使用定制尺寸脑磁图测量学龄前儿童的神经磁脑功能

您好，我是 Steven Crane。我是 KIT Macquarie 脑研究实验室的联合主任。该实验室隶属于位于澳大利亚悉尼的麦考瑞大学麦考瑞认知科学中心。

大家好，我是Illa Dessan，我在麦考瑞大学的麦考瑞认知科学中心工作。大家好，我是Melanie Reed，我也在麦考瑞认知科学中心工作。在麦考瑞大学，我们使用脑磁图（magnetoencephalography，简称MEG）来研究2至6岁儿童语言快速习得背后的脑机制。

脑磁图（MEG）可测量大脑皮层产生的磁场。利用MEG，我们能够观察在语言处理过程中哪些脑区处于活跃状态，以及这些不同脑区之间的相互作用。使用任何脑成像系统对年幼儿童进行研究时都存在两个挑战。

首先，典型的实验室环境对儿童并不友好。其次，参与脑磁图（MEG）研究的儿童必须被要求将身体活动限制在最低程度，并需要在较长时间内专注于一项任务。因此，对我们而言，开发一种既能使用MEG技术、同时又能让儿童感到有趣的实验方案显得尤为重要。

尽管如此，脑磁图（MEG）的优势远大于其面临的挑战。由于具有极高的时间分辨率和良好的空间分辨率，并且完全无创，MEG在儿童脑功能测量中是一种极为有价值的工具，对儿童神经组织不存在任何可预见的风险。相比之下，其他神经影像技术使用强磁场和放射性药物，可能对幼儿带来一定风险。

我们儿童脑磁图（MEG）系统的一个关键特征是专为年幼儿童设计。该定制尺寸的系统由金泽工业大学与横河电机公司合作开发。在接下来的视频中，我们将解释为何有必要为儿童开发定制化的MEG系统，并向您展示我们如何准备儿童以进行MEG系统检查。

接下来几分钟，请跟随我们一同参观实验室。我们将为您介绍为让儿童乐于参与我们的研究而采取的各项措施。该实验室在同一磁屏蔽室内配备了两套脑磁图（MEG）系统。

成人系统包含160个传感器，均匀分布在MEG头盔内部，可实现全脑覆盖。儿童MEG系统的布局类似，但配备64个传感器，使头盔更小，非常适合学龄前儿童和婴儿。脑磁图（Magnetoencephalography）或脑磁成像是一种神经影像技术，可直接测量神经元活动。

MEG 能够检测并放大大脑皮层中数千个活跃神经元产生的微弱磁场。这些微弱磁场的检测可通过一种称为超导量子干涉装置（SQUID）的特殊传感器轻松实现。运行 MEG 系统需要超导技术。

传感器需要使用液氦在零下270摄氏度的条件下进行冷却。以下流程展示了系统每周定期补充液氦的过程。液氦消耗是脑磁图（MEG）系统运行成本的主要部分。

与现代实验室中各种设备产生的磁场相比，大脑产生的磁场极其微弱。这意味着脑磁图（MEG）系统必须安置在磁屏蔽室内。我们实验室的屏蔽室由三层坡莫合金和一层铜构成。

该房间重量约为 8.5 吨，因此实验室的地面必须特别加固以承受其重量。磁屏蔽室的成本占脑磁图（MEG）系统总建设成本的三分之一到一半。房间侧面设有多个端口，以便将视觉刺激投影入室内，并可通过光纤电缆操作其他类型的设备。

脑磁图（MEG）可测量脑部活跃细胞产生的磁场。一种相关技术——脑电图（electroencephalography）则测量这些磁场的电学成分。脑电图是一种更简单且成本更低的技术，但不具备MEG对脑内活动进行精确定位的能力。

对于年龄较大的儿童和成人的研究，我们通常会同时记录脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）。然而，对于学龄前儿童而言，这种方法通常不切实际，因为安装脑电图设备所需的时间过长。由于脑磁图使用的传感器浸泡在液氦中，这些传感器位于真空密封的隔热头盔内固定的位置。

标准成人MEG系统的头盔设计适用于约95%的成人头部。这意味着最大和最小的头部无法很好地适配成人头盔。这对学龄前儿童尤为突出，因为他们的头颅半径比成人小两到三厘米。

由于MEG信号随距离增加而迅速衰减，这意味着成人用头盔中的许多传感器在测量儿童脑信号时将无法有效工作。另一个问题是，儿童在测量过程中更容易在较大的头盔内移动头部。

这会导致MEG信号的衰减。该视频片段展示了成人系统中的MEG传感器。相对于儿童头部而言，可以看出许多传感器距离头部表面相当远。

因此，制作一个专为学龄前儿童头部尺寸定制的MEG头盔显得尤为重要。在本视频片段中，您可以看到，我们儿童MEG系统的传感器都非常贴近头部表面。在开始实验之前，需要完成多个步骤。

在 MSR 内部，我们会检查儿童身上是否携带任何铁磁性材料制成的物品。你口袋里有什么东西吗？没有。而且他们还携带了第二件。

我们为儿童戴上一个包含五个标记线圈的帽具。然后，我们数字化儿童的头部形状，或者如我们所说的，绘制他们头部的轮廓。接着，我们将儿童送入 MSR（磁屏蔽室）或“太空舱”中，准备开始游戏，同时我们也准备好绑带。

在磁共振扫描仪（MSR）内部，受试者可选择一部电影，影片会播放在上方的屏幕上。当他们舒适地躺好后，我们关闭舱门并开始数据采集。实验通常持续约20分钟。

我们邀请儿童在飞船内观看静音电影的同时玩一个游戏。在本实验中，儿童需认真聆听一系列句子，一旦听到单词“cheese”，便立即重复该词。该“cheese”一词的发音源自猴子背包中的气味。

做得很好。胡萝卜奶酪，声学刺激方面的表现非常出色，例如通过您在儿童胸前看到的塑料管将语音传递到儿童耳中。我们使用适合儿童尺寸的泡沫耳塞，以将导管固定在他们的耳道内。

在数据采集过程中，通过闭路视频持续监测儿童，实验人员可通过麦克风与儿童交流。在进行 MEG 测量之前，我们在泳帽上固定五个标记线圈，然后将泳帽戴在儿童头部。在 MEG 测量期间，这些线圈用于测量并监测数据采集全过程中的头部位置和移动情况。

研究人员和家长（如果愿意）会始终陪伴在屏蔽室内儿童的身边，以确保儿童感到舒适并尽量减少移动。实验结束后，儿童若正确完成任务，将获得一份奖励。

那么您想选择哪个贴纸呢？就是这个“这里一个，那里一个”。熟悉学龄前儿童的人会知道，让他们安静地躺在磁屏蔽房间里绝不是他们的第一选择。

我们采用多种方法使环境和流程适合儿童。实验室中贴有适合儿童的贴纸，并摆放了毛绒玩具。测试需在三到五次实验室访问中完成。

第一次会面通常用于向儿童介绍研究人员以及 MEG 环境。儿童会观看一个玩具、动物（如熊）或青蛙科米特。需完整演示他们即将经历的所有步骤。

我们为测试环节设计了一个主题。MEG系统被设定为一艘太空飞船，即将带领孩子们开启一段太空探险之旅。我们准备了与此主题相关的练习册，用以解释接下来要进行的各个步骤，然后让孩子们用蜡笔在图像周围描摹。

就像我们画出你头部的图像一样。在进行数字化和测试时，儿童必须保持静止不动，这一点至关重要。好的，现在我们必须保持不动。

你能这样保持不动吗？我们通过让孩子们向我们展示他们如何保持不动来进行交流。做得好。

相当好。冷冻。在实验室的每次访问中，都会强调掌握冷冻技术的重要性。同时，确保儿童理解实验的每一步骤也至关重要。

我们使用儿童能够理解的语言向他们解释各个步骤。例如，我们将装有标记线圈的帽罩称为宇航员头盔。你感觉像宇航员了吗？

我们将数字化描述为绘制他们头部的图像。如果孩子显得害羞或焦虑，我们通常会使用木偶来演示实验的内容。我们还会请求孩子们的协助，以便让他们更清楚地了解我们将要进行的操作。

儿童通常很乐意帮助一个木偶进入磁屏蔽室。如果儿童仍然不愿意进入磁屏蔽室，我们会安排一段时间的游戏，直到他们感到更加放松。当儿童对本方案中的所有步骤都熟悉之后，我们再引入需要在磁屏蔽室内进行的实验任务。

嗯，你还记得必须重复的魔法词是什么吗？我没听清，能再说一遍吗？可以吗？

你能再说一遍吗？好的，奶酪。例如，如果我说：“前几天我去公园，看到一块奶酪”，你会怎么做？

如您所见，对儿童开展脑成像研究不仅需要专门的技术，还需要采用超出成人研究常规使用的操作流程。首先，我们设计了一款定制尺寸的脑磁图（MEG）头盔，专为适配儿童头部并限制其头部运动而优化。其次，我们通过墙面装饰画和毛绒玩具使实验室环境对儿童更加友好。

我们采用的方法已针对幼儿的需求和动机进行了调整。我们的实验室专为测量健康且清醒幼儿的认知脑功能而设计，因此其要求与儿科神经影像学中通常遇到的情况略有不同。

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。它将使我们能够在大脑功能发生引人入胜且剧烈重组的年龄段获取脑功能的测量数据。目前，我们对这些发育过程知之甚少。

我们希望通过使用脑磁图（MEG）研究儿童的大脑功能来填补这一空白。