Name: 测量心脏自主神经系统（ANS）活性的幼儿 - 安静和发展挑战 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-25T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: 学习使用无创监测技术评估18个月幼儿在安静与挑战条件下的心脏自主神经系统活动。该方法可捕捉副交感神经与交感神经的生理反应差异，为儿童发育生物学研究提供标准化方案。

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这&#160;本研究由美国国立卫生研究院（NIH）1 U01 HL097973、美国国家心肺血液研究所（NHLBI）5 R01 HL116511-02、加州大学旧金山分校临床与转化科学研究所（UCSF-CTSI）资助编号UL1 TR000004、罗伯特·伍德·约翰逊健康与社会学者项目（Robert Wood Johnson Health and Society Scholars Program）以及丽莎和约翰·普里茨克家族基金会（Lisa and John Pritzker Family Foundation）资助。作者还感谢Michelle Stephens在ANS数据评分方面的协助，以及Vanessa Tearnan、Marialma Gonzales-Cruz、Yurivia Cervantes、Amy Engler、Stephanie Grover和Karen Jones-Mason在ANS数据收集过程中的帮助，同时感谢Michael Coccia在数据处理方面的支持。我们衷心感谢参与本研究的各个家庭，也感谢协助我们测试和完善本实验方案的志愿者，包括第一作者的两名子女。我们还要感谢我们的导师，是他们教会了我们如何测量自主神经系统（ANS）活动，以及为何在年幼儿童中测量ANS反应性具有重要意义：W. Thomas Boyce、Gary Bernston和Dave Lozano。

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作者声明不存在任何竞争性经济利益。

本研究发现，在18个月大的儿童样本中，采用标准化的静息和挑战任务（旨在诱发多种领域反应，包括惊吓、感觉、社交和静息状态）可引发一系列自主神经系统（ANS）反应。在这些静息和挑战条件下观察到的ANS平均反应水平，与其他研究者使用类似任务测量幼儿ANS反应性时所报告的ANS数值相似8,11,27,29。我们样本中ANS指标的平均水平介于年幼婴儿和较大儿童之间，这与已有证据一致，即在儿童期，心率随年龄增长而下降，而呼吸性窦性心律不齐（RSA）和预射血期（PEP）则随年龄增长而上升10。此外，我们还发现，在三个生理指标中，存在广泛的反应性得分（即从静息状态到挑战条件下的生理反应差异），RSA和PEP在多个挑战条件与静息状态得分之间均表现出若干具有统计学意义且具实际意义的差异。总体而言，这些结果表明，该实验方案成功捕捉到了在平静活动与发育挑战性任务之间转换过程中ANS的变化，并在中国台湾地区这一研究尚不充分的年龄段中，成功诱发了ANS交感神经和副交感神经分支均可测量的应激反应。除了在样本平均水平上观察到ANS变化的证据外，个体在静息ANS水平、任务期间ANS反应以及挑战反应性得分方面也表现出显著的变异性...

儿童自主神经系统（ANS）反应性的个体差异在身心健康问题的发生和发展中起着重要作用12-16。越来越多的证据表明，静息状态下及应激反应中ANS指标的个体差异，能够预测儿童内化和外化心理病理学表现4,9,17-19以及身体健康状况7,20。除了ANS功能的这些直接或主效应外，越来越多的研究发现，儿童的反应性可与环境风险因素（如不良事件或婚姻冲突）产生交互作用，从而调节这些因素对儿童健康与福祉的影响（参见文献&#160;21 的综述）。尽管现有证据日益表明儿童自主神经反应性在一生健康中具有作用，且相关机制也受到越来越多关注，但仍需进一步研究以探讨三岁以下儿童ANS功能的发展过程。
自主神经系统（ANS）包含两个分支，即副交感神经和交感神经系统。它主要通过无意识机制调节内脏器官的功能（例如，&#160;心率、呼吸、消化和性兴奋），以应对日常及不利经历1。副交感神经系统（PNS）是“休息与恢复”系统，在睡眠或放松时维持较低的静息心率和恢复性状态。交感神经系统（SNS）是“战斗或逃跑”系统，通过加快心率来应对紧急或威胁性情况23。呼吸性窦性心律不齐（RSA）是副交感神经系统对心脏功能影响的可靠指标，而射血前期（PEP）是交感神经系统对心脏功能影响的可靠指标。通过成人样本中的药理阻断实验已证实，RSA 和 PEP 均为有效的测量指标24,25。近年来，相关研究已扩展至儿童和青少年样本，进一步确立了 RSA 和 PEP 作为发育过程中自主神经系统活动的有效且可靠的测量手段8,26,27。使用带状和点状电极进行可靠的阻抗心动图测量（PEP）在成人样本中已有较长时间的应用28。近年来，平行的测量与分析技术在儿童样本中也被证明具有良好的信度和效度11,29,30，尽管在年幼儿童中采集 PEP 数据的情况仍较为罕见。
关于婴儿和幼儿周围神经系统（PNS）功能的文献已相当丰富，包括迷走神经张力和呼吸性窦性心律不齐的测量。然而，使用每搏输出量指数（PEP）研究交感神经系统（SNS）的研究较少，同时考察副交感神经和交感神经系统的研究则更为稀少，而这种同步研究对于理解两者高度整合的功能至关重要。在少数针对幼儿PEP的研究中，大多数发现其研究方案在应对挑战时未能引起PEP在组间水平上的显著变化8,31。已有研究表明，自婴儿期起，静息状态下的PNS指标具有稳定性，并与气质、行为及健康状况相关13,16,26,32,33；但对于SNS反应性及其随时间的稳定性、与发育的关系，以及影响其发展轨迹的因素，目前仍了解有限。PNS反应主要被认为与社会参与有关16，而SNS反应则被认为反映“战斗或逃跑反应”1，同时也可能体现对奖赏的敏感性（参见参考文献&#160;34 的综述）。在年幼儿童中，由于注意力持续时间较短，在实验室环境中模拟特定挑战并使其参与其中具有较大难度。此外，对于需要同时测量PNS和SNS的七点电极贴片，幼儿可能会感到不适，这也带来了测量上的挑战。同时，在发展科学领域，如何充分诱发“应激反应性”，同时尊重儿童的发展需求及与儿童合作的伦理规范，目前仍缺乏统一标准。本文介绍了一种标准化方案的实施与评分方法，该方案包含静息和挑战两种条件，旨在诱发18个月大儿童的副交感神经和交感神经系统反应。
自主神经系统（ANS）反应性通常被概念化为个体在面对特定外部刺激时相对于对照状态或静息状态所产生的生理反应，这种反应在不同个体间存在差异22。对生命早期心理与身体健康问题病因的研究，促使科学家特别关注儿童对能够引发适应性反应或可被视为应激挑战的情境所产生的反应性。大量文献将这一现象称为“应激反应性”，尽管面对挑战性刺激可能引发多个领域内的广泛反应。因此，下述方案旨在诱发涵盖多个领域的自主神经系统反应，包括两种形式的静息状态（聆听舒缓摇篮曲、观看平静中性视频）以及针对18个月龄幼儿设计的三种发展适宜性挑战：预期/惊吓（玩具盒弹出小丑）、感觉刺激（柠檬汁）和社会情绪刺激（聆听患病婴儿啼哭）。本方案借鉴了我们此前针对12个月龄婴儿8和3至5岁儿童11的现有方案，旨在使其对幼儿（18至21个月龄）具有发展挑战性、吸引力且可耐受。
本文介绍了“发育挑战方案”（Developmental Challenges Protocol, DCP）以及来自“压力、饮食与早期发育研究”（Stress, Eating and Early Development, SEED）中孕妇及其子代在18个月随访阶段的近似数感（ANS）数据。研究招募了妊娠健康且无并发症的孕妇参与者&#160;2013至2014年期间，针对妊娠期体重增加与产前压力开展了一项研究，参与者为超重、低收入且种族和民族背景多样化的孕妇。在婴儿出生后不久，以及在本研究数据收集开始前（即后代年龄为18至21个月大时，2014至2015年期间），均已获得父母对其子女参与研究的知情同意。

<table><tbody><tr><td>自主神经系统（ANS）设备</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>笔记本电脑及电源线&amp;nbsp;</td><td>Dell</td><td>60-0107-3.0</td><td>Mindware BioLab 软件需要配备两个 USB 接口的 PC</td></tr><tr><td>自主神经系统（ANS）数据采集软件</td><td>Mindware</td><td>联系公司</td><td>BioLab 采集程序</td></tr><tr><td>自主神经系统（ANS）数据采集单元及连接线</td><td>Mindware</td><td>50-3711-08</td><td>BioNex 8 槽机箱</td></tr><tr><td>快接导联线</td><td>Mindware</td><td>93-0498-00</td><td>白色 2 根、红色 2 根、棕色 2 根、黑色 1 根</td></tr><tr><td>贴片电极</td><td>Kendall</td><td>31112496</td><td>130 型号；每次评估使用 7 个，另备若干，始终密封于自封袋中</td></tr><tr><td>自主神经系统（ANS）数据评分/编辑软件</td><td>Mindware</td><td>联系公司</td><td>HRV Analysis，版本 3.1.0F 和 IMP Analysis，版本 3.1.0I</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>实验方案设备</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>平板电脑</td><td>Apple</td><td></td><td>iPad；用于播放音频和视频片段</td></tr><tr><td>便携式扬声器</td><td>Polariod</td><td>PBT510</td><td></td></tr><tr><td>Jack in the Box</td><td>Schylling</td><td>SMJB</td><td>袜子猴子主题</td></tr><tr><td>柠檬汁</td><td>ReaLemon</td><td>98077</td><td>0.14 盎司，常温保存小包装</td></tr><tr><td>巴斯德移液管</td><td>Grainger</td><td>6FAV9</td><td>1 ml 规格，一次性使用</td></tr><tr><td>分装杯</td><td>Dart Solo Con</td><td>250PC</td><td>2.5 盎司，一次性塑料杯</td></tr><tr><td>婴儿啼哭音频文件</td><td>Alkon 实验室</td><td></td><td>在新生儿重症监护室录制的 30 秒片段</td></tr><tr><td>基线摇篮曲音频文件</td><td>Rockabye Baby Music</td><td></td><td>《Rockabye Baby Lullaby Renditions of the Beatles》CD 中的《Across the Universe》片段，时长 60 秒&quot;&quot;&quot;&quot;</td></tr><tr><td>最终摇篮曲音频文件</td><td>Rockabye Baby Music</td><td></td><td>《Rockabye Baby Lullaby Renditions of the Beatles》CD 中的《Here Comes the Sun》片段，时长 60 秒&quot;&quot;&quot;&quot;</td></tr><tr><td>中性视频文件</td><td></td><td></td><td>2 分钟 Baby Einstein 视频</td></tr><tr><td>可伸缩卷尺</td><td>Rollfix</td><td>TM04</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>其他材料</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>电源浪涌保护器</td><td></td><td></td><td>用于连接所有电子设备</td></tr><tr><td>浪涌保护器用两脚转接插头</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>摄像机</td><td>Sony</td><td></td><td>Handycam HDR-CX440</td></tr><tr><td>视频编码器、电源线及输入线</td><td>Mindware</td><td>50-8614-01</td><td>可选；用于同步视频与自主神经系统（ANS）数据文件</td></tr><tr><td>婴儿湿巾和纱布</td><td></td><td></td><td>用于清洁和擦干油性皮肤</td></tr><tr><td>玩具</td><td></td><td></td><td>在评估过程中用于分散儿童注意力</td></tr><tr><td>视觉辅助材料</td><td></td><td></td><td>展示电极贴附在儿童身上的图片，以及向参与者说明实验流程的图示</td></tr><tr><td>研究助理用实验流程脚本</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>平板电脑和扬声器的充电线</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>玩偶和贴纸</td><td></td><td></td><td>必要时用于演示</td></tr></tbody></table>

测量幼儿心脏自主神经系统（ans）活动——静息状态与发育挑战

Measuring Cardiac Autonomic Nervous System (ANS) Activity in Toddlers - Resting and Developmental Challenges

自主神经系统（ANS）包含两个分支，即副交感神经和交感神经系统，调控内脏器官的功能（例如心率、呼吸、消化），并对日常及不利经历作出反应1。研究发现，儿童的ANS指标与其行为问题、情绪调节及健康状况相关2-7。因此，理解影响幼儿期ANS发育的因素具有重要意义。ANS的两个分支均会影响年幼儿童对刺激的心血管反应，并可通过外部监测设备以无创方式测量，所采用的生理变化指标具有良好的效度和信度8-11。然而，目前针对极年幼儿童同时测量副交感与交感神经系统的研究仍较少，这限制了对两个系统整合功能的理解。此外，现有针对年幼儿童的研究大多报告婴儿在静息状态下的ANS指标，或其对常见的母婴互动范式的反应，而对其他具有挑战性情境下的ANS反应了解较少。本文介绍了一项针对18个月龄儿童心脏自主神经调控的无创、快速评估的研究设计与标准化操作流程。我们描述了在家庭或实验室环境中，于静息与挑战条件下持续监测ANS副交感与交感分支的方法，并基于140名种族背景多样的幼儿样本，使用经过验证的设备与评分软件提供描述性结果。结果显示，该方案可在静息及发展性挑战条件下引发广泛的&#160;生理反应，表现为心率以及副交感和交感神经活动指标的变化。个体在静息水平、对挑战的反应及挑战反应性方面表现出&#160;差异，进一步证明该方案适用于探究幼儿ANS的个体差异。

SEED 研究纳入了&#160;162&#160;对母婴配对（37% 非裔美国人；30% 拉丁裔；16% 白人；17% 其他或多种族）。在18个月的随访中，我们完成了对140名儿童（占入组样本的87%）的面对面评估；6名参与者已搬离，其余未完成随访的参与者则无法联系或无法安排访问。在可参与本次随访的母亲中，自主神经系统（ANS）数据采集部分的拒绝率为3/140（2%）。另有3次随访在21个月之后进行（超过目标年龄3个月以上），因此共有135名儿童在目标时间段内采集了ANS数据。由于信号质量差，其中2名儿童的ANS数据无法评分。因此，最终获得有效ANS数据的儿童为133名。本研究中提供ANS数据的儿童平均年龄为18.89个月（范围17.59–21.60；标准差 = 0.80），其中53%为女性。经年龄和性别调整后的体重/身长百分位数平均值为68.40（标准差 = 27.47）。
在133名具有可评分ANS数据的目标年龄段儿童中，100%的儿童能够耐受电极的安放，并开始接受发育挑战任务。其中3名儿童在任务中途退出，5名儿童在完成婴儿哭声任务后退出。由于设备问题，2名儿童未观看视频。所有...

我们描述了在静息和应激条件下对18个月大儿童的自主神经系统进行连续监测的方法。结果显示，该方案能够在自主神经系统的两个分支中产生有意义的生理反应，并引发个体间反应模式的显著差异。

测量幼儿心脏自主神经系统（ANS）活动——静息状态与发育挑战

自主神经系统（ANS）由两个分支组成，即副交感神经和交感神经系统，调控内脏器官的功能……

本方案的总体目标是在18个月大的儿童中，以非侵入性方式监测和评估其在静息状态和应激条件下的副交感神经和交感神经系统的心脏功能指标。在静息和应激条件下对幼儿自主神经系统进行测量，有助于回答关于幼儿如何从生物学层面应对环境中所面临挑战的关键问题。该技术的主要优势在于，为这一研究尚不充分的年龄组提供了一种经过验证且标准化的评估副交感神经和交感神经系统反应的方案。该技术扩展了我们研究幼儿生物学反应能力的手段，同时有助于探究预测这种反应差异的因素，并可能为了解后续健康状况提供线索。担任儿童评估员示范的是我实验室的研究助理佐伊·卡龙（Zoe Caron），担任计算机操作员示范的是研究助理瓦妮莎·特尔南（Vanessa Tearnan）。首先与儿童的母亲一起回顾实验方案。然后，以友好的方式与幼儿交谈，在开始实验方案前使其感到舒适。在计算机操作员分散幼儿注意力的同时，由儿童评估员将电极贴附于幼儿的颈部和躯干。在此实验方案中，每个电极贴附于皮肤时，需与邻近电极保持至少三厘米的间距，以确保信号传导正常。通过测量各电极中心之间的距离来验证此最小间距，然后按压凝胶周围的泡沫，确保电极已牢固粘附于皮肤。现在准备四个阻抗电极，其中两个置于儿童颈部，另两个置于躯干。将连接红色负极导线的第一个电极放置于下背部中心。然后，将连接白色负极导线的第二个电极放置于剑突上方的胸骨处。将连接白色正极导线的第三个电极放置于胸骨上切迹左侧的锁骨边缘。接着，将连接红色正极导线的第四个电极放置于儿童颈部后方。找到三个心电图（ECG）电极。将连接棕色负极导线的第一个 ECG 电极沿右侧锁骨骨长轴方向放置。按压电极的泡沫部分，触摸并感知锁骨的位置。将连接棕色正极导线的第二个心电图电极放置在左侧下肋骨处。按压电极的泡沫部分，触摸肋骨。然后，将连接黑色负极导线的第三个心电图接地电极放置在儿童右侧下肋骨处，使其与左侧下肋骨的电极处于同一水平线上。将导联线的下端捆绑并用夹子固定在儿童的衣服上，以尽量减少移动。安排计算机操作员监控计算机。然后与儿童互动，并与母亲一起回顾实验方案中涉及的活动。打开自主神经系统（ANS）数据采集单元，以采集心阻抗和心电图（ECG）信号。五分钟后，让计算机操作员检查信号，确保其显示正常，并打开摄像机。如果儿童在此期间感到不适，可为其提供一个柔软的玩具。最后，向母亲展示儿童心脏活动的计算机图像，并解释心电图上每个信号的含义。展示心跳和阻抗信号，这些信号可反映血液流经肺部和心脏的情况。在执行这些操作时，指示计算机操作员按下 F 键，以在 ANS 数据中标记重要的实验步骤，如此处所示。若任务提前结束，或出现任何重大方案问题（例如电极脱落），请按 F11 键进行标记。首先在平板电脑上打开媒体播放器，播放第一首一分钟的摇篮曲。确保平板电脑置于儿童无法触及之处。接下来，将一个盒中玩偶（jack-in-the-box）拿在孩子面前，但保持稍超出其触及范围。缓慢旋转手柄并播放音乐，直到袜子猴子弹出。随后，开始柠檬汁任务。在儿童舌面中央稍靠后的位置滴加两滴浓缩柠檬汁，确保柠檬汁不会从舌面滚落。保持安静等待十秒钟，期间表情应友好且中性。接着告知儿童该喝水了，并由儿童评估员提供一小口饮用水。当提供水时，让计算机操作员按下 F4 键。然后，在平板电脑上播放一段时长 30 秒的患病婴儿哭泣录音，接着播放第二段时长一分钟的安静摇篮曲。接下来，将平板电脑置于距离儿童面部约12英寸的位置，并向儿童播放两分钟的中性视频。在18个月大的儿童中，对静息状态和应激条件下的自主神经系统进行持续监测，相关数据在我们的评分程序中以30秒为一个时间段进行汇总。该软件会计算每个30秒时间段内儿童的心率、呼吸频率、呼吸性窦性心律不齐（RSA）以及射血前期的平均值。该方法成功捕捉到了在平静活动与具有发展挑战性的任务之间显著的ANS变化。呼吸性窦性心律失常和射血前期间的缩短分别反映了副交感神经撤退和交感神经激活所导致的自主神经反应性。我们还可以评估儿童在每项任务中心率等指标的反应变异性，以及儿童之间的反应差异。这对于研究个体间自主神经系统（ANS）活动的差异至关重要。测量儿童对发育挑战的自主神经反应，为心理生理学、儿科学、心理学和儿童发展领域的研究人员探索幼儿社会经历、生物学因素与其身心健康之间关系提供了途径。一旦掌握，该方案可在20分钟内完成。通常，该方法最大的挑战在于学习如何快速而准确地安放电极，同时顾及儿童的情绪状态。在与年幼儿童操作时，重要的是在安放电极前先与儿童及其母亲建立互动。此外，应关注儿童的反应，若儿童表现出明显不适，则应立即停止实验任务。切勿强迫儿童完成实验流程。与幼儿合作可能具有挑战性，因此应在整个实验过程中积极吸引儿童的注意力。尽管在为儿童佩戴电极时他们可能会哭泣，但大多数18个月大的幼儿会将注意力转移到任务上，并全程保持参与。观看本视频后，您应能够充分理解如何在静息和应激条件下，对18个月大的儿童进行自主神经系统心脏指标的无创监测与评估。

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测量心脏自主神经系统（ANS）活性的幼儿 - 安静和发展挑战

本文描述了标准化、全面且完全定量的自主神经功能检测方法。自主神经功能测试包括对三大主要自主神经功能域的评估，即心迷走神经、肾上腺素能和泌汗功能。通过复合自主神经功能障碍严重程度评分（Composite Autonomic Severity...

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便携式跨模态偏好注视（IPL）：探究正常发育幼儿及自闭症儿童的语言理解能力

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