A Novel Experimentele en analytische benadering van de Multimodal Neural Decoding of Intent Gedurende sociale interactie in Vrij-gedragen Human Zuigelingen

Het algemene doel van deze procedure is het vastleggen van hersenactiviteit en kinematische gegevens van zuigelingen door de integratie van gesynchroniseerde high-density actieve scalp-elektroencefalografie, traagheidsmetingsunits en video-opnamen. Dit wordt bereikt door eerst de EEG-kap op het hoofd van de zuigeling te plaatsen en te controleren of de impedantieniveaus tussen elke elektrode en de hoofdhuid acceptabel zijn. De tweede stap is het bevestigen van traagheidsmetingsunits op het hoofd, de armen en de borst van de zuigeling, alsook op de polsen van de onderzoeker.

Vervolgens gaat de experimentator een interactie aan met de zuigeling om een imitatiereactie uit te lokken; de laatste stap is het digitaliseren van de 3D-ruimtelijke coördinaten van de EEG-elektroden. Uiteindelijk maakt de acquisitie van EEG- en kinematische gegevens van vrij bewegende zuigelingen het mogelijk om de neurale basis van de cognitieve motorische ontwikkeling en het ontstaan van sociale cognitie te onderzoeken. Een voordeel van deze techniek ten opzichte van andere benaderingen die sociale cognitie onderzoeken, is dat we in staat zijn om neurale activiteit in actie en in context vast te leggen tijdens de eerste twee levensjaren.

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen binnen het veld van de cognitieve neurowetenschappen, zoals wat de intrinsieke relatie is tussen ontwikkelingsveranderingen in de hersenarchitectuur en gedrag? De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de therapie voor problemen met sociale cognitie en autisme-spectrumstoornissen, omdat deze kan worden gebruikt om ontwikkelingsmijlpalen en leren door imitatie te bestuderen, hoe zuigelingen visuele acties verwerken en hoe zij deelnemen aan sociale communicatie. Hoewel deze methode inzicht kan bieden in het functioneren van het spiegelneuronensysteem in de vroege menselijke hersenen, kan deze ook worden toegepast op andere cognitieve systemen, zoals aandachtsleren, taalverwerking en motorische planning, om de opkomst en ontwikkeling daarvan binnen de menselijke hersenen te bestuderen.

Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben, omdat sommige baby's ongemak kunnen ervaren in een nieuwe omgeving en bij het dragen van de EEG-kap. Factoren zoals slaperigheid en honger kunnen er ook toe leiden dat de baby ongeduldig wordt. Begin met het begeleiden van de ouders van de baby naar de experimentele ruimte en leg kort het doel van het experiment uit. Noteer de leeftijd in maanden en het geslacht van de baby.

Bereid de zuigeling voor op het elektro-encefalogram of EEG door de hoofdomtrek in centimeters te meten. Plaats het meetlint rond het breedste deel van het hoofd, over de wenkbrauwen en rond de occipitale prominentie aan de achterzijde van het hoofd. Meet vervolgens de afstand van de nasn tot de ian langs het midsagittale vlak van het hoofdoppervlak.

Plaats de elektroden op een EEG-kap zoals gespecificeerd door het internationale 10-20 systeem. Zet vervolgens de kap op het hoofd van de zuigeling. Lijn de CZ-elektrode uit met het vertex van het hoofd en centreer de FP1- en FP2-elektroden op het voorhoofd.

Pas de EEG-kap aan zodat deze symmetrisch langs het midden-sagittale vlak van het hoofd ligt. Sluit vervolgens de referentie-, massa- en registratie-elektroden aan op de bedieningskast. Schakel de impedantie-indicatoren in, beginnend bij de massa- en referentie-elektroden.

Gebruik een kleine spuit om elektrolytgel in de ruimte tussen de hoofdhuid en de elektrode te injecteren. Zorg ervoor dat het impedantieniveau voor de elektrode lager is dan 60 kΩ. De elektroden worden geel wanneer de impedantie onder de 60 kΩ zakt.

Als de impedantie onder de 25 kilo ohm komt, kleuren ze groen. Sluit vervolgens de versterkers via een USB-poort aan op de hostcomputer met behulp van een glasvezel-naar-USB-converter. Open de IMU-software om de traagheidsmetingseenheden of IMU's voor te bereiden.

Klik op 'nieuw' in de grafische interface en configureer de imus secure IMU-banden op beide polsen, de borst en het hoofd van de zuigeling. Bevestig vervolgens de imus op beide polsen van de onderzoeker. Sluit tenslotte de trigger-input-outputbehuizing aan op het EEG en gebruik deze.

Begin door de zuigeling op de tafel te plaatsen, zodat deze naar de acteur is gericht. Vraag de ouder om op de stoel achter de zuigeling te gaan zitten. Registreer vervolgens de initiële impedantiewaarden van de EEG-elektroden met de besturingssoftware door het tabblad impedantiecontrole te selecteren, op de knop impedantie aan te klikken en vervolgens op impedantie opslaan te klikken.

Om de impedanties op te slaan, opent u de EEG-registratiesoftware en maakt u een werkruimte aan door het EEG-kanaal in te stellen. Selecteer de map waarin de ruwe gegevens moeten worden opgeslagen. Genereer een bestandsnaam.

Selecteer het aantal te gebruiken kanalen. Specificeer 1000 hertz als bemonsteringsfrequentie en vink de optie voor het inschakelen van filters uit. Zorg ervoor dat de optie om segmentatie in te schakelen is uitgevinkt om te beginnen met het registreren van EEG-gegevens.

Klik op monitor en vervolgens op play in het EEG-registratieprogramma. Klik daarna op stream en record in de IMU-registratiesoftware. Om het opnemen van kinematische gegevens te starten, worden er drie triggers gegeven via de drukknop op de input-outputbehuizing om het begin van het experiment te signaleren.

Laat de zuigeling één minuut rusten terwijl de initiële baselinegegevens worden geregistreerd. Voer het experiment bij de zuigeling ongeveer 15 minuten lang uit. Probeer een imitatiereactie bij de zuigeling op te wekken.

Let op de verschillende gedragingen die de zuigeling tijdens het experiment kan vertonen, waaronder reiken, grijpen, aanbieden, verkennen, observeren en imiteren. Pas vijf triggers toe op de input-outputbehuizing om de experimentator te stoppen wanneer de zuigeling vermoeid raakt, of nadat er 15 minuten interactie in de EEG-registratiesoftware is verstreken. Klik op stop data recording in de IMU-software.

Klik op stop in het dialoogvenster van de stream om de IMU-opnames te beëindigen. Noteer ten slotte de uiteindelijke impedantiewaarden door het tabblad impedantiecontrole in de besturingssoftware te selecteren. Klik op de knop impedantie aan en klik vervolgens op impedantie opslaan om de impedanties op te slaan. Digitaliseer de 3D-ruimtelijke coördinaten van de EEG-elektroden met de 3D-scanner voor EEG-elektroden en de bijbehorende software.

Ga hiervoor naar 'bestand' en selecteer 'nieuwe werkruimte' in de software. Laad het bestand met de elektrodeposities in het eerste tabblad van de werkruimte. Klik vervolgens in de scantoolbalk op 'starten met scannen'.

Gebruik de camera om de posities van de elektroden te scannen door de veranderende lichtpatronen op de kap te volgen. Voor source imaging worden MRI-beelden met een hoge resolutie en T1-weging verkregen uit de openbare neuro-ontwikkelings-MRI-database, die gemiddelde MRI-templates bevat als functie van de leeftijd gedurende de eerste twee levensjaren. Coregistreer tot slot de EEG- en MRI-ruimte om de geometrische transformatie te verkrijgen door de fiduciale punten op de anatomische MRI te matchen met de fiduciale punten die met de 3D-scanner zijn verkregen.

Gebruik van de software voor hersenbeeldvorming. Dit protocol presenteert een nieuwe methodologie voor de neurale decodering van intentie bij vrij bewegende baby's tijdens ongescripte sociale interactie met een acteur. Hier beschrijven EEG-datahistogrammen de distributie van het gestandaardiseerde signaal van drie ruimtelijk representatieve elektroden voor elk van de geanalyseerde gedragingen. EEG en IMU leveren neurale gegevens met een hoge temporele resolutie, waarmee gedragsacties bij vrij bewegende baby's voorspeld kunnen worden.

Hier wordt de classificatienauwkeurigheid voor een baby van 20 maanden weergegeven in deze confundiematrix. De algehele decodeernauwkeurigheid is 85,2%. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe DEG- en kinematische gegevens verzameld kunnen worden van baby's met falend gedrag terwijl zij een sociale interactie aangaan met de experimentator. Eenmaal beheerst, kan deze techniek in één uur worden uitgevoerd mits deze correct wordt toegepast.

Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om erop te letten hoe de zuigeling op de omgeving reageert, aangezien deze vreemd kan overkomen of afleidend kan werken. Een kleine, kindvriendelijke ruimte en de aanwezigheid van minder dan vier personen in de kamer kunnen helpen om eventuele angst die de zuigeling door de nieuwe omgeving ervaart, te verminderen. Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals functionele en effectieve connectiviteit, worden uitgevoerd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals hoe de interactie en coördinatie tussen hersengebieden bijdragen aan hersenfuncties.

Wij geloven dat deze nieuwe techniek onderzoekers in de neurocognitieve revalidatietechniek in staat zal stellen om hersenactiviteit bij een stoornis zoals autisme te onderzoeken.