A Novel experimentellen und analytischen Ansatz zur multimodalen Neural Decoding of Intent Während Soziale Interaktion in Frei-verhalten menschliche Säuglinge

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Gehirnaktivität und kinematische Daten von Säuglingen durch die Integration von synchronisierter, aktiver Kopfhaut-Elektroenzephalographie mit hoher Dichte, Inertialmesseinheiten und Videoaufzeichnungen zu erfassen. Dies wird erreicht, indem zuerst die EEG-Kappe auf den Kopf des Säuglings aufgesetzt und für akzeptable Impedanzwerte zwischen jeder Elektrode und der Kopfhaut gesorgt wird. Der zweite Schritt besteht darin, Inertialmesseinheiten am Kopf, an den Armen und an der Brust des Säuglings sowie an den Handgelenken des Experimentators zu befestigen.

Als nächstes interagiert der Experimentator mit dem Säugling, um eine Imitationsreaktion zu initiieren, der letzte Schritt besteht darin, die 3D-Raumkoordinaten der EEG-Elektroden zu digitalisieren. Letztlich ermöglicht die Erfassung von EEG- und kinematischen Daten von sich frei verhaltenden Säuglingen die Erforschung der neuronalen Grundlagen der kognitiv-motorischen Entwicklung und der Entstehung sozialer Kognition. Ein Vorteil dieser Technik gegenüber anderen Ansätzen, die die soziale Kognition untersuchen, besteht darin, dass wir in der Lage sind, neuronale Aktivität in Aktion und Kontext während der ersten zwei Lebensjahre zu erwerben.

Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften zu beantworten, wie z.B. welche intrinsische Beziehung besteht zwischen Entwicklungsveränderungen in der Gehirnarchitektur und dem Verhalten? Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die Therapie von sozialen Kognitionsproblemen und spektralen Störungen von Autismus, da sie verwendet werden kann, um Entwicklungsmeilensteine und Lernen durch Nachahmung zu untersuchen, wie Säuglinge visuelle Handlungen verarbeiten und wie sie sich an sozialer Kommunikation beteiligen. Obwohl diese Methode Einblicke in das Verständnis der Funktionsweise des Spiegelneuronensystems im frühen menschlichen Gehirn geben kann, kann sie auch auf andere kognitive Systeme angewendet werden, z. B. auf aufmerksames Lernen, Sprachverarbeitung und motorische Planung, um deren Entstehung und Entwicklung im menschlichen Gehirn zu untersuchen.

Im Allgemeinen werden Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, da einige Säuglinge sich in einer neuen Umgebung sowie beim Tragen der EEG-Kappe unwohl fühlen können. Faktoren wie Schläfrigkeit und Hunger können den Säugling ebenfalls dazu bringen, ungeduldig zu werden. Beginnen Sie damit, die Eltern des Säuglings in den Experimentierraum zu begleiten und kurz den Zweck des Experiments zu erklären. Notieren Sie das Alter und das Geschlecht des Säuglings in Monaten.

Bereiten Sie den Säugling auf das Elektroenzephalogramm oder EEG vor, indem Sie den Kopfumfang in Zentimetern messen. Legen Sie das Maßband um die breiteste Stelle des Kopfes und führen Sie es über die Augenbrauen und um den Hinterhauptvorsprung im Hinterkopf. Messen Sie als Nächstes den Abstand vom Nasn zum Ian entlang der mittleren Sagittalebene der Oberfläche der Kopfhaut.

Platzieren Sie die Elektroden auf einer EEG-Kappe, wie sie im internationalen System 10 20 festgelegt ist. Setzen Sie dann die Kappe auf den Kopf des Säuglings. Richten Sie die CZ-Elektrode mit dem Scheitelpunkt des Kopfes und der Mitte aus, die Elektroden FP eins und FP zwei auf der Stirn.

Stellen Sie die EEG-Kappe so ein, dass sie symmetrisch entlang der mittleren Sagittalebene des Kopfes liegt. Verbinden Sie anschließend die Referenzmasse und die Aufzeichnungselektroden mit der Steuerbox. Schalten Sie die Impedanzanzeigen ein, beginnend mit der Masse- und der Referenzelektrode.

Verwenden Sie eine kleine Spritze, um Elektrolytgel in den Raum zwischen der Kopfhaut und der Elektrode zu injizieren. Stellen Sie sicher, dass der Impedanzpegel für die Elektrode unter 60 Kiloohm liegt. Die Elektroden färben sich gelb, wenn die Impedanz unter 60 Kiloohm sinkt.

Erreicht die Impedanz unter 25 Kiloohm, färben sie sich grün. Verbinden Sie dann die Verstärker über einen USB-Anschluss mit einem Glasfaser-zu-USB-Konverter mit dem Host-Computer. Um die Inertialmesseinheiten oder IMUS vorzubereiten, öffnen Sie die IMU-Software.

Klicken Sie in der grafischen Benutzeroberfläche auf Neu und konfigurieren, um die imus secure IMU-Gurte an beiden Handgelenken, der Brust und dem Kopf des Säuglings, zu konfigurieren. Befestigen Sie dann den Imus an beiden Handgelenken des Experimentators. Schließen Sie abschließend das Gehäuse des Triggereingangs an das EEG an und verwenden Sie es.

Beginnen Sie damit, das Kind so auf die Tischplatte zu legen, dass es dem Schauspieler zugewandt ist. Bitten Sie die Eltern, sich auf den Stuhl hinter dem Säugling zu setzen. Notieren Sie dann die anfänglichen Impedanzwerte der EEG-Elektroden mit der Steuerungssoftware, indem Sie die Registerkarte Impedanzprüfung auswählen, auf die Schaltfläche Impedanz ein klicken und dann auf Impedanz speichern klicken.

Um die Impedanzen zu speichern, öffnen Sie die EEG-Aufzeichnungssoftware und erstellen Sie einen Arbeitsbereich, indem Sie den EEG-Kanal einstellen. Wählen Sie den Ordner aus, in dem die Rohdaten gespeichert werden sollen. Generieren Sie einen Dateinamen.

Wählen Sie die Anzahl der zu verwendenden Kanäle aus. Geben Sie 1000 Hertz als Abtastfrequenz an und deaktivieren Sie die Option Filter aktivieren. Stellen Sie sicher, dass Sie die Option zum Aktivieren der Segmentierung Um die Aufzeichnung von EEG-Daten zu starten, deaktivieren.

Klicken Sie auf Monitor und spielen Sie dann im EEG-Rekorderprogramm ab. Klicken Sie anschließend in der IMU-Aufnahmesoftware auf Streamen und aufnehmen. Um mit der Aufzeichnung der Kinematikdaten zu beginnen, wenden Sie drei Trigger an, um den Start des Experiments mit dem Druckknopf am Eingangsgehäuse zu signalisieren.

Lassen Sie das Kind eine Minute lang ruhen, während Sie die ersten Ausgangsdaten aufzeichnen. Führen Sie das Experiment mit dem Säugling etwa 15 Minuten lang durch. Versuchen Sie, eine Nachahmungsreaktion des Säuglings zu initiieren.

Beachten Sie die Vielfalt der Verhaltensweisen, die das Kind während des Experiments hervorrufen kann, einschließlich Greifen, Greifen, Greifen, Anbieten, Erforschen, Beobachten und Nachahmen. Wenden Sie fünf Auslöser an der Eingangsausgabe an, um den Experimentator zu stoppen, wenn das Kind müde wird oder nachdem 15 Minuten Interaktion in der EEG-Aufzeichnungssoftware vergangen sind. Klicken Sie in der IMU-Software auf Datenaufzeichnung stoppen.

Klicken Sie im Dialogfeld "Stream" auf "Stopp", um die IMU-Aufzeichnungen zu beenden. Zeichnen Sie abschließend die endgültigen Impedanzwerte auf, indem Sie in der Steuerungssoftware die Registerkarte Impedanzprüfung auswählen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Impedanz ein und klicken Sie dann auf Impedanz speichern Um die Impedanzen zu speichern, digitalisieren Sie die 3D-Raumkoordinaten der EEG-Elektroden mit dem EEG-Elektroden 3D-Scanner und der Software.

Gehen Sie dazu zu Datei und wählen Sie in der Software Neuer Arbeitsbereich aus. Laden Sie die Elektrodenpositionsdatei in die erste Registerkarte des Arbeitsbereichs. Klicken Sie dann in der Scan-Symbolleiste auf Scan starten.

Verwenden Sie die Kamera, um die Elektrodenpositionen zu scannen, indem Sie den sich ändernden Lichtmustern auf der Kappe folgen. Für die Bildgebung an der Quelle erhalten Sie hochauflösende T-1-gewichtete Magnetresonanzbilder aus der öffentlichen MRT-Datenbank für die neurologische Entwicklung, die in den ersten beiden Lebensjahren durchschnittliche MRT-Vorlagen als Funktion des Alters enthält. Schließlich koregistern Sie den EEG- und MRT-Raum, um die geometrische Transformation zu erhalten, indem Sie die auf dem anatomischen MRT angegebenen Passerpunkte und die mit dem 3D-Scanner erhaltenen Passerpunkte anpassen.

Mit der Bildgebungssoftware für das Gehirn. Dieses Protokoll stellt eine neuartige Methodik zur neuronalen Dekodierung der Absicht von sich frei verhaltenden Säuglingen während einer ungeschriebenen sozialen Interaktion mit einem Akteur dar. Hier beschreiben EEG-Datenhistogramme die Verteilung des standardisierten Signals von drei räumlich repräsentativen Elektroden für jedes der analysierten Verhaltensweisen. EEG und IMU liefern neuronale Daten mit hoher zeitlicher Auflösung, die Verhaltenshandlungen bei frei verhaltenden Säuglingen vorhersagen können.

Hier wird die Klassifikationsgenauigkeit für einen 20 Monate alten Säugling in dieser Konfusionsmatrix gezeigt. Die Gesamtgenauigkeit der Dekodierung beträgt 85,2 %Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie DEG- und kinematische Daten von Säuglingen sammeln, die sich versagen, während sie in sozialer Interaktion mit diesem Experimentator stehen. Einmal gemeistert, kann diese Technik in einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.

Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, darauf zu achten, wie das Kind auf die Umgebung reagiert, da diese für ihn oder ihre Ablenkungen fremd sein kann. Ein kleines, kinderfreundliches Zimmer mit weniger als vier Personen im Zimmer kann dazu beitragen, Ängste zu reduzieren, die das Kind durch die neue Umgebung hervorrufen könnte. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie funktionelle und effektive Konnektivität durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, wie z.B.: Wie tragen die Interaktion und Koordination zwischen den Gehirnregionen zu den Gehirnfunktionen bei?

Wir glauben, dass diese neuartige Technik es Forschern im Bereich der neurokognitiven Rehabilitation ermöglichen wird, die Gehirnaktivität in einem Störungszustand wie Autismus zu untersuchen.