قياس وظائف المخ Neuromagnetic في مرحلة ما قبل المدرسة والأطفال MEG الحجم مخصص

مرحباً، أنا ستيفن كرين، المدير المشارك لمختبر KIT Macquarie لأبحاث الدماغ. المختبر جزء من مركز ماكواري للعلوم المعرفية في جامعة ماكواري في سيدني، أستراليا.

مرحباً، أنا إيلا ديسان وأعمل في مركز ماكواري للعلوم المعرفية في جامعة ماكواري. ومرحباً، أنا ميلاني ريد وأعمل في مركز ماكواري للعلوم المعرفية. نحن نستخدم في جامعة ماكواري تقنية تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) لدراسة آليات الدماغ الكامنة وراء الاكتساب السريع للغة لدى الأطفال من سن الثانية حتى السادسة.

يقيس تخطيط المغناطيسية الدماغية (MEG) المجالات المغناطيسية التي تنتجها القشرة الدماغية. وباستخدام هذا التقنية، يمكننا ملاحظة مناطق الدماغ النشطة أثناء معالجة اللغة وكيفية تفاعل هذه المناطق المختلفة. وهناك تحديان يواجهان العمل مع الأطفال الصغار عند استخدام أي نظام من أنظمة تصوير الدماغ.

أولاً، لا تعتبر البيئة المختبرية التقليدية ملائمة للأطفال. ثانياً، للمشاركة في دراسة تصوير الدماغ بالمغناطيسية (MEG)، يجب توجيه الأطفال لتقليل الحركة إلى أدنى حد، كما يُطلب منهم التركيز في مهمة معينة لفترة زمنية ممتدة. لذا، كان من المهم بالنسبة لنا تطوير بروتوكول يتيح لنا استخدام تقنية MEG وفي الوقت ذاته يكون ممتعاً للأطفال.

ومع ذلك، فإن فوائد تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) تفوق بكثير التحديات المرتبطة به. ويُعد تخطيط الدماغ المغناطيسي أداة قيمة لقياس وظائف الدماغ لدى الأطفال بفضل دقتها الزمنية العالية للغاية ودقتها المكانية الجيدة، وبما أنها تقنية غير جراحية تماماً، فهي لا تشكل أي خطر متصور على الأنسجة العصبية للأطفال. وعلى عكس تخطيط الدماغ المغناطيسي، تستخدم تقنيات التصوير العصبي الأخرى مجالات مغناطيسية قوية وأدوية مشعة قد تشكل خطراً على الأطفال الصغار.

تتمثل إحدى الميزات الرئيسية لنظام MEG الخاص بالأطفال لدينا في أنه صُمم خصيصاً ليُستخدم مع الأطفال الصغار. وقد تم تطوير هذا النظام ذو الحجم المخصص بالتعاون مع معهد كاناوا للتكنولوجيا ومؤسسة يوكوجاوا الكهربائية. سنقوم في الفيديو التالي بشرح سبب ضرورة تطوير نظام MEG مخصص للأطفال، وسنوضح لكم كيفية تحضير الأطفال لإجراء الدراسات باستخدام نظام MEG.

لذا انضموا إلينا خلال الدقائق القليلة القادمة وسوف نأخذكم في جولة داخل المختبر. سنشرح الخطوات التي اتخذناها لجعل الأطفال يستمتعون بالمشاركة في دراساتنا. يحتوي المختبر على نظامين MEG موجودين في نفس الغرفة المشكلة مغناطيسياً.

يتكون نظام البالغين من 160 مستشعراً موزعة بالتساوي داخل خوذة MEG، مما يوفر تغطية شاملة للرأس. أما نظام MEG المخصص للأطفال فيتبع تخطيطاً مشابهاً، ولكنه يحتوي على 64 مستشعراً مما يجعل الخوذة أصغر حجماً ومناسبة تماماً لأطفال ما قبل المدرسة والرضع. وتعد تقنية تخطيط المغناطيسية الدماغية أو التصوير المغناطيسي للدماغ تقنية للتصوير العصبي تقوم بقياس النشاط العصبي بشكل مباشر.

يمكن لتخطيط المغناطيسية الدماغية (MEG) اكتشاف وتضخيم المجالات المغناطيسية الضعيفة الناتجة عن آلاف العصبونات النشطة في قشرة الدماغ. ويتم اكتشاف هذه المجالات المغناطيسية الضعيفة بسهولة بواسطة مستشعرات خاصة تُعرف باسم SQUIDs أو أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل. وتعد تقنية الموصلية الفائقة ضرورية لتشغيل أنظمة تخطيط المغناطيسية الدماغية.

تتطلب المستشعرات تبريداً باستخدام الهيليوم السائل عند درجة حرارة 270- درجة Celsius. يوضح التسلسل التالي عملية إعادة ملء الأنظمة بالهيليوم السائل، وهي عملية يجب القيام بها بشكل أسبوعي. ويمثل الهيليوم السائل الجزء الأكبر من تكاليف تشغيل نظام MEG.

تعتبر المجالات المغناطيسية المنبعثة من الدماغ صغيرة للغاية مقارنة بالمجالات المغناطيسية التي تنتجها جميع المعدات الموجودة في المختبرات الحديثة. وهذا يعني أن أنظمة MEG يجب أن توضع في غرفة معزولة مغناطيسياً. وتتكون الغرفة المعزولة في مختبرنا من ثلاث طبقات من مادة perlo وطبقة واحدة من النحاس.

يبلغ وزن الغرفة حوالي 8.5 tons، وكان لزاماً تعزيز أرضية المختبر بشكل خاص لتحمل هذا الوزن. وتمثل تكلفة الغرفة المعزولة مغناطيسياً ما بين ثلث إلى نصف التكلفة الرأسمالية لنظام MEG. تحتوي الغرفة على عدد من المنافذ في جانبها بحيث يمكن عرض المحفزات البصرية داخل الغرفة وتشغيل أنواع أخرى من المعدات عبر كابلات الألياف الضوئية.

يقيس تخطيط المغناطيسية الدماغية (MEG) المجالات المغناطيسية التي تنتجها الخلايا النشطة في الدماغ. وهناك تقنية ذات صلة وهي تخطيط كهربية الدماغ (EEG) التي تقيس المكون الكهربائي لهذه المجالات. ويُعد تخطيط كهربية الدماغ تقنية أبسط بكثير وأقل تكلفة، ولكنه يفتقر إلى قدرة تخطيط المغناطيسية الدماغية على تحديد موقع النشاط في الدماغ بدقة.

في الدراسات التي تشمل الأطفال الأكبر سناً والبالغين، غالباً ما نقوم بتسجيل كل من تخطيط كهربية الدماغ (EEG) وتخطيط مغناطيسية الدماغ (MEG) في الوقت ذاته. ومع ذلك، فإن هذا الأمر عادةً ما يكون غير عملي مع أطفال مرحلة ما قبل المدرسة بسبب طول الوقت المطلوب لإعداد تخطيط كهربية الدماغ (EEG). ونظراً لأن تخطيط مغناطيسية الدماغ (MEG) يستخدم مستشعرات مغمورة في الهيليوم السائل، فإن هذه المستشعرات تكون في مواضع ثابتة داخل خوذة عازلة ومحكمة الإغلاق بالتفريغ.

تم تصميم خوذة نظام MEG القياسي للبالغين لتناسب حوالي 95% من رؤوس البالغين. وهذا يعني أن الرؤوس الأكبر والأصغر حجماً لا تتناسب جيداً مع خوذة البالغين. ويمثل هذا مشكلة خاصة للأطفال في سن ما قبل المدرسة، لأن أنصاف أقطار رؤوسهم تكون أصغر بنحو سنتيمترين إلى ثلاثة سنتيمترات مقارنة برؤوس البالغين.

نظرًا لأن إشارات MEG تتلاشى بسرعة كبيرة مع زيادة المسافة، فإن هذا يعني أن العديد من المستشعرات في خوذة البالغين لن تكون فعالة في قياس الإشارات القادمة من أدمغة الأطفال. وهناك مشكلة أخرى تتمثل في أن الأطفال أكثر عرضة لتحريك رؤوسهم داخل الخوذات الكبيرة أثناء جلسات القياس.

يؤدي هذا إلى تدهور إشارات MEG. يوضح هذا المقطع مستشعرات MEG في نظام مخصص للبالغين. وبالنسبة لرأس الطفل، يمكنك أن تلاحظ أن العديد من المستشعرات بعيدة تماماً عن سطح الرأس.

ولهذا السبب، تبرز أهمية تصنيع خوذة MEG مخصصة الحجم لتناسب رؤوس الأطفال في سن ما قبل المدرسة. وفي هذا المقطع، يمكنك ملاحظة أن مستشعرات نظام MEG المخصص للأطفال لدينا تقع جميعها على مسافة قريبة جداً من سطح الرأس. وهناك عدة خطوات يجب إكمالها قبل أن نتمكن من بدء التجربة.

داخل غرفة مسح المعادن (MSR)، نتحقق مما إذا كان الطفل يحمل أي شيء مصنوع من مواد حديدية. هل يوجد أي شيء في جيوبك؟ لا. وبذلك يكونون قد اجتازوا الفحص الثاني.

نقوم بتجهيز الطفل بقبعة تحتوي على خمس ملفات علامات. ثم نقوم برقمنة شكل رأس الطفل أو رسم مخطط لرأسه كما نسميه. بعد ذلك، نضع الطفل داخل جهاز MSR أو "المركبة الفضائية" ليكون مستعداً للعب اللعبة بينما نقوم بتجهيز الرباط.

داخل غرفة الرنين المغناطيسي (MSR)، يتم عرض فيلم من اختيارهم على الشاشة الموجودة في الأعلى. وبمجرد استلقائهم بشكل مريح، نغلق الباب وتبدأ عملية الحصول على البيانات. تستغرق التجربة عادةً حوالي 20 دقيقة.

ندعو الطفل للعب لعبة داخل سفينة الفضاء أثناء مشاهدته لفيلم صامت. في حالتنا هذه، يستمع الأطفال إلى سلسلة من الجمل بانتباه ويكررون كلمة "جبن" بمجرد سماعها. رائحة الجبن من حقيبة ظهر القرد.

عمل جيد. الجبن بالجزر، عمل ممتاز. يتم تقديم المحفزات الصوتية، مثل الكلام، إلى أذني الطفل من خلال الأنابيب البلاستيكية التي تراها على صدر الطفل. ونستخدم قطع أذن رغوية بمقاس الأطفال لتثبيت الأنابيب داخل آذانهم.

أثناء عملية الحصول على البيانات، يتمت مراقبة الطفل باستمرار عبر دائرة فيديو مغلقة، ويمكن للمجربين التواصل مع الطفل من خلال ميكروفون. وقبل قياس MEG، نقوم بتثبيت خمس ملفات علامة على قبعة سباحة، والتي يتم وضعها بعد ذلك على رأس الطفل. وخلال قياسات MEG، تُستخدم هذه الملفات لقياس ومراقبة وضعية الرأس وحركته طوال فترة الحصول على البيانات.

يبقى الباحث وولي الأمر، في حال رغبتهما في ذلك، مع الطفل في الغرفة المعزولة طوال الوقت. يهدف ذلك إلى ضمان راحة الطفل وتقليل حركته إلى أدنى حد. وفي نهاية التجربة، يُكافأ الأطفال بجائزة مقابل أداء المهمة بشكل صحيح.

إذًا، أي ملصق تود اختيار؟ الأمر هنا "واحد هنا" و"واحد هناك". أولئك منكم الذين لديهم دراية بالأطفال في سن ما قبل المدرسة سيعلمون أن خيارهم الأول لن يكون الاستلقاء بلا حراك في غرفة معزولة مغناطيسيًا.

نستخدم مجموعة من التقنيات لجعل كل من البيئة والعملية ملائمين للأطفال. فالمختبر مليء بالملصقات والألعاب المحشوة المخصصة للأطفال. ويتم إجراء الاختبارات على مدار ثلاث إلى خمس زيارات للمختبر.

عادةً ما يُستخدم الاجتماع الأول لتعريف الطفل بالباحثين وببيئة تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG). يشاهد الطفل لعبة، أو حيواناً مثل الدب، أو شخصية الضفدع كيرميت. يتم استعراض جميع الخطوات التي سيمر بها الطفل خلال التجربة.

نقوم بطرح موضوع محدد لجلسات الاختبار؛ حيث يتم تصوير نظام MEG على أنه سفينة فضاء تنتظر اصطحاب الأطفال في مغامرة فضائية. ولدينا كتيبات عمل تعتمد على هذا الموضوع تشرح الخطوات التي سنمر بها، ومن ثم يقوم الطفل بالرسم حولها باستخدام قلم التلوين.

تماماً كما نرسم صورة لرأسك. من الضروري جداً أن يتمكن الأطفال من البقاء ساكنين أثناء عمليتي الرقمنة والاختبار. حسناً، الآن يجب أن نتجمد في مكاننا.

هل يمكنك التجمد بهذا الشكل؟ نوضح ذلك من خلال طلب إظهار الأطفال لنا كيف يتجمدون. عمل جيد.

جيد جداً. التجميد. يتم التأكيد على أهمية القدرة على التجميد في كل زيارة للمختبر. ومن المهم أيضاً التأكد من أن الأطفال يستوعبون كل خطوة من خطوات التجربة.

نحن نشرح الخطوات للأطفال باستخدام لغة يمكنهم فهمها. على سبيل المثال، نشبّه الغطاء الذي يحتوي على ملفات العلامات بخوذة رائد الفضاء. هل تشعر بأنك رائد فضاء الآن؟

ونحن نصف عملية الرقمنة بأنها رسم لصورة لرأسهم. وإذا بدا الطفل خجولاً أو قلقاً، فإننا غالباً ما نستخدم الدمى لتوضيح طبيعة التجربة. كما نطلب مساعدة الأطفال لمنحهم فهماً أفضل لما سنقوم به.

عادةً ما يكون الأطفال سعداء بمساعدة دمية في الدخول إلى الغرفة المحجوبة مغناطيسياً. وإذا كان الطفل لا يزال غير راغب في الدخول إلى الغرفة المحجوبة مغناطيسياً، فإننا نقضي ببساطة فترات من وقت اللعب حتى يشعر براحة أكبر. وعندما يصبح الأطفال معتادين على جميع الخطوات الواردة في البروتوكول الخاص بنا، نقوم بتقديم المهمة التجريبية المقرر تنفيذها داخل الغرفة المحجوبة مغناطيسياً (MSR).

ممم. إذاً هل تتذكر ما هي الكلمة السحرية التي كان عليك تكرارها؟ هل يمكنني سماعها؟ هل يمكنك ذلك؟

هل يمكنك قول ذلك مرة أخرى؟ نعم. جبن. على سبيل المثال، إذا قلت شيئاً مثل: في اليوم الآخر ذهبت إلى المنتزه ورأيت قطعة من الجبن. ماذا تفعل؟

كما تلاحظون، فإن إجراء دراسات تصوير الدماغ مع الأطفال يتطلب تقنيات متخصصة، كما يستلزم اتباع إجراءات تتجاوز تلك المستخدمة عادةً في الدراسات التي تُجرى على البالغين. فأولاً، قمنا بتطوير خوذة MEG ذات حجم مخصص، مصممة لتناسب رؤوس الأطفال وللحد من حركتها. وثانياً، جعلنا المختبر ملائماً للأطفال من خلال استخدام اللوحات الفنية على الجدران والألعاب المحشوة.

نحن نطبق طرقاً تم تكييفها لتناسب احتياجات ودوافع الأطفال الصغار. وقد صُمم مختبرنا لقياس الوظائف المعرفية للدماغ لدى الأطفال الصغار الأصحاء وهم في حالة يقظة؛ لذا فإن المتطلبات تختلف نوعاً ما عن تلك التي قد يتم مواجهتها في مجالات التصوير العصبي للأطفال بشكل عام.

يعد ظهور أنظمة تخطيط المغناطيسية الدماغية (MEG) المخصصة للأطفال تقدماً هاماً في مجال العلوم العصبية المعرفية. حيث سيتيح لنا الحصول على قياسات لوظائف الدماغ في فئة عمرية تشهد تشكلاً مذهلاً وجذرياً في وظائف الدماغ. وفي الوقت الحالي، لا نملك سوى القليل من المعرفة حول هذه العمليات النمائية.

نأمل في سد هذه الفجوة من خلال دراسة وظائف دماغ الأطفال باستخدام MEG.