גישה חדשנית ניסויית ואנליטית למולטימודליות עצביות פענוח כוונות במהלך אינטראקציה חברתית באופן חופשי על-מתנהג תינוקות אנושיים

המטרה הכללית של הליך זה היא ללכוד פעילות מוחית ונתונים קינמטיים מתינוקות על ידי שילוב מסונכרן של אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG) פעילה בעלת צפיפות גבוהה של קרקפת, יחידות מדידה אינרציאליות והקלטות וידאו. הדבר מושג תחילה על ידי הנחת כובע ה-EEG על ראשו של התינוק והבטחה שרמות העכבה בין כל אלקטרודה לקרקפת הן מקובלות. השלב השני הוא קיבוע יחידות מדידה אינרציאליות על ראשו, זרועותיו וחזהו של התינוק, וכן על פרקי כפות ידיו של הנסיין.

בשלב הבא, הנסיין מקייים אינטראקציה עם התינוק במטרה לעורר תגובת חיקוי; השלב הסופי הוא דיגיטציה של הקואורדינטות המרחביות התלת-ממדיות של אלקטרודות ה-EEG. בסופו של דבר, רכישת נתוני EEG ונתונים קינמטיים מתינוקות המתנהגים באופן חופשי מאפשרת לחקור את הבסיס העצבי של התפתחות מוטורית-קוגניטיבית ואת הופעתה של קוגניציה חברתית. יתרון של טכניקה זו על פני גישות אחרות החוקרות קוגניציה חברתית הוא היכולת לרכוש נתוני פעילות עצבית בזמן אמת ובתוך ההקשר במהלך השנתיים הראשונות לחיים.

שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום הנוירוסיינס הקוגניטיבי, כגון מהו הקשר המהותי בין שינויים התפתחותיים בארכיטקטורה של המוח לבין התנהגות? להשלכות של טכניקה זו יש השפעה על הטיפול בבעיות של קוגניציה חברתית ובהפרעות מאספקטום האוטיזם, מכיוון שניתן להשתמש בה כדי לחקור אבני דרך התפתחותיות ולמידה באמצעות חיקוי, את האופן שבו תינוקות מעבדים פעולות חזותיות, ואת האופן שבו הם משתתפים בתקשורת חברתית. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה להבנת התפקוד של מערכת נוירוני המראה במוח האנושי המוקדם, ניתן להחיל אותה גם על מערכות קוגניטיביות אחרות, כגון למידה קשובה, עיבוד שפה ותכנון מוטורי, כדי לחקור את הופעתן והתפתחותן במוח האנושי.

בדרך כלל, אנשים שאינם מיומנים בשיטה זו ייתקלו בקושי, כיוון שתינוקות מסוימים עשויים לחוות אי-נוחות בסביבה חדשה, וכן מהחבשת כובע ה-EEG. גורמים כגון נמנום ורעב עלולים אף הם לגרום לאובדן סבלנות של התינוק. התחילו בליווי הוריו של התינוק אל חדר הניסוי ובהסבר קצר על מטרת הניסוי. רשמו את גיל התינוק בחודשים ואת מינו.

הכינו את התינוק לבדיקת האלקטרואנצפלוגרם או EEG על ידי מדידת היקף הראש בסנטימטרים. הניחו את סרט המדידה סביב החלק הרחב ביותר של הראש, כך שיעבור מעל הגבות ומסביב לבליטה העורפית (occipital prominence) בחלק האחורי של הראש. לאחר מכן, מדדו את המרחק מה-nasn ל-ian לאורך המישור הסגיטלי המרכזי של פני הקרקפת.

מקמו את האלקטרודות על כובע EEG כפי שנקבע במערכת הבינלאומית 10 20. לאחר מכן, התאימו את הכובע לראשו של התינוק. יישרו את אלקטרודת CZ עם קודקוד הראש, ואת אלקטרודות FP1 ו-FP2 על המצח.

כווננו את כובע ה-EEG כך שישב באופן סימטרי לאורך המישור הסגיטלי המרכזי של הראש. לאחר מכן, חברו את אלקטרודות הייחוס, ההארקה וההקלטה לתיבת הבקרה. הפעילו את מחווני העכבה, החל מאלקטרודות ההארקה והייחוס.

השתמש במזרק קטן כדי להזריק ג'ל אלקטרוליט לחלל שבין הקרקפת לאלקטרודה. ודא שרמת העכבה של האלקטרודה נמוכה מ-60 kilo ohms. האלקטרודות הופכות לצהובות כאשר העכבה יורדת מתחת ל-60 kilo ohms.

אם העכבה יורדת מתחת ל-25 kilo ohms, הן יהפכו לירוקות. לאחר מכן, חברו את המגברים למחשב המארח באמצעות יציאת USB בעזרת ממיר סיב אופטי ל-USB. כדי להכין את יחידות המדידה האינרציאליות (IMUs), פתחו את תוכנת ה-IMU.

לחצו על "new" בממשק הגרפי והגדירו את רצועות ה-IMU המאובטחות של imus על שני פרקי הידיים, החזה והראש של התינוק. לאחר מכן, הדקו את ה-imus על שני פרקי הידיים של הנסיין. לבסוף, חברו את מארז כניסות ומוצאי הטריגר ל-EEG והשתמשו בו.

התחילו בהנחת התינוק על השולחן כך שיפנה לעבר השחקן. בקשו מההורה לשבת על הכיסא שמאחורי התינוק. לאחר מכן, רשמו את ערכי העכבה הראשוניים של אלקטרודות ה-EEG באמצעות תוכנת הבקרה על ידי בחירה בלשונית בדיקת העכבה (impedance check), לחיצה על כפתור הדלקת העכבה (impedance on), ולאחר מכן לחיצה על שמירת העכבה (save impedance).

כדי לשמור את העכבות, פתח את תוכנת הקלטת ה-EEG וצור מרחב עבודה על ידי הגדרת ערוץ ה-EEG. בחר את התיקייה לשמירת נתוני הגלם. צור שם קובץ.

בחר את מספר הערוצים לשימוש. הגדר תדר דגימה של 1000 hertz ובטל את הסימון באפשרות להפעלת מסננים. ודא שביטלת את הסימון באפשרות להפעלת פילוח (segmentation) כדי להתחיל בהקלטת נתוני EEG.

לחץ על monitor, ואז על play בתוכנת הקלטת ה-EEG. לאחר מכן, לחץ על stream ועל record בתוכנת הקלטת ה-IMU. כדי להתחיל בהקלטת נתוני קינמטיקה, הפעל שלושה טריגרים לאיתות על תחילת הניסוי באמצעות כפתור הלחיצה במארז הכניסות והיציאות (input output enclosure).

הניחו לתינוק לנוח למשך דקה אחת בזמן הקלטת נתוני הבסיס הראשוניים. בצעו את הניסוי עם התינוק למשך כ-15 דקות. נסו לעורר תגובת חיקוי אצל התינוק.

שימו לב למגוון ההתנהגויות שהתינוק עשוי להפגין במהלך הניסוי, כולל הושטה, אחיזה, הגשה, חקירה, תצפית וחיקוי. הפעילו חמישה טריגרים במארז הקלט-פלט כדי לעצור את הניסוי כאשר התינוק מתעייף, או לאחר שחלפו 15 דקות של אינטראקציה בתוכנת הקלטת ה-EEG. לחצו על עצירת הקלטת נתונים בתוכנת ה-IMU.

לחצו על stop בתיבת הדיאלוג של הזרם כדי להפסיק את הקלטות ה-IMU. לבסוף, רשמו את ערכי העכבה הסופיים על ידי בחירה בלשונית impedance check בתוכנת הבקרה. לאחר לחיצה על הכפתור impedance on ולחצן save impedance לשמירת העכבות, בצעו דיגיטציה של הקואורדינטות המרחביות בתלת-ממד של אלקטרודות ה-EEG באמצעות סורק תלת-ממד לאלקטרודות EEG והתוכנה המתאימה.

כדי לבצע זאת, עבורו לתפריט קובץ (file) ובחר בסביבת עבודה חדשה (new workspace) בתוכנה. טען את קובץ מיקומי האלקטרודות בלשונית הראשונה של סביבת העבודה. לאחר מכן, בסרגל כלי הסריקה, לחץ על התחל סריקה (start scanning).

השתמשו במצלמה כדי לסרוק את מיקומי האלקטרודות על ידי מעקב אחר דפוסי האור המשתנים על הכובע. עבור דימוי המקור (source imaging), רכשו תמונות MRI המשוקללות ל-T1 ברזולוציה גבוהה מתוך מאגר ה-MRI הציבורי להתפתחות נוירולוגית, המכיל תבניות MRI ממוצעות כפונקציה של הגיל עבור השנתיים הראשונות לחיים. לבסוף, בצעו רישום משותף (coregister) של מרחבי ה-EEG וה-MRI כדי להשיג את הטרנספורמציה הגאומטרית על ידי התאמת נקודות הייחוס (fiducial points) המסומנות ב-MRI האנטומי ונקודות הייחוס שהתקבלו באמצעות הסורק התלת-ממדי.

שימוש בתוכנה לדימות מוח. פרוטוקול זה מציג מתודולוגיה חדשנית לפענוח עצבי של כוונה אצל תינוקות המתנהגים באופן חופשי במהלך אינטראקציה חברתית לא מתוסרטת עם שחקן. כאן, היסטוגרמות של נתוני EEG מתארות את התהודה של האות הסטנדרטי משלוש אלקטרודות מייצגות מרחבית עבור כל אחת מההתנהגויות שנבחנו. EEG ו-IMU מספקים נתונים עצביים ברזולוציה זמנית גבוהה, שיכולים לנבא פעולות התנהגותיות בתינוקות המתנהגים באופן חופשי.

כאן מוצגת במטריצת בלבול זו דיוק הסיווג עבור תינוק בן 20 חודשים. דיוק הפענוח הכללי הוא 85.2%. לאחר צפייה בסרטון זה, תגיעו להבנה טובה של אופן איסוף נתוני DEG ונתונים קינמטיים מתינוקות המגלים התנהגות של כישלון בעת שהם משתתפים באינטראקציה חברתית עם הנסיין. לאחר רכישת המיומנות, ניתן לבצע טכניקה זו בשעה אחת אם היא מבוצעת כהלכה.

במהלך ביצוע פרוצדורה זו, חשוב להיות קשובים לתגובת התינוק לסביבה, שכן היא עשויה להיות זרה לו או להוות מקור להסחות דעת. חדר קטן וידידותי לילדים ונוכחות של פחות מארבעה אנשים בחדר עשויים לסייע בהפחתת חרדה שעלולה להתעורר אצל התינוק כתוצאה מהסביבה החדשה. בעקבות פרוצדורה זו, ניתן לבצע שיטות אחרות, כגון קישוריות תפקודית ואפקטיבית, כדי לענות על שאלות נוספות, כגון: כיצד האינטראקציה והתיאום בין אזורי מוח תורמים לתפקודי המוח?

אנו מאמינים כי טכניקה חדשנית זו תאפשר לחוקרים בתחום הנדסת השיקום הנוירו-קוגניטיבי לחקור את פעילות המוח במצב של הפרעה, כגון אוטיזם.