EEG Mu Rhythm in typische en atypische ontwikkeling

Samenvatting

Beoordeling van de EEG mu ritme biedt een unieke methode voor de behandeling van hersenactiviteit en in combinatie met gedragsmatig gebaseerde testen, kan een krachtig hulpmiddel voor het ophelderen van aspecten van sociale cognitie, zoals imitatie, in klinische populaties.

Samenvatting

Elektro-encefalogram (EEG) is een effectieve, efficiënte en niet-invasieve wijze van beoordeling en registratie van hersenactiviteit. Gezien de uitstekende temporele resolutie, EEG worden gebruikt om de neurale respons met betrekking tot specifieke gedragingen, staten of externe stimuli onderzocht. Een voorbeeld van dit hulpprogramma is de beoordeling van het spiegelneuronen-systeem (MNS) bij de mens door het onderzoek van de EEG mu ritme. Het EEG mu ritme, oscillerende activiteit in de 8-12 Hz frequentiebereik opgenomen vanuit centraal gelegen elektroden, wordt onderdrukt wanneer een individu wordt uitgevoerd, of gewoon merkt, doelgerichte acties. Als zodanig, is voorgesteld om de activiteit van het MNS weerspiegelen. Er is een theorie dat disfunctie in het spiegelneuronen-systeem (MNS) speelt een bijdragende rol in de sociale tekorten van autisme spectrum stoornis (ASS). De MNS kan dan noninvasively in klinische populaties worden onderzocht door middel van EEG mu ritme verzwakking als een index voor de activiteit. De beschreven protOCOL biedt een weg naar sociale cognitieve functies in theorie gekoppeld aan de MNS bij personen met typische en atypische ontwikkeling, zoals ASD onderzoeken.

Inleiding

Elektro-encefalogram (EEG) is een effectieve, efficiënte en niet-invasieve wijze van beoordeling en registratie van hersenactiviteit. Zoals neuronen vuren in de hersenen, kan de resulterende spanning wordt versterkt, opgetekend en grafisch weergegeven. De tijdsresolutie van EEG maakt de analyse zelfs korte veranderingen in de oscillatie patronen van de hersenen, en de analyse van de reactie van de hersenen op specifieke stimuli.

Ondanks het feit dat de oudste hersenen beeldvormende techniek, die dateren uit de late 19 ^e eeuw, EEG heeft nog steeds brede toepasbaarheid. Terwijl functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) heeft uitstekende ruimtelijke resolutie, het heeft relatief slechte temporele resolutie. Dit betekent een belangrijke beperking van fMRI onderzoek, gezien de ongelooflijke snelheid waarmee processen in de hersenen. EEG heeft de mogelijkheid om elektrische hersenactiviteit op milliseconde niveau noodzakelijk, omdat potentiële inSight in de fasen van de verwerking van de hersenen.

Evoluerende technologieën hebben ook uitgebreid de toepasbaarheid van de EEG. Een toename van de dichtheid van registratiesystemen is toegestaan ​​voor de ontwikkeling van bronlokalisatietechnieken matiging enkele beperkingen EEG inzake ruimtelijke resolutie. Daarnaast hebben moderne systemen de individuele deelnemer set-up aanzienlijk gereduceerd, waardoor de beoordeling van eerder niet beschikbaar bevolking, zoals baby-en klinische monsters ^1-3,28-30.

Gezien de uitstekende temporele resolutie, EEG worden gebruikt om de neurale respons met betrekking tot specifieke gedragingen, staten of externe stimuli onderzocht. Een voorbeeld van dit hulpprogramma is de beoordeling van het spiegelneuronen-systeem (MNS) bij de mens. Spiegelneuronen werden oorspronkelijk geïdentificeerd in apen met behulp van enkel neuron opname ^4, waaruit een groepneuronen die reageerden op de uitvoering en het observeren van motorische handelingen. Deze directe opnamemethode plaatsen van elektroden in de hersenen wordt zelden gebruikt in de mens, en alleen in ernstige klinische gevallen. EEG heeft een werkwijze verschaft voor de beoordeling van de MNS door monitoring van de EEG mu ritme. Deze oscillatie patroon in de 8-12 Hz bereik is aangetoond EEG macht te verminderen in reactie op de uitvoering en waarneming van motorische activiteiten, vergelijkbaar met de activatie patroon waargenomen in apen ^5-7. Evenzo, stimulatie van vermeende MNS hersengebieden door transcraniële magnetische stimulatie (bijvoorbeeld de inferieure frontale gyrus) afschaft EEG mu ritme ⁸ en EEG mu ritme onderdrukking correleert met BOLD signalen van fMRI in vermeende spiegelneuronen regio's binnen vakken ^9, extra ondersteuning te bieden dat dit ritme indexen, althans gedeeltelijk, MNS activiteit. Beoordeling van de EEG mu ritme heeft toegestaan ​​voor een niet-invasieve evaluatie van spiegelneuronen activity bij mensen.

EEG een unieke methodiek voor de behandeling van hersenactiviteit en in combinatie met gedragsmatig gebaseerde testen, kan het een krachtig hulpmiddel voor het ophelderen aspecten van sociale cognitie, zoals imitatie, in klinische populaties. Verder is de toepasbaarheid van EEG signalen voor gebruik bij populaties met cognitieve of taalimpairments maakt inzicht in mogelijkheden van personen waarvoor andere beeldvormingstechnieken of gedragsparadigma's kunnen minder succesvol gebruiken. De beschreven protocol biedt een weg naar sociale cognitieve functies in theorie gekoppeld aan het spiegelneuronen-systeem bij personen met typische en atypische ontwikkeling, zoals Autisme Spectrum Stoornis onderzoeken.

Protocol

Het volgende protocol voldoet aan de richtlijnen van de Universiteit van Washington Institutional Review Board.

1. Electrofysiologische Assessment

1. Voorbereiding van de sessie
   1. Voorbereiding van de kamer: plaats de manipulandum (zie figuur 1), een houten blok met een sensor die is aangesloten, die een tijdstempel marker stuurt naar acquisitie software wanneer het wordt begrepen, op de tafel binnen grijpen bereik van de deelnemer. Activeer EEG acquisitie software en beginnen "nieuwe sessie" (figuur S1).
   2. Netto voorbereiding: warme oplossing van gedestilleerd water (1 L), kaliumchloride (1 eetlepel), en babyshampoo (1 theelepel) tot 104 ° C. Soak 128-elektrode dichte array EEG-systeem in de verwarmde zoutoplossing.
   3. Participant preparaat: zorgen dat de deelnemer comfortabel ongeveer 75 cm van de stimulus monitor goed vastzit gezien de videocameratijdperk. Zoek en markeer de vertex op het hoofd van de deelnemer met een huid marker. Meet de vertex door het vinden van de kruising van het middelpunt tussen de nasion en de INION en het middelpunt tussen preauriculars.
   4. NET applicatie: Plaats de EEG cap op het hoofd van de deelnemer zodanig dat de vertex elektrode direct over de vertex merkteken wordt geplaatst. Controleer impedanties en ervoor zorgen dat impedanties onder de drempel geschikt voor het EEG systeem wordt gebruikt (figuur S2).
   5. Begin video taping sessie.
2. Opname-instelling: Verwijzing signaal naar de vertex elektrode. Analoog filter tussen 0,1 en 100 Hz, versterken het signaal, en digitaliseren bij 500 samples / sec.
3. Stimulus: aanwezig deelnemer met 3 voorwaarden: observeren, uitvoeren en rust, aangepast van het paradigma ontwikkeld door Muthukumaraswamy en collega's ^5.
   1. Let op voorwaarde: Instrueer deelnemer om rustig te zitten en te kijkeneen video van een persoon grijpen de manipulandum. Elke proef moet 6 sec duren. Tijd bespeelde video voor de acht proeven juist dat de waargenomen greep voordoet precies 3 sec. Monitor deelnemer visuele aandacht tijdens de taak, en markeer trials waarin zij niet wonen op het scherm tijdens de post-processing te worden weggegooid.
   2. Uitvoeren voorwaarde: Instrueer deelnemer om rustig te zitten met de rechterhand rustend net onder de manipulandum en, bij het horen van een vooraf opgenomen auditieve cue, de manipulandum grijper imiteren van het observeren aandoening videoclip. Elke proef moet 6 sec duren. Zorg ervoor dat de auditieve cue op precies 3 sec wordt gepresenteerd door de opnamen van een auditieve track die zorgt voor een consistent getimed uitvoeren cue en inter-trial interval. Maken gebruik van een sensor op de manipulandum precies de tijd dat de greep van de deelnemer optreedt (figuur S3) op te nemen.
   3. Rusttoestand: Instrueer deelnemer te zitten quietgevoerd met open ogen en passief observeren een kleine crosshair op de stimulus monitor. Continue EEG tijdens de rest voorwaarde voor 3 minuten.
   4. Voor zowel observeren en voorwaarden uit te voeren, aanwezig gerandomiseerde blokken van tien proeven, voor een totaal van veertig proeven per conditie. Zorg ervoor dat het beeld van de manipulandum blijft op het scherm gedurende het observeren en uitvoeren van blokken, ook tussen studies. Dien de rusttoestand bij de voltooiing van het observeren en uitvoeren omstandigheden.
4. Data Processing
   1. Na het verzamelen van gegevens, controleer impedanties. Let op eventuele wijzigingen in impedantie niveaus. End acquisitie software opname.
   2. Post-processing: Rereference EEG-signaal van het gemiddelde. Segment continue EEG data in veertig 6-sec proeven voor elke conditie (figuur S4).
   3. Voeren geautomatiseerde detectie van artefact. Gebruik geautomatiseerde algoritmen om segmenten voor beweging artefacten inspecteren door het identificeren snel gemiddelde amplitudes exceeding 200 mV, differentiële gemiddelde amplitudes groter dan 100 mV, en nul variantie over een bepaalde studie (Figuur S5).
   4. Voeren handmatige artefact detectie door visueel data inspecteren en te bevestigen met een video review van de sessie om alle proeven in de toestand observatie verontreinigd zijn met een beweging artefact en alle proeven in de toestand uitvoering verontreinigd zijn met een beweging artefact los van de greep gebaar te verwijderen. Proeven uit te sluiten met aanzienlijke artefact uit de analyse. Gooi alle proeven die werden gemarkeerd tijdens acquisitie als niet bijgewoond. Onderzoeken en nota tarief van proef afwijzing voor elke diagnostische groep onder analyse.
5. Data-analyse
   1. Per Muthukumaraswamy et al.. ^5, segment schoongemaakt proeven in 2 sec tijdperken bestaande uit 1 sec van gegevens voordat de greep en 1 sec na voor zowel het observeren (zoals aangegeven door de fotocel) en uitvoeren (zoals aangegeven door de manipulandum sensor) omstandigheden. Segment cleunde 2 sec tijdperken van de rest staat.
   2. Fast Fourier transformatie (FFT) elk segment. Selecteer een cluster van acht elektroden op elk halfrond rond de standaard C3 en C4 posities voor statistische analyses (volgende Muthukumaraswamy et al.. ⁵ en Bernier et al.. ³⁾ (Figuur 2). Voor elke voorwaarde, het gemiddelde van de macht over de opgenomen studies aan de macht spectra te berekenen.
   3. Bereken mu demping door onderzoek van de gemiddelde vermogen tijdens de uitvoering of waarneming van een bewegend handelen ten opzichte van het gemiddelde vermogen in de rusttoestand, in de 8-13 Hz bereik. Gebruik de log van deze verhouding tot de mate van demping te bepalen. Let op: een negatieve waarde vertegenwoordigt verzwakking tijdens de uitvoering of observatie, terwijl een positieve waarde vertegenwoordigt vergroting. Deze methode houdt rekening variabiliteit tussen individuen en de abnormaliteit van deze waarden in verhouding vorm.
      Let op: Dit protocol werd ontwikkeld met behulp van een 128-elektrode dichte array EEG systeem met Net Station-software versie 4.1. Terwijl de basisstappen zijn vergelijkbaar in EEG-systemen, kan verwerven en analyseren van protocollen variëren.

2. Sample Karakterisering

1. Identificeer potentiële patiëntenpopulatie voor deelname aan paradigma door onderzoek registers, vorige deelnemer lijsten, of verwijzingen van gebied klinieken en artsen.
2. Scherm potentiële deelnemers kans op het ontmoeten van diagnostische criteria voor klinische construct (bv. Autisme Spectrum Stoornis) en eventuele uitsluitingscriteria, zoals de aanwezigheid van hoofdletsel, tumor, inbeslagneming geschiedenis, of het gebruik van anti-epileptische of barbituraat medicatie die kunnen verstoren het identificeren van de elektrofysiologische signaal.
3. Bevestigen diagnostische status van patiëntenpopulatie door het gebruik van gouden standaard diagnostische instrumenten (bv. Autism Diagnostic Interview-ReVised (ADI-R ¹¹⁾ en de Autism Diagnostic Observation Schedule-Generic (ADOS-G, ¹²⁾ beheerd door deskundige arts volgende Diagnostic and Statistical Manual - 5 ^e editie (DSM-5) criteria ^13.
4. Identificeer controlemonster gematched op relevante variabelen van belang zijn, zoals leeftijd, geslacht, cognitieve vaardigheden, enz.

Resultaten

Typische volwassenen, kinderen en zuigelingen hebben consistent aangetoond mu ritme zowel tijdens de uitvoering en observatie van de acties in een verscheidenheid van paradigma's en stimuli ^{5, 14-30.} Demping in deze frequentieband wordt consequent gelokaliseerd over het centrum van elektroden (figuur 3) dat aangeeft dat dit geen vermindering van alfa vermogen dat wordt opgenomen met andere hoofdhuid regio. Evenzo wordt verzwakking in deze frequentie gedurende de observatie van beweging be...

Discussie

De succesvolle verwerving, verwerking en analyse van elektrofysiologische gegevens met betrekking tot de mu-ritme en de toepassing op klinische populaties vereist 1) de toepassing van EEG methodologische instrumenten, 2) voorzichtig artefact detectie en datareductie, 3) nauwkeurige identificatie van het mu-ritme, en 4) een nauwkeurige omschrijving van de klinische populatie en de identificatie van geschikte controlegroepen.

Passende EEG methodologie vereist goed f...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Geodesic EEG System	EGI	N/A	Elk EEG-systeem, niet alleen op EGI gebaseerde systemen, is toepasbaar voor de beschreven studie
MATLAB software	MATLAB	N/A	Elke wiskundige, statistische software die met matrices kan werken, is toepasbaar
Netstation software	EGI	N/A	Elke EEG-acquisitiesoftware is toepasbaar voor de beschreven studie
Manipulandum	custom	N/A	Elk object dat is gecoregistreerd met data-acquisitiesoftware om een succesvolle greep te signaleren