인간의 유아를 자유롭게 행동의 사회적 상호 작용하는 동안 의도 모드의 신경 디코딩에 소설 실험 및 분석 접근

본 절차의 전반적인 목표는 동기화된 고밀도 능동형 두피 뇌전도(EEG), 관성 측정 장치(IMU) 및 비디오 녹화를 통합하여 영유아의 뇌 활동과 운동학적 데이터를 캡처하는 것입니다. 이를 위해 먼저 영유아의 머리에 EEG 캡을 씌우고, 각 전극과 두피 사이의 임피던스 수준이 허용 범위 내에 있는지 확인합니다. 두 번째 단계로는 영유아의 머리, 팔, 가슴 그리고 실험자의 손목에 관성 측정 장치를 고정합니다.

다음으로, 실험자는 모방 반응을 유도하기 위해 영아와 상호작용하며, 마지막 단계로 EEG 전극의 3D 공간 좌표를 디지털화합니다. 궁극적으로, 자유롭게 행동하는 영아로부터 EEG 및 운동학적 데이터를 획득함으로써 인지 운동 발달의 신경학적 기초와 사회적 인지의 출현을 조사할 수 있습니다. 사회적 인지를 조사하는 다른 접근 방식에 비해 이 기술이 갖는 장점은 생후 첫 2년 동안 실제 행동과 맥락 속에서 신경 활동을 획득할 수 있다는 점입니다.

이 방법은 뇌 구조의 발달적 변화와 행동 사이의 내재적 관계는 무엇인가와 같은 인지 신경과학 분야의 핵심 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 함의는 사회 인지 문제 및 자폐 스펙트럼 장애의 치료로 확장되는데, 이는 발달 이정표와 모방 학습, 영아가 시각적 행동을 처리하는 방식, 그리고 사회적 의사소통에 참여하는 방식을 연구하는 데 사용될 수 있기 때문입니다. 이 방법은 초기 인간 뇌의 거울 뉴런 시스템의 기능을 이해하는 데 통찰력을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 주의 집중 학습, 언어 처리, 운동 계획과 같은 다른 인지 시스템에 적용하여 인간 뇌 내에서의 출현과 발달을 연구하는 데에도 활용될 수 있습니다.

일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 연구자는 어려움을 겪을 수 있는데, 이는 일부 영아가 새로운 환경이나 EEG 캡 착용에 불편함을 느낄 수 있기 때문입니다. 졸음이나 배고픔과 같은 요인 또한 영아를 조급하게 만들 수 있습니다. 먼저 영아의 부모를 실험실로 안내하고 실험 목적을 간략하게 설명하십시오. 영아의 월령과 성별을 기록하십시오.

머리 둘레를 센티미터 단위로 측정하여 영아의 뇌전도(EEG) 검사 준비를 합니다. 측정 테이프를 눈썹 위와 머리 뒤쪽의 후두 돌출부를 지나 머리의 가장 넓은 부분에 두릅니다. 다음으로, 두피 표면의 정중 시상면을 따라 nasion에서 inion까지의 거리를 측정합니다.

10-20 국제 표준 시스템에 명시된 대로 EEG 캡에 전극을 배치합니다. 그다음 캡을 영아의 머리에 씌웁니다. CZ 전극을 머리 꼭대기의 정점에 맞추고, FP1 및 FP2 전극을 이마 중앙에 맞춥니다.

EEG 캡이 머리의 정중시상면을 따라 대칭으로 놓이도록 조정합니다. 다음으로, 기준 접지 전극과 기록 전극을 컨트롤 박스에 연결합니다. 접지 및 기준 전극부터 시작하여 임피던스 표시등을 켭니다.

소형 주사기를 사용하여 두피와 전극 사이의 공간에 전해질 젤을 주입하십시오. 전극의 임피던스 수준이 60 kilo ohms 미만인지 확인하십시오. 임피던스가 60 kilo ohms 미만으로 내려가면 전극이 노란색으로 변합니다.

임피던스가 25 kilo ohms 미만으로 떨어지면 초록색으로 변합니다. 그런 다음 광섬유-USB 컨버터를 사용하여 USB 포트를 통해 앰프를 호스트 컴퓨터에 연결합니다. 관성 측정 장치(inertial measurement units) 또는 IMU를 준비하려면 IMU 소프트웨어를 엽니다.

그래픽 인터페이스에서 'new'를 클릭하고, 영아의 양손 손목, 가슴 및 머리에 imus secure IMU 스트랩을 착용하도록 설정하십시오. 그런 다음 실험자의 양손 손목에 imus를 고정하십시오. 마지막으로, 트리거 입출력 인클로저를 EEG에 연결하여 사용하십시오.

먼저 영아를 테이블 위에 놓아 실험자를 마주 보게 합니다. 부모에게는 영아 뒤쪽의 의자에 앉아달라고 요청하십시오. 그런 다음, 제어 소프트웨어에서 임피던스 확인(impedance check) 탭을 선택하고, 임피던스 켜기(impedance on) 버튼을 클릭한 뒤, 임피던스 저장(save impedance)을 클릭하여 EEG 전극의 초기 임피던스 값을 기록합니다.

임피던스 값을 저장하려면 EEG 기록 소프트웨어를 열고 EEG 채널을 설정하여 작업 공간을 생성하십시오. raw 데이터가 저장될 폴더를 선택하십시오. 파일 이름을 생성하십시오.

사용할 채널 수를 선택하십시오. 샘플링 주파수를 1000 hertz로 지정하고 필터 활성화(enable filters) 옵션의 선택을 해제하십시오. EEG 데이터 기록을 시작하려면 세그먼트화 활성화(enable segmentation) 옵션의 선택이 해제되어 있는지 확인하십시오.

EEG 기록 프로그램에서 monitor를 클릭한 다음 play를 누릅니다. 이어서 IMU 기록 소프트웨어에서 stream과 record를 클릭합니다. 운동학 데이터를 기록하려면 입출력 인클로저의 푸시 버튼을 사용하여 실험 시작을 알리는 트리거를 세 번 입력하십시오.

초기 기저선 데이터를 기록하는 동안 영아가 1분 동안 휴식을 취하게 합니다. 영아를 대상으로 약 15분 동안 실험을 수행합니다. 영아가 모방 반응을 보이도록 유도하십시오.

실험 중에 영아가 보일 수 있는 뻗기, 잡기, 다시 뻗기, 제공하기, 탐색하기, 관찰하기 및 모방하기를 포함한 다양한 행동에 유의하십시오. 영아가 피로해하거나 EEG 기록 소프트웨어에서 상호작용 시간이 15분 경과한 경우, 입력 출력 인클로저의 트리거 5개를 사용하여 실험자를 중단시키십시오. IMU 소프트웨어에서 데이터 기록 중지를 클릭하십시오.

스트림 대화 상자의 중지 버튼을 클릭하여 IMU 기록을 종료합니다. 마지막으로, 제어 소프트웨어에서 임피던스 확인 탭을 선택하여 최종 임피던스 값을 기록합니다. 임피던스 켜기 버튼을 클릭한 다음 임피던스 저장 버튼을 클릭하여 임피던스를 저장합니다. EEG 전극 3D 스캐너와 소프트웨어를 사용하여 EEG 전극의 3D 공간 좌표를 디지털화합니다.

이를 수행하려면 소프트웨어에서 '파일'로 이동하여 '새 작업 공간'을 선택하십시오. 작업 공간의 첫 번째 탭에서 전극 위치 파일을 불러옵니다. 그런 다음 스캐닝 도구 모음에서 '스캐닝 시작'을 클릭하십시오.

캡에 나타나는 가변적인 빛 패턴을 따라 카메라를 사용하여 전극 위치를 스캔하십시오. 소스 이미징의 경우, 생후 첫 2년 동안의 연령별 평균 MRI 템플릿이 포함된 신경발달 MRI 공공 데이터베이스에서 고해상도 T1 강조 자기공명영상을 획득하십시오. 마지막으로, 해부학적 MRI에 표시된 기준점과 3D 스캐너로 얻은 기준점을 맞추어 기하학적 변환을 구함으로써 EEG 공간과 MRI 공간을 공동 등록하십시오.

뇌 영상 소프트웨어 사용하기. 본 프로토콜은 배우자와의 대본 없는 사회적 상호작용 중 자유롭게 행동하는 영아의 의도를 신경 해독하는 새로운 방법론을 제시합니다. 여기에서 EEG 데이터 히스토그램은 분석된 각 행동에 대해 공간적으로 대표성이 있는 3개 전극의 표준화된 신호 분포를 나타냅니다. EEG와 IMU는 고해상도 시간 분해능의 신경 데이터를 제공하며, 이를 통해 자유롭게 행동하는 영아의 행동 작용을 예측할 수 있습니다.

여기 20개월 된 영아의 분류 정확도가 이 혼동 행렬에 표시되어 있습니다. 전체 디코딩 정확도는 85.2%입니다. 이 영상을 시청하고 나면, 실험자와 사회적 상호작용을 하는 동안 실패 행동을 보이는 영아로부터 DEG 및 운동학 데이터를 수집하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 기술을 숙달하면 적절하게 수행했을 때 1시간 이내에 완료할 수 있습니다.

이 절차를 수행할 때는 영아가 낯선 환경이나 주변의 산만함에 어떻게 반응하는지 주의 깊게 살피는 것이 중요합니다. 아동 친화적인 작은 방을 사용하고 실내 인원을 4명 미만으로 유지하면, 영아가 새로운 환경에서 느낄 수 있는 불안감을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 절차 이후에는 뇌 영역 간의 상호작용과 협응이 뇌 기능에 어떻게 기여하는가와 같은 추가적인 질문에 답하기 위해 기능적 및 유효 연결성(functional and effective connectivity)과 같은 다른 방법들을 수행할 수 있습니다.

우리는 이 새로운 기술이 신경 인지 재활 공학 연구자들이 자폐증과 같은 장애 상태의 뇌 활동을 탐구하는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.