudo de utilizar um filtro passa-banda de 0,3-40 Hz e o segmento contínuo do EEG com base no início do estímulo para incluir uma linha de base de 200 ms e um ms prestimulus intervalo pós-estímulo 500.
- Realizar o controle de qualidade dos dados. Tela de cada segmento para motores e oculares artefatos como a atividade muscular de alta freqüência, usando algoritmos de computador incluídos no software de ERP. Siga esta tela por uma revisão manual.
- Os critérios de seleção automatizados são definidos da seguinte forma neste protocolo, mas pode ser modificado: para os canais de olho, tensão> 140 mV = piscar de olhos e tensão> 55 mV = movimentos oculares.
- Dados corretos de ensaios contaminados utilizando uma ferramenta de correção de artefato ocular. Nota: Qualquer canal com tensão> 200 mV é considerado de má qualidade. Se> 15 canais são de má qualidade, optamos por descartar todo o julgamento por motivos de reprodutibilidade.
- ERPs Média. Rereference-los para uma referência de média e, em seguida, executar base de correção com base em critérios escolhidos no passo 4.2. Extrato de média amplitude e latências de pico para vários picos, extrapoladas a partir de grandes formas de onda médios de populações pré-definidos. Nota: No nosso caso, com base o seguinte sobre a literatura estabelecida de resposta das crianças mais velhas para a estimulação do nervo mediano 10-14. Utilizou-P50 (30-80 ms), N70 (50-100 ms), P100 (80-150 ms), N140 (130-230 ms), e P2 (250-350 ms) picos.
- Inclua apenas dados de eletrodos sobrepostas locais predefinidos (Figura 2). Obter dados para eletrodos individuais e média dentro de cada cluster.
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Representative Results
A avaliação do toque de luz (Figura 3):
Características da resposta à estimulação táctil cortical utilizando o sistema do soprador: Os padrões de picos em resposta ao sopro são muito semelhantes para as respostas corticais obtidos utilizando estimulação do nervo mediano em adultos normais 10,11. A resposta inicial (P50, N70, picos P100) reflete, principalmente, a atividade no córtex sensorial primário 12 e não requer consciência de estimulação. A resposta secundária (N140 pico) reflete, principalmente, a atividade no córtex sensorial secundário e consciência de um estímulo somatossensorial como foi documentado em estudos publicados 13,14. Este pico em nosso paradigma reflete processos no córtex sensorial secundário, modulados pela atenção ao toque (a "tarefa soprando bolhas de peixe"). A resposta tardia (pico P2) reflete, principalmente, a implorarinning da atividade neural cognitiva relacionada com a estimulação sensorial. Este pico pode refletir atenção subjetiva ao toque e orientação involuntária 15,16.
Puff vs farsa: Mesmo que a farsa apresenta um som inespecífica tom semelhante em menos de 35 dB, não pode ser considerado completamente inaudível 17 e, portanto, constituiu um simulado apropriado. A farsa é o som do sopro de ar, sem a sensação do sopro, e, portanto, as respostas corticais para tais ensaios são pequenos em locais centrais esquerdo e direito mais eficientes para a detecção de SEPs táteis. Ensaios Sham produziu respostas precoce de baixa amplitude em todas as condições, diferente da estimulação tátil e consistentes com estímulos auditivos tom semelhante. Especificamente, a análise das amplitudes de pico mostrou uma diferença mensurável entre farsa e sopro de ar para P50 (diferença média amplitude (D = -2,8 mV 2,7, p = 0,04), N70 (D = -3,9 mV 4.0, p = 0,04) e N140 ( D = -4.1mV 3,5, p = 0,02).
Diferenças entre afetada vs respostas soprador mão não afetadas em crianças com paralisia cerebral hemiparética (ver Tabela 2, modificado a partir de J. Neurologia Infantil 18). Como prova de conceito para o sistema soprador, a análise estatística foi realizada em amplitudes de pico e as latências para caracterizar as diferenças sobre a estimulação da mão afetada em comparação com o lado não afetado. Enquanto a população sujeito era pequeno (N = 8), não foram observadas diferenças significativas entre as duas mãos.
Avaliação da resposta ao protocolo multisensorial: auditivo-tátil vs simultânea respostas individuais somados (Figura 4)
Para determinar os efeitos das interações multissensoriais associados ao tátil simultânea (puff) e auditiva (som da fala) a apresentação é essencial para comparar a resposta do cérebro observadas para os s algébricashum das respostas à estimulação auditiva e tátil apresentados separadamente. Este princípio de análise tem sido bem documentada em estudos audiovisuais 19-21. Neste caso, a condição simulada som ea condição só sopro são adicionados, como uma farsa acoplada - fala-som permite-nos dar conta de baixa amplitude respostas auditivas inespecíficos demonstrado na Figura 1. Porque efeitos multisensoriais auditivo-tátil são tipicamente evidente nas fases iniciais de respostas corticais 21, focamos nossa observação em janela de tempo ms a 0-140. Dois picos calculados positivos são observados, o que corresponde a P50 (30-80 ms) e P100 (80-150 msec). Imediatamente depois disto, uma grande deflexão negativa pode ser observada, mais provável correspondendo à N140 (130-230 ms).
Em um segundo estudo de 10 crianças (5-8) (Figura 4), a verdadeira resposta multissensorial a condição auditiva, tátil pode ser observado haver diferenças em todos os três desvios. A diferença entre a amplitude das amplitudes médias somadas e multisensoriais representa as contribuições de processos neuronais multisensoriais para respostas sensoriais individuais. A existência de uma resposta auditiva, tátil multissensorial a um discurso puff-ar som estímulo tinha sido sugerido em adultos usando medidas neurocomportamentais 22 e esta metodologia ERP parece confirmar a sua existência em crianças, bem como, mas a nível de processamento cortical.
| ERP Peaks | Características de resposta | P para afetada vs afetado |
| P50 e N70 | Não houve diferença estatística entre affectéd e não afetado estimulação mão | NS |
| N140 | ↑ amplitude em afetada | 0.036 |
| em comparação à estimulação mão afetada | ||
| P2 | ↓ amplitude ipsilateral e contralateral em ↑ afetada | 0,046 |
| em comparação à estimulação mão afetada | ||
| ↑ ipsilateral latência na mão afetada apenas | 0.005 | |
| em comparação com contralateral |
| Modalidade sensorial | Tipo de estímulo | Exemplo específico |
| auditivo | Som de voz | geradas por computador / ga / som |
| Som não específica | tom-como o som gerado pelo sopro de ar | |
| tátil | Leve toque | sopro de ar calibrada |
| Som da fala simultânea com toque | simultânea / ga / e puff |
Tabela 2. A comparação dos resultados soprador para a mão afetada e não afetado em crianças com paralisia cerebral (N = 8).
Representação aglomerado Figura 1 Eletrodo em ERP net.:
C: centro-parietal
F: frontal
Números ímpares correspondem a locais do lado esquerdo
Mesmo números correspondem às posições do lado direito
Figura 2. Crianças em fase de testes multisensorial. Ar comprimido flui através de bicos flexíveis amarelos através de papelão "caixa de aquário" e saiu para molde de argila na qual dedo é garantido. Para puffs sham, o ar comprimido flui através do bocal voltado na parte de trás da caixa. ERP net está no local ea criança pode visualizar o seu braço, o ambiente, ea caixa.
Figura 3. Comparação das respostas para sopro e do grupo controle no lado cortical contralateral ao estímulo de uma mão afetada. Traçados representam médias de N = apenas 8 crianças (idades 5-8), locais centroparietais. Linha preta representa sopro, linha cinza representa a resposta farsa.
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Figura 4. Respostas obtidas na área somatossensorial do hemisfério contralateral ao estímulo tátil, estímulo auditivo binaural. Traçados representam médias de N = 10 crianças (5-8) *, locais centroparietais só. Linha cinza representa a resposta resumiu calculado de / ga / simulado + sopro, linha preta representa a verdadeira resposta multissensorial de simultânea / ga /-puff.
* Este foi um estudo separado, a partir do descrito na Figura 3, realizado em 2012, também com protocolos Vanderbilt IRB-aprovados.
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Discussion
Esta nova combinação de sopro de ar e ERP (referido como o "sistema soprador") para medir o processamento cortical de toque leve e respostas táteis-auditiva é bem tolerado por crianças com deficiência e por crianças. Isso vale para as versões unisensory e multissensoriais, e se o componente de atenção é adicionado ou não, no caso de crianças pequenas. As razões para o sucesso deste método na avaliação de uma população jovem e são vulneráveis, devido a tanto o uso de um estímulo táctil inócuo, bem como para a utilização de métodos e equipamento de ERP. O paradigma táctil pode ser realizada em um total de 5 minutos, enquanto que o paradigma multisensorial leva 10 minutos. Isto é especialmente útil para a avaliação de crianças ou indivíduos com desafios comportamentais. O estímulo por si só pode ser calibrado para nunca exceder toque ou uma leve pressão, fazendo com que uma tolerância nonissue, em contraste com a estimulação do nervo eléctrica. Por fim, a abertura e flexibilidade do thdispositivo de medição e, o ambiente comuns ea falta de contenção física criar um ambiente reconfortante e amiga da criança para experimentos. Isto é verdade especialmente em crianças que podem ser confortado por panos leves e sendo detidos por um cuidador. Portanto, esta metodologia tem aplicações para populações de pacientes em todo o espectro da saúde e da doença, bem como através da vida, desde a infância até a idade adulta mais velha.
Embora essas características fazem com que o "sistema soprador" mais fácil de administrar em crianças pequenas do que a ressonância magnética funcional, ERP não fornece o mesmo grau de resolução espacial 24. Deve ser tomada precaução em atribuir fontes de sinal de ERP para estruturas subjacentes, mesmo no caso de potenciais somatossensorial bem estudados 25. Isto é especialmente relevante para as crianças com lesões cerebrais grandes ocupando espaço. No entanto, a resolução temporal oferecida pelo sistema soprador é igual ao de stim nervo mediano diretosmento em adultos, nos quais as origens corticais de vários picos ERP foram bem caracterizados.
Um passo crítico neste paradigma é o posicionamento do bocal na proximidade às áreas mais densamente inervada, a fim de atingir um sinal de ERP óptima. Mãos, pés e rosto são escolhas óbvias, devido à sua inervação densa e grandes representações sensoriais do córtex somatossensorial. A força do ar comprimido pode também ser optimizado, quer através do compressor ou por meio da modificação do diâmetro do bocal. O uso de um manómetro para calibrar a força ao nível do próprio bico é recomendado para assegurar a precisão. Garantir o bom posicionamento da mão com um molde ou Armboard com tiras de velcro continuará a assegurar que a distância entre o bico ea superfície da pele permanece constante.
Deve também ter-se usado na tentativa de diminuir ainda mais o tempo de administração paradigma ou aumentar o número de stimulnos ensaios. Sessenta ensaios são suficientes para gerar um sinal de ERP clara e permitir alguma perda de dados devido a artefatos mas poucos estudos pode não produzir, dados reprodutíveis de confiança. Por outro lado, mais ensaios por condição pode melhorar a força do sinal ERP, mas também pode resultar em habituação a estímulos, ou aumento de motor / ocular artefatos devido ao tédio.
Possíveis modificações incorporadas à metodologia são o estudo dos efeitos de atenção em estímulos. O estímulo é leve o suficiente para não requerem atenção, mas isso pode ser facilmente melhorado, resultando em aumentos de amplitudes de ERP, especialmente nos primeiros picos de P50 a N140. Também integrado no sistema multisensorial são a adição de sons da fala variadas e tons. A temporização dos sinais auditivos e tácteis também pode ser modificada para partir simultânea para escalonada, para estudar os efeitos de uma modalidade de um outro.
Aplicações sendo realizados no futuro próximo incluem a extensão mais amplado paradigma para bebês e recém-nascidos com lesão cerebral ou experiências sensoriais anormais no período neonatal, como a internação de cuidados intensivos, bem como adolescentes com deficiência. O valor de tais testes pode ser tanto de previsão de futuro função do membro sensório-motor. Também pode ser um indicativo da capacidade das crianças de processar múltiplos fluxos sensoriais como entradas conectadas e ser uma medida de eficácia de terapias que visem a integração sensorial. Para os adultos, a força do estímulo táctil pode precisar de ser aumentada, com resultados semelhantes. Finalmente, adições de estímulos visuais para o modelo multisensorial estão em estágios conceituais e irá fornecer uma ferramenta objetiva de valor inestimável para a medição das funções de processamento sensorial e desordens.
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Disclosures
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Acknowledgments
O projeto descrito foi apoiado pelo Centro Nacional de Pesquisa de Recursos, Grant UL1 RR024975-01, e agora está no Centro Nacional para a Promoção da Ciência Translacional, Grant 2 UL1 TR000445-06. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva de seus autores e não representam, necessariamente, a posição oficial do 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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