Summary
Det här protokollet beskriver en Blink luftkonditionering paradigm lämplig för experiment med ett-åriga spädbarn. Kommersiella eller skräddarsydda utrustning kan användas för att leverera stimuli och datainsamling och analys bör utföras på videoinspelningarna.
Abstract
Klassiskt Blink luftkonditionering (EBC) refererar till lärda associationen mellan ett betingat stimulus (en auditiv ton) och ett obetingat stimulus (en puff av luft på hornhinnan). Blink luftkonditionering används ofta experimentellt att upptäcka avvikelser i lillhjärnan beroende av inlärning och minne som ligger bakom denna typ av associativ inlärning. Medan experiment hos vuxna och äldre barn är relativt enkel att administrera med kommersiell utrustning, är Blink luftkonditionering hos spädbarn mer utmanande på grund av deras bristande efterlevnad, vilket gör rätt placering av utrustningen svårt. För att uppnå luftkonditionering i ett-åriga spädbarn, kan en specialanpassade eller ett anpassat kommersiella system användas att leverera luft puff till barnets hornhinnan. Den största utmaningen ligger i framgångsrikt att upptäcka och klassificera de beteendemässiga svar. Vi rapportera att automatiserade blink upptäckt metoder är opålitliga i denna population, och att den luftkonditionering experiment bör analyseras med hjälp av bildruta-för-bildruta analys av kompletterande videokamera inspelningar. Denna metod kan tillämpas att studera utvecklingsmässiga förändringar i Blink luftkonditionering och att undersöka huruvida detta paradigm kan upptäcka barn med neurologiska sjukdomar.
Introduction
EBC är en form av klassiskt villkora som vanligen används för att bedöma lärande och minne hos människor och andra djur. Konventionella EBC paradigm refererar till en lärd association mellan ett innocuous 'luftkonditionerade' stimulus (en auditiv ton) med 'obetingade' stimulans (en hornhinnan luft puff som inducerar en reflexiv blink, obetingat svaret). Associativ inlärning bedöms genom att presentera de betingat stimulus och klassificera ögonblink som luftkonditionering och obetingat Svaren-en ökning i antalet konditionerat svar över tid, eller över mer än en session, kan indikera associativa lärande sker.
Den Blink luftkonditionering paradigm kan användas för att identifiera individer med associativ inlärning funktionsnedsättningar. Dröjsmål luftkonditionering-var betingad stimulus (CS) börjar innan men överlappar den obetingat stimulansen (US)-styrs av cerebellär kretsar1,2, och är störd hos vuxna och barn med neurologiska sjukdomar, inklusive schizofreni3, autism4,5och fetala alkohol spectrum disorder6,7. Ur ett kliniskt perspektiv, kan att undersöka Blink luftkonditionering hos spädbarn stödja tidigare upptäckt och behandling av dessa neurologiska sjukdomar. Men även äldre barn kan tolerera en hornhinnan luft puff6,7,8 och kan bibehålla en stabil huvud/öga position under experimentet, är spädbarn mindre kompatibel och konventionella Blink detection utrustning och programvara är inte tillräckligt.
Här beskriver vi ett enkelt protokoll för att undersöka kort fördröjning Blink konditionering i ett-åriga barn, som har anpassats från protokoll tidigare beskrivits någon annanstans9,10,11. Detta protokoll kan ges med någon kommersiell eller skräddarsydda system som kan leverera en kontrollerad puff av luft till hornhinnan. Men i stället för kommersiella Blink upptäckt programvara (t.ex., San Diego instrumentets Blink Detection System, som bearbetar signaler från en infraröd kamera), vi, och andra9,10,11, rekommendera att du använder bildruta-för-bildruta analys av videokamera inspelningar att upptäcka och klassificera Blink svaren i ett-åriga spädbarn.
Protocol
Alla metoderna som beskrivs här har godkänts av den norra B hälsa och funktionshinder etikkommittén, referensnummer: 13/NTB/181.
1. tekniska krav
- Använd en puff baserad på ett aggregat som kan administrera en puff av luft direkt till hornhinnan. Detta kan uppnås med hjälp av ett flexibelt rör kopplad till en luft tank via en luftkompressor. För att säkerställa barnets säkerhet, passar detta med en justerbar tryckregulator som begränsar lufttryck och gränser luft puff varaktighet.
Obs: Kommersiellt tillgängliga systemen införliva kompressorn inom systemet, och kräver inte en tryckluftstank. - Använda en justerbar bygel eller hat som kan bäras av barnet och tillåter lämplig placering av den luft puff slangar bredvid ögat.
- Ställa in två bärbara högtalare med justerbar volyminställningar.
- Designa och konfigurera computational kontroll av utrustningen så att den tonen och luft puff kan administreras automatiskt med exakt timing och med varierande mellanrum.
- Ställa in en bärbar videokamera med minst en 60-Hz bildfrekvens att manuellt registrera Blink svaren. För att mäta svarstider, Använd en videokamera som kan fånga rättegång uppkomsten, antingen genom att registrera den hörbara ton eller genom att filma en rättegång debut indikator finns inprogrammerat i programpaketet.
- Installera och kör alla videoredigeringsprogram som tillåter bildruta-för-bildruta kliva av både ljud och video komponenter (t.ex., Adobe Premiere Pro) att forskaren att mäta tidsintervallet mellan stimulus och respons blink.
2. experimentella Paradigm
- Administrera prövningar i block om 10. Varje block bör innehålla följande rättegång typer.
- Inkludera åtta Parade prövningar, där varje lärande rättegång består av en 750-ms ton (80 dB, 1 kHz) som överlappar och avslutar med en 100-ms luft puff (~1/20 psi)9,10,11.
- Inkludera en oparade rättegång, som består av en enda 750-ms ton presenteras ensam i avsaknad av den luft puff att testa för en betingad Blink svar som visar associativ inlärning.
- Inkludera en somatosensoriska rättegång bestående av en enda 100-ms luft puff rättegång presenteras ensam i avsaknad av tonen att testa för kornealsensibilitet till den luft puff och den korrekta positioneringen av bygeln.
- Randomize intervallet mellan på varandra följande försök (t.ex., 8-16 s, med ett genomsnittligt rättegången tidsintervall på cirka 12 s)9,10,11.
- Mäta fem sammanhängande block (dvs, totalt 50 studier) i en enda session, för en total sessionstid ungefär 12 min.
- För att testa om luftkonditionering kvarstår, administrera två EBC sessioner av 50 prövningar minst 1 h isär.
3. testförfarandet
- Utföra EBC i ett måttligt upplyst rum (~ 300 lux) med konsekvent belysningsnivåer mellan experiment.
- Placera de två bärbara högtalarna på vardera sidan om spädbarnet, ca 40 cm från vardera sidan av huvudet.
- Placera den skräddarsydda huvudbandet på barnets huvud och justera för huvud storlek.
- Placera det flexibla röret håller luft puff munstycke och intilliggande infraröd sensor så att dessa är ca 1-3 cm från barnets högra öga ~ 45° vinkel från axiella planet av huvudet (figur 1).
- Innan du börjar experimentet, kontrollera att den experimentella set-up är optimerad för att leverera den hornhinnan luften puff. Leverera ett enda test luft puff till barnets öga och observera huruvida en Blink uppstår och syns på videokameran. Om ingen Blink observeras, justera pannband positionering så att puff aggregat är närmare ögat.
- Spela in barnets Blink svar under hela försöket. Placera videokameran så att synfältet är riktad mot spädbarnets ögon. Kameran skall vara tillräckligt nära för att urskilja små ögonrörelser, men inte så nära så att barnet kan flytta utanför ramen om han eller hon blir kinkig.
- Säkerställa praktiker är maskerade till stimulans tidpunkten. Om EBC användargränssnittet visar när nästa rättegången kommer att inträffa, fråga forskaren att orientera sig bort från gränssnittet dator så att de inte är medvetna om när nästa stimulans kommer att levereras. Detta förhindrar att forskaren svara på stimulans själva och potentiellt bidra till barnets lärda svaren.
4. optimera Experimental Set-up för ett-åriga barn
- Se till att det finns två forskare att genomföra experimentet.
- När du placerar pannbandet på barnet, be vårdgivaren att placera barnet i knät inför i sidled. Detta tillåter forskaren som strategi från sidan och bakom barnets huvud, medan andra forskare engagerar barnet.
- Att placera bygeln och positionering munstycket bör utföras så snabbt och lugnt som möjligt för att säkerställa barnets. Placera en hand över spetsen på munstycket förhindrar barnet från att vrida sitt huvud in i munstycket under positionering.
- Håll barnet i den caregiver's knä hela experimentet.
Obs: Medan en barnstol kan ge en mer konsekvent miljö mellan experiment, kan detta öka ångest och minska efterlevnad i många spädbarn. - För spädbarn benägen att störa huvudbandet under experimentet, Använd mild distraktion.
- Pannbandet flyttar vanligen under experimentet. Om barnet inte längre svara till luft puff eller huvudbandet har flyttat betydligt från ögat, pausa experimentet och justera pannband innan du fortsätter.
- Uppmuntra barnet att leta upp under experimentet för att öka omfattningen av Blink rörelser; Detta sätt kan Blink upptäckt förbättras.
Obs: Detta kan uppnås genom att placera barnet framför en bildskärm som spelar upp ett spädbarn vänliga video (t.ex., en åldersanpassad tecknad med ljudet avstängt) något ovanför deras siktlinje.
5. Blink Detection använda videokamera inspelningar
- Låt två forskare självständigt definiera Blink Svaren för varje experiment.
- Använd videoredigeringsprogram för att analysera varje rättegång för en 2.000-ms latency efter rättegång debut.
- Använd ljudvågformen för att upptäcka den första bildrutan i rättegång uppkomsten.
- För Parade (CS + U.S.) och oparade (endast CS) prövningar, definiera rättegång debut från början av den hörbara ton.
- Utför budskap för att säkerställa att kamerans mikrofon kan upptäcka subtila 100-ms buller skapad av den luft puff för de somatosensoriska prövningar där endast USA (luft puff) presenteras. Annars, videoinspelning av rättegång debut indikatorn programmerade i programvaran paketet kommer stödet att upptäcka luft puff uppkomsten.
- Använd videospåret för att upptäcka blink svaret. Spela in blink latens som båda följande: Blink debut-den första bildrutan där ögonlocken börjar att stänga; Blink peak-den första bildrutan där ögonlocken maximally är stängda.
- Som behövs, utveckla strategier för att hantera tvetydiga svar. Se följande exempel.
- Rimligtvis utesluta partiell blinkar, som kan uppstå när ögonlocken misslyckas att helt stänga av mer än ~ 50%.
- Utesluta prövningar där ton luft puff uppkomsten är dold av ovidkommande brus eller där blink svaret döljs från beskådar, från ytterligare analyser.
- Analysera den första blink svar efter rättegång uppkomsten i prövningar där flera blinkar observeras.
- Registrera antalet bildrutor mellan stimulus uppkomsten och blink peak. Konvertera latensen i realtid baserat på samplingsfrekvensen för på videokameran.
6. EBC svar klassificering
- Efter att upptäcka definiera dessa prövningar där inträffat ett Blink svar, vilken typ av blink, baserat på dess fördröjning i förhållande till stimulans uppkomsten (figur 2).
- Definiera en blink som ett häpnadsväckande svar om det sker inom de första 200-ms intervallen efter tonen; dessa representerar en reflex svar till auditiv tonen eller blinkar som är tidsinställda coincidentally med tonen debut som skulle ha inträffat oberoende av den luft puff.
Obs: Skrämma Svaren kan observeras för Parade (CS + U.S.) eller oparade (endast CS) försök, där auditiv tonen levereras. - Definiera en blink som somatosensoriska svar om det sker som svar på den luft puff; Det anger om hornhinnan är känsliga för den luft puff med den aktuella pannsmycke konfigurationen. Detta är en typ av obetingat svar (se nedan).
- Definiera obetingat Svaren som somatosensoriska Svaren till luft puff under Parade (CS + U.S.) prövningar som inträffar mer än 650 ms efter tonen debuten.
- Definiera betingad Svaren som blinkar som är optimalt planerat att sammanfalla med den luft puff. De inleds mellan 350-650 ms efter tonen debuten för Parade eller oparade prövningar och ange att associativ inlärning mellan CS och USA kan ha inträffat.
- Definiera en rättegång som misslyckades Svaren om ingen blinkning upptäcktes som svar på den luft puff; dessa kan observeras för Parade (CS + U.S.) prövningar eller somatosensoriska prövningar. Dessa svar indikerar att den luft puff inte når ögat.
- Definiera en blink som ett häpnadsväckande svar om det sker inom de första 200-ms intervallen efter tonen; dessa representerar en reflex svar till auditiv tonen eller blinkar som är tidsinställda coincidentally med tonen debut som skulle ha inträffat oberoende av den luft puff.
7. analys av associativ inlärning
Obs: Ett antal metoder har beskrivits tidigare för att bedöma associativ inlärning9,10,11 (beskrivs kortfattat här). Forskare bör ändra dessa metoder eller utveckla egna att definiera om associativ inlärning har ägt rum, beroende på deras experimentell design.
- Först utesluta prövningar där inga användbara data samlades in, såsom de med tekniska fel.
- Beräkna känsligheten för den luft puff genom att beräkna andelen Blink svar från alla möjliga somatosensoriska prövningar.
- Bedöma om associativ inlärning har inträffat under experimentet genom att jämföra andelen konditionerat svar i sekventiella block om 10 försök. En ökning av andelen konditionerat svar under loppet av experimentet kan tyda luftkonditionering har inträffat.
Obs: Alternativt modellering förändringen i Blink latenser över tid kunde användas för att bedöma om barnet har anpassat sina svarstider under experimentet. - Bedöma om associativ inlärning sker över experimentell sessioner eller mellan två experimentella grupper. Använd ett godtyckligt kriterium för att definiera om luftkonditionering har ägt rum (t.ex., > 40% konditionerat svar inom en experimentell session)6,9.
Representative Results
Testbarhet Blink med luftkonditionering i ett-åriga spädbarn:
Experimental set-up skyldig att pröva Blink luftkonditionering är en utmaning för ett-åriga barn. I de experiment som vi har utfört, 35% (11 spädbarn) underlåtit att delta i försöket eftersom de inte skulle tolerera bär ett pannband eller tar emot den luft puff på hornhinnan (n = 31 spädbarn försökte). Ungefär hälften (52%, n = 16 spädbarn) slutförts eller delvis slutfört den första uppsättningen av 50 prövningar (median [IQR] = 22,5 [0 - 50] prövningar slutförts). I övrigt deltog i två experimentella sessioner.
Att uppnå tillförlitlig experimentella resultat kräver korrekt positionering av pannband och luft puff enheten under hela försöket. För de barn som deltar i experimentet, kan luft puff leverans till hornhinnan uppnås för flesta av de kliniska prövningarna (77 ± 6% av luft puffar inducerad en blink svar; n = 13 spädbarn/557 luft puff prövningar försökte). De återstående studierna representerar 'misslyckades prövningar' där barnet inte var känslig för den luft puff.
Figur 3 illustrerar luft puff leverans framgång under två luftkonditionering experiment av 50 prövningar. Antalet observerade ögonblink beskrivs som en procentandel av luft puff prövningar (dvs, antingen somatosensoriska eller parkopplade prövningar). Blinka svaren från första spädbarn minskningen i varje efterföljande block av 10 försök, som visar att huvudbandet kan ha varit sub optimalt placerade mot slutet av experimentet. Däremot visar det andra barnet relativt bra känslighet för de luft puff, med minst 90% av luft puff prövningar lyckats framkalla en blink reaktion i varje efterföljande block av 10 försök.
Blink Detection framgångsrika med videokamera analys:
En handhållen videokamera ger en tillförlitlig metod för att fånga Blink Svaren genom att forskaren att manuellt spåra spädbarnets ögon. Manuell bildruta-för-bildruta analys användes för att identifiera svaren från 90 ± 3% av prövningar (n = 13 spädbarn/608 prövningar försökte). De återstående studierna representerar de där spädbarnets ögon var skyms under inspelningen.
Även om video analys kräver subjektiva tolkningar, kan denna metod användas för att tillförlitligt mäta Blink fördröjning från det att de stimulans. Vår analys av blink svarstider mäts av två oberoende observatörer illustrerar bra mellan rater tillförlitlighet whereby den genomsnittliga skillnaden mellan mätningar var 28,4 ms och 95% gränser i avtalet av ± 263.9 ms (diagram 4: n = 4 experiment som analyseras av två observatörer/94 blinka Svaren). Med tanke på att luftkonditionerade ögonblink definieras som de som faller inom ett 300-ms fönster, tillåter detta tillräcklig precision att skilja luftkonditionerade från obetingat svaren. Observera att dessa prövningar med betydande oenighet kan enkelt omprövade efter samråd mellan observatörerna.
Blink luftkonditionering i ett-åriga spädbarn:
De två konditionering experiment visas i figur 5A och 5B illustrera Blink svar latenser under loppet av experimentet för båda de Parade och oparade försök. Blink svaren från första barnet under den första EBC session toppen efter debuten av den luft puff och utanför fönstret latens som definierar en betingad respons. Dessutom detta spädbarn inte svarar på någon av de oparade (endast tonar) prövningar. Tillsammans, detta indikerar att detta spädbarn inte har lärt sig att associera tonen och luften puff under sin inledande exponering för EBC paradigm. I jämförelse, andra barnet, som deltar i deras andra EBC-session, rutinmässigt blinkar före luft puff uppkomsten och svarar på alla oparade prövningar, som visar att barnet har uppnått Blink luftkonditionering efter den första sessionen av 50 prövningar. Figur 5 c illustrerar en typisk metod för bedömning av associativ inlärning över flera prövningar av sessioner6,9,10,11. Numrera av konditionerat svar från båda spädbarn beskrivs i successiva block av 10 försök och som andel av alla Parade och oparade prövningar i varje block. I detta fall båda spädbarn Visa minimala förändringar i associativ inlärning under experimentet, som illustrerar en avsaknaden av luftkonditionering (spädbarn 1, session 1) eller det luftkonditionering har redan inträffat (barn 2, session 2).
Figur 1 : Blink luftkonditionering set-up med en ett-årig spädbarn deltagare. Den skräddarsydda pannband stödja puff aggregat visas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Stimuli och respons definitioner för en Blink luftkonditionering paradigm är lämpligt för experiment med ett-åriga barn. (A) under parkopplade prövningar, en 750-ms hörbar ton (betingat stimulus [Ks]) överlappar och avslutar med en 100-ms luft puff (obetingat stimulus [US]). Blink Svaren varierar beroende på deras timing i förhållande till stimulans uppkomsten (spritta svar: 0 - 200 ms; betingad respons [CR]: 350-650 ms; obetingat svar [UR]: 650-2,000 ms). Svar definitioner är identiska för oparade (endast CS) prövningar. (B) somatosensoriska prövningar levererar en enda 100-ms luft puff (oss) bara och blinkar som uppstår inom en 300-ms fönster klassificeras som somatosensoriska svaren (SSR). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Exempel på Blink luftkonditionering experiment i ett-åriga spädbarn som illustrerar variationen i luft puff känslighet. Känsligheten för den luft puff beskrivs som antalet observerade Svaren till den luft puff (levereras antingen som en somatosensoriska rättegång eller en parkopplad rättegång) som en procentandel av alla luft puff prövningar, i varje efterföljande block av 10 försök. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Bland-Altman tomt illustrerar avtalet i blink svarstider mätt från videokamera inspelningar av två oberoende observatörer. Grå linjer indikerar partiskhet mellan mätningar (definieras som den genomsnittliga skillnaden mellan mätningar) och övre och nedre gränserna för avtalet (LOA, definieras som de genomsnittliga skillnaden ± 1,96 standardavvikelserna). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Exempel på Blink luftkonditionering experiment i ett-åriga spädbarn som illustrerar variationen i konditionerat svar. Blink svarstider visas för Parade (CS + U.S.) prövningar (svarta cirklar) och oparade (endast CS) prövningar (grå rutor). Det grå fältet anger tidpunkten för den luft puff och de svarta linjerna anger fördröjningen mellan 350-650 ms används för att definiera en betingad respons. Prövningar som misslyckats med att framkalla en reaktion visas på x-axeln. (A) Blink Svaren generellt faller utanför fönstret luftkonditionering och oparade prövningar lyckats framkalla en Blink reaktion. ()B) svar är tillräckligt tidsinställda att sammanfalla med förekomsten av den luft puff och oparade svaren och Parade prövningar initiera en betingad respons. (C) luftkonditionering under loppet av experimentet illustreras som numrera av konditionerat svar (beskrivs som en procentandel av alla Parade och oparade studier), i varje efterföljande block av 10 försök. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Modifieringar och felsökning:
Kommersiella eller skräddarsydda Blink luftkonditioneringssystem ska presentera stimuli till ämnet i ett experimentellt kontrollerade sätt och kunna upptäcka beteendemässiga svaren. Men detta är en icke-invasiv förfarande, de tekniska kraven för att genomföra dessa experiment i mindre kompatibel populationer (t.ex., spädbarn) är utmanande. Fysiskt fästa huvud-fästet för ögat är möjligt för djurförsök, såsom luftkonditionering experiment i fåren12,13. Äldre barn kan tolerera bär ett pannband med en bifogad luft-puff leverans enhet6,7,8 och kan uppmuntras att upprätthålla en konstant öga position med TV som en distraktion. Även om efterlevnad i mycket små spädbarn kan uppnås genom luftkonditionering under sömn14, äldre spädbarn närmar sig ett års ålder är i allmänhet lätt distraherad, vilket gör dem ett unikt utmanande befolkningen. Trots utmaningarna är Blink luftkonditionering experiment möjligt för vissa vaken, ett-årig spädbarn. Vår framgång priser är liknande dem som tidigare rapporterats i litteraturen (~ 40% - 50% överensstämmelse)9, med sannolikheten för framgång förmodligen reflekteras av barnets temperament på dagen för experimentet.
Kritiska steg i protokollet:
Vi rekommenderar att anpassa en kommersiellt tillgänglig EBC set-up, eller använda en specialbyggd luft tryckgenerator som tidigare beskrivits, för yngre spädbarn9,10,11. Första utmaning är att bibehålla air-puff leverans enhet i rätt position under hela experimentet, vilket kräver en mindre, modified pannsmycke. Öga säkerhet är en särskild oro för icke-kompatibla spädbarn som försöker ta bort pannsmycke själva. Spädbarn måste därför noggrant övervakas hela tiden. En del barn kommer inte att tolerera bär bygeln eller tar emot den luft puff för ögat (här, ~ 35%), även om detta kan förbättras genom att försiktigt distrahera barnet om det experimentellt protokollet tillåter detta och om detta inte påverkar öppet med spädbarn beteende. För de barn som utför experimentet, är air-puff-bara prövningar avgörande för att bekräfta att pannsmycke var felplacerad, som brist eller återföring av konditionering Svaren kan orsakas av dålig leverans av den luft puff hela experimentet.
Även manuell video analys är tidskrävande, är automatiserade åtgärder av spädbarn Blink Svaren för närvarande svårt att uppnå. Infraröda sensorer levereras med kommersiella EBC uppställningar (placerat på huvudbandet intill puff aggregat) registrerar ögonblick till ögonblick reflektansen från hornhinnan på en 1-kHz samplingsfrekvens och blinkar kan upptäckas genom att mäta förändringen i reflektans efter stimulans uppkomsten. Betydande förändringar från baslinjen reflektans indikerar att en Blink har inträffat, och automatiserad analys kan användas för att identifiera och klassificera blink svaren. Dock vi och andra9,10,11 föreslår att forskare inte bör lita på infraröd korneal reflektans mätningar med kommersiella EBC uppställningar att upptäcka blinkar i ett-åriga barn. Denna metod kan vara lämplig för vuxna deltagare eller äldre barn6,7, kunde vi inte tillförlitligt upptäcka blinkar i ett-åringar använder denna metod. Här observeras försumbar förändring baseline reflektansen över längden av rättegång epoken, som anger att Blink inte identifieras av den infraröda sensorn. Dessutom är falskt positiva toppar vanligt förekommande, som orsakas av barnets huvudrörelser som ändrar placeringen av sensorn. Pilot testning hos vuxna antyder att deltagaren måste fokusera på eller något över deras horisontella siktlinje, med puff aggregat placerade inom 1-2 cm från hornhinnan, identifiera de ögonblink-villkor som inte kan upprätthållas konsekvent med ett spädbarn. Små interpalpebral spricka storlek hos spädbarn kan dessutom minska korneal reflektans, gör Glimten upptäckten mer svårt än hos vuxna eller äldre barn.
Betydelse med avseende på befintliga metoder:
Trots behovet av manuell video kamera analys och med lägre temporal upplösning av en 60-Hz video jämfört med 1 kHz reflektans mätningar gör de förbättra framgångsrika videoinspelningar detta till en överlägsen metod att den infraröda sensorn. Även om den hornhinnan luft puff levereras också av samma pannsmycke tillbehöret som en kommersiell infraröd sensor, visas stimulans leverans vara mer motståndskraftiga mot positionering än den infraröda sensorn, som luft puff styrka kan justeras som krävs. Detta undviker överdriven justering av pannbandet, som tenderar att minska spädbarn efterlevnad. Forskare som kan uppnå högre framgångsrika med den infraröda sensorn kan fortfarande kräva stödjande videokamera analysen. För försök där det finns inga påvisbara Blink svar registreras av den infraröda sensorn, videoinspelningar kan skilja mellan sant svar eller ogiltig prövningar (dvsom barnet var klädd enheten luft puff i rätt position, om de blinkar inte, eller huruvida den infraröda sensorn underlåtit att upptäcka blink). Videoinspelningar är likaså nödvändigt att bekräfta falska positiva resultat, som rörelser under rättegången kan också ge upphov till artefakter maskerad som blinkar. Eye-tracking apparater15,16 och Elektromyografi9,10,14 i orbikularis okuli muskeln är andra automatiserade metoder för Glimten upptäckten som är utanför ramen för denna uppsats, Trots utan visuell bekräftelse av puff aggregatet positionering för varje prövning, dessa metoder kommer sannolikt att drabbas av samma nackdelar som den infraröda Blink Upptäck programvara som beskrivs här.
Tidigare har publicerade arbete på öga-blink luftkonditionering fokuserat på yngre spädbarn, normalt 4-5 månaders ålder. Detta arbete utökas denna mängd litteratur som beskriver tekniker för användning med äldre spädbarn (12 ± 1 månads ålder) och de unika utmaningar som denna åldersgrupp presenterar. Andra författare har också använt videoanalys (antingen ensamt eller i kombination med elektromyografi) med spädbarn9,10,11,14. De resultat som presenteras här är förenliga med dessa tidigare fynd som tyder på bildruta-för-bildruta video analys är det bästa sättet att upptäcka ögonblink hos spädbarn, eftersom både Elektromyografi och infraröd övervakning kan vara problematisk på grund av ansikts- och huvud rörelser hos mycket små barn. Detta arbete stöder också konstaterandet att spädbarn kan utveckla konditionerat svar även på mycket unga åldrar, åtminstone för en 650-ms fördröjning intervall9.
Framtida tillämpningar:
Eftersom ett begränsat antal studier har försökt Blink luftkonditionering experiment i mänskliga spädbarn, bör parametrarna stimulans övervägas noggrant i framtiden experiment. Luftkonditionering har observerats så tidigt som 10 dagar av ålder17 och minst inom den första månaden av liv14, även om en lång mellan stimulus-intervallet (t.ex., 1 500 ms) verkar vara mer framgångsrika i dessa mycket tidiga stadier av Linda18 . I jämförelse, barn närmar sig sex månaders ålder kan mer tillförlitligt konditioneras med ett kortare intervall10, även om mindre framgångsrikt än vuxna19. 650-ms intervallet mellan tonen och den luft puff föreslog för ett-åriga barn i detta protokoll kan framgångsrikt inducera konditionering 4 - eller 5-månad-gammal spädbarn9,10,11, såväl som i äldre barn6,7. Detta tyder på att Blink luftkonditionering regleras på ett godtagbart sätt, med optimal fördröjningen mellan tonen och den luft puff minskar med begynna åldern10, även om ytterligare experiment anpassa detta protokoll krävs att undersöka dessa utvecklingsmässigt ytterligare parametrar.
Begränsningar av denna teknik:
EBC kan vara svårt för att ställa in och kan kräva felsökning i varje enskild situation. Fastställa när luftkonditionering har ägt rum är svårt att definiera och observeras bäst över flera prövningar eller sessioner. Exempelvis har andra studier använt en godtycklig luftkonditionering andelen 40% inom varje block av 10 försök för att definiera luftkonditionering och jämfört ändringar mellan successiva experimentella sessions6,9,10, 11. Framgångsrikt slutföra det nödvändiga antalet prövningar att iaktta luftkonditionering kan därför vara svårt att uppnå i små barn.
När det gäller dataanalys, en av de särskilda utmaningarna separera stimulus-framkallat blinkar från spontana (endogen) blinkar9. Frekvensen av spontana ögonblink är olika mellan individer men kan påverkas av miljöfaktorer såsom luftfuktighet, samt beteendemässiga stater. Dubbelrum blinkar uppstå när det finns två kompletta ögonlocket nedläggningar på mycket kort tid (t.ex., 400 ms)20, och det är möjligt att dessa återspeglar spontana blinkar inträffar vid samma tidpunkt som en reflexiv (betingad eller obetingade) Blink. Vi observerade ibland dubbel blinkar i våra data och använder det här protokollet, vi spelade in latensen till det första blink bara. Dock kan kasta dessa prövningar öka rättssäkerheten att analysen är att fånga stimulus-framkallat blinkar bara.
Forskare måste också fatta beslut om fönstret latens i som att definiera en betingad eller obetingat svar, samt om du vill definiera latens till blink uppkomsten eller blink peak (ögonlocket stängning). Vi har här konservativt definierat en betingad respons som en blinkning som toppar före 650 ms i antingen Parade eller oparade prövningar, för att ge säkerhet att blinkar initieras innan luft puff i stället för att bemöta den luft puff. Dock kunde denna latens fönster förlängas oparade prövningar där ingen luft puff presenteras, särskilt om använda blink topp för att definiera fördröjning av svaret. Den viktiga principen här är att alla instanser behandlas på samma sätt, av alla granskare, och att detta kriterium bestäms innan någon data analys.
Sammanfattningsvis, kan bildruta-för-bildruta video analys ge en tillförlitliga och reproducerbara metod för bedömning av klassiskt EBC svaren i unga spädbarn. Dessa åtgärder ger ett mått på lärande beteende, även om en omfattande utvecklingsmässig bedömning krävs för att fullständigt karakterisera neuroutvecklingssjukdomar i Linda.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Denna studie stöddes av den nya Zeeland Optometric Vision Research Foundation, den Health Promotion Agency, The University of Auckland fakulteten forskning utvecklingsfonden, och The University of Auckland School of Medicine PBRF fond.
Vi är tacksamma att de två optometri-studenterna från The University of Auckland (Shannon Boy och Harpreet Singh) som avslutat den manuell video analysen för att undersöka avtalet i blink svar mätningar.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Eyeblink conditioning system | San Diego Instruments | Model #2325-0145-W | includes portable airpuff unit and infrared emitter/receiver mounted to adjustable headband; eyeblink stimulus and response detection software; PC interface |
| 4K Ultra HD action camera | RV77 | Model SJ9000 | micro SD/TF card recording 90fps at 720p |
References
- Freeman, J. H., Steinmetz, A. B. Neural circuitry and plasticity mechanisms underlying delay eyeblink conditioning. Learning & Memory. 18 (10), 666-677 (2011).
- Mccormick, D. A., et al. The engram found? Role of the cerebellum in classical conditioning of nictitating membrane and eyelid responses. Bulletin of the Psychonomic Society. 18 (3), 103-105 (1981).
- Bolbecker, A. R., et al. Eye-blink conditioning deficits indicate temporal processing abnormalities in schizophrenia. Schizophrenia Research. 111 (1-3), 182-191 (2009).
- Sears, L. L., Finn, P. R., Steinmetz, J. E. Abnormal classical eye-blink conditioning in autism. Journal of Autism and Development Disorders. 24 (6), 737-751 (1994).
- Oristaglio, J., et al. Children with autism spectrum disorders show abnormal conditioned response timing on delay, but not trace, eyeblink conditioning. Neuroscience. 248, 708-718 (2013).
- Jacobson, S. W., et al. Impaired eyeblink conditioning in children with fetal alcohol syndrome. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 32 (2), 365-372 (2008).
- Jacobson, S. W., et al. Impaired delay and trace eyeblink conditioning in school-age children with fetal alcohol syndrome. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 35 (2), 250-264 (2011).
- Ohlrich, E. S., Ross, L. E. Acquisition and differential conditioning of the eyelid response in normal and retarded children. Journal of Experimental Child Psychology. 6 (2), 181-193 (1968).
- Ivkovich, D., Eckermann, C. O., Krasnegor, N. A., Stanton, M. E. Using eyeblink conditioning to assess neurocognitive development. Eyeblink Classical Conditioning: Volume I. Woodruff-Pak, D., Steinmetz, J. E. , Springer. Boston, MA. 119-142 (2002).
- Klaflin, D. I., Stanton, M. E., Herbert, J., Greer, J., Eckerman, C. O. Effect of delay interval on classical eyeblink conditioning in 5 month old human infants. Developmental Psychobiology. 41 (4), 329-340 (2002).
- Ivkovich, D., Collins, K. L., Eckerman, C. O., Krasnegor, N. A., Stanton, M. E. Classical Delay Eyeblink Conditioning in 4- and 5-Month-Old Human Infants. Psychological Science. 10 (1), 4-8 (1999).
- Nation, K., et al. Video-based data acquisition system for use in eye blink classical conditioning procedures in sheep. Behavior Research Methods. , 1-14 (2016).
- Johnson, T. B., Stanton, M. E., Goodlett, C. R., Cudd, T. A. Eyeblink classical conditioning in the preweanling lamb. Behavioral Neuroscience. 122 (3), 722-729 (2008).
- Reeb-Sutherland, B. C., et al. One-month-old Human Infants Learn About the Social World While They Sleep. Developmental Science. 14 (5), 1134-1141 (2011).
- Kulke, L., Atkinson, J., Braddick, O. Automatic Detection of Attention Shifts in Infancy: Eye Tracking in the Fixation Shift Paradigm. PLoS One. 10 (12), e0142505 (2015).
- Meng, X., Uto, Y., Hashiya, K. Observing Third-Party Attentional Relationships Affects Infants' Gaze Following: An Eye-Tracking Study. Frontiers in Psychology. 7, 2065 (2016).
- Naito, T., Lipsitt, L. P. Two attempts to condition eyelid responses in human infants. Journal of Experimental Child Psychology. 8 (2), 263-270 (1969).
- Little, A. H., Lipsitt, L. P., Rovee-Collier, C. Classical conditioning and retention of the infant's eyelid response: effects of age and interstimulus interval. Journal of Experimental Child Psychology. 37 (3), 512-524 (1984).
- Hoffman, H. S., Cohen, M. E., Devido, C. J. A comparison of classical eyelid conditioning in adults and infants. Infant Behavior and Development. 8 (3), 247-254 (1985).
- Nakanishi, M., Mitsukura, Y., Wang, Y., Wang, Y. T., Jung, T. P. Online Voluntary Eye Blink Detection using Electrooculogram. IEICE Proceeding Series. , (2012).
