Summary
Dieses Protokoll beschreibt eine Eyeblink Konditionierung Paradigma für Experimente mit ein-jährige Kinder. Kommerzielle oder maßgeschneiderte Ausrüstung kann benutzt werden, um die Reize zu liefern, und Datenerhebung und-Analyse auf der video-Aufnahmen durchgeführt werden.
Abstract
Klassische Eyeblink Konditionierung (EBC) bezieht sich auf die Gelehrten Assoziation zwischen einer konditionierten Stimulus (eine auditive Ton) und einen Unconditioned Stimulus (ein Luftstoß der Hornhaut). Eyeblink Konditionierung wird oft experimentell verwendet, um Anomalien zu erkennen, im Kleinhirn-abhängige lernen und Gedächtnis, die diese Art des assoziativen Lernens zugrunde liegt. Experimente bei Erwachsenen und älteren Kindern relativ einfach verwalten mit kommerziellen Geräten sind, zwar Eyeblink Konditionierung bei Säuglingen ist schwieriger aufgrund ihrer schlechten Compliance, die korrekte Positionierung des Gerätes schwer macht. Um Klimaanlage bei ein-Jahr-alten Säuglingen zu erreichen, kann ein nach Maß oder eine angepasste Handelssystem verwendet werden, die Luft des Säuglings Hornhaut Blätterteig anzubieten. Die größte Herausforderung liegt in der erfolgreichen Erkennung und Klassifizierung der Verhaltensreaktionen. Wir berichten, dass automatisierte Blink Nachweismethoden sind unzuverlässig in dieser Population und Konditionierung Experimente mit Frame-by-Frame-Analyse der zusätzlichen Video-Kamera Aufnahmen analysiert werden sollte. Diese Methode kann angewendet werden, Entwicklungs Veränderungen in Eyeblink Konditionierung zu studieren und zu prüfen, ob dieses Paradigma Kinder mit neurologischen Erkrankungen erkennen kann.
Introduction
EBC ist eine Form der klassischen Konditionierung, die gewöhnlich zum Lernen und Gedächtnis bei Menschen und anderen Tieren zu beurteilen. Die konventionelle EBC-Paradigma bezieht sich auf eine gelernte Assoziation zwischen einen harmlosen "konditioniert" Impuls (eine auditive Ton) mit dem "unbedingten" Reiz (eine Hornhaut Luftstoß, das eine reflexive Eyeblink Unconditioned Antwort hervorruft). Assoziativen Lernens bemisst sich durch die Darstellung der konditionierten Stimulus und Eyeblinks zu klassifizieren, wie Klimaanlage und Unconditioned Antworten-ein Anstieg auf die Anzahl der konditionierten Antworten im Laufe der Zeit, oder über mehr als eine Sitzung möglicherweise assoziative Lernen geschieht.
Die Eyeblink Konditionierung Paradigma kann verwendet werden, um Personen mit assoziativen Lernens Beeinträchtigungen zu identifizieren. Verzögerung Klimaanlage-wo die konditionierten Stimulus (CS) beginnt vor sondern überlappt die Unconditioned Anregung (US)-erfolgt durch zerebelläre Schaltung1,2, und wird bei Erwachsenen und Kindern mit neurologischen Erkrankungen, gestört einschließlich Schizophrenie3, Autismus4,5und fetalen Alkohol-Spektrum-Störung6,7. Aus Sicht der klinischen unterstützen Prüfung Eyeblink Konditionierung bei Säuglingen Früherkennung und Behandlung von diesen neurologischen Erkrankungen. Jedoch während ältere Kinder Hornhaut Luft Blätterteig6,7,8 tolerieren können und können für die Dauer des Experiments eine stabile Leiter/augenposition pflegen, sind die Kinder weniger konform und konventionellen Eyeblink Erkennung Ausrüstung und Software ist nicht ausreichend.
Hier beschreiben wir ein einfaches Protokoll untersuchen kurze Verzögerung Eyeblink Konditionierung in One-jährige Kinder, die von Protokollen angepasst wurde bereits an anderer Stelle9,10,11beschrieben. Dieses Protokoll kann mit jedem kommerziellen oder maßgeschneiderte System liefern eine kontrollierte Luftstoß Hornhaut verabreicht werden. Jedoch anstelle von kommerziellen Eyeblink Erkennungssoftware (z. B.San Diego Instrument EyeBlink Detection System, die Signale von einer Infrarot-Kamera verarbeitet), wir und andere9,10,11, Empfehlen Sie Frame für Frame-Analyse der Videokamera Aufnahmen zu erkennen und klassifizieren Eyeblink Antworten in ein-jährige Kinder.
Protocol
Alle hier beschriebene Methoden wurden von der nördlichen B Gesundheit und Behinderung Ethik-Kommission, Referenznummer genehmigt: 13/NTB/181.
1. Technische Anforderungen
- Verwenden Sie eine Air-Blätterteig-Einheit in der Lage einen Luftstoß direkt auf der Hornhaut. Dies kann erreicht werden, mit einem flexiblen Schlauch befestigt, ein Luft-Tank über ein Luft-Kompressor. Zur Gewährleistung der Sicherheit des Kindes passen diese mit einer einstellbaren Druckregler, die Luftdruck einschränkt und Grenzen Luft Blätterteig Dauer.
Hinweis: Handelsübliche Systeme den Kompressor innerhalb des Systems zu integrieren, und erfordern keine Atemgerät. - Verwenden Sie ein verstellbarer Kopfbügel oder Hut, der kann durch das Kind getragen werden und ermöglicht die entsprechende Positionierung der Luftstoß Schlauch neben dem Auge.
- Richten Sie zwei tragbaren Audio-Lautsprecher mit einstellbarer Lautstärke-Einstellungen.
- Entwerfen Sie und rechnerische Kontrolle über das Gerät so richten Sie ein, dass der Ton und die Luft Zug automatisch mit präzisem Timing und in unterschiedlichen Abständen verabreicht werden kann.
- Richten Sie eine tragbare Videokamera mit mindestens einer Bildrate von 60 Hz Eyeblink Antworten manuell aufzeichnen. Um Antwortzeiten zu messen, verwenden Sie eine Videokamera, die die Testversion einsetzen, entweder durch Aufnahme das Tonsignal oder durch Dreharbeiten einen Testversion einsetzen-Indikator programmiert das Software-Paket erfasst werden können.
- Installieren Sie und starten Sie eine Videoschnitt-Software, die ermöglicht, Frame-by-Frame treten sowohl video als auch Audio-Komponenten (z. B.Adobe Premiere Pro) erlauben die Forscher um das Zeitintervall zwischen den Reiz und die Blink-Reaktion zu messen.
(2) experimentelles Paradigma
- Studien in Blöcken von 10 zu verwalten. Jeder Block sollte folgende Testversion enthalten.
- Gehören Sie acht gekoppelte Prüfungen, wo jeder lernen-Studie besteht aus einem 750-ms Ton (80 dB, 1 kHz), die überlappt und endet mit einem 100-ms Luft Blätterteig (~1/20 Psi)9,10,11.
- Gehören Sie eine ungepaarte Testversion, das besteht aus einem einzigen 750-ms Ton allein in Ermangelung der Luftstoß, um eine konditionierte Eyeblink Antwort, assoziativen Lernens testen präsentierte.
- Gehören Sie eine somatosensorische Prüfung bestehend aus einer einzigen 100ms Luft Blätterteig Studie allein in der Abwesenheit des Tones für Hornhaut Empfindlichkeit gegenüber der Luftstoß zu testen und die richtige Positionierung des Kopfbandes präsentiert.
- Randomisieren den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Prüfungen (z.B., 8-16 s, mit einem durchschnittlichen Testzeit Intervall von ca. 12 s)9,10,11.
- Fünf aufeinander folgende Blöcke (d.h. insgesamt 50 Studien) in einer einzigen Sitzung für eine gesamte Sitzungszeit von ca. 12 min zu messen.
- Um zu testen ob Klimaanlage immer noch auftritt, verwalten Sie zwei EBC-Sitzungen von 50 Studien mindestens 1 h auseinander.
(3) Prüfverfahren
- Durchführen Sie EBC in einem mäßig beleuchteten Raum (~ 300 Lux) mit konsistenten Beleuchtungsstärken zwischen Experimente.
- Positionieren Sie die beiden portablen Lautsprecher auf beiden Seiten des Säuglings, ca. 40 cm von beiden Seiten des Kopfes.
- Das Kleinkind Kopf das maßgeschneiderte Stirnband aufsetzen und für Kopfgröße anpassen.
- Positionieren Sie den flexiblen Schlauch hält Blätterteig Luftdüse und angrenzenden Infrarot-Sensor, so dass diese ca. 1-3 cm vom rechten Auge des Kindes in einem ~ 45 °-Winkel von der axialen Ebene des Kopfes (Abbildung 1).
- Überprüfen Sie vor Beginn des Experiments, dass der Versuchsaufbau optimiert ist, um die Hornhaut Luft Blätterteig liefern. Liefern ein Einzeltest Luft Blätterteig für das Kind die Augen und beobachten, ob ein Eyeblink auftritt und sichtbar auf der Videokamera ist. Wenn keine Eyeblink beobachtet wird, passen Sie die Stirnband so positioniert, dass der Blätterteig Lufteinheit näher an das Auge ist.
- Zeichnen Sie den Säugling Eyeblink Antworten während der gesamten Dauer des Experiments. Positionieren Sie die Videokamera, so dass das Blickfeld auf das Kind die Augen gerichtet ist. Die Kamera sollte nahe genug, um kleine Augenbewegungen zu erkennen, aber nicht so nah, so dass das Kind außerhalb des Rahmens bewegen kann, wenn er/Sie wählerisch wird.
- Sicherstellen Sie, dass die Experimentatoren die Stimulus-Timing maskiert sind. Wenden Sie die EBC-Benutzeroberfläche zeigt an, wann die nächste Prüfung auftreten, sich des Forschers, sich weg von der Computer-Schnittstelle zu orientieren, so dass sie nicht bewusst sind, wenn die nächsten Impulse geliefert werden. Dies verhindert die Forscherin reagiert auf den Reiz selbst und möglicherweise einen Beitrag zur gelernten Reaktionen des Säuglings.
4. Optimierung des Versuchsaufbaus für One-jährige Kinder
- Stellen Sie sicher, dass zwei Forscher zur Verfügung, um das Experiment durchzuführen sind.
- Wenn das Stirnband auf den Säugling zu platzieren, stellen Sie die Pflegeperson, das Kind auf dem Schoß vor seitlich zu positionieren. Dies ermöglicht den Forscher zugänglich seitlich und hinter dem Kopf des Kindes, während ein zweiter Forscher Säuglings eingreift.
- Das Stirnband Platzierung und Positionierung der düsenkanals sollte so schnell und so ruhig wie möglich, um sicherzustellen, dass das Kind durchgeführt werden. Indem eine Hand über die Spitze der Düse wird verhindert, dass das Kind drehen ihren Kopf in die Düse bei der Positionierung.
- Halten Sie das Kind auf die Pflegeperson Schoß während des Experiments.
Hinweis: Während ein Hochstuhl ein einheitlicheres Umfeld zwischen Experimente zur Verfügung stellen kann, kann dies Angst erhöhen und verringern Compliance bei vielen Säuglingen. - Verwenden Sie für Säuglinge geneigt, stören das Stirnband während des Experiments sanfte Ablenkung.
- Das Stirnband bewegt sich häufig während des Experiments. Wenn das Kind nicht mehr reagieren auf die Luft pusten Sie oder das Stirnband hat das Auge deutlich entfernt halten Sie das Experiment an und passen Sie die Stirnband Position bevor Sie fortfahren.
- Ermutigen Sie das Kind während des Experiments nachschlagen, um das Ausmaß der Eyeblink Bewegungen zu erhöhen; auf diese Weise kann Eyeblink Erkennung verbessert werden.
Hinweis: Dies kann erreicht werden, indem man das Kind vor einem Monitor spielen eine kleine freundliche Video (z.B. eine altersgerechte Cartoon mit dem Audio deaktiviert) leicht oberhalb ihrer Sichtlinie.
5. Eyeblink Detektion mittels Videokamera Aufnahmen
- Lassen Sie zwei Forscher unabhängig voneinander die Eyeblink Antworten für jedes Experiment definieren.
- Verwenden Sie video-editing-Software, um jeden Versuch für eine 2.000-ms Latenz nach trial Beginn zu analysieren.
- Verwenden Sie die audio-Wellenform, um den ersten Frame der Testversion auftreten erkennen.
- Für die gepaarten (CS + US) und ungepaarte (nur CS) Studien definieren trial Beginn von Anfang an das Tonsignal.
- Führen Sie für die somatosensorischen Studien, wo nur die USA (Luftstoß) präsentiert wird Vortests, um sicherzustellen, dass das Mikrofon der Kamera die subtile 100ms Lärm, erstellt von der Luftstoß erkennen kann. Ansonsten video-Aufzeichnung des Indikators trial Beginn programmiert in die Software Paket hilft bei der Erkennung von Luft Blätterteig auftreten.
- Verwenden Sie die Videospur, um die Blink-Reaktion zu erkennen. Aufzeichnen Blink Latenz als das folgende: Blink einsetzen-das erste Bild wo die Augenlider beginnen zu schließen; Blink Gipfel-der erste Frame wo die Augenlider maximal geschlossen sind.
- Je nach Bedarf, entwickeln Sie Strategien, um mehrdeutige Antworten zu behandeln. Siehe die folgenden Beispiele.
- Vernünftigerweise schließen Sie teilweise blinkt, die auftreten können, wenn die Augenlider nicht vollständig zu schließen, um mehr als ca. 50 aus %.
- Schließen Sie aus, Studien, wo der Ton/Luft Blätterteig Beginn verborgen ist, durch äußere Lärm, oder wo die Blink-Antwort aus Sicht von weiteren Analysen verdeckt ist.
- Analysieren Sie in Studien, wo mehrere blinkt eingehalten werden die erste Blink-Reaktion nach Beginn der Studie.
- Notieren Sie die Anzahl der Videoframes zwischen Reiz auftreten und den Blink-Gipfel. Wandeln Sie die Latenz in Echtzeit basierend auf die Sampling-Rate der Videokamera.
(6) EBC Reaktion Klassifikation
- Nach dem erkennen definieren dieser Studien, in denen eine Eyeblink Reaktion aufgetreten ist, die Art der Blink, basierend auf der Latenz im Vergleich zu dem Reiz einsetzen (Abbildung 2).
- Definieren Sie einen Wimpernschlag als eine Antwort zu erschrecken , tritt innerhalb der ersten 200-ms Intervall nach dem Signalton; Diese stellen eine Reflexe Antwort auf die auditive Ton oder blinkt, die zufällig zeitlich mit Ton einsetzen, die unabhängig von der Luftstoß eingetreten wäre.
Hinweis: Startle Reaktionen können, für die gepaarten (CS + US beobachtet werden) oder ungepaarte (nur CS) Studien, wo der auditive Ton geliefert wird. - Definieren Sie einen Wimpernschlag als somatosensorischen Reaktion tritt es als Reaktion auf den Luftstoß; Es gibt an, ob die Hornhaut auf den Luftstoß mit der aktuellen Konfiguration Kopfstück reagiert. Dies ist eine Art von Unconditioned Antwort (siehe unten).
- Definieren Sie Unconditioned Reaktionen als somatosensorischen Antworten auf Luft Blätterteig während gepaarten (CS + US) Versuche, die mehr als 650 ms, nach dem Ton einsetzen auftreten.
- Definieren Sie konditionierte Antworten als blinkt, die optimal sind zeitlich zusammenfallen mit dem Luftstoß. Sie werden zwischen 350 bis 650 ms nach dem Ton einsetzen für die gepaarten oder ungepaarten Studien initiiert und zeigen, dass assoziativen Lernens zwischen CS und US aufgetreten sein könnten.
- Definieren Sie eine Testversion als konnte nicht Antworten , wenn kein blinken als Reaktion auf den Luftstoß erkannt wurde; Diese können für die gepaarten (CS + US) beobachtet werden Studien oder somatosensorischen Studien. Diese Antworten zeigen, dass der Luftstoß nicht das Auge erreicht.
- Definieren Sie einen Wimpernschlag als eine Antwort zu erschrecken , tritt innerhalb der ersten 200-ms Intervall nach dem Signalton; Diese stellen eine Reflexe Antwort auf die auditive Ton oder blinkt, die zufällig zeitlich mit Ton einsetzen, die unabhängig von der Luftstoß eingetreten wäre.
7. Analyse des assoziativen Lernens
Hinweis: Eine Reihe von Methoden wurden bisher beschrieben, um assoziative lernen9,10,11 (hier kurz beschrieben) zu beurteilen. Forscher sollten diese Methoden ändern oder entwickeln ihre eigenen festlegen, ob assoziative lernen, je nach ihrer experimentellen Design stattgefunden hat.
- Zunächst schließen Sie aus, Studien, in denen keine nutzbaren Daten, z. B. mit technischen Fehlern erfasst wurden.
- Berechnen Sie die Empfindlichkeit gegenüber der Luftstoß durch Berechnung des Anteils der Eyeblink Antworten aus allen möglichen somatosensorischen Studien.
- Prüfen Sie, ob assoziative lernen während des Experiments aufgetreten ist, durch den Vergleich des Anteil der konditionierten Antworten in sequentielle Blöcke von 10 Studien. Eine Erhöhung des Anteils der konditionierten Antworten im Laufe des Experiments kann darauf hindeuten, Konditionierung stattgefunden hat.
Hinweis: Alternativ Modellierung die Veränderung Eyeblink Latenzen im Laufe der Zeit ließe sich prüfen, ob das Kind ihre Reaktionszeiten im Verlauf des Experiments angepasst hat. - Prüfen Sie, ob assoziativen Lernens experimentelle sitzungsübergreifend oder zwischen zwei Versuchsgruppen stattfindet. Verwenden Sie ein beliebiges Kriterium festlegen, ob Klimaanlage (z.B.> 40 % konditionierte Antworten innerhalb eines experimentellen Modus) stattgefunden hat6,9.
Representative Results
Testbarkeit Eyeblink Konditionierung in One-jährige Kinder:
Der Versuchsaufbau erforderlich zu prüfen, Eyeblink Konditionierung ist eine Herausforderung für ein-jährige Kinder. In den Experimenten wir führten 35 % (11 Kinder) konnte nicht im Experiment zu beteiligen, weil sie nicht ertragen würde, trägt eine Stirnband oder Erhalt der Luftstoß der Hornhaut (n = 31 Kleinkinder versucht). Etwa die Hälfte (52 %, n = 16 Kinder) abgeschlossen oder den ersten Satz von 50 Studien teilweise abgeschlossen (Median [IQR] = 22,5 [0 - 50] Studien abgeschlossen). Der Rest nahm an zwei experimentelle Sessions.
Zuverlässige experimentelle Ergebnisse zu erzielen erfordert korrekte Positionierung der Stirnband und Luft Blätterteig-Einheit während des Experiments. Für diese Kinder, die an dem Experiment teilnehmen, Blätterteig Luftzufuhr an der Hornhaut für die Mehrheit der Studien lässt sich (77 ± 6 % der Luftstöße induziert eine Blink-Reaktion; n = 13 Säuglingen/557 Luft Blätterteig Studien versucht). Die verbleibenden Versuche darstellen "Versuche fehlgeschlagen" in denen das Kind nicht empfindlich auf den Luftstoß war.
Abbildung 3 illustriert Luft Blätterteig Lieferung Erfolg während zwei Klimaanlage Experimente von 50 Studien. Die Anzahl der beobachteten Eyeblinks wird als Prozentsatz der Luft Blätterteig Studien (d.h. somatosensorische oder gekoppelte Prüfungen) beschrieben. Blinken Sie Antworten aus der ersten Säugling Abnahme in jedem aufeinanderfolgenden Block von 10 Studien, die darauf hinweist, dass das Stirnband suboptimal gegen Ende des Experiments positioniert kann. Im Gegensatz dazu zeigt das zweite Baby relativ guten Empfindlichkeit gegenüber der Luftstoß mit mindestens 90 % der Luft Blätterteig Studien erfolgreich eine Blink-Antwort in jedem nachfolgenden Block von 10 Studien zu entlocken.
Eyeblink Erfolg Erkennungsraten mit Videokamera-Analyse:
Eine Hand-Videokamera bietet eine zuverlässige Methode zur Erfassung Eyeblink Antworten dadurch, dass des Forschers um manuell das Kind die Augen zu verfolgen. Manuelle Bild-für-Bild-Analyse wurde verwendet, um Antworten von 90 ± 3 % der Studien zu identifizieren (n = 13 Säuglingen/608-Studien versucht). Die verbleibenden Versuche repräsentieren diejenigen in denen das Kind die Augen während der Dreharbeiten verdeckt wurden.
Obwohl Videoanalyse subjektive Interpretationen benötigt, kann diese Methode verwendet werden, Eyeblink Latenz von Impuls Anfang zuverlässig messen. Unsere Analyse der Blink-Antwortzeiten durch zwei unabhängige Beobachter gemessen zeigt gute Inter Rater Zuverlässigkeit, wobei die mittlere Differenz zwischen den Messungen 28,4 ms und 95 % Grenzen der Vereinbarung ± 263,9 ms wurde (Abbildung 4: n = 4 Experimente von zwei Beobachter/94 analysiert blinken Antworten). Wenn man bedenkt, dass konditionierte Eyeblinks als diejenigen, die fallen in einem 300-ms-Fenster definiert sind, ermöglicht dies hinreichend genau zu unterscheiden konditionierten aus Unconditioned Antworten. Beachten Sie, dass diese Versuche mit erhebliche Meinungsverschiedenheiten können leicht überprüft nach Konsultation zwischen den Beobachtern.
Eyeblink Konditionierung in One-jährige Kinder:
Die zwei Konditionierung Experimente gezeigt in Abbildung 5A und 5 b veranschaulichen die Eyeblink Antwort Latenzen im Laufe des Experiments für die gepaarten und ungepaarten Versuche. Die Eyeblink Antworten aus dem ersten Kind während der ersten EBC-Sitzung-Spitze nach dem Einsetzen der Luftstoß und außerhalb der Latenz-Fenster, das eine konditionierte Reaktion definiert. Darüber hinaus dieses Kind reagiert nicht auf eines der ungepaarten (nur Ton) Studien. Zusammen, dies bedeutet, dass dieses Kind nicht gelernt hat, den Ton und die Luft assoziieren Blätterteig während ihrer ersten Exposition auf das EBC-Paradigma. Im Vergleich dazu das zweite Baby, wer in ihrer zweiten EBC-Sitzung teilnimmt, routinemäßig blinkt vor dem Luft Blätterteig einsetzen, und reagiert auf die unpaaren Versuche, darauf hinweist, dass der Säugling Eyeblink Konditionierung nach der ersten Sitzung von 50 erreicht hat Studien. Abbildung 5 zeigt eine typische Methode zur Beurteilung von assoziativen Lernens über mehrere Versuche von Sitzungen6,9,10,11. Die Anzahl der konditionierten Antworten von beiden Säuglingen wird in aufeinander folgenden Blöcken von 10 Studien und als Prozentsatz aller gepaarten und ungepaarten Studien in jedem Block beschrieben. In diesem Fall beide Säuglinge zeigen nur minimale Änderungen in assoziativen Lernens während des Experiments zur Veranschaulichung fehlender Klimaanlage (1 Kleinkind, Sitzung 1) oder dass Klimaanlage bereits stattgefunden hat (Kind 2, Einheit 2).
Abbildung 1 : Eyeblink Konditionierung Set-up mit einem ein-Jahr-alten Säugling Teilnehmer. Das maßgeschneiderte Stirnband Unterstützung Blätterteig Lufteinheit wird angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Reize und Antwort Definitionen für ein Eyeblink Konditionierung Paradigma geeignet für Experimente mit ein-jährige Kinder. (A) während der gekoppelten Studien eine 750-ms-Signalton (konditionierte Stimulus [CS]) überlappt und endet mit einem 100-ms-Luftstoß (Unconditioned Stimulus [US]). Handumdrehen Antworten variieren je nach ihr Timing im Verhältnis zu den Reiz-Ausbruch (startle Antwort: 0 - 200 ms; konditionierte Reaktion [CR]: 350-650 ms, Unconditioned Antwort [UR]: 650-2.000 ms). Antwort-Definitionen sind identisch für ungepaarte (nur CS) Studien. (B) somatosensorischen Studien liefern einen einzigen 100-ms-Luft Blätterteig (uns) nur, und blinkt, die innerhalb eines Zeitfensters von 300 ms auftreten werden als somatosensorischen Antworten (SSR) eingestuft. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Beispiel für Eyeblink Konditionierung Experimente bei ein-Jahr-alten Säuglingen zur Veranschaulichung Variation in der Luft Blätterteig Empfindlichkeit. Die Empfindlichkeit gegenüber der Luftstoß wird als die Anzahl der beobachteten Reaktionen auf den Luftstoß (geliefert als somatosensorischen Testversion oder als gekoppelte Testversion) als Prozentsatz aller Luft Blätterteig Studien in jedem nachfolgenden Block von 10 Studien beschrieben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Bland-Altman Plot veranschaulicht das Abkommen im Handumdrehen Antwortzeiten gemessen von Video-Kamera Aufnahmen von zwei unabhängigen Beobachtern. Graue Linien zeigen die Abweichung zwischen den Messungen (definiert als die mittlere Differenz zwischen den Messungen) und die Ober- und Untergrenzen des Abkommens (LOA, definiert als die mittlere Differenz ± 1,96 Standardabweichungen). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5 : Beispiel für Eyeblink Konditionierung Experimente bei ein-Jahr-alten Säuglingen zur Veranschaulichung Variation in konditionierten Antworten. Blink-Response-Zeiten werden angezeigt für den gekoppelten (CS + US) Studien (schwarze Kreise) und ungepaarten (nur CS) Studien (graue Felder). Der graue Balken zeigt das Timing der Luftstoß und die schwarzen Linien zeigen die Latenz zwischen 350-650 ms verwendet, um eine konditionierte Reaktion zu definieren. Studien, die eine Reaktion auslösen konnte gezeigt werden, auf das X-Achse. (A) Blink Antworten lassen sich in der Regel vor dem Fenster Klimaanlage und ungepaarte Studien konnte eine Eyeblink Antwort zu entlocken. (B) Antworten sind ausreichend zeitlich zusammenfallen mit dem Auftreten der Luftstoß und ungepaarten Antworten und gekoppelten Prozesse initiieren eine konditionierte Reaktion. (C) Klimaanlage im Laufe des Experiments ist als die Anzahl der konditionierten Antworten (beschrieben als Prozentsatz aller gepaarten und ungepaarten Studien), in jedem aufeinanderfolgenden Block von 10 Studien dargestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Discussion
Modifikationen und Fehlerbehebung:
Kommerzielle oder maßgeschneiderte Eyeblink Konditionierung Systeme sollten die Reize in experimentell kontrollierter Weise zum Thema zu präsentieren und die Verhaltensreaktionen erkannt werden. Obwohl dies ein nicht-invasives Verfahren ist, die technischen Voraussetzungen für die Durchführung dieser Experimente in weniger konform Populationen (z.B. Säuglinge) ist eine Herausforderung. Physisch anbringen der Kopf-Halterung für das Auge ist möglich, dass Tierversuche, wie z. B. Klimaanlage Experimente in Schafe12,13. Ältere Kinder tolerieren können, trägt eine Stirnband mit einem angehängten Luftstoß Lieferung Einheit6,7,8 und können ermutigt werden, eine Konstante augenposition mit Fernsehen als eine Ablenkung zu pflegen. Obwohl Compliance bei sehr jungen Säuglingen durch Konditionierung während Schlaf14, ältere Säuglinge nähert sich ein Jahr erreicht werden kann, sind in der Regel leicht abgelenkt, so dass sie eine einzigartige Herausforderung Bevölkerung. Trotz der Herausforderungen sind Eyeblink Konditionierung Experimente möglich für einige wach, ein-Jahr-alte Säuglinge. Unsere Erfolgsquoten ähneln denen, die bisher in der Literatur (~ 40-50 % Übereinstimmung)9, wobei die Wahrscheinlichkeit auf Erfolg spiegelt sich wahrscheinlich vom Temperament des Kindes am Tag des Experiments.
Wichtige Schritte im Rahmen des Protokolls:
Wir empfehlen einen kommerziell erhältlichen EBC Aufbau Anpassung oder mit Hilfe einer speziell angefertigten Luft Druckerzeuger wie zuvor beschrieben, für jüngere Kinder9,10,11. Die erste Herausforderung ist die Aufrechterhaltung Luftstoß Liefereinheit lagerichtig in das Experiment, wonach eine kleinere Kopfstück modifiziert. Augensicherheit ist ein besonderes Anliegen für nicht konforme Säuglinge, die versuchen, die Kopfbedeckung selbst zu entfernen. Kleinkinder müssen daher jederzeit überwacht werden. Ein Teil der Kinder wird nicht dulden, tragen das Stirnband oder Erhalt der Luftstoß auf das Auge (hier ~ 35 %), obwohl dies durch sanft das Kind abzulenken, wenn das experimentelle Protokoll dadurch verbessert werden kann und wenn dies offenkundig mit Kleinkind nicht stört Verhalten. Für die Kinder, die das Experiment abgeschlossen haben, sind nur Luft-Blätterteig Studien bestätigen, dass das Oberteil richtig positioniert war, wie fehlende oder Umkehrung der Konditionierung Antworten durch schlechte Lieferung der Luftstoß in das Experiment hervorgerufen werden kann.
Während manuelle Videoanalyse zeitaufwändig ist, sind automatisierte Maßnahmen der Säugling Eyeblink Antworten derzeit nur schwer zu erreichen. Infrarot-Sensoren geliefert mit kommerziellen EBC-Setups (positioniert auf dem Stirnband angrenzend an die Air-Blätterteig-Einheit) aufzeichnen den Moment zum Reflexionsgrad von der Hornhaut bei einer 1-kHz-Abtastrate und blinkt können durch Messung der Veränderung Reflexion erfasst werden nach dem Reiz einsetzen. Wesentliche Änderungen von Baseline Reflexion zeigen, dass eine Eyeblink aufgetreten, und automatisierte Analyse zu erkennen und klassifizieren Blink Antworten verwendet werden. Aber wir und andere9,10,11 deuten darauf hin, dass Forscher sollten nicht auf Infrarot-Hornhaut Reflexion Messungen zur Verfügung gestellt mit kommerziellen EBC-Setups, blinkt bei ein-Jahr-alten Kindern zu erkennen. Während diese Methode geeignet für Erwachsene Teilnehmer oder ältere Kinder6,7, konnten wir nicht zuverlässig blinkt in One-Year-Olds mit dieser Methode erkennen. Hier ist vernachlässigbar Veränderung der Basislinie Reflexion beobachtet, über die Länge der Studie Epoche, darauf hinweist, dass die Eyeblink nicht von der Infrarot-Sensor erkannt wird. Darüber hinaus sind falsche positive Spitzen häufig beobachtet, die durch Kopfbewegungen des Säuglings, die sich ändern entstehen, die Positionierung des Sensors. Pilotversuche bei Erwachsenen deutet darauf hin, dass der Teilnehmer an oder leicht über ihre horizontale Sichtweite konzentrieren muss, mit der Luft Blätterteig Einheit innerhalb von 1 – 2 cm von der Hornhaut positioniert, erfolgreich die Eyeblinks-Bedingungen zu erkennen, die nicht beibehalten werden kann konsequent mit einem Kleinkind. Darüber hinaus können kleine interpalpebral Riss bei Säuglingen Hornhaut Reflexion machen Blink Detection schwierige als bei Erwachsenen oder älteren Kindern verkleinern.
Bedeutung im Hinblick auf bestehende Methoden:
Trotz der Notwendigkeit zur manuellen Videokamera Analyse und die niedrigere zeitliche Auflösung eines 60-Hz-Videos im Vergleich zu 1-kHz-Reflexionsgrad Messungen machen die verbesserte Erfolgsraten der Videoaufnahmen dieses eine überlegene Methode des Infrarot-Sensors. Obwohl die Hornhaut Luftstoß auch durch die gleiche Kopfbedeckung Befestigung als kommerzielle Infrarot-Sensor geliefert wird, scheint Reiz Lieferung benötigt weniger anfällig für die Positionierung als des Infrarot-Sensors sein, da die Luft Blätterteig Stärke angepasst werden kann. Dies vermeidet übermäßige Anpassung des Kopfbandes, die dazu neigt, Säugling Compliance zu reduzieren. Forscher, die höhere Erfolgsraten mit dem Infrarot-Sensor erreichen erfordern noch Videokamera Analyse zu unterstützen. Für die Prüfungen besteht keine nachweisbaren Eyeblink Antwort vom Infrarot-Sensor aufgezeichnet, video-Aufnahmen zwischen wahren Antworten oder ungültige Versuche unterscheiden können (d. h., ob das Kind in der richtigen Position, Blätterteig Lufteinheit trug ob sie nicht blinken, oder ob der Infrarot-Sensor nicht Nu zu erkennen). Videoaufnahmen sind notwendig, um falsch positive Ergebnisse bestätigen wie Bewegungen während der Testphase auch getarnt als blinkt Artefakte produzieren können. Eye-Tracking-Gerät15,16 und Elektromyographie9,10,14 Orbicularis Oculi Muskel sind andere automatisierte Methoden der Blink-Erkennung, die über den Rahmen dieses Beitrags Obwohl ohne visuelle Bestätigung der Blätterteig Einheit Positionierung für jeden Versuch, sind diese Methoden wahrscheinlich die gleichen Nachteile wie die hier beschriebene Software zur Erkennung der Infrarot-Eyeblink leiden.
Bisher konzentrierte sich veröffentlichtes Werk auf Augenzwinkern Konditionierung auf jüngere Kinder, in der Regel 4-5 Monate alt; Diese Arbeit verleiht dieser Körper der Literatur beschreibt Techniken für den Einsatz mit älteren Kindern (12 ± 1 Monat alt) und die besonderen Herausforderungen, die dieser Altersgruppe präsentiert. Andere Autoren haben auch Videoanalyse (alleine oder in Kombination mit Elektromyographie) mit Säuglingen9,10,11,14verwendet. Die hier vorgestellten Ergebnisse stehen im Einklang mit dieser bisherigen Erkenntnisse, die darauf hindeuten, dass video Frame für Frame-Analyse ist die beste Methode zur Erkennung von Eyeblinks bei Säuglingen, wie Elektromyographie und Infrarot-Überwachung wegen Gesichts- und Kopf problematisch sein kann Bewegungen bei sehr kleinen Kindern. Diese Arbeit unterstützt auch die Feststellung, dass Säuglinge konditionierte Antworten sogar in sehr jungem Alter, zumindest für eine 650-ms Verzögerung Intervall9entwickeln können.
Zukünftige Anwendungen:
Eine begrenzte Anzahl von Studien Eyeblink Konditionierung Experimente bei menschlichen Säuglingen versucht haben, sollte die Stimulus-Parameter sorgfältig in Zukunft Experimente anzusehen. Klimaanlage hat bereits 10 Tage Alter17 beobachtet und zumindest innerhalb des ersten Monats des Lebens14, obwohl eine lange Inter-Stimulus-Intervall (z.B.1.500 ms) scheint in diesen sehr frühen Stadien der Kindheit18 noch erfolgreicher zu sein . Im Vergleich dazu nähert sich sechs Monate alt Kinder können zuverlässiger konditioniert werden mit einem kürzeren Intervall10, obwohl weniger erfolgreich als Erwachsene19. Das 650-ms Intervall zwischen dem Ton und der Luftstoß vorgeschlagen für ein-jährige Kinder in diesem Protokoll erfolgreich induzieren können Konditionierung in 4 oder 5 Monate alten Säuglingen9,10,11, ebenso wie in älteren Kinder6,7. Dies deutet darauf hin, dass Eyeblink Konditionierung Entwicklungsgeschichtlich, mit der optimalen Verzögerung zwischen dem Ton und der Luftstoß abnehmender mit Kleinkind Alter10 geregelt ist, obwohl weitere Experimente, die Anpassung dieses Protokolls erforderlich, um diese zu untersuchen sind, Weitere Parameter.
Einschränkungen dieser Technik:
EBC kann schwierig sein, einrichten und Problembehandlung in jeder einzelnen Situation erfordern. Bestimmung des Auftretens Klimaanlage hat ist schwer zu definieren und wird am besten über mehrere Studien oder Sitzungen beobachtet. Zum Beispiel haben andere Studien eine willkürliche Klimaanlage Rate von 40 % in jedem Block von 10 Studien definieren, Klimaanlage und verglichen alle Änderungen zwischen aufeinander folgenden experimentellen Sitzungen6,9,10, 11. Erfolgreichem Abschluss die erforderliche Anzahl von Studien, Klimaanlage beobachten kann daher, in kleinen Kindern schwer zu erreichen sein.
In Bezug auf die Daten-Analyse ist eine der besonderen Herausforderungen Reiz-evozierten blinkt von spontanen (endogene) blinkt9trennen. Die Rate der spontanen Eyeblinks unterscheidet sich zwischen den Individuen aber durch Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit im Raum, sowie Verhaltensstörungen Staaten beeinflusst werden kann. Doppelte blinkt auftreten, wenn gibt es zwei komplette Augenlid Verschlüsse in sehr kurzer Zeit (z.B. 400 ms)20, und es möglich ist, dass diese spontane blinkt zur gleichen Zeit wie eine Reflexive auftretenden widerspiegeln (bedingte oder unbedingte) Eyeblink. Wir gelegentlich doppelt blinkt in unserem Datensatz beobachtet und unter Verwendung dieses Protokolls, verzeichneten wir die Wartezeit auf den ersten Augenblick nur. Verwerfen diese Studien kann jedoch Sicherheit erhöhen, dass die Analyse Impulse-evozierten blinkt nur erfasst.
Forscher müssen auch Entscheidungen auf die Latenz-Fenster, um eine konditionierte definieren oder Unconditioned Antwort, sowie ob Latenz zu blinken Beginn oder Blink-Peak (Augenlid Schließung) definieren. Hier haben wir konservativ eine konditionierte Reaktion definiert als ein Wimpernschlag, die Spitzen vor 650 ms in gepaart oder ungepaart Studien zur Rechtssicherheit, dass die blinken vor dem Luft Blätterteig auftreten und nicht als Reaktion auf den Luftstoß initiiert wird. Jedoch diese Latenz Fenster ließe sich für ungepaarte Studien wo keine Luftstoß vorgestellt, insbesondere dann, wenn mit Gipfel Blink um die Latenz der Antwort zu definieren. Wichtigere hier gilt der Grundsatz, dass alle Instanzen in der gleichen Weise von allen Prüfern behandelt werden und dass dieses Kriterium vor Beginn jeder Daten Analyse ermittelt wird.
Zusammenfassend bieten video-Frame-by-Frame-Analyse eine zuverlässige und reproduzierbare Methode zur Beurteilung der klassischen EBC Antworten bei jungen Säuglingen. Diese Maßnahmen bieten ein Maß für lernen, Verhalten, obwohl eine umfassende Entwicklungs Bewertung, zur vollständigen Charakterisierung Neurodevelopment in Kinderschuhen erforderlich ist.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Studie wurde unterstützt von der New Zealand Optometric Vision Research Foundation, Health Promotion Agency, The University of Auckland Faculty Research Development Fund, und The University of Auckland School of Medicine PBRF zu finanzieren.
Wir sind dankbar für die beiden Optometrie-Studenten von der University of Auckland (Shannon Boy und Harpreet Singh), die die manuelle video Analyse untersuchen Vereinbarung im Handumdrehen Antwort Messungen abgeschlossen.
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
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