Meting van Neuromagnetic hersenfuncties bij Pre-school voor kinderen met op maat gemaakte MEG

Hoi, ik ben Steven Crane. Ik ben co-directeur van het KIT Macquarie Brain Research Lab. Het lab maakt deel uit van het Macquarie Center for Cognitive Science aan de Macquarie University in Sydney, Australië.

Hallo, ik ben Illa Dessan en ik werk bij het Macquarie Center for Cognitive Science aan de Macquarie University. Hallo, ik ben Melanie Reed en ik werk bij het Macquarie Center for Cognitive Science. Aan de Macquarie University gebruiken we magnetoencefalografie of MEG om de hersenmechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan de snelle taalverwerving bij kinderen in de leeftijd van twee tot zes jaar.

MEG meet de magnetische velden die door de hersenschors worden geproduceerd. Met behulp van MEG kunnen we waarnemen welke hersengebieden actief zijn tijdens taalverwerking en hoe deze verschillende gebieden met elkaar interageren. Er zijn twee uitdagingen bij het werken met jonge kinderen met elk hersenbeeldingsysteem.

Ten eerste is de typische laboratoriumomgeving niet kindvriendelijk. Ten tweede moeten kinderen, om deel te kunnen nemen aan een MEG-studie, de instructie krijgen om bewegingen tot een minimum te beperken en moeten zij gedurende een langere periode hun aandacht op een taak richten. Daarom was het voor ons belangrijk om een protocol te ontwikkelen dat het gebruik van MEG mogelijk maakt en tegelijkertijd leuk is voor kinderen.

Dat gezegd hebbende, wegen de voordelen van MEG ruimschoots op tegen de uitdagingen. MEG is een waardevol instrument voor het meten van de hersenfunctie bij kinderen vanwege de extreem hoge temporele resolutie en de goede ruimtelijke resolutie, en omdat het volledig non-invasief is, vormt het geen denkbaar risico voor het neurale weefsel van kinderen. In tegenstelling tot MEG maken andere neuro-imagingtechnieken gebruik van sterke magnetische velden en radioactieve farmaceutica die een risico kunnen vormen voor jonge kinderen.

Een van de belangrijkste kenmerken van ons MEG-systeem voor kinderen is dat het specifiek is ontworpen voor gebruik bij jonge kinderen. Het systeem met aangepaste afmetingen is ontwikkeld in samenwerking met het Kanawa Institute of Technology en de Yokogawa Electric Corporation. In de volgende video leggen we uit waarom het noodzakelijk was om een op maat gemaakt MEG-systeem voor kinderen te ontwikkelen, en laten we zien hoe we kinderen voorbereiden op onderzoek in het MEG-systeem.

Kijk dus de komende minuten mee en we laten u het laboratorium zien. We leggen de stappen uit die we hebben ondernomen om ervoor te zorgen dat kinderen met plezier deelnemen aan onze studies. Het laboratorium beschikt over twee MEG-systemen die zijn geplaatst in dezelfde magnetisch afgeschermde ruimte.

Het volwassen systeem bestaat uit 160 sensoren die gelijkmatig over de MEG-helm zijn verdeeld, waardoor een volledige dekking van de hoofdhuid wordt geboden. Het MEG-systeem voor kinderen heeft een vergelijkbare lay-out, maar beschikt over 64 sensoren, waardoor de helm kleiner is en perfect geschikt voor peuters en baby's. Magnetoencefalografie of imaging is een neuroimagingtechniek die neuronale activiteit direct meet.

MEG kan de zwakke magnetische velden detecteren en versterken die worden gegenereerd door duizenden actieve neuronen in de hersenschors. De detectie van deze zwakke magnetische velden wordt eenvoudig gerealiseerd door speciale sensoren, bekend als SQUIDs of superconductieve quantum-interferentieapparaten. Supergeleidende technologie is vereist om de MEG-systemen te laten werken.

De sensoren vereisen koeling met vloeibaar helium bij minus 270 °C. De volgende reeks toont het bijvullen van de systemen met vloeibaar helium, wat wekelijks moet gebeuren. Vloeibaar helium vormt het grootste deel van de operationele kosten van een MEG-systeem.

Magnetische velden van de hersenen zijn extreem klein in vergelijking met de magnetische velden die worden opgewekt door alle apparatuur in een modern laboratorium. Dit betekent dat MEG-systemen in een magnetisch afgeschermde ruimte moeten worden geplaatst. De afgeschermde ruimte in ons laboratorium is opgebouwd uit drie lagen perlo en één laag koper.

De kamer weegt ongeveer 8,5 ton en de vloer van het laboratorium moest speciaal worden verstevigd om dit gewicht te kunnen dragen. De kosten van de magnetisch afgeschermde kamer beslaan een derde tot de helft van de kapitaalkosten van een MEG-systeem. De kamer is aan de zijkant voorzien van een aantal poorten, zodat visuele stimuli in de ruimte geprojecteerd kunnen worden en andere soorten apparatuur via glasvezelkabels kunnen worden bediend.

MEG meet de magnetische velden die worden opgewekt door actieve cellen in de hersenen. Een verwante techniek, elektro-encefalografie, meet de elektrische component van deze velden. EEG is een veel eenvoudiger en goedkopere technologie, maar beschikt niet over het vermogen van MEG om activiteit in de hersenen te lokaliseren.

Voor studies met oudere kinderen en volwassenen registreren we vaak zowel EEG als MEG gelijktijdig. Dit is echter meestal niet praktisch bij kleuters vanwege de lange installatietijd die voor EEG vereist is. Omdat MEG gebruikmaakt van sensoren die in vloeibaar helium zijn ondergedompeld, bevinden de sensoren zich op vaste posities binnen een vacuümgeïsoleerde helmdoor.

De helm van een standaard MEG-systeem voor volwassenen is ontworpen om ongeveer 95% van de hoofden van volwassenen te accommoderen. Dit betekent dat de grootste en kleinste hoofden niet goed passen in de helm voor volwassenen. Dit is een specifiek probleem voor kinderen op peuter- en kleuterleeftijd, omdat hun hoofden qua straal wel twee tot drie centimeter kleiner zijn dan die van volwassenen.

Omdat MEG-signalen zeer snel afnemen met de afstand, zullen veel van de sensoren in een helm voor volwassenen niet effectief zijn voor het meten van signalen uit de hersenen van kinderen. Een ander probleem is dat kinderen tijdens meetsessies sneller geneigd zijn hun hoofd te bewegen in de grote helmen.

Dit veroorzaakt een degradatie van de MEG-signalen. Dit fragment toont de MEG-sensoren in een systeem voor volwassenen. Met betrekking tot het hoofd van een kind is te zien dat veel van de sensoren vrij ver van het huidoppervlak van het hoofd verwijderd zijn.

Daarom is het waardevol om een MEG-helm te vervaardigen die op maat is gemaakt voor het hoofd van kinderen in de kleuterleeftijd. In dit fragment is te zien dat de sensoren van ons MEG-systeem voor kinderen zich allemaal zeer dicht bij het oppervlak van het hoofd bevinden. Er moeten verschillende stappen worden voltooid voordat we aan het experiment kunnen beginnen.

Binnen de MSR controleren we of het kind voorwerpen van ferromagnetisch materiaal bij zich heeft. Heb je iets in je zakken? Nee. En ze hebben een tweede.

We voorzien het kind van een kap met vijf marker-spoelen. Vervolgens digitaliseren we de hoofdvorm van het kind of maken we een tekening van hun hoofd, zoals we dat noemen. Daarna plaatsen we het kind in de MSR of het ruimteschip, zodat ze klaar zijn om het spel te spelen terwijl we de tie klaarmaken.

Binnen in de MSR wordt een door hen gekozen film afgespeeld op het scherm hierboven. Zodra ze comfortabel liggen, sluiten we de deur en begint de acquisitie. Het experiment duurt gewoonlijk ongeveer 20 minuten.

We nodigen het kind uit om een spelletje te spelen in het ruimteschip terwijl ze naar een film kijken zonder geluid. In dit geval luisteren de kinderen aandachtig naar een reeks zinnen en herhalen ze het woord kaas zodra ze het horen. De kaasgeur uit de rugzak van de apen.

Goed gedaan. De wortelkaas, uitstekend werk. Akoestische stimuli, zoals spraak, worden via de plastic slang die op de borst van het kind zichtbaar is, naar de oren van het kind geleid. We gebruiken schuimrubberen oortjes in kindermaat om de slangetjes in hun oren te passen.

Tijdens de gegevensverzameling wordt het kind continu gemonitord via een gesloten videocircuit, en de experimentatoren kunnen via een microfoon met het kind communiceren. Voorafgaand aan de MEG-meting bevestigen we vijf markerspoelen op een badmuts, die vervolgens op het hoofd van het kind wordt geplaatst. Tijdens de MEG-metingen worden deze gebruikt om de hoofdpositie en beweging gedurende de gegevensverzameling te meten en te monitoren.

De onderzoeker en de ouder, indien gewenst, blijven te allen tijde bij het kind in de afgeschermde ruimte. Dit is om ervoor te zorgen dat het kind zich op zijn gemak voelt en dat bewegingen tot een minimum worden beperkt. Aan het einde van het experiment krijgen de kinderen een prijs als beloning voor het correct uitvoeren van de taak.

Dus welke sticker wilt u kiezen? Het is deze hier of die daar. Degenen die bekend zijn met kinderen op peutersleeftijd weten dat hun eerste keuze niet zou zijn om stil te blijven liggen in een magnetisch afgeschermde ruimte.

We maken gebruik van verschillende technieken om zowel de omgeving als het proces kindvriendelijk te maken. Het laboratorium is ingericht met kindvriendelijke stickers en knuffels. De testen worden uitgevoerd over drie tot vijf bezoeken aan het laboratorium.

De eerste afspraak wordt gewoonlijk gebruikt om het kind kennis te laten maken met de onderzoekers en de MEG-omgeving. Het kind kijkt naar een speeltje, een dier zoals een beer, of Kermit de kikker. Loop alle stappen door die ze zullen doorlopen.

We introduceren een thema voor de testsessies. Het MEG-systeem is een ruimteschip dat klaarstaat om de kinderen mee te nemen op een ruimteavontuur. We hebben werkboekjes die op dit thema zijn gebaseerd en waarin de stappen die we gaan doorlopen worden uitgelegd, waarna ze er met een waskrijt omheen kunnen tekenen.

Net zoals we een tekening van je hoofd maken. Het is van essentieel belang dat kinderen stil kunnen blijven zitten, zowel tijdens de digitalisering als tijdens de tests. Oké, nu moeten we bevriezen.

Kunnen jullie zo bevriezen? We communiceren dit door de kinderen te vragen ons te laten zien hoe ze bevriezen. Goed gedaan.

Heel goed. Bevriezen. Het belang van het kunnen bevriezen wordt bij elk labbezoek benadrukt. Het is daarnaast belangrijk om ervoor te zorgen dat kinderen een goed begrip hebben van elke stap van het experiment.

We leggen de stappen aan kinderen uit in taal die zij kunnen begrijpen. We noemen de dop met de markeerspoelen bijvoorbeeld een astronautenhelm. Voel je je nu al als een astronaut?

En we beschrijven het digitaliseren als het maken van een foto van hun hoofd. Als een kind verlegen of angstig overkomt, gebruiken we vaak poppen om uit te leggen waar het experiment over gaat. We vragen de kinderen ook om hun hulp, zodat ze een beter begrip krijgen van wat we gaan doen.

Kinderen helpen meestal graag een pop de magnetisch afgeschermde kamer in. Als het kind nog steeds niet naar de magnetisch afgeschermde kamer wil gaan, nemen we simpelweg periodes van speeltijd in tot ze zich prettiger voelen. Wanneer de kinderen gewend zijn aan alle stappen in ons protocol, introduceren we de experimentele taak die in de MSR moet worden uitgevoerd.

Mm. Dus weet je nog welk toverwoord je moest herhalen? Kan ik dat krijgen? Kan ik dat?

Kunt u dat nog eens herhalen? Ja. Kaas. Stel dat ik bijvoorbeeld zeg: de andere dag ging ik naar het park en ik zag een stuk kaas. Wat doet u dan?

Zoals u kunt zien, vereist het uitvoeren van hersenbeeldvormingsonderzoeken bij kinderen gespecialiseerde technologie en procedures die verder gaan dan die welke doorgaans in studies met volwassenen worden gebruikt. Ten eerste hebben we een op maat gemaakte MEG-helm ontwikkeld, die is ontworpen om op het hoofd van kinderen te passen en hun hoofdbewegingen te beperken. Ten tweede hebben we het laboratorium kindvriendelijk gemaakt met muurdecoraties en knuffels.

Wij maken gebruik van methoden die zijn aangepast aan de behoeften en motivatie van jonge kinderen. Ons laboratorium is ontworpen voor het meten van de cognitieve hersenfunctie bij gezonde en wakkere jonge kinderen. De vereisten verschillen daarom enigszins van diegene die men anders tegenkomt bij pediatrische neuro-imaging.

De komst van MEG-systemen voor kinderen is een belangrijke vooruitgang voor de cognitieve neurowetenschap. Hiermee kunnen we metingen van de hersenfunctie verkrijgen in een leeftijdscategorie waarin een fascinerende en dramatische structurering van de hersenfunctie plaatsvindt. Momenteel weten we zeer weinig over deze ontwikkelingsprocessen.

We hopen dit hiaat te vullen door de hersenfunctie van kinderen te bestuderen met behulp van MEG.