Un nuovo approccio sperimentale e analitico al multimodale neurale decodifica di intenti durante l'interazione sociale in Liberamente-comportarsi neonati umani

L'obiettivo generale di questa procedura è acquisire dati sull'attività cerebrale e dati cinematici da neonati integrando registrazioni video, elettroencefalografi attivi ad alta densità con elettrodi a contatto attivo del cuoio capelluto, e unità di misurazione inerziale sincronizzate. Questo viene realizzato innanzitutto posizionando il casco EEG sulla testa del neonato e verificando che i livelli di impedenza tra ciascun elettrodo e il cuoio capelluto siano accettabili. Il secondo passaggio consiste nell'applicare saldamente le unità di misurazione inerziale sulla testa, sulle braccia e sul torace del neonato, nonché sui polsi dell'esperimentatore.

Successivamente, lo sperimentatore interagisce con il neonato al fine di indurre una risposta di imitazione; l'ultimo passaggio consiste nel digitalizzare le coordinate spaziali 3D degli elettrodi EEG. In definitiva, l'acquisizione di dati EEG e cinematici da neonati che si muovono liberamente permette di indagare le basi neurali dello sviluppo cognitivo motorio e l'emergere della cognizione sociale. Un vantaggio di questa tecnica rispetto ad altri approcci nello studio della cognizione sociale è la possibilità di registrare l'attività neurale durante l'azione e in un contesto naturale nei primi due anni di vita.

Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo delle neuroscienze cognitive, ad esempio quale sia la relazione intrinseca tra i cambiamenti dello sviluppo nell’architettura cerebrale e il comportamento. Le implicazioni di questa tecnica riguardano anche la terapia dei disturbi della cognizione sociale e dei disturbi dello spettro autistico, poiché può essere utilizzata per studiare i traguardi dello sviluppo e l’apprendimento per imitazione, il modo in cui i neonati elaborano le azioni visive e come partecipano alla comunicazione sociale. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla comprensione del funzionamento del sistema dei neuroni specchio nel cervello umano precoce, può essere applicato anche ad altri sistemi cognitivi, come l’apprendimento attentivo, l’elaborazione del linguaggio e la pianificazione motoria, per studiarne l’emergenza e lo sviluppo all’interno del cervello umano.

Generalmente, le persone nuove rispetto a questo metodo potranno incontrare difficoltà poiché alcuni neonati possono manifestare disagio in un ambiente nuovo, così come nell'indossare il cappuccio EEG. Fattori come sonnolenza e fame possono inoltre portare il neonato a diventare impaziente. Iniziare accompagnando i genitori del neonato nella stanza sperimentale e spiegando brevemente lo scopo dell'esperimento. Registrare l'età in mesi e il sesso del neonato.

Preparare il neonato per l'elettroencefalogramma o EEG misurando la circonferenza cranica in centimetri. Posizionare il nastro metrico intorno alla parte più larga del capo, facendolo passare sopra le sopracciglia e intorno alla prominenza occipitale nella parte posteriore della testa. Successivamente, misurare la distanza dal nasn all'ian lungo il piano sagittale mediano della superficie del cuoio capelluto.

Posizionare gli elettrodi su un berretto EEG secondo quanto specificato dal sistema internazionale 10-20. Quindi posizionare il berretto sulla testa del neonato. Allineare l'elettrodo CZ con il vertice della testa e centrare gli elettrodi FP1 e FP2 sulla fronte.

Regolare il casco EEG in modo che si posizioni simmetricamente lungo il piano sagittale mediano della testa. Successivamente, collegare gli elettrodi di riferimento, di massa e di registrazione alla scatola di controllo. Accendere gli indicatori di impedenza, iniziando dagli elettrodi di massa e di riferimento.

Utilizzare una siringa piccola per iniettare del gel elettrolitico nello spazio tra il cuoio capelluto e l'elettrodo. Assicurarsi che il livello di impedenza dell'elettrodo sia inferiore a 60 chiloohm. Gli elettrodi diventano gialli quando l'impedenza scende al di sotto di 60 chiloohm.

Se l'impedenza scende al di sotto di 25 kilo ohm, diventano verdi. Quindi collegare gli amplificatori al computer host tramite una porta USB utilizzando un convertitore da fibra ottica a USB. Per preparare le unità di misurazione inerziale o IMU, aprire il software IMU.

Fare clic su nuovo nell'interfaccia grafica e configurare le cinghie sicure IMU su entrambi i polsi, sul torace e sulla testa del neonato. Quindi fissare gli IMU su entrambi i polsi dello sperimentatore. Infine, collegare l'involucro di ingresso/uscita del trigger all'EEG e utilizzarlo.

Posizionare innanzitutto il neonato sul piano del tavolo in modo che sia rivolto verso l'attore. Chiedere al genitore di sedersi sulla sedia dietro al neonato. Quindi registrare i valori iniziali di impedenza degli elettrodi EEG utilizzando il software di controllo, selezionando la scheda di controllo dell'impedenza, facendo clic sul pulsante "impedenza on" e successivamente sul pulsante "salva impedenza".

Per salvare le impedenze, aprire il software di registrazione EEG e generare un'area di lavoro impostando il canale EEG. Selezionare la cartella in cui salvare i dati grezzi. Generare un nome di file.

Selezionare il numero di canali da utilizzare. Specificare 1000 hertz come frequenza di campionamento e deselezionare l'opzione per abilitare i filtri. Assicurarsi di deselezionare l'opzione per abilitare la segmentazione per iniziare la registrazione dei dati EEG.

Fare clic sul monitor, quindi su riproduci nel programma del registratore EEG. Successivamente, fare clic su flusso e registrazione nel software di acquisizione IMU. Per iniziare la registrazione dei dati cinematici, applicare tre trigger per segnalare l'inizio dell'esperimento utilizzando il pulsante a pressione sull'involucro di ingresso-uscita.

Lasciare che il neonato riposi per un minuto mentre si registrano i dati iniziali di base. Eseguire l'esperimento con il neonato per circa 15 minuti. Provare a indurre una risposta di imitazione nel neonato.

Osservare la varietà di comportamenti che il neonato può manifestare durante l'esperimento, inclusi allungamento, afferrare, allungamento, offrire, esplorare, osservare e imitare. Applicare cinque segnali di attivazione sull'involucro ingresso-uscita per interrompere l'esperimentatore quando il neonato è stanco o dopo 15 minuti di interazione trascorsi nel software di registrazione EEG. Fare clic su interrompere la registrazione dei dati nel software IMU.

Fare clic su "stop" nella finestra di dialogo dello stream per terminare le registrazioni dell'IMU. Infine, registrare i valori finali di impedenza selezionando la scheda di controllo dell'impedenza nel software di controllo. Cliccare sul pulsante "impedenza on" e quindi su "salva impedenza" per salvare le impedenze, quindi digitalizzare le coordinate spaziali 3D degli elettrodi EEG utilizzando lo scanner 3D per elettrodi EEG e il relativo software.

Per fare ciò, andare nel menu file e selezionare nuova area di lavoro nel software. Caricare il file della posizione degli elettrodi nella prima scheda dell'area di lavoro. Quindi, nella barra degli strumenti di scansione, fare clic su avvia scansione.

Utilizzare la fotocamera per scansionare le posizioni degli elettrodi seguendo i modelli luminosi in cambiamento sul casco. Per l'imaging delle sorgenti, acquisire immagini ponderate in T1 ad alta risoluzione provenienti dal database pubblico di risonanza magnetica neurosviluppistica, che contiene modelli medi di risonanza magnetica in funzione dell'età per i primi due anni di vita. Infine, effettuare la coregistrazione dello spazio EEG e MRI per ottenere la trasformazione geometrica, allineando i punti fiduciali indicati sulla risonanza magnetica anatomica ai punti fiduciali ottenuti con lo scanner 3D.

Utilizzo del software di imaging cerebrale. Questo protocollo presenta una metodologia innovativa per la decodifica neurale dell'intento in neonati che si comportano liberamente durante interazioni sociali non pianificate con un soggetto. In questo caso, gli istogrammi dei dati EEG descrivono la distribuzione del segnale standardizzato proveniente da tre elettrodi rappresentativi dal punto di vista spaziale, per ciascuno dei comportamenti analizzati. L'EEG e l'IMU forniscono dati neurali con elevata risoluzione temporale, in grado di predire le azioni comportamentali in neonati che si comportano liberamente.

Qui viene mostrata l'accuratezza della classificazione per un infante di 20 mesi in questa matrice di confusione. L'accuratezza complessiva del decodificare è dell'85,2%. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come raccogliere dati di espressione genica differenziale e dati cinematici da infanti che mostrano comportamenti di fallimento mentre interagiscono socialmente con lo sperimentatore. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in un'ora se effettuata correttamente.

Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante prestare attenzione a come il bambino reagisce all'ambiente, poiché potrebbe risultare estraneo e causare distrazioni. Una stanza piccola e adatta ai bambini, con meno di quattro persone presenti, può contribuire a ridurre l'ansia che il bambino potrebbe provare a causa del nuovo ambiente. Dopo aver seguito questa procedura, è possibile eseguire altri metodi, come la connettività funzionale ed efficace, al fine di rispondere ad ulteriori domande, ad esempio: come l'interazione e la coordinazione tra le diverse regioni cerebrali contribuiscono alle funzioni cerebrali?

Riteniamo che questa nuova tecnica permetterà ai ricercatori nel campo dell'ingegneria della riabilitazione neurocognitiva di esplorare l'attività cerebrale in uno stato patologico come l'autismo.