Pojawienie się systemów MEG dostosowanych rozmiarem do małych dzieci otwiera istotne nowe możliwości badania rozwoju mózgu. Nowy system, wraz z protokołem dopasowującym wymagania eksperymentalne do możliwości dzieci, może być wykorzystany do badania procesów poznawczych i językowych u zdrowych, czuwających dzieci w wieku od trzech do sześciu lat.
Artykuł metodologiczny
Pomiar neuromagnetycznych funkcji mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym z użyciem MEG o dostosowanym rozmiarze
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Magnetoencefalografia jest techniką wykryjającą pola magnetyczne związane z aktywnością kory mózgowej [1]. Aktywność elektrofizjologiczna mózgu generuje pola elektryczne – które mogą być rejestrowane za pomocą elektroencefalografii (EEG) – oraz towarzyszące im pola magnetyczne, wykrywane przez MEG. Sygnały MEG są wykrywane przez specjalistyczne czujniki znane jako nadprzewodzące kwantowe detektory interferencyjne (SQUIDs). Czujniki nadprzewodzące wymagają chłodzenia ciekłym hellem w temperaturze -270 °C. Są one umieszczone wewnątrz izolowanego próżniowo hełma zwanego dewarem, który jest wypełniony cieczą. SQUID-y są rozmieszczone w stałych pozycjach wewnątrz dewara w chłodziwie w postaci ciekłego helu, a głowa badanego jest umieszczana wewnątrz dewara w celu przeprowadzenia pomiarów MEG. Rozmiar hełma-dewara musi spełniać przeciwstawne wymagania. Musi on być wystarczająco duży, aby pomieścić większość lub wszystkie głowy w badanej populacji. Jednocześnie hełm musi być na tyle mały, aby większość czujników SQUID znajdowała się w zasięgu bardzo słabych pól mózgowych, które mają one mierzyć. Konwencjonalne systemy MEG do pomiarów całej głowy są zaprojektowane tak, aby pomieścić ponad 90% głów osób dorosłych. Jednak systemy dla dorosłych nie nadają się do pomiaru funkcji mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym, których głowy mają promień o kilka centymetrów mniejszy niż u dorosłych. KIT-Macquarie Brain Research Laboratory na Macquarie University wykorzystuje system MEG o rozmiarze dostosowanym do głów dzieci w wieku przedszkolnym. System dziecięcy ten posiada 64 osiowe gradiometry pierwszego rzędu z linią bazową 50 mm [2] i znajduje się w pomieszczeniu ekranowanym magnetycznie (MSR) wraz z konwencjonalnym systemem MEG o rozmiarze dla dorosłych [3,4]. Dostosowany hełm-dewar do badania dzieci oferuje trzy główne zalety. Po pierwsze, mniejszy promień konfiguracji czujników przybliża detektory SQUID do sygnałów neuromagnetycznych z głów dzieci. Po drugie, mniejszy hełm umożliwia pełne wprowadzenie głowy dziecka do dewara. W hełmach-dewarach dla dorosłych pełne wprowadzenie jest uniemożliwione ze względu na mniejszą odległość od czubka głowy do ramion u dzieci. Oba te czynniki są kluczowe dla rejestracji aktywności mózgu za pomocą MEG, ponieważ sygnały neuromagnetyczne gwałtownie tłumią się wraz z odległością. Po trzecie, dostosowany hełm dziecięcy ułatwia symetryczne pozycjonowanie głowy i ogranicza swobodę ruchów głowy dziecka wewnątrz dewara. W połączeniu z protokołem dostosowującym wymagania dotyczące gromadzenia danych do możliwości motywacyjnych i behawioralnych dzieci, cechy te znacząco ułatwiają konfigurację, pozycjonowanie oraz pomiar sygnałów MEG.
Protokół
Niniejsze wytyczne opisują sprzęt i procedury pomiaru funkcji poznawczych mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym z wykorzystaniem magnetoencefalografii (MEG). W pierwszej kolejności omawiamy ogólne wytyczne i kwestie, które należy wziąć pod uwagę podczas przeprowadzania testów eksperymentalnych funkcji poznawczych u dzieci. Następnie opisujemy protokół opracowany w celu dostosowania wymagań związanych z gromadzeniem danych MEG do możliwości motywacyjnych i behawioralnych dzieci w wieku czterech lat.
1. Ogólne uwagi dotyczące badania małych dzieci za pomocą MEG
Badacze MEG mierzą się z szeregiem specyficznych wyzwań podczas pracy z czuwającymi, zdrowymi dziećmi. Po pierwsze, surowe i funkcjonalne środowisko laboratoryjne może onieśmielić lub wystraszyć małe dzieci. Po drugie, podstawowe wymagania eksperymentalnego badania MEG obejmują ograniczenie ruchów oraz aktywne skupienie na zadaniu przez dłuższy czas, co dla wielu dorosłych jest nużące i niekomfortowe. Podczas badania dzieci konieczne staje się dostosowanie procedur eksperymentalnych do ich możliwości i ograniczeń. W tej sekcji opisujemy wstępne kroki związane z przygotowaniem badanego do udziału w sesji akwizycji danych.
1.1 Sesja zapoznawczo-treningowa: W przypadku dzieci w wieku przedszkolnym przed właściwą sesją pozyskiwania danych planowana jest sesja zapoznawczo-treningowa. Sesja ta pozwala dziecku zapoznać się z otoczeniem i badaczami we własnym tempie. Przedstawiamy dziecko oraz rodzica badaczom i zapoznajemy ich z otoczeniem oraz rutyną panującą w laboratorium. Pod koniec sesji wprowadzeni rodzic i dziecko rozumieją wszystkie etapy udziału w badaniu oraz wiedzą, czego spodziewać się podczas rejestracji danych. Jeśli podczas pierwszej wizyty dziecko wydaje się nieśmiałe lub zaniepokojone, zapewniamy czas na zabawę, aż poczuje się bardziej komfortowo. Następnie przechodzimy do omówienia wszystkich kroków.
1.2 Wyjaśnienie otoczenia: Aby wyjaśnić dziecku środowisko MEG, stosujemy motyw, który dostarcza przyjaznego dla dzieci uzasadnienia dla otaczającej przestrzeni. Przykładowo, system MEG jest przedstawiany jako statek kosmiczny, który czeka, aby zabrać dzieci w kosmiczną przygodę, podczas której mogą wydarzyć się nieznane zdarzenia. Laboratorium zostało również udekorowane naklejkami ściennymi i zabawkami (Ryc. 1) oraz posiada dedykowaną salę zabaw. Rozmawiając z dzieckiem, używamy języka łatwego do zrozumienia, na przykład określenia „zamrożenie” zamiast „minimalizacja ruchu” oraz „kask astronauta” zamiast „czepka z cewkami markerowymi”.
1.3 Wyjaśnienie procedur dziecku i rodzicom: Przed wejściem dziecka do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie (MSR) przedstawiamy dziecku i rodzicowi poszczególne etapy badania. Jednym z pierwszych kroków jest założenie na głowę badanego czepek z pięcioma cewkami markerowymi; cewki te wskazują położenie głowy badanego wewnątrz kasku MEG. Z pomocą dziecka digitalizujemy kształt głowy lalki, a następnie zapraszamy dziecko i rodzica, aby towarzyszyli lalce w drodze do MSR/statku kosmicznego. Po wejściu do MSR umieszczamy głowę lalki w kasku, aby „obejrzała film”. Następnie pytamy dziecko, czy chce obejrzeć film razem z lalką. Jeśli dziecko czuje się swobodnie i jest zrelaksowane, a rodzic akceptuje nasze protokoły, zapraszamy ich do zagrania w grę wewnątrz statku kosmicznego podczas następnej wizyty w naszym laboratorium.
1.4 Książeczki ćwiczeń: Dysponujemy książeczkami ćwiczeń opartymi na motywie przygody w kosmosie, które przedstawiają kroki, jakie dzieci będą wykonywać podczas sesji testowej. Dzieci otrzymują te książeczki do zabrania do domu, aby przejść przez nie wspólnie z rodzicami w ramach przygotowania do następnej wizyty. Celem książeczek ćwiczeń jest podkreślenie znaczenia trzech głównych wymagań dotyczących testowania: a) unikania obecności jakichkolwiek materiałów ferromagnetycznych wewnątrz MSR, b) umieszczenia nakładki cewki markerowej w celu zapewnienia dokładnej korejestracji danych oraz c) znaczenia pozostania w bezruchu podczas digitalizacji i akwizycji danych.
2. Protokół pomiaru sygnałów MEG u dzieci w wieku przedszkolnym
2.1 Sprzęt użyty podczas akwizycji danych i zadania eksperymentalnego
Czapka z cewkami markerowymi: w celu dopasowania danych MEG do informacji strukturalnych badanego (np. obrazowania MRI lub zdigitalizowanego kształtu głowy), zestaw pięciu cewek zostaje umieszczony w czapce pływackiej, którą dziecko nosi pod kaskiem MEG. Cewki te pełnią funkcję punktów odniesienia, a ich położenie jest porównywane przed i po wykonaniu zadania, aby zmierzyć stopień przemieszczenia głowy badanego podczas akwizycji danych.
Digitalizator: Przed rozpoczęciem akwizycji danych, pozycja pięciu cewek znacznikowych oraz kształt głowy badanego są digitalizowane przy użyciu digitalizatora Polhemus Fastrak® (Colchester, VT). Digitalizator składa się z pióra digitalizującego, trzech odbiorników, nadajnika oraz jednostki śledzenia ruchu. Proces ten pozwala na pomiar położenia cewek. W późniejszym etapie pozycje te są dopasowywane do informacji o lokalizacji uzyskanych za pomocą MEG, aby zsynchronizować nabyte dane magnetyczne z kształtem głowy.
System MEG dla dzieci: Akwizycja danych odbywa się przy użyciu systemu MEG dla dzieci obejmującego całą głowę (KIT, Kanazawa, Japonia) [2]. Dane są zbierane w sposób ciągły przy częstotliwości próbkowania 1000Hz, z zastosowaniem filtru pasmowoprzepustowego online w zakresie od 0,03 Hz do 200Hz. Pozycje cewek markerowych są wyznaczane przed i po nagraniach w celu pomiaru ruchu głowy. Dane są odrzucane, jeśli ruch głowy przekracza 5mm.
Urządzenia peryferyjne systemu MEG: Bodźce eksperymentalne są kontrolowane za pomocą komputera PC z wykorzystaniem oprogramowania Presentation® (Neurobehavioral Systems, Albany, CA). Sygnały wizualne są przekazywane przez projektor znajdujący się poza ekranowanym pomieszczeniem MSR i rzutowane na ekran MSR. Bodźce słuchowe są dostarczane za pomocą słuchawek dousznych Etymotic Research Model ER-30 z piankowymi nakładkami w rozmiarze dziecięcym (Etymotic Research Inc., Elk Grove Village, IL). Dziecko jest stale monitorowane przez kamerę w obiegu zamkniętym, a eksperymentator komunikuje się z dzieckiem za pomocą mikrofonu.
2.2 Pozyskiwanie danych: Sesje rejestracji danych obejmują następujące etapy:
Etap I: Przed przybyciem dziecka
Ważne jest, aby wszystkie komputery, oprogramowanie i sprzęt były przygotowane do rozpoczęcia eksperymentu w momencie przybycia dziecka. Jako ogólną rekomendację zaleca się, aby podczas obecności dziecka i rodzica w laboratorium obecnych było dwóch doświadczonych badaczy. Jasna komunikacja między badaczem, rodzicem a dzieckiem jest kluczowa dla powodzenia eksperymentu.
Etap II: Po przybyciu dziecka
- Podpisano formularze zgody, a eksperymentatorzy sprawdzają, czy rodzice mają pytania.
- Eksperymentator sprawdza, czy dziecko pamięta wszystkie kroki przedstawione podczas pierwszego spotkania lub w broszurach, i ponownie wyjaśnia te, które nie zostały zapamiętane. Podkreśla się znaczenie pozostania w bezruchu lub zminimalizowania ruchów podczas digitalizacji i akwizycji danych. Można to zademonstrować za pomocą marionetki.
- Następnie eksperymentator sprawdza, czy dziecko posiada przy sobie jakiekolwiek materiały ferromagnetyczne (odzież z cekinami lub brokatem, biżuterię, zabawki zapomniane w kieszeniach, spinki do włosów itp.). Jeśli dziecko ma na sobie element odzieży zawierający materiały ferromagnetyczne, zapewniamy mu odzież bezpieczną dla MEG. Jeśli rodzic chce towarzyszyć dziecku podczas eksperymentu, upewniamy się, że on również usunął wszystkie przedmioty ferromagnetyczne.
Etap III: Przygotowanie dziecka do wykonania zadania wewnątrz MSR
- Eksperymentator zakłada czepek utrzymujący 5 cewek markerowych.
- Eksperymentator digitalizuje położenie cewek markerowych oraz kształt głowy dziecka. Aby utrzymać głowy w stałej pozycji, stosujemy stabilizator szyjny, w którym zamontowano trzy odbiorniki. Ważne jest, aby regularnie wzmacniać przekaz o ograniczaniu ruchów lub „zamrażaniu” pozycji w celu uzyskania poprawnego odwzorowania kształtu głowy. Dziecko może zostać nagrodzone naklejką za sprawne „zamrażanie”.
- Dziecko zostaje zaproszone do wejścia do MSR. Po założeniu słuchawek dziecko zostaje umieszczone w pozycji leżącej w hełmie dewarowskim MEG.
- Gdy dziecko wygodnie ułoży się z głową wewnątrz hełmu MEG, cewki markerowe zostają podłączone do jednostki zasilającej, a drzwi MSR zostają zamknięte. Przez cały czas trwania sesji w pomieszczeniu pozostaje jeden eksperymentator (oraz rodzic, jeśli jest taka chęć).
- W celu zapewnienia rozrywki podczas przygotowań oraz pomiędzy blokami zbierania danych, na ekran projekcyjny MSR można wyświetlić film lub bajkę.
Etap IV: Przeprowadzanie eksperymentu
- Po zamknięciu drzwi MSR zostają aktywowane SQUIDs i rozpoczyna się akwizycja danych.
- Podczas gdy dziecko ogląda film, przeprowadza się wstępny test korejestracji, aby upewnić się, że sygnały MEG mogą zostać skorejestrowane z zdigitalizowanym kształtem głowy. Test ten polega na dopasowaniu pozycji cewek markerowych uzyskanych podczas digitalizacji do pozycji wyświetlanej przez system MEG.
- Gdy pierwszy test wykaże, że głowa dziecka jest prawidłowo umieszczona w kasku, badacz może rozpocząć eksperyment: (a) wycisza się film; (b) badacz pyta dziecko, czy jest gotowe do „gry”; (c) po rozpoczęciu gry eksperymentator regularnie przekazuje dziecku informacje zwrotne. Na przykład dziecko może zostać poproszone o wysłuchanie serii zdań i powtórzenie słowa docelowego, takiego jak „ser”, natychmiast po jego usłyszeniu. Słowa docelowe te są osadzone w podzbiorze prób kontrolnych, które sprawdzają utrzymanie uwagi przy zadaniu, ale nie są uwzględniane w analizach końcowych.
- Po zakończeniu zadania wykonuje się kolejny pomiar cewek markerowych w celu monitorowania pozycji i ruchów głowy.
- Po dezaktywacji SQUIDs drzwi MSR są otwierane, a dziecko zapraszane jest do sali zabaw, gdzie może wybrać nagrodę za dobrą pracę.
3. Reprezentatywne wyniki
Reprezentatywne badanie w naszym laboratorium wykorzystało ten protokół do analizy rozwoju logiki w języku dziecięcym. Dwudziestu sześciu dzieci w wieku 3-4 lat (średni wiek 4 lata i 5 miesięcy) wzięło udział w co najmniej jednej sesji nabywania. Siedemnaście z tych dzieci powróciło na drugą sesję testową, a pięć pojawiło się na trzeciej sesji testowej. Średni ruch głowy wynosił mniej niż 3,7 mm (s.d. 3,1 mm), co mieściło się w progu 5 mm. Ruchy przekraczające 5 mm wystąpiły w 4,5% sesji, przy czym wariancja wynosiła od 5,5 mm do 15 mm (Mean= 8,6 mm, s.d.= 2,5 mm).
Rysunek 1. MSR oraz kask MEG zostały ozdobione naklejkami i pluszakami.
Rysunek 2. Czteroletnia dziewczynka w MEG o rozmiarze dla dorosłych (po lewej). Zwróć uwagę na wypełnienie na szczycie głowy w celu zminimalizowania ruchów oraz odległość między głową a kaskiem. Zdjęcie po prawej przedstawia tę samą dziewczynkę w MEG dla dzieci.
Dyskusja
Niniejszy protokół został opracowany w celu ułatwienia pomiarów funkcji poznawczych mózgu u zdrowych i czuwających 4-letnich dzieci. Wykorzystujemy system MEG o niestandardowym rozmiarze, zaprojektowany tak, aby dopasować się do głów dzieci w wieku przedszkolnym. Dzięki temu systemowi, przyjaznemu dzieciom środowisku laboratoryjnemu oraz protokołowi dostosowanemu do możliwości i motywacji dzieci, jesteśmy w stanie mierzyć funkcje poznawcze mózgu w przedziale wiekowym, dla którego obecnie dostępnych jest bardzo niewiele danych.
System KIT-Macquarie jest pierwszym systemem obejmującym całą głowę, dostosowanym rozmiarem do użytku u dzieci w wieku przedszkolnym. Dostosowany kaskowy kriostat (dewar) oferuje trzy główne zalety w badaniach dzieci. Po pierwsze, mniejszy promień konfiguracji czujników sprawia, że czujniki SQUID znajdują się w zasięgu sygnałów neuromagnetycznych z głów dzieci. Po drugie, mniejszy kask umożliwia pełne wprowadzenie głowy dziecka do kriostatu. W kaskach dla dorosłych pełne wprowadzenie jest niemożliwe ze względu na mniejszą odległość od czubka głowy do ramion u dzieci (patrz Rys. 2). Te dwa czynniki są kluczowe dla rejestracji aktywności mózgu za pomocą MEG, ponieważ sygnały neuromagnetyczne szybko zanikają wraz z odległością. Po trzecie, dostosowany kask dziecięcy wspomaga symetryczne ustawienie głowy i ogranicza swobodę ruchu głowy dziecka wewnątrz kriostatu. Cechy te znacznie ułatwiają konfigurację, pozycjonowanie oraz pomiar sygnałów MEG u dzieci.
Wprowadzenie systemu MEG o rozmiarach dostosowanych do dzieci stanowi istotny postęp w neuronauce poznawczej. Alternatywne techniki funkcjonalnego obrazowania mózgu, wykorzystujące radiofarmaceutyki lub silne pola magnetyczne, mogą nie być odpowiednie do rutynowego stosowania u małych dzieci. Ponieważ MEG jest całkowicie pasywną techniką pomiarową, nie wiąże się z żadnym przewidywalnym ryzykiem dla rozwijających się tkanek. Obecnie dostępnych jest bardzo mało danych MEG pochodzących od zdrowych dzieci w wieku przedszkolnym, ponieważ konwencjonalne systemy MEG dla dorosłych nie nadają się do pracy z dziećmi. Systemy MEG dla dzieci pozwolą nam badać funkcje mózgu w wieku, w którym zachodzi gwałtowne kształtowanie się aktywności mózgu, dostarczając nowych informacji na temat prawidłowego i patologicznego rozwoju funkcji poznawczych.
Podziękowania
Niniejsza praca była wspierana przez grant Australian Research Council Linkage Infrastructure Equipment and Facilities Grant LEO668421 oraz grant Australian Research Council Linkage Project Grant LP0669471. Autorzy wyrażają wdzięczność za współpracę z Kanazawa Institute of Technology oraz Yokogawa Electric Corporation przy tworzeniu KIT-Macquarie Brain Research Laboratory.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| MEG całogłowowy dla dzieci | Kanazawa Institute of Technology (Kanazawa) i Yokogawa Electric Corporation (Tokio) | Model PQ1064R-N2m | |
| Pomieszczenie ekranowane magnetycznie | Fujihara Co. Ltd. | ||
| Digitiizer | Polhemus (Colchester, VT) | Fastrack | |
| Oprogramowanie do kontroli eksperymentu | Neurobehavioral Systems | Presentation | |
| Słuchawki douszne | Etymotic Research Inc. | ER-30 |
Bibliografia
- Hämäläinen, M., Hari, R., Ilmoniemi, R. J., Knuutila, J., Lounasmaa, O. V. Magnetoencephalography- theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain. Rev. Mod. Physics. 65 (2), 413-497 (1993).
- Johnson, B. W., Crain, S., Thornton, R., Tesan, G., Reid, M. Measurement of brain function in pre-school children using a custom sized whole-head MEG sensor array. Clin. Neurophysiol. , (2009).
- Kado, H., Higuchi, M., Shimogawara, M., Haruta, Y., Adachi, Y., Kawai, J., Ogata, H., Uehara, G. Magnetoencephalogram system developed at KIT. IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 4057-4062 (1999).
- Uehara, G., Adachi, Y., Kawai, J., Shimogawara, M., Higuchi, M., Haruta, Y., Ogata, H., Kado, H. Multi-Channel SQUID Systems for Biomagnetic Measurement. IEICE Trans. Electr. E86-C, 43-54 (2003).
Przedruki i uprawnienia
