At studere hjernefunktion i børn, der bruger Magnetoencephalography

Summary

Denne artikel introducerer en børnevenlig forskning protokol udviklet til at forbedre datakvaliteten ved at reducere hoved bevægelse under pediatric magnetoencephalography (MEG). Vi stifte familier med MEG miljø, træne børn til at forblive stadig bruger en MEG simulator, og korrigere for resterende hoved bevægelse artefakter ved hjælp af en real-time hoved bevægelse opdagelse ordning.

Abstract

Magnetoencephalography (MEG) er en non-invasiv neuroimaging teknik, som direkte måler magnetiske felter produceret af den elektriske aktivitet i den menneskelige hjerne. MEG er rolig og mindre tilbøjelige til at fremkalde klaustrofobi sammenlignet med magnetisk resonans imaging (MR). Det er derfor et lovende redskab for at undersøge hjernefunktion hos småbørn. Analyse af MEG data fra pædiatriske populationer er imidlertid ofte kompliceret hoved bevægelse artefakter, der opstår som følge af kravet om et rumligt fast sensor array, der ikke er anbragt til barnets hoved. Minimere hoved bevægelser under MEG sessioner kan være særligt udfordrende, som små børn er ofte ude af stand til at forblive stadig under eksperimentelle opgaver. Protokollen præsenteres her har til formål at reducere hoved bevægelse artefakter under pediatric MEG scanning. Inden du besøger MEG laboratorium, tilbydes familier med ressourcer, der forklarer MEG system og de eksperimentelle procedurer i enkle, tilgængelige sprog. En MEG kendskab session er gennemført, hvor børn er bekendt med både forskere og MEG procedurer. De er så uddannet til at holde hovedet stadig selv liggende i en MEG simulator. For at hjælpe børn føler sig veltilpas i romanen MEG miljø, er alle procedurer forklares gennem fortælling af en mission i rummet. For at minimere hovedet bevægelse på grund af rastløshed, børn er uddannet og vurderet ved hjælp af sjov og engagerende eksperimentelle paradigmer. Derudover er børns resterende hoved bevægelse artefakter kompenseret for i løbet af data erhvervelse session ved hjælp af en real-time hoved bevægelse tracking system. Gennemførelsen af disse børnevenlige procedurer er vigtigt for at forbedre datakvaliteten, minimere deltager udmattelseskrig priser i longitudinelle studier og sikre, at familier har en positiv forskningserfaring.

Introduction

Magnetoencephalography (MEG) er en non-invasiv funktionelle neuroimaging teknik, som måler magnetiske felter produceret af den elektriske aktivitet i den menneskelige hjerne^1,2. MEG tilbyder fremragende tidsmæssige opløsning og overlegen rumlige opløsning sammenlignet med electroencefalografi (EEG) på grund af manglende signal udtværing fra de biologiske væv mellem hjernen kilder og sensorer. Derudover indebærer MEG ikke udsættelse for høje lyde, stråling eller magnetiske felter. Set-up tid er hurtig og deltagere kan ledsages af en forælder eller omsorgsperson i hele test. Taget sammen, gør disse funktioner MEG et lovende redskab for at undersøge udviklingen af typiske og atypiske hjernefunktion i unge børn².

For at måle hjernens svar ved hjælp af MEG, skal forskning deltagere indsætte deres hoveder i hjelm boliger en fast vifte af superledende sensorer. Det er afgørende, at deltagerne holder hovedet stadig hele MEG optagelse, som ændringer i hoved stilling i forhold til sensorerne både nedbrydes neuromagnetic signal distribution og hindre nøjagtige kilde skøn. Unøjagtige kilde skøn uundgåeligt fører til unøjagtige statistiske slutninger i kilde magt, funktionelle forbindelse og netværk analyser³.

Minimere hovedet bevægelse kan være særligt udfordrende under pediatric MEG vurdering af en række årsager. Først, vurdering af små børn i en voksen MEG system er problematisk, da børnenes hoveder er meget mindre end hos voksne, og den øgede plads mellem hjelmen og barnets hovedbund giver mulighed for uhindret hoved bevægelse. Andet, Roman MEG miljø — en stor maskine låst inde i en Vinduer magnetisk afskærmet rum — kan være skræmmende for mindre børn, og hovedet bevægelse kan være en konsekvens af ængstelighed. Tredje, uden uddannelse, børn kan ikke fuldt ud forstå eller forpligtelsen til at forblive stadig for varigheden af forsøget. Endelig, børn, der har en begrænset kapacitet til at tåle kedsomhed kan synes, at nogle MEG eksperimenter tager for lang tid eller er kedelig, resulterer i rastløshed og hoved bevægelse artefakter.

For at tackle den mangeårige udfordring af hoved bevægelse i pediatric MEG forskning, præsenterer denne artikel de seneste hardware og metodologiske fremskridt, der er implementeret i den børnevenlige MEG protokol bruges på KIT-Macquarie Brain Research Laboratory ( Macquarie University, Sydney, Australien). Som beskrevet i en tidligere papir fra dette laboratorium⁴, problemerne med brugen af en løstsiddende voksen-størrelse hjelm dewar har løst ved at installere en verden-første, hele-head pediatric MEG system med en skræddersyet hjelm dewar til bedre passe lederne af små børn i alderen ca tre til seks år. Denne hardware tilpasning forbedrer signal-støj-forholdet, da sensorerne er fysisk tættere, i gennemsnit, at barnets hovedbunden^5,6. Mere nylig, KIT-Macquarie Brain Research Laboratory har udviklet flere nye og nye procedurer for at overvinde de førnævnte fortilfælde af hoved bevægelse og dermed at forbedre datakvaliteten.

Alle procedurer i denne protokol er forklaret gennem en fortælling som barn deltager aktivt engagerer sig i en "astronaut plads mission". Denne fortælling sikrer, at barnets MEG forskningserfaring er ikke kun mindre truende, men også spændende. Gennemførelsen af disse procedurer ind en børnevenlige MEG protokol er vigtig for at forbedre datakvaliteten, minimere deltager udmattelseskrig priser i longitudinelle studier og sikre, at familier har en positiv oplevelse i deres forskning deltagelse.

Protocol

Denne forskning protokol er blevet godkendt af Macquarie University menneskelige forskning etiske komité.

1. MEG fortrolige ressourcer

1. Give familier med ressourcer til at lære om MEG før besøger MEG laboratorium, som en børnevenlig videnskabelige artikel⁷ forklarer MEG og MSR, en story-board beskriver de forskellige trin i at udfylde MEG eksperiment (f.eks. Supplerende figur 1 og et MEG informationsark for forældre eller pårørende (fx tillægs figur 2).

2. MEG kendskab Session

Bemærk: Fortrolighed-session kører typisk i 30 min, herunder en introduktion til MSR (5 minutter), en praksis digitalisering (5 min) og MEG simulator uddannelse, herunder praksis på den eksperimentelle opgave (20 min). Foretage kendskab session mellem en til syv dage før dataopsamling.

1. MSR Introduktion
   1. Tage barnet på en rundtur i MSR ("rumskib"), som er indrettet i rumrelaterede vægudsmykning at styrke plads mission tema.
   2. Spørge barnet at praktisere liggende tilbage med deres hoved i hjelmen dewar.
   3. Fortæl barnet at ligge som stadig som muligt, således at rumskibet forbliver på kursus og kan nå sit endelige bestemmelsessted.
2. Digitalisering:
   1. Plads til barnet på en høj stol og passer dem med en polyester badehætte ("astronaut hjelm") der indeholder fem markør spoler. Tilpasse løstsiddende caps ved at folde op ad siderne. Bemærk: Spolerne sende data til en kontinuerlig bevægelse tracking enhed.
   2. Placer en sender og tre modtagere rundt om barnets hals.
   3. Spørge barnet at vise deres bedste 'statue' positur og tilbyde hyppige positiv forstærkning, når de bor stadig.
      Bemærk: Dette tjener til at minimere hovedet bevægelse under digitalisering, der kan kompromittere nøjagtigheden af den efterfølgende Co registrering med MEG sensorer⁸.
   4. Bruge en pen digitizer (Se Tabel af materialer) til at registrere placeringen af tre fiducial point (nasion og venstre og højre pre auricular point) og fem markør spoler, og formen på overfladen af hovedet. Bemærk: Denne data bliver brugt til senere bestemme placeringen af barnets hoved i forhold til MEG sensorer.
   5. Fjern hætten, senderen og tre modtagere fra barnets hals.
3. MEG simulator:
   1. Tage barnet til det rum, boliger MEG simulator (Se Tabel af materialer og trin 9 og 10 i tillægs figur 1), en fuld-størrelse replika af en MEG system. MEG simulator er indrettet med rum-tema klistermærker og er udstyret med en mock hjelm dewar, en seng, en knap kasse og for visuelle skærme, en skærm beliggende over den forlorne dewar
   2. Beskriv kort MEG scanning procedurer (dvs. lyve stadig og deltager i praksis eksperimentelle opgave) gennem narrative praksis plads mission.
   3. Passe barnet med en astronaut hjelm — en polyester badehætte, som har en bevægelsesdetektor fastgjort på forsiden (Se Tabel af materialer).
   4. Inviter barnet til at ligge i simulatoren og se en video af deres valg. Hvis barnet synes nervøs, første demonstrere de eksperimentelle procedurer med et stykke legetøj.
      Bemærk: Når barnets hoved bevægelse overstiger en forudbestemt tærskel (f.eks. 5 mm), motion tracking system (Se Tabel af materialer) vil automatisk pause videoen og vente til eksperimentatoren manuelt genstarte videoen og gendanne de bevægelse baseline.
   5. Når barnet afslutter denne del af simulator uddannelse, give barnet med uddannelse på den eksperimentelle opgave bruger et separat sæt af unikke stimuli.
   6. For enden af opgavetræning tilbyde barnet en astronaut uddannelsesbeviset.

3. MEG Data erhvervelse Session

Bemærk: Data erhvervelse session typisk kører i ca 30 min, herunder digitalisering (5 min), indstilling af deltageren inde i MSR (5 min) og dataopsamling (ca 20 min, afhængig af længden af den eksperimentelle paradigme).

1. Indledende procedurer
   1. Gennemføre en 30-60 s tomt rum optager ca. 15 min. før barnet ankommer for at identificere enhver betydelig ekstern støj, der er registreret af MEG system⁸.
   2. Når barnet ankommer, bekræfte, at de ikke iført magnetisk materiale på deres tøj eller bærer nogen i deres krop, som magnetiske materialer kan fordreje MEG signal (Se figur 1B et eksempel af signalet støj på grund af metal på den deltager).
      Bemærk: Hvis den forælder eller omsorgsperson ønsker at ledsage deres barn inde MSR, gælder fjernelse af magnetiske materialer for dem også.
2. Digitalisering
   1. Kontrollere, om barnet skal gå på toilettet før påbegyndelse af digitalisering, som når digitalisering trin er afsluttet, fælles landbrugspolitik ikke kan fjernes, før MEG erhvervelse session er færdig.
   2. Gentag proceduren digitalisering skitseret i afsnittet "MEG kendskab session" ovenfor.
      Bemærk: Hvis fælles landbrugspolitik bevæger sig mere end 5 mm i løbet af eksperimentet, udføre en anden digitalisering i slutningen af forsøget
3. MSR set-up
   1. Tage barnet til MSR ("rumskib").
      Bemærk: To forskere er for denne procedure — at ledsage barnet indeni MSR som "assistent forsker" (sammen med den forælder eller omsorgsperson, hvis det ønskes) og at køre MEG dataopsamling udenfor MSR som den "vigtigste forsker". MSR set-up typisk tager 5 min.
   2. Opsætning af udstyr inde MSR (assistent forsker)
      1. Spørge barnet til at placere deres hoved i hjelmen dewar.
      2. Kontroller, at barnets hoved centralt justeres således, at kronen af hovedet er så tæt som muligt på bagsiden af hjelmen dewar uden at røre.
      3. Sikre, at barnet er behagelig, afslappet, og er fortsat som stadig som muligt under MEG optagelse.
      4. Under set-up, holde barnet underholdt ved at spille en video af deres valg på et skærmbillede ovenfor dewar.
   3. Opsætning af udstyr uden for MSR (vigtigste forsker)
      1. Gennemføre et experiment/baseline markør coil måling for at optage de første hovedets stilling med hensyn til hjelmen dewar.
      2. Gennemføre en fælles registrering mellem barnets hoved og sensor array ved hjælp af både den oprindelige markør coil måling og digitalisering hoved figurdata.
         Bemærk: Disse forberedende målinger aktiverer besigtigelse af hovedets stilling inde dewar at sikre, at barnets hoved er korrekt placeret. Hvis disse betingelser ikke er opfyldt, re-holdning barnet og gennemføre en anden co registrering før du starter dataopsamling.
4. Dataopsamling
   1. Når tilfreds med den hovedets stilling med hensyn til hjelmen dewar, starte MEG optagelse og den eksperimentelle opgave.
   2. Registrere igangværende hoved bevægelser med en pædiatrisk MEG softwaresystem kaldet Real-Time hoved bevægelse (ReTHM)⁹.
5. Slutter eksperimentet
   1. Når den eksperimenterende opgave er færdig, slukker ReTHM og ende MEG optagelse. Gennemføre en post eksperiment markør coil måling for at måle den endelige hovedets stilling med hensyn til hjelmen dewar.
      Bemærk: Denne måling giver en simpel visuel inspektion af samlede hoved bevægelser under eksperimentet.
   2. Tilbyde barnet en gavepose ("astronaut kit") for deres deltagelse og aflønne familien for deres tid og rejseomkostninger.

Representative Results

Fælles Magnetoencephalography signaler
Fælles MEG signaler er vist i figur 1, herunder en normal MEG signal (figur 1A), samt MEG signal støj på grund af metal på deltager (figur 1B), i hvilket tilfælde låse sensorer, åbne MSR døren og bede vedkommende om at fjerne alle metal fra deres krop, så tage metalgenstand ud af MSR og udføre en auto-tune før gentage de procedurer, der er skitseret i punkt 3.5; interferens fra elektronisk udstyr (figur 1C, oftest fra en mobiltelefon), i hvilke tilfælde turn off enhver elektronisk udstyr eller flyt dem væk fra MSR; en sammenbidte kæbe (fig. 1D), i hvilket tilfælde minde deltager til at slappe af deres kæbe for varigheden af MEG optagelse; Alpha bølger (figur 1E; disse defineres af otte til 12 kontinuerlige bølger i en 1 s interval), i hvilket tilfælde kontrollere, at deltageren ikke er i søvn (det er fint at fortsætte, hvis de er vågen); og fanget magnetisk flux (figur 1F); i hvilket tilfælde låse sensorer og tænd spole varmelegemer i 5 min. Hvis flux fortsætter efter en efterfølgende auto-tuning, mark påvirket kanal for fjernelse fra efterfølgende dataanalyser.

Hoved bevægelse under dataopsamling
Pediatric MEG data før og efter ReTHM korrektion er vist i figur 2. Data blev indsamlet fra en tre-årig dreng, der passivt lyttet til auditiv toner for 15 min. Data var de noised¹⁰, sporgruppe-pass filtreret¹¹ (1-15 Hz), baseline-korrigeret og i gennemsnit. Root-mean-square (RMS) magnetiske bølgeformer (i kolonnen til højre) blev beregnet ud fra alle sensorer. Gennemsnit i scanner hoved bevægelser var 44.3 mm. Som det fremgår, kompenseret ReTHM for motion-relaterede artefakter, resulterer i flere focal isofield kontur kort (på toppen af RMS bølgeformer; (A), mindre fordrejet RMS magnetiske bølgeformer (B), og mere meningsfuld kilde genopbygning (C) i de bilaterale auditive fliger.

Figur 1 : Eksempler på fælles MEG signaler. (A) en normal MEG signal. (B-F) MEG signal støj på grund af (B) metal på deltager (specifikt, støj forårsaget af en lille metal spænde på en singlet rem), (C) indblanding fra en elektronisk anordning, (D) en sammenbidte kæbe, (E) alpha bølger og (F) fanget magnetisk flux. For paneler C, E og F, tidshorisont på x-aksen er 10-sekunders intervaller, og amplitude skala på y-aksen er 32768 A/D. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2 . Pediatric MEG data før og efter Real-Time hoved bevægelse (ReTHM) rettelse. Data blev indsamlet fra en tre-årig dreng, der passivt lyttet til auditiv toner for 15 min. Averaged i-scanner hoved bevægelser var 44.3 mm. (A) mere fokuserede isofield kontur kort på toppen af root mean square (RMS) bølgeformer; (B) mindre forvrænget RMS magnetiske waveforms og (C) mere meningsfuld kilde genopbygning i de bilaterale auditive fliger er afsløret efter ReTHM korrektion. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 1: en historie om bord beskriver 10 enkle trin for at fuldføre den "astronautuddannelse" (dvs. MEG eksperimentet). Dette sendes til familier før besøger MEG laboratorium for at guide børnenes forventninger til erhvervelse session, samt at opbygge spænding i forventning om "astronaut uddannelse". Data erhvervelse dag, børn følger historien som eksperimentet skrider frem og samle på frimærker efter afslutningen af hvert trin. Billeder gengivet med informeret skriftligt forældresamtykke. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Tillægs figur 2: En MEG informationsskema for forældre eller omsorgspersoner forklarer MEG, MSR, hvad de kan forvente på data erhvervelse dag og hvad dupsko. Fotografiet gengivet med informeret skriftligt forældresamtykke. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

I de seneste år, fastslået MEG blev som en værdifuld non-invasiv neuroimaging teknik for at undersøge de neurale mekanismer bag hjerne udvikling¹. Men i scanner hoved bevægelser udgør en berygtet hindring for at opnå god kvalitet MEG data, især når de vurderer pædiatriske populationer. For at løse dette problem, præsenteres denne artikel en pediatric MEG forskning protokol, som bygger på procedurerne beskrevet i en tidligere papir fra KIT-Macquarie Brain Research Laboratory ⁴.

De kritiske procedurer omfatter (1) give børn med MEG fortrolighed ressourcer, som de kan lære om MEG eksperiment forud for besøg laboratoriet, som omfatter en børnevenlig forskning artikel⁷ forklarer MEG system og den magnetisk afskærmet rum (MSR), en story-board skitserer 10 enkle trin for at fuldføre MEG eksperiment (tillægs figur 1), og en MEG informationsskema for forældre og pårørende (tillægs figur 2); (2) forud for MEG erhvervelse session med en fortrolighed sessionen, hvori børn er bekendt med MEG procedurer og er uddannet til at holde deres hoveder stille, medens liggende inde en MEG simulator; (3) ved hjælp af passive eller "gamified" eksperimentelle paradigmer for at minimere hovedet bevægelse på grund af kedsomhed og rastløshed; og (4) tracking igangværende hoved bevægelser under online dataopsamling ved hjælp af en Real-Time hoved bevægelse (ReTHM) system⁹. Oplysningerne fra ReTHM kan bruges til at foretage offline korrektion af hoved bevægelse artefakter, når forbehandling MEG data.

Erhvervelse af høj kvalitet MEG data afhænger kritisk af barnet føle sig tryg i den roman MEG miljø. For at fremme denne følelse af lethed, opfordres forskere til at afsætte tid til at sætte børn og deres familier med MEG miljø og procedurer før påbegyndelse dataopsamling. Dette kan opnås gennem tilbyder børn og deres forældre MEG ressourcer, der forklarer MEG procedurerne i enkle, tilgængelige sprog. Derudover kan familier blive inviteret til at besøge MEG laboratorium før data erhvervelse session til at opfylde forskerne og praksis MEG testprocedurer. Gennem træning på MEG simulator lærer børn implicit vigtigheden af at holde deres hoveder stille, medens liggende i MEG. Mens MEG fortrolighed kræver både forskerne og familier at afsætte yderligere tid til dataindsamlingsprocessen, fordelene ved at forbedre MEG datakvalitet, samt minimere den tid og omkostninger at gennemføre efterfølgende MEG data erhvervelse sessioner, velsagtens opvejer denne ulempe. Derudover kan ydeevne og overholdelse under kendskab session bruges til at angive, om barnet er eller ikke er egnet til at invitere tilbage til en faktiske MEG data erhvervelse session.

For at minimere i scanner hoved bevægelse på grund af rastløshed, er det bedre at bruge en passiv eksperimentelle paradigme, som ikke kræver instruktioner, overt opmærksomhed eller aktiv deltagelse. For eksempel, kan en pålidelig evoked response opnås med en auditiv særling paradigme¹², hvorved deltageren passivt lytter til en sekvens af auditive toner mens underholdt af en tavs video. For undersøgelser som kræver en åbenlys reaktion, forskeren bør sigte mod at integrere de eksperimentelle opgave i en engagerende spil-stil paradigme¹¹. Dette forbedrer samarbejdet og minimerer rastløshed under opgaven. I visuelle eksperimenter, anvendelse af en MEG-kompatible øje-tracker indebærer meget lidt ekstra set-up tid men er nødvendige for at sikre, at børn har fikseret på placeringen af visuelle stimuli¹³.

Eventuelle resterende hoved bevægelse artefakter kan korrigeres for ved hjælp af real-time hoved motion tracking. For eksempel data indhentet fra ReTHM kan gemmes i filen MEG optagelse og bruges til at kompensere for hoved bevægelse under dataopsamling, således at hoved-til-sensor lokalisering kan gendannes til niveauet før flytning til at give mulighed for en optimal kilde genopbygning, som er afgørende for efterfølgende niveau kildedata analyserer¹⁴.

Gennemførelsen af denne protokol har til formål at forbedre kvaliteten af pediatric MEG data, minimere deltager udmattelseskrig priser i longitudinelle studier, og sikre, at familier har en fornøjelig oplevelse af MEG forskning deltagelse, med det overordnede mål for at forbedre vores forståelse af tidlige hjernens udvikling i både typiske og atypiske befolkninger.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
5 marker Coil set	Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan	PQ11MKA
Fastrak Digitizer – 3D	Polhemus Cochester, VT, USA	1A0383-001	Pen digitizer
Magnetoencephalography (MEG)	Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan	PQ1160C
MEG simulator	Fino, NSW, Australia
MoTrack system	Psychological Software Tools, PA, USA	MTK-09314-1307	Motion tracking system
Polyester caps	Speedo	N/A	product code: SPE11733.435