自由に振る舞うヒト乳児における社会的相互作用の間に意思のマルチモーダル神経デコーディングするための新規の実験と解析手法

この手順の全体的な目的は、同期した高密度能動的頭皮脳波測定、慣性計測装置、およびビデオ録画を統合することで、乳児の脳活動とキネマティクスデータを取得することです。まず、乳児の頭部にEEGキャップを装着し、各電極と頭皮の間のインピーダンスレベルが許容範囲内であることを確認します。次に、乳児の頭部、腕、胸部、および実験者の手首に慣性計測装置を固定します。

次に、実験者は乳児に働きかけ、模倣反応を誘発させます。最終ステップは、EEG電極の3次元空間座標をデジタル化することです。最終的に、自由に動作する乳児からEEGおよびキネマティクスデータを取得することで、認知運動発達の神経基盤および社会的認知の出現に関する調査が可能になります。社会的認知を調査する他のアプローチに対する本手法の利点は、生後2年間の行動中かつ文脈の中で神経活動を取得できることです。

この手法は、脳構造の発達的変化と行動の間にどのような本質的な関係があるかという、認知神経科学分野における重要な問いに答えるのに役立ちます。この技術の意義は、乳児がどのように視覚的な動作を処理し、どのように社会的コミュニケーションを行うか、また発達の節目や模倣による学習を研究できるため、社会認知の問題や自閉症スペクトラム障害の治療にも及びます。この手法は、ヒトの初期の脳におけるミラーニューロンシステムの機能解明に洞察を与えるだけでなく、注意深い学習、言語処理、運動計画などの他の認知システムにも適用でき、ヒトの脳内におけるそれらの出現と発達を研究することが可能です。

一般的に、この手法に不慣れな者は苦労することがあります。乳児によっては、新しい環境やEEGキャップの着用に不快感を示す場合があるためです。また、眠気や空腹などの要因により、乳児が飽きてしまったり、不機嫌になったりすることもあります。まず、乳児の保護者を実験室へ案内し、実験の目的を簡潔に説明してください。その後、乳児の月齢と性別を記録します。

頭囲をセンチメートル単位で測定し、乳児の脳波検査（EEG）の準備を行います。測定テープを眉の上および後頭部の後頭結節を含む頭部の最も広い部分に回して配置します。次に、頭皮表面の中正中面（mid sagittal plane）に沿って、nasion（鼻根）からinion（外後頭隆起）までの距離を測定します。

10-20国際電極配置法に従って、EEGキャップに電極を配置します。次に、乳児の頭部にキャップを装着します。CZ電極を頭頂点に合わせ、FP1およびFP2電極を前額部に中心的に配置します。

EEGキャップを調整し、頭部の正中矢状面に沿って対称に配置します。次に、基準電極、接地電極、および記録電極をコントロールボックスに接続します。接地電極と基準電極から順に、インピーダンスインジケーターをオンにします。

小さなシリンジを使用して、頭皮と電極の間の隙間に電解質ゲルを注入します。電極のインピーダンス値が60 kΩ以下であることを確認してください。インピーダンスが60 kΩを下回ると、電極が黄色に変わります。

インピーダンスが 25 kilo ohms 以下になると、緑色に変わります。次に、光ファイバー-USBコンバーターを使用して、USBポート経由でアンプをホストコンピューターに接続します。慣性計測装置（IMU）を準備するために、IMUソフトウェアを開きます。

グラフィカルインターフェースの「new」をクリックし、乳児の両手首、胸部、および頭部にimusセキュアIMUストラップを装着するように設定します。次に、実験者の両手首にimusを固定します。最後に、トリガー入出力エンクロージャをEEGに接続して使用します。

まず、乳児をテーブルの上に置き、演者に顔を向かせます。保護者には乳児の後ろの椅子に座るよう依頼してください。次に、制御ソフトウェアのインピーダンスチェックタブを選択し、「impedance on」ボタンをクリックして、「save impedance」をクリックすることで、EEG電極の初期インピーダンス値を記録します。

インピーダンスを保存するには、EEG記録ソフトウェアを開き、EEGチャネルを設定してワークスペースを作成します。生データを保存するフォルダを選択し、ファイル名を生成してください。

使用するチャンネル数を選択します。サンプリング周波数を1000 hertzに指定し、「enable filters」オプションのチェックを外します。EEGデータの記録を開始するために、「enable segmentation」オプションのチェックが外れていることを確認してください。

EEGレコーダープログラムの「monitor」をクリックし、次に「play」をクリックします。続いて、IMU記録ソフトウェアの「stream」と「record」をクリックします。運動学的データの記録を開始するには、入出力エンクロージャのプッシュボタンを使用して、実験開始を知らせるトリガーを3回入力してください。

乳児を1分間安静にさせ、初期のベースラインデータを記録します。乳児に対して約15分間実験を行います。乳児から模倣反応を誘発するようにしてください。

リーチ、把握、リーチ、提示、探索、観察、模倣など、実験中に乳児が示す可能性のある多様な行動に注意してください。乳児が疲れた場合、またはEEG記録ソフトウェアで15分間の相互作用が経過した時点で、入出力エンクロージャのトリガーを5回押して実験者を停止させてください。IMUソフトウェアのデータ記録停止をクリックします。

ストリームダイアログボックスの停止をクリックして、IMUの記録を終了します。最後に、制御ソフトウェアのインピーダンスチェックタブを選択し、最終的なインピーダンス値を記録します。「impedance on」ボタンをクリックし、次に「save impedance」をクリックしてインピーダンスを保存します。EEG電極3Dスキャナーとソフトウェアを使用して、EEG電極の3次元空間座標をデジタル化してください。

この操作を行うには、ソフトウェアの「ファイル」から「新規ワークスペース」を選択します。ワークスペースの最初のタブに電極位置ファイルをロードしてください。次に、スキャンツールバーの「スキャン開始」をクリックします。

キャップ上の光パターンの変化に従い、カメラを使用して電極の位置をスキャンします。ソースイメージングには、生後2年までの年齢に応じた平均MRIテンプレートを含む神経発達MRIパブリックデータベースから、高解像度のT1強調磁気共鳴画像を取得します。最後に、解剖学的MRIに示された基準点と3Dスキャナーで得られた基準点を適合させ、EEG空間とMRI空間を共登録して幾何学的変換を求めます。

脳イメージングソフトウェアの使用法について。本プロトコルでは、俳優との台本のない社会的相互作用における、自由行動下にある乳児の意図を神経デコードするための新しい手法を提示します。ここでは、EEGデータのヒストグラムを用いて、解析した各行動について、空間的に代表的な3つの電極からの標準化された信号の分布を記述します。EEGとIMUは、自由行動下の乳児における行動を予測可能な、高時間分解能の神経データを提供します。

ここでは、生後20か月の乳児の分類精度をこの混同行列に示しています。全体的なデコード精度は85.2%です。このビデオを視聴することで、実験者との社会的相互作用に従事している失敗行動を示す乳児から、DEGおよびキネマティクスデータを収集する方法について十分に理解できるはずです。習熟すれば、適切に実施した場合、この手法は1時間で完了させることができます。

この手順を行う際は、乳幼児にとって不慣れな環境であったり、注意を散らす要因があったりするため、乳幼児が環境にどのように反応するかに留意することが重要です。子供に適した小さな部屋を用意し、室内にいる人数を4人未満に抑えることで、新しい環境によって乳幼児に生じる不安を軽減できます。この手順に続き、機能的および有効的なコネクティビティなどの他の手法を用いることで、「脳領域間の相互作用や協調がどのように脳機能に寄与しているか」といった追加の問いに答えることが可能です。

この新しい手法により、神経認知リハビリテーション工学の研究者が、自閉症などの疾患状態における脳活動を探索できるようになると考えています。