本方案描述了一种适用于一岁婴儿实验的眨眼条件反射范式。可使用商用或定制设备传递刺激,数据采集与分析应基于视频记录进行。
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本方案描述了一种适用于一岁婴儿实验的眨眼条件反射范式。可使用商用或定制设备传递刺激,数据采集与分析应基于视频记录进行。
经典眨眼条件反射(EBC)是指条件刺激(一种听觉音调)与非条件刺激(对角膜施加气流)之间形成的习得性关联。眨眼条件反射常被用于实验中检测依赖小脑的学习与记忆功能异常,这类功能正是此类联想学习的基础。尽管在成人和较大儿童中使用商用设备进行实验相对简单,但在婴儿中实施眨眼条件反射则更具挑战性,因为婴儿依从性较差,导致设备准确定位困难。为了在一岁婴儿中实现条件反射,可采用定制或改装的商用系统向婴儿角膜输送气流。主要挑战在于如何成功检测并分类行为反应。我们发现,在该人群中,自动眨眼检测方法并不可靠,条件反射实验应通过对辅助摄像机录制的视频进行逐帧分析来完成。该方法可用于研究眨眼条件反射的发育变化,并检验此范式是否能够识别出患有神经系统疾病的儿童。
眨眼条件反射(EBC)是一种经典条件反射形式,常用于评估人类和其他动物的学习与记忆能力。传统的EBC范式指的是在无害的“条件刺激”(如听觉音调)与“非条件刺激”(如角膜气流刺激,可引发反射性眨眼,即非条件反应)之间建立习得性关联。通过单独呈现条件刺激并区分眨眼反应为条件反应或非条件反应来评估联想学习;随着时间推移或经过多个实验阶段,条件反应数量的增加可能表明联想学习正在发生。
眨眼条件反射范式可用于识别存在联想学习障碍的个体。延迟性条件反射——即条件刺激(CS)在非条件刺激(US)出现之前开始且与其重叠——由小脑神经回路控制1,2,在患有神经系统疾病(包括精神分裂症3、自闭症4,5和胎儿酒精谱系障碍6,7)的成人和儿童中该功能会受到破坏。从临床角度来看,在婴儿期检测眨眼条件反射可能有助于这些神经系统疾病的早期发现和干预。然而,尽管年龄较大的儿童能够耐受角膜气流刺激6,7,8,并在实验过程中保持稳定的头部/眼部位置,婴儿则依从性较差,而传统的眨眼检测设备和软件尚不足以满足需求。
本文介绍了一种用于检测一岁儿童短延迟瞬目条件反射的简易实验方案,该方案改编自先前文献中描述的方法9,10,11该方案可使用任何能够向角膜输送可控气流脉冲的商用或自制系统来实施。然而,可不使用商用眼睑眨眼检测软件(例如,San Diego Instrument公司的EyeBlink检测系统(用于处理来自红外相机的信号),我们以及其他研究者9,10,11建议采用摄像机录像的逐帧分析方法,以检测和分类一岁婴儿的眼睑眨眼反应。
本研究中所述所有方法均经北区B健康与残疾伦理委员会批准,参考编号:13/NTB/181。
1. 技术要求
2. 实验范式
3. 测试步骤
4. 优化一岁婴儿实验设置
5. 使用摄像机录像进行眨眼检测
6. 呼出气冷凝液反应分类
7. 联合学习的分析
注意:已有多种方法被用于评估联想学习9,10,11(此处简要描述)。研究人员应根据自身的实验设计,对这些方法进行修改或开发新的方法,以确定是否发生了联想学习。
一岁婴儿眨眼条件反射的可测试性:
用于检测眨眼条件反射的实验装置对一岁婴儿而言具有挑战性。在我们开展的实验中,有35%(11名婴儿)未能参与实验,因为他们无法耐受佩戴头带或接受角膜气流刺激n = 31 名婴儿尝试)。约一半(52%) n 16 名婴儿完成了或部分完成了第一组 50 次试验(中位数 [IQR] = 22.5 [0 - 50] 次试验)。其余婴儿参与了两次实验会话。
获得可靠的实验结果需要在整个实验过程中正确放置头带和气流装置。对于参与实验的婴儿,在大多数试验中均可成功向角膜输送气流(77 ± 6% 的气流刺激引发了眨眼反应;n = 13 名婴儿/共进行 557 次气流试验)。其余试验属于“失败试验”,即婴儿对气流刺激无反应。
图3展示了在两次各包含50次试验的条件反射实验中,气流刺激成功递送的情况。观察到的眼睑眨动次数以气流刺激试验的百分比表示(即,无论是体感刺激或配对刺激试验)。第一位婴儿在每连续10次试验的区组中,眨眼反应逐次减少,表明头带可能在实验后期位置欠佳。相比之下,第二位婴儿对气流刺激表现出相对良好的敏感性,在后续每个连续10次试验的区组中,至少有90%的气流刺激试验成功诱发了眨眼反应。
使用摄像机分析检测眼睑闭合的成功率:
手持摄像机通过允许研究人员手动追踪婴儿的眼睛,提供了一种可靠的眼睑闭合反应记录方法。通过逐帧手动分析,可在90 ± 3%的试验中识别出反应(n = 13名婴儿/共608次试验)。其余试验中,婴儿的眼睛在拍摄过程中被遮挡,无法识别。
尽管视频分析需要主观判断,但该方法可用于可靠地测量刺激开始至眨眼反应之间的眼睑反应潜伏期。两位独立观察者对眨眼反应时间的测量分析显示了良好的评分者间一致性,测量值之间的平均差异为28.4 ms,95%的一致性界限为±263.9 ms(图4:n = 4次实验,由两位观察者分析/共94次眨眼反应)。鉴于条件性眨眼反应被定义为发生在300 ms时间窗口内的反应,该精度足以区分条件性与非条件性反应。需注意的是,对于存在显著分歧的试验,观察者经讨论后可轻松重新评估。
一岁婴儿的眨眼条件反射:
图5A 和 5B 所示的两个条件反射实验展示了在实验过程中,配对试验和非配对试验中婴儿眨眼反应的潜伏期。第一位婴儿在首次眨眼条件反射(EBC)会话中的眨眼反应峰值出现在气流刺激开始之后,且位于定义条件反应的潜伏期窗口之外。此外,该婴儿对所有非配对(仅声音)试验均无反应。这些结果表明,该婴儿在初次接触EBC范式时,尚未学会将声音与气流刺激关联起来。相比之下,参与第二次EBC会话的第二位婴儿通常在气流刺激出现之前即发生眨眼,并对所有非配对试验均有反应,表明该婴儿在经历首次50次试验的会话后已成功建立眨眼条件反射。图5C 展示了评估多轮会话中关联学习的典型方法6,9,10,11。两位婴儿的条件反应次数以每10次试验为一组进行连续描述,并表示为每组中所有配对和非配对试验的百分比。在此情况下,两位婴儿在实验过程中均表现出关联学习的极少变化,说明其未出现条件反射(婴儿1,会话1)或条件反射已经形成(婴儿2,会话2)。

图 1:一名一岁婴儿参与的眼睑条件反射实验装置。 图中显示了用于支撑气流装置的定制头带。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:适用于一岁儿童眨眼条件反射实验的刺激与反应定义。(A)在配对试验中,一个持续750毫秒的可听音调(条件刺激[CS])与一个持续100毫秒的气流刺激(非条件刺激[US])重叠,并在气流刺激开始后终止。眨眼反应根据其相对于刺激起始时间的时序进行分类(惊跳反应:0–200毫秒;条件反应[CR]:350–650毫秒;非条件反应[UR]:650–2,000毫秒)。对于非配对(仅CS)试验,反应定义相同。(B)躯体感觉试验仅给予一次100毫秒的气流刺激(US),在300毫秒时间窗内发生的眨眼被归类为躯体感觉反应(SSR)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:一岁婴儿眨眼条件反射实验示例,展示对气流刺激敏感性的个体差异。 对气流刺激的敏感性定义为:在每组连续的10次试验区块中,对气流刺激(无论作为躯体感觉试验或配对试验呈现)产生可观察反应的次数占所有气流刺激试验次数的百分比。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:Bland-Altman 图,展示两位独立观察者通过摄像记录测量的眨眼反应时间的一致性。 灰色线条表示测量值之间的偏差(定义为测量值间差异的均值)以及一致性上下限(LOA,定义为均值差异 ± 1.96 倍标准差)。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:一岁婴儿眨眼条件反射实验示例,展示条件反应的个体差异。 配对(CS + US)试验的眨眼反应时间以黑点表示,非配对(仅CS)试验以灰方块表示。灰色条带表示气流刺激的时间,黑色线条标示用于定义条件反应的350–650 ms潜伏期范围。未能引发反应的试验显示在x轴上。(A)眨眼反应通常出现在条件反射时间窗外,且非配对试验未能引发眨眼反应。(B)反应时间与气流刺激出现时间基本吻合,非配对和配对试验均能引发条件反应。(C)实验过程中条件反射的建立情况,以每10次试验为一个连续区组,显示各组中条件反应的数量(表示为所有配对与非配对试验的百分比)。请点击此处查看该图的放大版本。
修改与故障排除:
商用或定制的眼睑条件反射系统应以实验可控的方式向受试者呈现刺激,并能够检测行为反应。尽管这是一种非侵入性操作,但在依从性较差的人群(例如,婴儿)中开展此类实验的技术要求具有挑战性。在动物实验中(如绵羊的条件反射实验),可将头部固定装置物理连接至眼部12,13。年龄较大的儿童可能耐受佩戴带有附加气流输送单元的头带6,7,8,并可通过电视作为分散注意力的手段,鼓励其保持稳定的眼位。虽然可通过在睡眠期间进行条件反射训练以实现对极小婴儿的实验配合14,但接近一岁的较大婴儿通常极易分心,使其成为特别具有挑战性的研究群体。尽管存在困难,部分清醒的一岁婴儿仍可完成眼睑条件反射实验。我们的成功率与文献中先前报道的结果相似(约40%–50%的依从率)9,实验成功可能性可能反映了婴儿在实验当天的情绪和行为特征。
实验方案中的关键步骤:
我们建议为年龄较小的婴儿采用市售的EBC装置,或如先前所述使用自行组装的气压发生器9,10,11。最初面临的挑战是在整个实验过程中保持气流喷射装置处于正确位置,这需要使用更小且经过改良的头戴部件。对于不配合的婴儿,尤其是试图自行取下头戴部件者,眼部安全尤为值得关注。因此,必须始终密切监控婴儿的状态。部分儿童无法耐受佩戴头带或接受眼部气流刺激(本研究中约占35%),但如果实验方案允许且不会明显干扰婴儿行为,可通过轻柔分散其注意力的方式提高耐受性。对于顺利完成实验的儿童,必须设置仅含气流刺激的试验环节,以确认头戴部件位置正确,因为条件反射缺失或逆转可能源于整个实验过程中气流刺激传递不良所致。
尽管手动视频分析耗时较长,但目前实现对婴儿眨眼反应的自动化测量仍较为困难。商用眨眼条件反射(EBC)设备配备的红外传感器(安装在头带上的气流刺激装置旁边)以每秒1000次的采样率记录角膜的实时反射光强度,通过测量刺激开始后反射光强度的变化即可检测眨眼。反射光强度相对于基线出现显著变化,表明发生了眨眼,可利用自动化分析方法检测并分类眨眼反应。然而,我们及其他研究者9,10,11建议,研究者不应依赖商用EBC设备提供的红外角膜反射测量数据来检测一岁儿童的眨眼反应。尽管该方法可能适用于成年参与者或年龄较大的儿童6,7,但我们无法使用该方法可靠地检测一岁婴儿的眨眼。在此类情况下,整个试验时段内基线反射光强度几乎无变化,表明红外传感器未能检测到眨眼。此外,常可观察到假阳性峰值,这通常由婴儿头部运动导致传感器位置改变所引起。在成人中的初步测试表明,只有当受试者注视水平视线位置或略高处,且气流刺激装置距离角膜1–2 cm时,才能成功检测眨眼反应——而这些条件在婴儿身上难以持续维持。此外,婴儿睑裂较小,可能导致角膜反射光强度降低,使得眨眼检测比在成人或年长儿童中更为困难。
相对于现有方法的意义:
尽管该方法需要手动进行视频摄像分析,且60 Hz视频的时间分辨率低于1 kHz的反射率测量,但由于视频记录的成功率更高,因此该方法优于红外传感器。虽然角膜气流刺激也通过与商用红外传感器相同的头戴式附件传递,但与红外传感器相比,该刺激传递对位置的依赖性更低,因为气流强度可根据需要进行调整。这避免了频繁调整头带,而频繁调整往往会降低婴儿的依从性。即使能够使用红外传感器获得较高成功率的研究人员,仍可能需要借助视频摄像分析作为支持。对于红外传感器未记录到可检测眼睑闭合反应的试验,视频记录可区分真实反应与无效试验(即,儿童是否正确佩戴气流装置、是否未发生眨眼,或红外传感器是否未能检测到眨眼)。同样,视频记录对于确认假阳性结果也是必要的,因为在试验过程中发生的其他动作也可能产生类似眨眼的伪迹。眼动追踪设备15,16以及眼轮匝肌的肌电图9,10,14是其他可用于眨眼检测的自动化方法,但这些方法超出了本文范围;尽管如此,若缺乏对每次试验中气流装置位置的视觉确认,这些方法很可能也会面临与本文所述红外眼睑闭合检测软件相同的缺陷。
以往关于眨眼条件反射的研究主要集中在较年幼的婴儿,通常为4至5月龄;本研究通过描述适用于较大婴儿(12±1月龄)的技术及其在此年龄段所面临的独特挑战,进一步丰富了该领域的文献。其他研究者也曾对婴儿使用过视频分析技术(单独使用或与肌电图结合)9,10,11,14。本文呈现的结果与既往研究一致,表明逐帧视频分析是检测婴儿眨眼反应的最佳方法,因为肌电图和红外监测在年幼儿童中可能因面部和头部运动而产生干扰。本研究还支持这样一个发现:即使在非常年幼的阶段,婴儿也能够形成条件反射,至少在650毫秒的延迟间隔条件下如此9。
未来应用:
由于目前仅有少数研究尝试在人类婴儿中进行眨眼条件反射实验,因此在未来实验中应仔细考虑刺激参数。已有研究表明,早在出生后10天即可观察到条件反射17,并在出生后第一个月内至少可检测到该现象14,但在婴儿发育的这一早期阶段,较长的刺激间间隔(例如,1,500 ms)似乎更为有效18。相比之下,接近六个月大的婴儿使用较短的间隔可更可靠地建立条件反射10,尽管其成功率仍低于成人19。本方案中为一岁儿童建议的650 ms音调与气流刺激间隔,同样可成功诱导4至5月龄婴儿的条件反射9,10,11,以及较大年龄儿童的条件反射6,7。这表明眨眼条件反射具有发育阶段依赖性,音调与气流刺激之间的最佳延迟时间随婴儿年龄增长而缩短10,但仍需通过进一步调整本实验方案的额外实验来深入探究这些参数。
该技术的局限性:
呼出气冷凝液(EBC)的采集在设置上可能具有挑战性,且在每种具体情况下均可能需要进行故障排查。确定条件反射是否发生往往难以界定,最好通过多次试验或多个实验阶段进行观察。例如,其他研究曾采用每10次试验为一个区组内任意设定的40%条件反射率来定义条件反射,并比较连续实验阶段之间的任何变化6,9,10,11。因此,在幼儿中成功完成足够数量的试验以观察到条件反射可能较为困难。
在数据分析方面,一个特殊挑战是将刺激诱发的眼睑闭合与自发性(内源性)眼睑闭合区分开来9。个体之间的自发眨眼频率存在差异,但可能受到环境因素(如室内湿度)以及行为状态的影响。双次眨眼是指在极短时间内(例如,400 ms内)出现两次完整的眼睑闭合20,这可能反映了自发眨眼与反射性(条件性或非条件性)眨眼同时发生。在本研究的数据集中,我们偶尔观察到双次眨眼现象;根据本实验方案,仅记录第一次眨眼的潜伏期。然而,剔除这些试验数据可提高分析结果仅反映刺激诱发眨眼的可信度。
研究人员还需要确定定义条件反应或非条件反应的潜伏期时间窗,以及是将反应潜伏期定义为眨眼起始还是眨眼峰值(眼睑闭合程度最大)的时间点。本文中,我们采取较为保守的标准,将条件反应定义为在配对或非配对试验中,于650毫秒之前达到峰值的眨眼反应,以确保该眨眼是在气流刺激出现之前启动,而非对气流刺激的反应。然而,对于未呈现气流刺激的非配对试验,尤其是当采用眨眼峰值来定义反应潜伏期时,该潜伏期时间窗可适当延长。此处的关键原则是,所有观察实例均须由所有检测人员以相同方式处理,并且该判定标准必须在开始任何数据分析之前预先确定。
综上所述,逐帧视频分析可为评估婴幼儿经典的眨眼条件反射(EBC)反应提供一种可靠且可重复的方法。这些指标为学习行为提供了一种衡量方式,但要全面描述婴儿期的神经发育情况,还需进行综合性的发育评估。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由新西兰视光学视觉研究基金会、健康促进署、奥克兰大学科研发展基金以及奥克兰大学医学院PBRF基金资助。
我们感谢来自奥克兰大学的两名验光学生(Shannon Boy 和 Harpreet Singh)完成了手动视频分析,以检验眨眼反应测量结果的一致性。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 眨眼条件反射系统 | San Diego Instruments | 型号 #2325-0145-W | 包含便携式气流刺激装置和安装在可调节头带上的红外发射器/接收器;眨眼刺激与反应检测软件;PC 接口 |
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