Valutazione della lateralizzazione cerebrale nei bambini utilizzando funzionale ad ultrasuoni Doppler transcranico (fTCD)

Summary

Funzionale Doppler transcranico (fTCD) è una tecnica ad ultrasuoni semplice e non invasivo che può essere utilizzato per valutare la lateralizzazione delle funzioni cognitive, soprattutto la lingua, ed è adatto per l'uso con i bambini.

Abstract

Ci sono molte domande senza risposta sulla lateralizzazione cerebrale. In particolare, non è chiaro quali aspetti del linguaggio e la capacità non verbali sono lateralizzato, se ci sono degli svantaggi associati a modelli atipici di lateralizzazione cerebrale, e se lateralizzazione cerebrale si sviluppa con l'età. In passato, i ricercatori interessati a queste domande tendevano a usare prepotenza come misura proxy per lateralizzazione cerebrale, ma questo è insoddisfacente perché prepotenza è solo un indicatore debole e indiretto di lateralità delle funzioni cognitive ^1. Altri metodi, come la fMRI, sono costosi per studi su larga scala, e non sempre fattibile con i bambini ^2.

Qui descriveremo l'uso di ultrasuoni Doppler transcranico funzionale (fTCD) come un costo-efficace, metodo non invasivo e affidabile per la valutazione della lateralizzazione cerebrale. La procedura consiste nella misurazione del flusso sanguigno nell'arteria cerebrale media attraverso una sonda ecografica posta proprio di fronte l'orecchio. Il nostro lavoro si basa sul lavoro da Rune Aaslid, che ha co-TCD introdotto nel 1982, e Stefan Knecht, Michael Deppe ei loro colleghi presso l'Università di Münster, che ha aperto la strada all'uso di misure simultanee di sinistra e di centro-destra flusso ematico cerebrale arteria, e messo a punto un metodo di correzione per l'attività del battito cardiaco. Questo ha permesso di vedere un netto aumento del lato sinistro del flusso sanguigno durante la generazione di lingua, d'accordo con lateralizzazione bene con quelle ottenute con altri metodi ^3.

L'arteria cerebrale media ha un territorio molto ampio vascolare (vedi Figura 1) e il metodo non fornisce informazioni utili sulla localizzazione all'interno di una semisfera. La nostra esperienza suggerisce che è particolarmente sensibile alle attività che comprendono la produzione, linguaggio esplicito o implicito. Il compito del 'gold standard' è un compito generazione di parola (ad esempio, pensare a quante più parole possibile che iniziano con 'B' la lettera) ^4, ma questo non è adatto per bambini piccoli e gli altri con limitata alfabetizzazione. Rispetto ad altri metodi di brain imaging, fTCD è relativamente inalterata artefatti da movimento di parlare, e quindi siamo in grado di ottenere un risultato affidabile da attività che coinvolgono le immagini descrivendo a voce alta ^5,6. Di conseguenza, abbiamo sviluppato una misura di bambino compito che coinvolge guardando video-clip che raccontano una storia, e poi descrivere quello che è stato visto.

Protocol

1. Utilizzando fTCD per valutare Lateralizzazione del linguaggio nel bambino

1. Ove possibile, abbiamo familiarizzare il bambino con immagini che mostrano personaggi dalle storie video in una sessione separata prima di introdurli al sistema Doppler.
2. E 'importante che la procedura prevede prove sufficienti per ottenere una misura affidabile: idealmente 20 o più, anche se abbiamo ottenuto dati utili con solo 10-15 prove. Ogni prova prevede un periodo di relax, da utilizzare come base, seguita da attivazione linguaggio. Velocità del flusso di sangue durante il periodo di attivazione è confrontata con la linea di base. Abbiamo scoperto che è possibile utilizzare il periodo mentre il bambino guarda passivamente una clip video di 12 secondi come punto di partenza. Questo aiuta a evitare la noia. La linea di base è seguita da un periodo di 10 seconda risposta in cui si chiede al bambino di descrivere ciò che è accaduto. Questo è seguito da un periodo di 16 secondo riposo.
3. I tempi della procedura è importante al fine di rilevare i cambiamenti nella velocità del flusso sanguigno a causa di esigenze metaboliche, che può durare fino a 7 secondi. Noi usiamo le attività informatizzate, scritto nella presentazione o Matlab, che controllano i tempi di ogni prova. Criticamente, questi programmi anche inviare impulsi per l'hardware che registra un marker nel file Doppler dati per indicare inizio del periodo di attivazione. Questi sono utilizzati per l'analisi di dati per determinare i periodi di riferimento e il flusso di sangue di attivazione.
4. Usiamo un multi-Dop sistema ad ultrasuoni che permette la registrazione dal lato destro e sinistro contemporaneamente. E 'meglio avere il Multi-dop sistema configurato e pronto per andare prima che il partecipante arriva. Assicurarsi che le sonde sono collegate al sistema Multi-dop prima di accendere. Controllare che il computer stimolo è collegato, tramite porta parallela, per il Multi-dop computer e gli impulsi da una si vedono dall'altra. Assicurarsi che il filtro passa-alto è impostato a 300 Hz per entrambe le parti e controllare la profondità di insonazione (45-55 mm) e la potenza del segnale. Il sistema ha limiti sui parametri diversi per garantire solo i livelli di sicurezza può essere utilizzato.
5. Un codice partecipante deve essere registrato in Multi-dop file di dati al fine di condizione, il gruppo o dati demografici corrispondenti.
6. Il sistema dovrebbe poi essere messo in pausa durante la preparazione delle sonde. Ogni sonda ad ultrasuoni è coperta con il gel che fornisce un contatto tra la sonda e la pelle. Utilizzare una generosa quantità di gel per mantenere il miglior contatto possibile.
7. Ora è il momento di avviare la sessione. Controllare se il bambino ha bisogno di andare in bagno prima di iniziare! Dimostriamo l'auricolare utilizzando animali giocattolo, e assicurarsi che il bambino capisca cosa sta per accadere e ciò che verrà chiesto di fare. E 'particolarmente importante che capiscano la necessità di tacere dopo il periodo di attivazione, in modo che il segnale può ritornano ai valori basali. I bambini devono essere seduti comodamente come un compito completo può durare tra i 20 ei 30 minuti e un sacco di movimenti del corpo lordo può interferire con il segnale Doppler.
8. La parte più difficile della procedura è il posizionamento del gel-coperti sonde. I nuovi utenti devono essere consapevoli che ci vuole pratica per diventare esperto in questa parte del processo. Vi è una simulazione al computer utile da Rune Aaslid che può aiutare con una formazione
   ( http://www.transcranial.com/ ), ma il modo migliore per imparare è attraverso la pratica su amici e colleghi. Una volta valutato circa 10 persone, si inizierà a trovare molto più facile. Una cosa buona di lavoro con i bambini è che di solito è più facile trovare un segnale da un bambino di un adulto, perché hanno crani più sottili.
9. Ogni sonda è posta alla finestra temporale del cranio su ogni lato della testa. Questa è la sezione più sottile di osso nella testa e offre la migliore area attraverso la quale un segnale può essere ottenuto dalle arterie cerebrale media. Queste finestre si possono trovare solo in avanti di ciascun orecchio. Quando si lavora con i bambini, può contribuire a ridurre il tempo di set-up se si hanno due sperimentatori, una regolazione di ogni sonda. La maggior parte dei bambini sono felici di vedere un DVD durante questa parte della procedura, ma è importante per monitorare il comportamento del bambino e assicurare che siano comodi e rilassati. Terminare la sessione se il bambino richiede questo o se c'è qualche segno di disagio.
10. La posizione delle sonde viene quindi regolata in modo da insonate l'arteria cerebrale media. Potrebbero essere necessari alcuni minuti prima che un segnale soddisfacente è stata trovata. Questo segnale ha un suono caratteristico e schema visivo che dovrebbe essere controllato dal Multi-dop computer.
11. Il suono caratteristico è un rumore sibilante basso del tasso del battito cardiaco del partecipante. Il modello caratteristica visiva è un forte aumento seguito da una caduta decadimento esponenziale off che si ripete anche al ritmo del battito cardiaco. Si può prendere l'attività di altri vasi sanguigni, in base la profondità di insonazione e la direzione della sonda. Una profondità di circa 45 a 50 mm di solito funziona bene nei bambini. Una volta che un segnale forte è stato trovato, ridurre il potere il più possibile, pur mantenendo un buon segnale. Il guadagno può essere aumentato anche per amplificare un segnale debole.
12. Una volta che i segnali per ogni arteria cerebrale media sono soddisfacenti, l'uscita audio delle Multi-dop segnale deve essere rifiutato, e la procedura può iniziare. Lo sperimentatore spiega al bambino che stanno andando a guardare un video clip in silenzio. Quando vedono il punto interrogativo salire sul computer di cui hanno bisogno per raccontare lo sperimentatore quanto più possibile su ciò che è accaduto nel video. Quando vedono l'immagine del ragazzo che 'shhh' che devono smettere di parlare immediatamente e sedere in silenzio ad aspettare per il video accanto alla partenza (vedi figura 2 e. Esempi avi).
13. Dispositivi di registrazione sono poi ha iniziato, cioè un registratore vocale per le risposte uditive, insieme alla Multi-dop sistema di registrazione, e il computer di controllo di presentazione dello stimolo.
14. Il lavoro del ricercatore è quindi di monitorare il bambino e segnale Doppler a) assicurarsi che il bambino è comodo e partecipando al compito e b) garantire che un segnale adatto è mantenuta. Il segnale Doppler è molto meno sensibile al movimento di un segnale fMRI, ma può ancora essere interrotta da movimenti del corpo grave, o se la sonda si muove. Se il segnale diventa molto disturbato, il display del computer deve essere messo in pausa e le sonde ripristino in modo appropriato. A volte può essere necessario applicare più gel al fine di ottenere ristabilire un segnale soddisfacente. Troviamo che il test di bambini funziona meglio se uno sperimentatore la responsabilità di mantenere il bambino sul compito e la registrazione di quello che dicono, e altri monitor il segnale Doppler.
15. Quando la procedura sperimentale è terminata, il Multi-dop registrazione può essere fermato e le sonde rimosse. E 'utile avere a disposizione alcuni tessuti per rimuovere il gel in eccesso.
16. I file di dati grezzi vengono elaborati al fine di confrontare i segnali destro e sinistro Doppler. Abbiamo sviluppato il nostro software Matlab sulla base dei metodi sviluppati da Deppe ^7. Questo trattamento comporta down-campionamento dei dati e la correzione per le fluttuazioni a causa di battito cardiaco. Prove singole sono esclusi dall'analisi se l'attivazione a sinistra oa destra è fuori di un intervallo specificato, comunemente 70-130% della velocità di flusso di sangue al basale. L'attivazione di questi studi è che possono essere interessate dal contatto della sonda problematico. La figura 3 mostra relativa attivazione per sondare i segnali di un buon segnale, mentre la Figura 4, mostra un caso in cui il segnale viene periodicamente perso.
17. Rispetto alla velocità del flusso di sangue al basale, l'attivazione del canale destro viene sottratto da sinistra al fine di calcolare la differenza di attivazione (vedi Figura 5). L'indice di lateralizzazione è calcolato come la media delle differenze di attivazione per un secondo entrambi i lati della massima differenza all'interno di un predefinito periodo di interesse. Questo periodo di interesse è da 7 a 17 secondi dopo l'inizio del comando 'parlare', indicato dal marcatore inviato dal computer display Multi-dop file di dati. Come l'attivazione differenza è il canale sinistro meno a destra, indici positivi lateralizzazione riflettere lateralizzazione sinistra e negativi riflettere destra.

2. Rappresentante Risultati

Figura 1:. Superficie esterna dell'emisfero cerebrale, che indichi le zone forniti da arterie cerebrali rosa è fornito da regione dell'arteria cerebrale media. (Da: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png )

Figura 2:. Delineare schematica della prova sperimentale con 12 video di base secondo, intervallo di 10 seconda risposta, e 16 di fase secondo riposo Periodo di interesse per il calcolo lateralità è anche raffigurato.

Figura 3. Pulire la registrazione dei dati grezzi di velocità Doppler (cm / sec) per la sinistra (blu) e destro (rosso) dei canali Doppler 130-150 secondi durante una singola sessione sperimentale. Visibili Ogni impulso corrisponde ad un battito cardiaco. Marker di eventi che indicano l'insorgenza stimolo visualizzati in verde.

Figura 4. Turbativa registrazione dei dati grezzi di velocità Doppler (cm / sec) per la sinistra (blu) e destro (rosso) dei canali Doppler 400-450 secondi durante una singola sessione sperimentale. Marcatore evento che indica l'insorgenza stimolo visualizzati in verde. Prove significative di abbandono è visibile per entrambi i canali.

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Figura 5. Sinistra (blu) e destro (rosso) canale (Pannello A) e meno differenza sinistra a destra (pannello B) Velocità Doppler (cm / sec), media in tutti gli studi accettabili per un gruppo di partecipanti. Partecipanti sono stati cued a "" a 12 secondi e il periodo di interesse per il calcolo lateralità è raffigurato anche in verde. Le barre di errore grigia che circonda la velocità differenza nel Pannello di B rappresentano l'errore standard della media.

Avi esempi: le sequenze video per raccontare la storia "Freezefoot" può essere scaricato da: http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm

Discussion

Così come dello studio dello sviluppo normale, abbiamo usato per studiare fTCD lateralizzazione linguaggio negli adulti e nei bambini con disturbi dello sviluppo del linguaggio e alfabetizzazione ^{8, 9.} Siamo inoltre interessati a sviluppare metodi di utilizzo fTCD per la valutazione della lateralizzazione delle abilità visuo-spaziali ^{10, 11.}

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Multi-Dop T con aggiornamento a 2 canali MultiFlow Monitoring	Compumedics	5610 EN	presto sostituito dalla versione digitale
Headset	Spencer Technologies, 701– 16th Avenue, Seattle, WA 98122