Un nuevo enfoque experimental y analítico al Multimodal Neural Decodificación de Intención Durante interacción social en Libremente-comportarse Infantes Humanos

El objetivo general de este procedimiento es capturar la actividad cerebral y datos cinemáticos de lactantes mediante la integración de electroencefalografía activa de alta densidad con cuero cabelludo sincronizada, unidades de medición inercial y grabaciones de video. Esto se logra primero colocando la gorra de EEG en la cabeza del lactante y asegurando niveles de impedancia aceptables entre cada electrodo y el cuero cabelludo. El segundo paso consiste en fijar las unidades de medición inercial en la cabeza, brazos y tórax del lactante, así como en las muñecas del experimentador.

A continuación, el experimentador interactúa con el bebé con el fin de inducir una respuesta de imitación; el paso final consiste en digitalizar las coordenadas espaciales tridimensionales de los electrodos de EEG. En definitiva, la adquisición de datos de EEG y cinemáticos de bebés que se comportan libremente permite investigar la base neural del desarrollo motor cognitivo y la aparición de la cognición social. Una ventaja de esta técnica frente a otros enfoques que estudian la cognición social es que podemos obtener actividad neural durante la acción y en contexto durante los dos primeros años de vida.

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la neurociencia cognitiva, como cuál es la relación intrínseca entre los cambios del desarrollo en la arquitectura cerebral y el comportamiento. Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia el tratamiento de problemas de cognición social y trastornos del espectro autista, ya que puede utilizarse para estudiar hitos del desarrollo y el aprendizaje por imitación, cómo los bebés procesan las acciones visuales y cómo participan en la comunicación social. Aunque este método puede proporcionar información sobre el funcionamiento del sistema de neuronas espejo en el cerebro humano temprano, también puede aplicarse a otros sistemas cognitivos, como el aprendizaje atencional, el procesamiento del lenguaje y la planificación motora, para estudiar su aparición y desarrollo dentro del cerebro humano.

Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque algunos lactantes pueden sentirse incómodos en un entorno nuevo, así como al usar el casco de EEG. Factores como el sueño y el hambre también pueden hacer que el lactante se impaciente. Comience acompañando a los padres del lactante a la sala experimental y explique brevemente el propósito del experimento. Registre la edad en meses y el sexo del lactante.

Prepare al bebé para el electroencefalograma o EEG midiendo la circunferencia de la cabeza en centímetros. Coloque la cinta métrica alrededor de la parte más ancha de la cabeza, pasándola por encima de las cejas y alrededor de la prominencia occipital en la parte posterior de la cabeza. A continuación, mida la distancia desde la nasn hasta la ian a lo largo del plano sagital medio de la superficie del cuero cabelludo.

Coloque los electrodos sobre un casco EEG según lo especificado por el sistema internacional 10-20. Luego, coloque el casco sobre la cabeza del bebé. Alinee el electrodo CZ con el vértice de la cabeza y centre los electrodos FP1 y FP2 en la frente.

Ajuste el casco de EEG para que quede simétricamente alineado a lo largo del plano sagital medio de la cabeza. A continuación, conecte los electrodos de referencia, tierra y registro al caja de control. Encienda los indicadores de impedancia, comenzando con los electrodos de tierra y referencia.

Utilice una jeringa pequeña para inyectar gel electrolítico en el espacio entre el cuero cabelludo y el electrodo. Asegúrese de que el nivel de impedancia del electrodo esté por debajo de 60 kiloohmios. Los electrodos se vuelven amarillos cuando la impedancia desciende por debajo de 60 kiloohmios.

Si la impedancia alcanza menos de 25 kiloohmios, se vuelven verdes. Luego conecte los amplificadores al ordenador anfitrión mediante un puerto USB utilizando un convertidor de fibra óptica a USB. Para preparar las unidades de medición inercial o IMUs, abra el software de IMU.

Haga clic en nuevo en la interfaz gráfica y configure los cinturones seguros del IMU en ambas muñecas, el pecho y la cabeza del bebé. A continuación, sujete los IMU en ambas muñecas del experimentador. Por último, conecte el recinto de entrada y salida del disparador al EEG y utilícelo.

Comience colocando al bebé sobre la mesa de manera que quede frente al actor. Pida al padre que se siente en la silla detrás del bebé. Luego registre los valores iniciales de impedancia de los electrodos EEG utilizando el software de control: seleccione la pestaña de verificación de impedancia, haga clic en el botón de impedancia activada y luego haga clic en guardar impedancia.

Para guardar las impedancias, abra el software de grabación de EEG y genere un área de trabajo configurando el canal de EEG. Seleccione la carpeta donde guardará los datos brutos. Genere un nombre de archivo.

Seleccione el número de canales a utilizar. Especifique 1000 hertz como frecuencia de muestreo y desactive la opción de habilitar filtros. Asegúrese de desmarcar la opción para habilitar la segmentación para comenzar a grabar los datos de EEG.

Haga clic en el monitor y luego en reproducir en el programa del grabador de EEG. A continuación, haga clic en transmitir y grabar en el software de registro de IMU. Para comenzar a grabar los datos de cinemática, aplique tres disparadores para señalar el inicio del experimento utilizando el botón de presión en el recinto de entrada y salida.

Deje que el bebé descanse durante un minuto mientras registra los datos iniciales de línea base. Realice el experimento con el bebé durante aproximadamente 15 minutos. Intente inducir una respuesta de imitación en el bebé.

Observe la variedad de comportamientos que el bebé puede mostrar durante el experimento, incluyendo alcanzar, agarrar, ofrecer, explorar, observar e imitar. Aplique cinco disparadores en el recinto de entrada y salida para detener al experimentador cuando el bebé se canse, o después de que hayan transcurrido 15 minutos de interacción en el software de grabación de EEG. Haga clic en detener la grabación de datos en el software de IMU.

Haga clic en detener en el cuadro de diálogo de transmisión para finalizar las grabaciones de la IMU. Por último, registre los valores finales de impedancia seleccionando la pestaña de verificación de impedancia en el software de control. Haga clic en el botón de impedancia activada y luego haga clic en guardar impedancia para almacenar las impedancias, y digitalice las coordenadas espaciales 3D de los electrodos EEG utilizando el escáner 3D de electrodos EEG y el software correspondiente.

Para hacer esto, vaya a archivo y seleccione nuevo espacio de trabajo en el software. Cargue el archivo de posición del electrodo en la primera pestaña del espacio de trabajo. Luego, en la barra de herramientas de escaneo, haga clic en iniciar escaneo.

Utilice la cámara para escanear las ubicaciones de los electrodos siguiendo los patrones cambiantes de luz en el casco. Para la obtención de imágenes de fuentes, adquiera imágenes ponderadas en T1 de alta resolución mediante resonancia magnética desde la base de datos pública de resonancia magnética del neurodesarrollo, que contiene plantillas promedio de resonancia magnética en función de la edad para los dos primeros años de vida. Finalmente, realice la coregistración del espacio EEG y MRI para obtener la transformación geométrica mediante el ajuste de los puntos fiduciarios indicados en la resonancia magnética anatómica y los puntos fiduciarios obtenidos con el escáner 3D.

Uso del software de imágenes cerebrales. Este protocolo presenta una metodología novedosa para la decodificación neural de la intención en bebés que se comportan libremente durante interacciones sociales espontáneas con un interlocutor. Aquí, los histogramas de datos de EEG describen la distribución de la señal estandarizada proveniente de tres electrodos representativos espacialmente para cada uno de los comportamientos analizados. El EEG y la IMU proporcionan datos neuronales con alta resolución temporal, los cuales pueden predecir acciones conductuales en bebés que se comportan libremente.

Aquí se muestra la precisión de clasificación para un bebé de 20 meses en esta matriz de confusión. La precisión general de decodificación es del 85,2 %. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo recopilar datos de DEG y datos cinemáticos de bebés que presentan comportamientos de fracaso mientras interactúan socialmente con el experimentador. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en una hora si se ejecuta correctamente.

Al intentar este procedimiento, es importante tener en cuenta cómo reacciona el bebé frente al entorno, ya que podría resultarle ajeno y provocarle distracciones. Una habitación pequeña y amigable para niños, junto con la presencia de menos de cuatro personas en la sala, puede ayudar a reducir cualquier ansiedad que el bebé pueda experimentar en el nuevo entorno. Tras seguir este procedimiento, se pueden realizar otros métodos, como la conectividad funcional y efectiva, con el fin de responder preguntas adicionales, tales como: ¿cómo contribuyen la interacción y la coordinación entre regiones cerebrales a las funciones del cerebro?

Consideramos que esta técnica novedosa permitirá a los investigadores en ingeniería de rehabilitación neurocognitiva explorar la actividad cerebral en un estado patológico como el autismo.