使用定制尺寸脑磁图测量学龄前儿童的神经磁脑功能

摘要

专为年幼儿童设计的脑磁图（MEG）系统的出现，为研究大脑发育带来了重要的新机遇。结合一种将实验要求与儿童能力相匹配的实验方案，该新系统可用于研究3至6岁健康清醒儿童的认知和语言过程。

摘要

脑磁图是一种用于检测与皮层活动相关的磁场的技术[1]。大脑的神经电生理活动会产生电场——可通过脑电图（EEG）记录——以及伴随的磁场——可通过脑磁图（MEG）检测。MEG信号由一种称为超导量子干涉装置（SQUID）的专用传感器检测。超导传感器需在-270 °C下使用液氦进行冷却，这些传感器被封装在一个真空隔热的头盔状容器（称为杜瓦瓶）内，并浸没于液氦中。SQUID传感器在杜瓦头盔内的液氦冷却剂中固定于特定位置，受试者的头部则置于杜瓦头盔内以进行MEG测量。杜瓦头盔的尺寸必须满足相互矛盾的两个要求：一方面，它必须足够大，以容纳大多数或全部研究对象的头部；另一方面，又必须足够小，使大多数SQUID传感器能够接近其需测量的微弱脑磁场。传统的全头型MEG系统设计用于适配超过90%的成人头部。然而，成人系统并不适合测量学龄前儿童的脑功能，因为儿童头部半径比成人小数厘米。麦考瑞大学的KIT-麦考瑞脑研究实验室采用了一种专为学龄前儿童头部尺寸定制的MEG系统。该儿童专用系统包含64个一阶轴向梯度计，基线长度为50 mm[2]，并与一套传统的成人尺寸MEG系统共同安置于一个磁屏蔽室（MSR）内[3,4]。这种定制化杜瓦头盔在儿童研究中具有三个主要优势：第一，传感器阵列的较小半径使SQUID传感器能够接收到儿童头部产生的神经磁场信号；第二，较小的头盔可使儿童头部完全插入杜瓦瓶内，而在成人用杜瓦头盔中，由于儿童头顶部至肩部的距离较短，无法实现完全插入。这两个因素对于MEG脑活动记录至关重要，因为神经磁场信号随距离增加而迅速衰减。第三，定制化的儿童头盔有助于头部的对称定位，并限制儿童头部在杜瓦瓶内的活动自由度。当该系统与一套兼顾数据采集需求及儿童动机和行为能力的实验方案结合使用时，这些特性显著简化了MEG信号的准备、定位与测量过程。 关键词：脑磁图，MEG，超导量子干涉装置，SQUID，儿童神经影像，磁屏蔽室，杜瓦瓶，神经磁场，麦考瑞大学，KIT-Macquarie脑研究实验室

方案

本指南介绍了使用脑磁图（MEG）测量学龄前儿童认知脑功能的设备和操作流程。首先，我们讨论在儿童中开展认知功能实验测试时必须考虑的一般性原则和相关问题。其次，我们描述了一种已开发的实验方案，旨在将MEG数据采集的要求与四岁儿童的动机水平和行为能力相匹配。

1. 使用脑磁图研究幼儿的一般注意事项

在对清醒的健康儿童进行脑磁图（MEG）研究时，研究人员面临诸多独特的挑战。首先，冷峻且功能化的实验室环境很可能使年幼的儿童感到害怕或恐惧。其次，一项实验性MEG研究的基本要求包括长时间限制身体活动以及持续专注于特定任务，而这些条件对许多成年人而言都显得乏味且不适。在儿童研究中，必须根据儿童的能力和局限性对实验流程进行相应调整。在本节中，我们将介绍受试者参与数据采集前所需准备的初始步骤。

1.1 熟悉/训练环节： 对于学龄前儿童，在正式数据采集之前会安排一次熟悉/训练环节。该环节允许儿童以自己的节奏逐步适应实验环境和研究人员。我们会向儿童及其家长介绍研究人员，并帮助他们熟悉实验室的环境和日常流程。在介绍环节结束时，家长和儿童应充分了解参与实验的全部步骤，并清楚数据记录过程中需要配合的内容。如果在首次到访时，儿童表现出害羞或焦虑情绪，我们会安排一段游戏时间，直至其感到更加放松，随后再继续介绍所有实验步骤。

1.2 解释环境： 为了向儿童解释MEG环境，我们会采用一个主题，为周围的环境提供儿童易于理解的解释。例如，将MEG系统描述为一艘正在等待儿童开启太空冒险的宇宙飞船，期间可能会发生一些不熟悉的事情。实验室的墙壁上贴有装饰贴纸并摆放了玩具（图1），并且设有专门的游乐室。在与儿童交流时，我们使用他们容易理解的语言，例如用“保持不动”代替“尽量减少移动”，用“宇航员头盔”代替“标记线圈帽”。

1.3 向儿童及其家长解释实验流程：我们会向儿童及其家长展示进入磁屏蔽室（MSR）前需要进行的各个步骤。第一步是在受试者头部佩戴一个带有五个标记线圈的帽具，这些线圈用于标示儿童头部在脑磁图（MEG）头盔内的位置。在儿童的协助下，我们会先对一个玩偶的头部形状进行数字化采集，然后邀请儿童和家长一起陪同玩偶进入磁屏蔽室/“太空舱”。进入磁屏蔽室后，我们将玩偶的头部放入头盔中，播放电影供其观看。接着，我们会询问儿童是否愿意和玩偶一起观看这部电影。如果儿童感到舒适放松，且家长对我们的实验流程表示满意，我们便会邀请他们在下次到访实验室时，在“太空舱”内参与一个游戏。

1.4 练习册： 我们设计了以太空探险为主题的练习册，向儿童展示他们在测试过程中需要完成的各个步骤。这些练习册会发放给儿童带回家，并由家长陪同完成，为下一次到访做好准备。练习册的主要目的是强调测试过程中三个关键要求的重要性：a）避免任何铁磁性物质进入磁屏蔽室（MSR）；b）正确佩戴标记线圈帽，以确保数据能够准确配准；c）在数字化和数据采集过程中保持静止不动。

2. 学龄前儿童脑磁图信号测量方案

2.1  数据采集和实验任务中使用的设备

标记线圈帽：为了将脑磁图（MEG）数据与受试者的结构信息（如磁共振成像或数字化头型）对齐，将一组五个线圈放置于儿童在MEG头盔内佩戴的泳帽中。这些线圈作为参考点，通过比较任务开始前和结束后的线圈位置，可测量数据采集过程中受试者头部的移动程度。

数字化仪：在数据采集之前，使用 Polhemus Fastrak® 数字化仪（Colchester, VT）对五个标记线圈的位置以及受试者的头部形状进行数字化。该数字化仪由笔式探头、三个接收器、一个发射器和一个运动追踪单元组成。此过程用于测量线圈的位置，随后将这些位置与脑磁图（MEG）获取的位置信息进行匹配，以实现采集的磁信号数据与头部形状的对齐。

儿童 MEG 系统：数据采集采用全头型儿童 MEG 系统（KIT，Kanazawa，日本）[2]。数据以 1000 Hz 的采样率连续采集，线上带通滤波范围为 0.03 Hz 至 200 Hz。在记录前后获取标记线圈位置，以测量头部运动。若头部运动超过 5 mm，则该数据被剔除。

MEG 系统外围设备： 实验刺激由一台运行 Presentation® 软件（Neurobehavioral Systems，Albany，CA）的计算机进行控制。视觉刺激通过位于磁屏蔽室（MSR）外部的投影仪投射到 MSR 内的屏幕上。听觉刺激通过 Etymotic Research 公司生产的 ER-30 型插入式耳机（配备婴儿尺寸的泡沫耳塞，Etymotic Research Inc.，Elk Grove Village，IL）传递。实验过程中，通过闭路摄像头持续监控儿童状态，实验人员则通过麦克风与儿童进行交流。

2.2 数据采集：数据记录会话包括以下阶段：

第一阶段：儿童到达前

在儿童到达实验室后应立即开始实验，因此所有计算机、软件和设备都必须提前准备就绪。通常建议在儿童和家长进入实验室时，现场应有两名经验丰富的研究人员。研究人员、家长与儿童之间的清晰沟通对于实验的成功至关重要。

第二阶段：儿童到达后

1. 签署知情同意书，实验人员确认家长是否有疑问。
2. 实验人员检查儿童是否记得在第一次会面或手册中介绍的所有步骤，并对未记住的步骤重新进行说明。强调在数据采集和数字化过程中保持静止或尽量减少移动的重要性。可通过使用玩偶进行演示。
3. 随后，实验人员检查儿童是否携带任何含铁物品（如带有亮片的衣物、首饰、遗忘在口袋中的玩具、发夹等）。如果儿童穿着含有铁质材料的衣物，我们会为其提供适合脑磁图（MEG）实验的安全服装。若家长希望在实验过程中陪同儿童，我们也确保其移除所有含铁物品。

第三阶段：使儿童做好在 MSR 内执行任务的准备

1. 实验人员安装固定5个标记线圈的帽具。
2. 实验人员对标记线圈的位置及儿童头部形状进行数字化采集。为了保持头部位置固定，我们使用已安装三个接收器的颈托。在此过程中，需反复强调尽量减少移动或“保持静止”的重要性，以获得良好的头部形状数据。儿童若能良好地“保持静止”，可获得贴纸作为奖励。
3. 邀请儿童进入磁屏蔽室（MSR）。插入耳机后，将儿童以仰卧位安置于MEG杜瓦头盔中。
4. 当儿童舒适地躺下且头部位于MEG头盔内后，将标记线圈连接至电源装置，并关闭磁屏蔽室的门。在整个实验过程中，一名实验人员（以及根据需要可有一名家长）留在室内。
5. 在准备阶段及数据采集各区块之间，可通过投影仪将电影或动画片投射到磁屏蔽室的背投屏幕上，以供娱乐。

第四阶段：运行实验

1. 当 MSR 门关闭后，启动 SQUIDs 并开始数据采集。
2. 在儿童观看电影的同时，进行共配准预测试，以确保 MEG 信号能够与数字化的头部形状进行共配准。该预测试包括将数字化过程中获得的标记线圈位置与 MEG 系统显示的位置进行匹配。
3. 当首次测试显示儿童头部在头盔内位置正确后，研究人员即可开始实验：(a) 将电影静音；(b) 研究人员询问儿童是否准备好“玩游戏”；(c) 游戏开始后，实验人员定期向儿童提供反馈。例如，儿童可能被要求聆听一系列句子，并在听到目标词（如 'cheese'）时立即重复该词。这些目标词嵌入在一部分捕捉试验中，用于检测儿童对任务的持续注意力，但不会纳入最终分析。
4. 任务完成后，再次进行标记线圈测量，以监测头部位置和移动情况。
5. 当 SQUIDs 停止工作后，打开 MSR 门，邀请儿童前往游戏室，在那里他们可以选择一份奖励，以表彰其出色的合作。

3. 代表性结果

本实验室的一项代表性研究采用该方案来探究儿童语言中逻辑能力的发展。共有26名3至4岁的儿童（平均年龄为4岁5个月）参与了至少一次习得实验。其中17名儿童参加了第二次测试，5名儿童参加了第三次测试。平均头部运动小于3.7 mm（标准差3.1 mm），远低于5 mm的阈值。在4.5%的实验中头部运动超过5 mm，运动幅度范围为5.5 mm至15 mm（平均值=8.6 mm，标准差=2.5 mm）。

图1. MSR 和 MEG 头盔上贴有贴纸并装饰了毛绒玩具。

图2. 一名4岁女孩使用成人尺寸的MEG（左图）。注意其头部上方的填充物，以尽量减少运动以及头部与头盔之间的距离。右图显示同一名女孩使用儿童专用MEG的情况。

讨论

本方案旨在促进对健康且清醒的4岁儿童认知脑功能的测量。我们采用一种定制尺寸的脑磁图（MEG）系统，专为学龄前儿童的头部尺寸设计。结合该系统、适合儿童的实验室环境以及针对儿童能力与动机特点优化的实验流程，我们能够在目前相关数据极为匮乏的年龄段内，实现对儿童认知脑功能的有效测量。

KIT-麦考瑞系统是首个专为学龄前儿童定制尺寸的全头型系统。使用定制化头盔杜瓦装置研究儿童具有三个主要优势。首先，传感器阵列的较小半径使SQUID传感器能够接近儿童头部的神经磁信号源。其次，较小的头盔可让儿童头部完全插入杜瓦装置内，而在成人用杜瓦头盔中，由于儿童头顶至肩部的距离较短，无法实现完全插入（见图2）。这两个因素对于脑磁图（MEG）记录脑活动至关重要，因为神经磁信号随距离增加会迅速衰减。第三，专为儿童设计的头盔有助于头部的对称定位，并限制儿童头部在杜瓦装置内的活动自由度。这些特点显著简化了针对儿童的MEG信号采集过程中的准备、定位和测量操作。

定制尺寸的儿童脑磁图（MEG）系统的出现是认知神经科学领域的一项重要进展。其他功能神经影像技术需要使用放射性药物或强磁场，可能不适用于儿童的常规检查。由于MEG是一种完全被动的测量技术，因此对发育中的组织不存在任何可预见的风险。目前，来自健康学龄前儿童的MEG数据非常有限，原因是传统的成人MEG系统并不适合用于儿童。儿童专用MEG系统将使我们能够在大脑活动发生显著重组的关键年龄段研究脑功能，从而为认知功能的正常发育与病理发展提供新的见解。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
儿童全头型脑磁图	金泽工业大学（金泽）与横河电机株式会社（东京）	Model PQ1064R-N2m
磁屏蔽室	藤原有限公司
数字仪	Polhemus（佛蒙特州科尔切斯特）	Fastrack
实验控制软件	神经行为系统	展示
耳机	Etymotic Research Inc.	ER-30