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 besteht darin, Gehirnaktivität und kinematische Daten von Säuglingen zu erfassen, indem synchronisierte Aufnahmen mittels aktiver, hochdichter Elektroenzephalographie am Kopfhaut, Trägheitsmesseinheiten und Videoaufzeichnungen kombiniert werden. Zunächst wird die EEG-Kappe auf dem Kopf des Säuglings platziert und dafür gesorgt, dass akzeptable Impedanzwerte zwischen jeder Elektrode und der Kopfhaut vorliegen. Im zweiten Schritt werden Trägheitsmesseinheiten am Kopf, an den Armen und am Brustkorb des Säuglings sowie an den Handgelenken des Versuchsleiters befestigt.

Danach interagiert der Experimentator mit dem Säugling, um eine Imitationsreaktion auszulösen; der letzte Schritt besteht darin, die räumlichen 3D-Koordinaten der EEG-Elektroden zu digitalisieren. Letztendlich ermöglicht die Erfassung von EEG- und kinematischen Daten bei frei handelnden Säuglingen die Untersuchung der neuronalen Grundlagen der kognitiven motorischen Entwicklung sowie des Entstehens der sozialen Kognition. Ein Vorteil dieser Methode gegenüber anderen Ansätzen zur Untersuchung der sozialen Kognition liegt darin, dass wir neuronale Aktivität während der ersten beiden Lebensjahre in Aktion und im Kontext erfassen können.

Mit dieser Methode lassen sich zentrale Fragen im Bereich der kognitiven Neurowissenschaft beantworten, beispielsweise, wie die intrinsische Beziehung zwischen entwicklungsbedingten Veränderungen der Gehirnarchitektur und dem Verhalten aussieht. Die Bedeutung dieser Technik reicht bis zur Therapie von Störungen der sozialen Kognition und autistischen Spektrumstörungen, da sie zur Untersuchung von Entwicklungsschritten und des Lernens durch Imitation, der Verarbeitung visueller Handlungen durch Säuglinge sowie ihrer Beteiligung an sozialer Kommunikation eingesetzt werden kann. Obwohl diese Methode Einblicke in das Verständnis der Funktion des Spiegelneuronensystems im frühen menschlichen Gehirn ermöglicht, kann sie auch auf andere kognitive Systeme angewandt werden, beispielsweise auf das aufmerksame Lernen, die Sprachverarbeitung und die motorische Planung, um deren Entstehung und Entwicklung im menschlichen Gehirn zu untersuchen.

Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da sich einige Säuglinge in einer neuen Umgebung unwohl fühlen können, ebenso wie beim Tragen der EEG-Kappe. Faktoren wie Müdigkeit und Hunger können dazu führen, dass das Kind ungeduldig wird. Beginnen Sie damit, die Eltern des Säuglings in den Versuchsraum zu begleiten und kurz den Zweck des Experiments zu erläutern. Notieren Sie das Alter in Monaten und das Geschlecht des Säuglings.

Bereiten Sie das Säugling für das Elektroenzephalogramm oder EEG vor, indem Sie den Kopfumfang in Zentimetern messen. Legen Sie das Maßband um den breitesten Teil des Kopfes, führen Sie es über die Augenbrauen und um die Hinterhauptswölbung am Hinterkopf herum. Messen Sie anschließend den Abstand von der nasn zur ian entlang der mittleren sagittalen Ebene der Kopfhaut.

Platzieren Sie die Elektroden gemäß dem internationalen 10-20-System auf einer EEG-Kappe. Anschließend setzen Sie die Kappe auf den Kopf des Säuglings auf. Richten Sie die CZ-Elektrode mit dem Scheitelpunkt des Kopfes aus und zentrieren Sie sie, und platzieren Sie die FP1- und FP2-Elektroden auf der Stirn.

Passt die EEG-Kappe so an, dass sie symmetrisch entlang der mittleren sagittalen Ebene des Kopfes liegt. Anschließend verbinden Sie die Referenz-, Masse- und Ableitelektroden mit der Steuerbox. Schalten Sie die Impedanzanzeige ein, beginnend mit den Masse- und Referenzelektroden.

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

Wenn die Impedanz unter 25 Kiloohm fällt, färben sie sich grün. Anschließend schließen Sie die Verstärker über einen USB-Anschluss mithilfe eines Glasfaser-zu-USB-Konverters an den Host-Computer an. Um die Trägheitsmesseinheiten oder IMUs vorzubereiten, öffnen Sie die IMU-Software.

Klicken Sie in der grafischen Benutzeroberfläche auf „neu“ und konfigurieren Sie die sicheren IMU-Bänder am Handgelenk, am Brustkorb und am Kopf des Säuglings. Befestigen Sie anschließend die IMUs an beiden Handgelenken des Versuchsleiters. Schließen Sie abschließend die Trigger-Ein-/Ausgangsbox an das EEG an und nehmen Sie sie in Betrieb.

Platzieren Sie zunächst das Säugling auf dem Tisch so, dass es dem Schauspieler zugewandt ist. Bitten Sie die Elternteil, sich auf den Stuhl hinter dem Säugling zu setzen. Nehmen Sie dann die anfänglichen Impedanzwerte der EEG-Elektroden mit der Steuerungssoftware auf, indem Sie die Registerkarte „Impedanzprüfung“ auswählen, den Knopf „Impedanz ein“ anklicken und anschließend „Impedanz speichern“ auswählen.

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

Wählen Sie die Anzahl der zu verwendenden Kanäle aus. Geben Sie 1000 Hertz als Abtastrate an und deaktivieren Sie die Option „Filter aktivieren“. Stellen Sie sicher, dass die Option „Segmentierung aktivieren“ deaktiviert ist, um mit der Aufzeichnung von EEG-Daten zu beginnen.

Klicken Sie auf den Monitor und anschließend auf „Play“ im EEG-Aufnahmeprogramm. Danach klicken Sie in der IMU-Aufnahmesoftware auf „Stream“ und „Record“. Um die Aufnahme der Bewegungsdaten zu starten, geben Sie mithilfe des Druckknopfs am Ein- und Ausgabegehäuse drei Triggerimpulse ab, um den Beginn des Experiments zu signalisieren.

Lassen Sie das Säugling ein Minute ruhen, während die anfänglichen Basisliniendaten aufgezeichnet werden. Führen Sie das Experiment mit dem Säugling etwa 15 Minuten lang durch. Versuchen Sie, eine Imitationsreaktion des Säuglings auszulösen.

Beachten Sie die Vielzahl von Verhaltensweisen, die das Säugling während des Experiments zeigen kann, einschließlich Greifen, Festhalten, Greifen, Anbieten, Erkunden, Beobachten und Nachahmen. Aktivieren Sie fünf Auslöser an der Ein- und Ausgabekapselung, um den Versuchsleiter anzuhalten, wenn das Säugling müde wird oder nachdem 15 Minuten Interaktion in der EEG-Aufzeichnungssoftware verstrichen sind. Klicken Sie in der IMU-Software auf „Aufzeichnung stoppen“.

Klicken Sie im Stream-Dialogfeld auf „Stop“, um die IMU-Aufnahmen zu beenden. Zuletzt erfassen Sie die endgültigen Impedanzwerte, indem Sie im Steuerungssoftware den Reiter „Impedanzprüfung“ auswählen. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Impedanz ein“ und anschließend auf „Impedanz speichern“, um die Impedanzen zu speichern. Digitalisieren Sie die 3D-Raumkoordinaten der EEG-Elektroden mithilfe des 3D-EEG-Elektrodenscanners und der dazugehörigen Software.

Gehen Sie dazu in der Software zu Datei und wählen Sie neuen Arbeitsbereich. Laden Sie die Elektrodenpositionsdatei im ersten Reiter des Arbeitsbereichs. Klicken Sie dann in der Scan-Leiste auf Scan starten.

Verwenden Sie die Kamera, um die Elektrodenpositionen durch Verfolgen der wechselnden Lichtmuster auf der Kappe zu scannen. Erhalten Sie für die Quellenabbildung hochaufgelöste, T1-gewichtete Magnetresonanztomographie-Bilder aus der öffentlichen neurodevelopmentalen MRT-Datenbank, die durchschnittliche MRT-Vorlagen als Funktion des Alters für die ersten zwei Lebensjahre enthält. Registrieren Sie abschließend den EEG- und den MRT-Raum gemeinsam, um die geometrische Transformation zu erhalten, indem Sie die auf dem anatomischen MRT markierten Referenzpunkte mit den mittels 3D-Scanner erfassten Referenzpunkten anpassen.

Unter Verwendung der Gehirnbildgebungssoftware. Dieses Protokoll stellt eine neuartige Methodik zur neuronalen Decodierung der Absicht bei frei handelnden Säuglingen während ungeplanter sozialer Interaktion mit einer Versuchsperson vor. Hier beschreiben EEG-Daten-Histogramme die Verteilung des standardisierten Signals von drei räumlich repräsentativen Elektroden für jedes der analysierten Verhaltensmerkmale. EEG und IMU liefern neuronale Daten mit hoher zeitlicher Auflösung, die Verhaltenshandlungen bei frei handelnden Säuglingen vorhersagen können.

Hier wird die Klassifikationsgenauigkeit für ein 20 Monate altes Säugling in dieser Konfusionsmatrix dargestellt. Die Gesamtdekodierungsgenauigkeit beträgt 85,2 %. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man DEG- und kinematische Daten von Säuglingen, die Fehlverhalten zeigen, während ihrer sozialen Interaktion mit dem Experimentator erhebt. Sobald diese Technik beherrscht ist, kann sie in einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie ordnungsgemäß angewendet wird.

Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, darauf zu achten, wie das Säugling auf die Umgebung reagiert, da diese für ihn oder sie fremd sein und Ablenkungen verursachen kann. Ein kleiner, kinderfreundlicher Raum und weniger als vier Personen im Raum können dazu beitragen, jegliche Angst zu verringern, die das Säugling aufgrund der neuen Umgebung empfinden könnte. Nach Abschluss dieses Verfahrens können weitere Methoden wie funktionelle und effektive Konnektivität angewendet werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, beispielsweise: Wie tragen Interaktion und Koordination zwischen Hirnregionen zu den Hirnfunktionen bei?

Wir sind der Ansicht, dass diese neuartige Technik es Forschern auf dem Gebiet der neurokognitiven Rehabilitationsmedizin ermöglichen wird, die Gehirnaktivität in einem pathologischen Zustand wie Autismus zu untersuchen.