Summary
Obiettivo e semplice misurazione della elaborazione sensoriale è estremamente difficile nei pazienti pediatrici non verbali o vulnerabili. Abbiamo sviluppato una nuova metodologia per valutare quantitativamente neonati e di elaborazione corticale bambini di tocco leggero, il discorso suoni, e l'elaborazione multisensoriale dei due stimoli, senza la necessità di una partecipazione attiva del soggetto o causare disagio nei pazienti vulnerabili.
Abstract
Obiettivo e semplice misurazione della elaborazione sensoriale è estremamente difficile nei pazienti pediatrici non verbali o vulnerabili. Abbiamo sviluppato una nuova metodologia per valutare quantitativamente l'elaborazione corticale bambini di tocco leggero, suoni del linguaggio e l'elaborazione multisensoriale dei due stimoli, senza la necessità di una partecipazione attiva del soggetto o causando bambini disagio. Per fare questo abbiamo sviluppato un doppio canale, il tempo e la forza calibrata stimolatore soffio d'aria che consente sia la stimolazione tattile e controllo sham. Abbiamo combinato questo con l'uso della metodologia potenziale evento-correlate a consentire per alta risoluzione temporale dei segnali dai corteccia somatosensoriale primaria e secondaria così come l'elaborazione di ordine superiore. Questa metodologia ci ha permesso di misurare la risposta alla stimolazione multisensoriale uditivo-tattile.
Introduction
Lo studio di sviluppare processi sensoriali corticali è essenziale per comprendere la base per la maggior parte delle funzioni di ordine superiore. Esperienze sensoriali sono responsabili di gran parte dell'organizzazione del cervello attraverso l'infanzia, ponendo le basi per processi complessi come la cognizione, la comunicazione e lo sviluppo motorio 1-3. La maggior parte degli studi pediatrici dei processi sensoriali si concentrano su domini uditivi e visivi, soprattutto perché questi stimoli sono più facili da sviluppare, standardizzare e test. Tuttavia, l'elaborazione tattile è di particolare interesse per neonati e bambini in quanto è il primo senso a svilupparsi nel feto 4,5, e informazioni somatosensoriale è parte integrante della funzione di altri sistemi corticali (ad esempio motore, memoria, apprendimento associativo, limbico) 6. Gli attuali metodi di elaborazione somatosensoriale valutazione sono limitate dalla scelta di stimolo tattile. Una scelta comune è diretta mediana elettrica stimolazione del nervo 7,8 9. Tutti questi metodi sono quindi limitati nel loro utilizzo nei bambini piccoli e neonati.
Pertanto, il nostro obiettivo era quello di sviluppare un paradigma tattile che affronta queste limitazioni, essendo non invasivo e riducendo la necessità di una partecipazione attiva del soggetto. Inoltre, doveva avere un livello standardizzato di stimolazione e di una finzione di controllo. Per questo abbiamo sviluppato il sistema "puffer", un dual-channel, a tempo, e calibrato sistema di erogazione di aria soffio, che ci permette di misurare gli effetti di tocco leggero nei neonati e altre popolazioni vulnerabili.
Gli studi di risonanza magnetica funzionale ha dimostrato che la stimolazione da sbuffi d'aria attiva la corteccia sensoriale, anche se la lunghezza e la difficoltà di tali studi, come l'immobilizzazione, lengle tue sessioni e le impostazioni ansiogene li rendono difficili da eseguire nei bambini piccoli. Pertanto, abbiamo unito il nostro sistema di consegna romanzo con potenziale (ERP) metodologia eventi correlati, al fine di fornire una risoluzione temporale di elaborazione sensoriale del tocco di luce in una breve sessione di test a misura di bambino.
Questo nuovo paradigma offre la flessibilità necessaria per studiare elaborazione sensoriale in diverse popolazioni, età e situazioni cliniche. Essa ha anche il vantaggio di essere compatibile con stimoli uditivi, consentendo valutazioni multisensoriali. Fino ad ora, la valutazione tattile preciso e affidabile non e 'stato possibile nei neonati o nei bambini che non sono in grado di rispondere in modo affidabile a causa di disturbi intellettuale / lingua. Questa metodologia si propone di colmare questa lacuna, al fine di facilitare l'identificazione precoce di deficit di elaborazione sensoriali e di intervento nel corso di un periodo di massima plasticità cerebrale. Miglioramenti nella elaborazione sensoriale nella prima infanzia possono influenzare la cascatadi neurosviluppo
Le seguenti procedure sono tutti inclusi nella Vanderbilt Institutional Review Board protocolli approvati.
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Protocol
1. Valutazione della risposta al tocco leggero
- Posizionare la rete elettrodo (es. 128 canali geodetica sensore netto) sul bambino o la testa del bambino. Regolare sensori per il pieno contatto con la soluzione salina calda. Se su un bambino, assicurarsi bambino è seduto comodamente genitore o un caregiver giro. Se da un bambino, in modo che bambino è fasciato leggermente e sia tenuto tra le braccia di badante o in posizione supina in una culla aperta.
- Posizionare un ugello 1 millimetro 0,5 centimetri sotto la punta del dito indice della mano testato. Mettere il dito di un bambino o di palma per un bambino in un supporto stampo e fissare con velcro prossimale e distale al comune per garantire la distanza costante dall'ugello al dito o della mano. E 'assolutamente essenziale che il bambino mantenga la posizione del dito corretta per tutta la sessione di test. Garantire questa valutando periodicamente dito e collocamento a mano e avere bambini con assistente se giovani. Se il test di un bambino, fermare il protocollose bambino piange e offrono un comfort prima di riavviare. Se il test bambino, chiedere badante per offrire comfort e rassicurazione per tutto il breve periodo di prova.
- Inizia compressore d'aria a 40 psi attraverso il regolatore a fornire ingressi valvola per stimoli tattili.
- Eseguire programma di fornitura stimolo.
- Per la mano testato, presenti stimoli 60 sbuffo alternano in modo casuale con 60 processi farsa (un soffio d'aria erogata attraverso un ugello separato in direzione opposta dal dito).
- Non presentare più di due ripetizioni di un soffio o sham in una riga. Variare gli intervalli tra le prove a caso tra 2.000-2.500 msec. Lo scopo di questo è di ridurre assuefazione, dove uno stimolo non è più percepito. Il tempo totale per una sequenza di 120 prove dovrebbe essere 4,5-5 min.
- Eseguire il protocollo identico nuovo per l'altra parte se studiare i disturbi somatosensoriali asimmetriche.
- Per i protocolli che non richiedono attenzione a stimoli non creare ulteriore è necessario. Tsua vale per test infantile. Per la valorizzazione di attenzione nei bambini (che si traduce in maggiori particolari picchi ERP nella registrazione), forniscono un compito.
- Compito esempio per 5 anni: Descrivi sbuffi d'aria come "bolle" soffiato da "pesce" in un "acquario" (una scatola decorata nasconde l'apparato puffer). Chiedete ai bambini di indovinare se ogni "bolla" viene consegnato da un blu o un "pesce" rossa. Dite al bambino che non hanno bisogno di e non deve dire nulla mentre si sta eseguendo questa operazione (vedi istituito con acquario finto in Figura 1).
2. Valutazione della risposta alla multisensoriale Protocol (Auditory-tattile vs simultanea Riassume risposte individuali)
- Eseguire attraverso passaggi 1.1-1.3 come descritto sopra. Gli stimoli sono descritti nella Tabella 1.
- Eseguire il programma di fornitura di stimolo (ad esempio nel software E-Prime). Per la mano testata, un uditivo-tattile paradigma può presentare i seguenti 4 stimoli in modo casuale, con 60 prove / stimolo: puff, puff-/ga /, / ga /-sham, sham. Anche in questo caso, per limitare la possibilità di assuefazione, non presentare più di due ripetizioni di un soffio o finto di fila in qualsiasi condizione, e variare gli intervalli tra le prove a caso tra 2.000-2.500 msec. Ogni sequenza di 240 studi dovrebbe prendere tra 9-10 min.
- Eseguire protocollo identico sopra per l'altra mano.
- Fornire un cartone animato adeguato all'età silenzioso in apertura di protocollo e continuare per tutta la procedura per evitare aumento di manufatti motore di inquietudine, e per diminuire lo sfondo dalle grandi onde delta-generated paziente quando sono annoiati. Ad esempio, in età 5 anni, abbiamo utilizzato un ciclo di 20 minuti di un video acquistato, riprodotti su mute e rinnovate prima di ogni soggetto è stato testato. Non è necessaria alcuna attenzione agli stimoli, quindi il cartone animato loop offre un ambiente visivo scollegato dalla stimoli.
- Per programmare il software, istituito due comandi seriali inviati dall'applicazione controllo dello stimolo. Uno identifica il soffio, l'altro la farsa. Avere l'applicazione di controllo dello stimolo inviare i comandi ad un microcontrollore.
- Avere il microcontrollore genera un impulso TTL (es. 20 durata msec) al corrispondente canale di uscita digitale. Questa uscita deve essere divisa in due linee, una per l'ingresso digitale per il sistema di registrazione EEG e uno per le valvole elettropneumatico-dipendenti. Celebrare l'apertura di entrambe le valvole nel flusso di dati EEG.
- Misurare il polso alla latenza puff per entrambe le condizioni reali e fittizie con un oscilloscopio e un microfono. Questi dovrebbero essere uniforme, e nell'ordine di 10-15 msec. Regolare per il post-registrazione latenza.
- Calcolare la forza esercitata all'ugello in PSI utilizzando un manometro e misurando il diametro dell'ugello. Utilizzare la formula F (N) = Pressione * Area. Ad esempio, la forza esercitata from un ugello raggio di 1 mm 6 psi produce F (N) = 0,03 £.
- Per modificare l'applicazione di controllo per il protocollo multisensoriale, inviare due comandi seriali che identificano un vero soffio o sham al microcontrollore nonché un suono vocale registrato o silenzio. Nota: Nel nostro paradigma, abbiamo usato il computer ha generato, accento neutro / ga / suono, tra gli altri, come / da /, / du /, / bu /, etc.
- Stimoli uditivi presente attraverso un altoparlante posizionati linea mediana, 2 piedi di fronte al soggetto.
- Allineare i tempi insorgenza suono di essere simultanea con l'inizio del soffio o con il ritardo misurato al punto 3.3, a seconda di quale condizione è auspicabile il tester.
4. Acquisizione dati e preparazione
- Scegli filtri e riferimenti impostazioni per campionare i dati basati su metodologie ERP standard. Qui, utilizzare un 1000 Hz con filtri impostati 0,1-400 Hz. Durante la raccolta dati, fare riferimento tutti gli elettrodi di Cz e rereferenced offline a una mediariferimento all'età.
- Per segmentare i dati, filtrare i dati registrati con filtri desiderati e segmentazione. Per questo studio utilizzare un filtro passabanda 0,3-40 Hz e il segmento continuo EEG basa sulla insorgenza stimolo per includere una linea di base msec 200 msec prestimulus e un intervallo post-stimolo 500.
- Eseguire il controllo della qualità dei dati. Schermo ciascun segmento per il motore e oculari manufatti come l'attività muscolare ad alta frequenza, utilizzando algoritmi informatici inclusi nel software ERP. Seguire questa schermata da una revisione manuale.
- I criteri di selezione automatizzati sono fissati come segue in questo protocollo, ma possono essere modificati: per i canali degli occhi, tensione> 140 mV = batter d'occhio e la tensione> 55 mV = movimenti oculari.
- Correggere i dati provenienti da studi contaminati utilizzando uno strumento di correzione del manufatto oculare. Nota: Qualsiasi canale con tensione> 200 mV è ritenuta di scarsa qualità. Se> 15 canali sono di scarsa qualità, abbiamo scelto di annullare l'intero processo per motivi di riproducibilità.
- ERP media. Li Rereference a un riferimento alla media e quindi eseguire basale correzione sulla base dei criteri scelti nella fase 4.2. Estrarre media ampiezza e latenze di picco per le varie cime, estrapolate da grandi forme d'onda medie di popolazioni predefiniti. Nota: Nel nostro caso, abbiamo basato la seguente sulla letteratura consolidata di risposta dei bambini di età superiore ai mediana stimolazione nervosa 10-14. Abbiamo usato P50 (30-80 msec), N70 (50-100 msec), P100 (80-150 msec), N140 (130-230 msec) e P2 (250-350 msec) picchi.
- Includere solo i dati provenienti da elettrodi sovrapposti posizioni preimpostate (Figura 2). Desumere i dati per i singoli elettrodi e media all'interno di ogni cluster.
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Representative Results
Valutazione del tocco leggero (Figura 3):
Caratteristiche della risposta corticale alla stimolazione tattile utilizzando il sistema Puffer: I pattern di picchi in risposta al soffio sono molto simili alle risposte corticali ottenuti con la stimolazione del nervo mediano in adulti normali 10,11. La risposta precoce (P50, N70, picchi P100) riflette principalmente l'attività nella corteccia sensoriale primaria 12 e non richiede la consapevolezza di stimolazione. La risposta secondaria (N140 picco) riflette principalmente l'attività nella corteccia sensoriale secondaria e la consapevolezza di uno stimolo somatosensoriale come è stato documentato in studi pubblicati 13,14. Questo picco nel nostro paradigma riflette processi nella corteccia sensoriale secondaria, modulati da attenzione a toccare (il 'compito soffiando bolle di pesce'). La risposta tardiva (picco P2) riflette principalmente il beginning dell'attività cognitiva neurale legati alla stimolazione sensoriale. Questo picco potrebbe riflettere l'attenzione personale al tatto e orientamento involontario 15,16.
Puff vs sham: Anche se la farsa presenta un suono di tono simile non specifica a meno di 35 dB, non può essere considerato completamente inudibile 17, e costituisce pertanto un controllo sham adeguato. La farsa è il suono del soffio dell'aria, senza la sensazione del soffio, e le risposte corticali quindi per tali studi sono di piccole dimensioni in zone centrali destro e sinistro ottimali per il rilevamento di PES tattili. Processi farsa prodotte risposte ampiezza presto bassi in tutte le condizioni, diverse dalla stimolazione tattile e coerenti con stimoli uditivi tono simile. In particolare, l'analisi delle ampiezze di picco ha mostrato una differenza misurabile tra la farsa e il soffio d'aria per P50 (differenza media ampiezza (D = -2.8 mV 2.7, p = 0,04), N70 (D = -3.9 mV 4.0, p = 0,04) e N140 ( D = -4.1mV 3,5, p = 0,02).
Differenze tra colpita vs affetti risposte pesci palla a mano in bambini con paralisi cerebrale emiparetica (cfr. tabella 2, modificato da J. Child Neurology 18). Come prova di concetto per il sistema Puffer, analisi statistica è stata effettuata su ampiezze di picco e latenze per caratterizzare differenze dopo stimolazione della mano colpita rispetto alla mano inalterato. Mentre la popolazione soggetto era piccola (N = 8), sono state osservate differenze significative tra le due mani.
Valutazione della risposta al protocollo multisensoriale: uditivo-tattile vs simultanea risposte individuali sommati (Figura 4)
Per determinare gli effetti delle interazioni multisensoriali associati tattile simultanea (pasta) e acustico (suono vocale) presentazione è essenziale per confrontare la risposta cerebrale osservata alle s algebricheum delle risposte alla stimolazione uditiva e tattile presentata separatamente. Questo principio analisi è stata ben documentata in studi audiovisivi 19-21. In questo caso, si aggiungono la condizione sham-sound e la condizione solo soffio, come una farsa accoppiato - discorso-sound ci permette di rendere conto dell'ampiezza delle risposte uditive aspecifiche bassi dimostrato in Figura 1. Poiché gli effetti multisensoriali uditivo-tattile sono in genere evidenti nelle prime fasi di risposte corticali 21, abbiamo focalizzato la nostra osservazione sulla finestra msec 0-140. Due picchi calcolati positivi presentano, corrispondente al P50 (30-80 msec) e P100 (80-150 msec). Subito dopo, una grande deflessione negativa può osservare, molto probabilmente corrispondente alla N140 (130-230 msec).
In un secondo studio di 10 bambini (età 5-8) (Figura 4), la vera risposta multisensoriale alla condizione di uditivo-tattile può essere osservate per avere la differenzas in tutte e tre le deviazioni. La differenza tra l'ampiezza delle ampiezze medie sommati e multisensoriali rappresenta i contributi di processi neurali multisensoriale risposte sensoriali individuali. L'esistenza di una risposta uditiva-tattile multisensoriale per un discorso soffio suono aereo stimolo era stato suggerito in adulti utilizzando misure neurobehavioral 22 e questa metodologia ERP sembra confermare l'esistenza in bambini così, ma a livello di elaborazione corticale.
| ERP Peaks | Caratteristiche di risposta | P interessato vs inalterato |
| P50 e N70 | Nessuna differenza statistica tra affectéstimolazione mano d e inalterato | NS |
| N140 | ↑ ampiezza interessata | 0,036 |
| rispetto alla stimolazione inalterato mano | ||
| P2 | ↓ ampiezza ipsilaterale e controlaterale ↑ in colpita | 0.046 |
| rispetto alla stimolazione inalterato mano | ||
| ↑ omolaterale latenza in mano colpita solo | 0.005 | |
| rispetto al controlaterale |
| Modalità sensoriale | Tipo di stimolo | Esempio specifico |
| uditorio | Suono vocale | generato dal computer / ga / sound |
| Suono aspecifiche | suono tono come generato da soffio d'aria | |
| tattile | Tocco leggero | soffio d'aria calibrato |
| Suono vocale simultanea con touch | simultanea / ga / e puff |
Tabella 2. Confronto dei risultati puffer per mano colpita e inalterato nei bambini con paralisi cerebrale (N = 8).
. Figura 1 Rappresentazione cluster di elettrodi su ERP netto:
C: centroparietal
F: frontale
I numeri dispari corrispondono a posizioni sinistre
Anche i numeri corrispondono a posizioni destre
Figura 2. Bambino in fase di test multisensoriale. L'aria compressa fluisce attraverso ugelli flessibili gialli con cartone "box aquarium" e fuori in uno stampo di argilla in cui dito è assicurato. Per sbuffi sham, l'aria compressa fluisce attraverso l'ugello rivolto sul retro del box. ERP netto è a posto e il bambino può visualizzare il braccio, ambiente, e la scatola.
Figura 3. Confronto delle risposte al soffio e controllo sham nella parte corticale controlaterale alla stimolazione di una mano colpita. Tracciati rappresentano medie di N = 8 bambini (età 5-8), località centroparietal solo. La linea nera rappresenta il soffio, la linea grigia rappresenta la risposta farsa.
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Figura 4. Risposte registrate nell'area somatosensoriale emisfero controlaterale allo stimolo tattile, binaurale stimolo uditivo. Tracciati rappresentano medie di N = 10 bambini (età 5-8) *, località centroparietal solo. La linea grigia rappresenta la risposta riassunto calcolato / ga /-sham + puff, linea nera rappresenta la vera risposta multisensoriale di simultanea / ga /-puff.
* Questo era uno studio separato da quella descritta in figura 3, eseguita nel 2012, anche con protocolli Vanderbilt IRB approvati.
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Discussion
Questa nuova combinazione di soffio dell'aria e ERP (di seguito il "sistema Puffer") per misurare l'elaborazione corticale del tocco leggero e risposte tattili-uditiva è ben tollerato dai bambini con disabilità e bambini. Questo vale per le versioni unisensory e multisensoriali, e se il componente attenzionale viene aggiunto o non nel caso di bambini piccoli. Le ragioni del successo di questa metodologia per valutare una popolazione giovane e vulnerabile sono dovute sia l'utilizzo di uno stimolo tattile innocuo nonché l'uso di metodi e apparecchiature ERP. Il paradigma tattile può essere effettuata in un totale di 5 min, mentre il paradigma multisensoriale prende 10 min. Ciò è particolarmente utile per la valutazione di bambini o soggetti con problemi comportamentali. Stimolo stesso può essere calibrato per non superare mai tocco o leggera pressione, rendendo la tolleranza un nonissue, in contrasto alla stimolazione nervosa elettrica. Infine, l'apertura e la flessibilità dei thdispositivo di misurazione e, i dintorni banali e la mancanza di contenzione fisica creano un ambiente rassicurante e adatto ai bambini per esperimenti. Ciò vale in particolare nei bambini che possono essere confortati da fasce di luce e di essere detenuti da un caregiver. Pertanto, questa metodologia ha applicazioni per le popolazioni di pazienti in tutto lo spettro della salute e della malattia, così come attraverso la vita dall'infanzia all'età adulta anziani.
Mentre queste caratteristiche rendono il "sistema Puffer" più facile da amministrare nei bambini di risonanza magnetica funzionale, ERP non offre lo stesso grado di risoluzione spaziale 24. Deve essere usata cautela nell'attribuire sorgenti di segnale ERP per le strutture sottostanti, anche nel caso di ben studiato i potenziali somatosensoriali 25. Questo è particolarmente rilevante per i bambini con grandi lesioni cerebrali occupanti spazio. Tuttavia, la risoluzione temporale offerta dal sistema Puffer eguaglia quella della stimolazione del nervo mediano scalomento negli adulti, nei quali le origini corticali dei vari picchi ERP sono stati ben caratterizzati.
Un punto critico in questo paradigma è il posizionamento dell'ugello in prossimità di aree più densamente innervati per conseguire segnale ottimale ERP. Mani, piedi e viso sono evidenti scelte a causa della loro innervazione denso e grandi rappresentazioni sensoriali nella corteccia somatosensoriale. La forza dell'aria compressa può anche essere ottimizzato, sia attraverso il compressore o attraverso la modifica del diametro dell'ugello. L'uso di un manometro per calibrare la forza a livello dell'ugello si raccomanda di assicurare la precisione. Garantire il corretto posizionamento della mano con uno stampo o basetta con velcro ulteriormente garantire che la distanza tra l'ugello e la superficie della pelle rimane costante.
L'attenzione dovrebbe essere utilizzato anche nel cercare di ridurre ulteriormente il tempo di somministrazione paradigma o aumentare il numero di Stimulnoi prove. Sessanta prove sono sufficienti a generare un segnale ERP chiaro e consentire una certa perdita di dati a causa di artefatti, ma un minor numero di prove non possono produrre, dati riproducibili affidabili. Al contrario, più prove per condizione può migliorare la potenza del segnale ERP, ma potrebbe anche provocare assuefazione alle stimolazioni, o un aumento artefatti motore / oculare a causa di noia.
Eventuali modifiche integrate nella metodologia sono lo studio degli effetti attenzionali su stimoli. Lo stimolo è abbastanza da non richiedere attenzione luce, ma questo può essere facilmente migliorata, con conseguente aumento di ampiezza ERP soprattutto nei primi picchi da P50 a N140. Anche integrato nel sistema multisensoriale sono l'aggiunta di vari suoni del linguaggio e toni. La temporizzazione dei segnali uditivi e tattili può anche essere modificato per da simultaneo a sfalsata, per studiare gli effetti di una modalità su un'altra.
Applicazioni essere realizzate nel prossimo futuro includono maggiore estensionedel paradigma per lattanti e neonati con lesioni cerebrali o esperienze sensoriali anomali nel periodo neonatale come terapia intensiva ricovero in ospedale, così come gli adolescenti con disabilità. Il valore di tale test può essere sia predittivo di futuri funzione dell'arto senso-motorio. Può anche essere indicativa della capacità del bambino di elaborare più flussi sensoriali come ingressi collegati e una misura di efficacia per terapie mirate all'integrazione sensoriale. Per gli adulti, la forza dello stimolo tattile potrebbe essere necessario aumentare per fornire risultati simili. Infine, aggiunte di stimoli visivi al modello multisensoriale sono nelle fasi concettuali e fornirà uno strumento oggettivo prezioso per la misurazione delle funzioni di elaborazione sensoriali e disturbi.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Acknowledgments
Il progetto descritto è stato sostenuto dal Centro Nazionale per le Risorse della Ricerca, Grant UL1 RR024975-01, ed è ora presso il Centro Nazionale per l'Avanzamento delle Scienze traslazionale, di Grant 2 UL1 TR000445-06. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresentano necessariamente il punto di vista ufficiale del NIH.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Geodesic sensor net | EGI, Inc., Eugene, OR | depends on size | |
| Net Station EEG software v. 4.2 | EGI, Inc., Eugene, OR | NA | |
| E-Prime stimulus control application | PST, Inc. Pittsburgh, PA | NA | |
| Manometer (model 6 in, 0-60 psi) | H. O. Trerice Co, Oak Park, MI | ||
| Custom Puffer setup | Nathalie Maitre |
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