Artykuł metodologiczny

Pomiar neuromagnetycznych funkcji mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym z użyciem MEG o dostosowanym rozmiarze

DOI:

10.3791/1693

⸱

19 lutego 2010

 ,  ,  ,  , 
1Macquarie Centre for Cognitive Science, Macquarie University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Niniejsze wytyczne opisują sprzęt i procedury pomiaru funkcji poznawczych mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym z wykorzystaniem magnetoencefalografii (MEG). W pierwszej kolejności omawiamy ogólne wskazówki i kwestie, które należy uwzględnić podczas przeprowadzania eksperymentalnych testów funkcji poznawczych u dzieci. Następnie opisujemy protokół opracowany w celu dostosowania wymagań dotyczących gromadzenia danych MEG do możliwości motywacyjnych i behawioralnych czteroletnich dzieci.

1. Ogólne uwagi dotyczące badania małych dzieci za pomocą MEG

Badacze wykorzystujący MEG napotykają szereg specyficznych wyzwań podczas pracy z przebudzonymi, zdrowymi dziećmi. Po pierwsze, surowe i funkcjonalne środowisko laboratoryjne może zastraszyć lub przerazić małe dzieci. Po drugie, podstawowe wymagania eksperymentalnego badania MEG obejmują ograniczenie ruchów oraz aktywne skupienie na zadaniu przez dłuższy czas – warunki te są nużące i niekomfortowe nawet dla wielu dorosłych. W przypadku badań z udziałem dzieci konieczne staje się dostosowanie procedur eksperymentalnych do ich możliwości i ograniczeń. W tej sekcji opisujemy pierwsze kroki związane z przygotowaniem badanego do udziału w sesji pozyskiwania danych.

1.1 Sesja zapoznawcza/treningowa: W przypadku dzieci w wieku przedszkolnym przed właściwą sesją gromadzenia danych planowana jest sesja zapoznawcza/treningowa. Sesja ta pozwala dziecku na zapoznanie się z otoczeniem i badaczami we własnym tempie. Przedstawiamy dziecko i rodzica badaczom oraz zapoznajemy ich z pomieszczeniami i rutyną panującą w laboratorium. Pod koniec sesji wprowadzającej rodzic i dziecko znają wszystkie etapy uczestnictwa i 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 przystępujemy do omówienia wszystkich etapów.

1.2 Wyjaśnienie otoczenia: Aby wyjaśnić dziecku otoczenie w systemie MEG, stosujemy motyw przewodni, który dostarcza przyjaznej dla dziecka uzasadnienia dla panujących wokół warunków. Przykładowo, system MEG jest przedstawiany jako statek kosmiczny oczekujący na zabranie dzieci w kosmiczną przygodę, podczas której mogą wystąpić nieznane zdarzenia. Laboratorium zostało również udekorowane naklejkami ściennymi i zabawkami (Rys. 1) oraz posiada dedykowaną salę zabaw. Rozmawiając z dzieckiem, używamy języka zrozumiałego dla najmłodszych, na przykład określenia „zamrożenie” zamiast „minimalizacji ruchów” oraz „kask astronautów” zamiast „czepka z cewkami markerowymi”.

1.3 Wyjaśnienie procedur dziecku i rodzicom: Prezentujemy dziecku i rodzicowi kroki podejmowane przed wejściem dziecka do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie (MSR). Jednym z pierwszych etapów jest założenie na głowę badanego czepek z pięcioma cewkami markerowymi; cewki te wskazują pozycję głowy badanego wewnątrz kasku MEG. Z pomocą dziecka digitalizujemy kształt głowy lalki, a następnie zapraszamy dziecko i rodzica, aby towarzyszyli lali w drodze do MSR/statku kosmicznego. Po wejściu do MSR umieszczamy głowę lalki w kasku, aby „obejrzała” film. Następnie pytamy dziecko, czy ono również 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 Zeszyty ćwiczeń: Przygotowaliśmy zeszyty ćwiczeń oparte na tematyce kosmicznych przygód, które przedstawiają kroki, jakie dzieci będą wykonywać podczas sesji badań. Zeszyty te są przekazywane dzieciom do domu, aby mogły przejść przez nie z rodzicami w ramach przygotowania do kolejnej wizyty. Celem zeszytów jest podkreślenie znaczenia trzech głównych wymagań dotyczących badania: a) unikania obecności jakichkolwiek materiałów żelaznych wewnątrz MSR, b) założenia nakładki cewki markerowej w celu zapewnienia dokładnej koregistracji danych oraz c) ważności zachowania bezruchu podczas digitalizacji i akwizycji danych.

2. Protokół pomiaru sygnałów MEG u dzieci w wieku przedszkolnym

2.1 Sprzęt wykorzystany podczas pozyskiwania danych i zadania eksperymentalnego

Czapka z cewkami znacznikowymi: aby zsynchronizować dane MEG z informacjami strukturalnymi badanego (np. MRI lub zdigitalizowanym kształtem głowy), zestaw pięciu cewek umieszcza się w czapce pływackiej, którą dziecko nosi wewnątrz kasku MEG. Cewki te pełnią rolę punktów odniesienia, a ich pozycje są porównywane przed i po wykonaniu zadania, aby zmierzyć zakres przemieszczenia głowy badanego podczas akwizycji.

Digitalizator: Przed akwizycją danych położenie pięciu cewek markerowych oraz kształt głowy badanego są digitalizowane za pomocą digitalizatora Polhemus Fastrak® (Colchester, VT). Digitalizator składa się z pióra digitalizującego, trzech odbiorników, nadajnika oraz jednostki śledzenia ruchu. Proces ten służy do pomiaru lokalizacji cewek. Następnie lokalizacje te są dopasowywane do informacji o położeniu uzyskanych za pomocą MEG w celu wyrównania nabytych danych magnetycznych i kształtu głowy.

System MEG dla dzieci: Akwizycja danych jest przeprowadzana 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 pasmowstępu online w zakresie od 0.03 Hz do 200Hz. Pozycje cewek markerowych są wyznaczane przed i po pomiarach w celu oceny ruchu głowy. Dane są odrzucane, jeśli ruch głowy przekroczy 5mm.

Urządzenia peryferyjne systemu MEG: Bodźce eksperymentalne są kontrolowane za pomocą komputera PC z wykorzystaniem oprogramowania Presentation® (Neurobehavioral Systems, Albany, CA). Bodźce wzrokowe są wyświetlane przez projektor znajdujący się poza pomieszczeniem MSR i rzutowane na ekran MSR. Bodźce słuchowe są dostarczane przez słuchawki douszne Etymotic Research Model ER-30 z piankowymi końcówkami 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 ogólna rekomendacja, podczas pobytu dziecka i rodzica w laboratorium powinni być obecni dwaj doświadczeni badacze. Jasna komunikacja między badaczem, rodzicem a dzieckiem jest kluczowa dla powodzenia eksperymentu.

Etap II: Po przybyciu dziecka

  1. Formularze zgody zostają podpisane, a eksperymentatorzy sprawdzają, czy rodzice mają pytania.
  2. 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 cyfryzacji i akwizycji danych. Można to zademonstrować za pomocą marionetki.
  3. Następnie eksperymentator sprawdza, czy dziecko posiada jakiekolwiek materiały ferromagnetyczne (odzież z brokatowymi naszywkami, biżuterię, zabawki zapomniane w kieszeniach, spinki do włosów itp.). Jeśli dziecko ma na sobie element garderoby zawierający materiały ferromagnetyczne, zapewniamy odzież bezpieczną dla MEG. Jeśli rodzic chce towarzyszyć dziecku podczas eksperymentu, upewniamy się, że on również usunął z siebie wszelkie przedmioty ferromagnetyczne.

Etap III: Przygotowanie dziecka do wykonania zadania wewnątrz MSR

  1. Eksperymentator zakłada czepek utrzymujący 5 cewek znacznikowych.
  2. Eksperymentator digitalizuje położenie cewek znacznikowych oraz kształt głowy dziecka. Aby utrzymać głowę w stałej pozycji, stosuje się ortezę szyjną, w której zamontowano trzy odbiorniki. Ważne jest, aby regularnie podkreślać konieczność minimalizowania ruchów lub „zastygnięcia” w bezruchu w celu uzyskania dokładnego odwzorowania kształtu głowy. Dziecko może otrzymać naklejkę w nagrodę za sprawne „zastyganie”.
  3. Dziecko zostaje zaproszone do wejścia do pomieszczenia ekranowanego MSR. Po założeniu słuchawek dziecko zostaje umieszczone w pozycji leżącej na plecach w kasku dewarowskim MEG.
  4. Gdy dziecko leży wygodnie z głową wewnątrz kasku MEG, cewki znacznikowe zostają podłączone do jednostki zasilającej, a drzwi MSR zostają zamknięte. W pomieszczeniu przez całą sesję pozostaje jeden eksperymentator (oraz rodzic, jeśli jest taka chęć).
  5. W celu zapewnienia rozrywki podczas przygotowań oraz pomiędzy blokami zbierania danych, na ekran projekcyjny MSR można wyświetlać film lub bajkę.

Etap IV: Przeprowadzenie eksperymentu

  1. Po zamknięciu drzwi MSR zostają aktywowane SQUIDs i rozpoczyna się akwizycja danych.
  2. Podczas gdy dziecko ogląda film, przeprowadzany jest wstępny test korejestracji, aby upewnić się, że sygnały MEG można skorejestrować z zdigitalizowanym kształtem głowy. Test ten polega na dopasowaniu pozycji cewek markerowych uzyskanej podczas digitalizacji do pozycji wyświetlanej przez system MEG.
  3. Gdy pierwszy test wykaże, że głowa dziecka jest prawidłowo ustawiona wewnątrz kasku, badacz może rozpocząć eksperyment: (a) film zostaje wyciszony; (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 „cheese”, natychmiast po jego usłyszeniu. Słowa docelowe te są osadzone w podzbiorze prób kontrolnych (catch trials), które badają utrzymanie uwagi w zadaniu, ale nie są uwzględniane w analizach końcowych.
  4. Po zakończeniu zadania wykonuje się kolejny pomiar cewkami markerowymi w celu monitorowania pozycji i ruchu głowy.
  5. Po dezaktywacji SQUIDs drzwi MSR zostają otwarte, a dziecko zostaje zaproszone do pokoju 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. W co najmniej jednej sesji nabywania uczestniczyło dwudziestu sześciu dzieci w wieku 3-4 lat (średni wiek 4 lata i 5 miesięcy). Siedemnaście z tych dzieci wróciło na drugą sesję testową, a pięcioroy przyszło na trzecią sesję testową. Średni ruch głowy był mniejszy 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 zmienności w zakresie od 5,5 mm do 15 mm (Mean= 8,6 mm, s.d.= 2,5 mm).

Pediatryczny skaner MRI z dekoracjami w motywie kosmicznym; szpitalne otoczenie dostosowane do obrazowania dzieci.
Rysunek 1. Kask MSR i MEG został udekorowany naklejkami oraz pluszowymi zabawkami.

Dzieci poddawane badaniu MRI mózgu w ramach badań neuroobrazowych; pokazano sprzęt i konfigurację.
Rysunek 2. Czteroletnia dziewczynka w MEG w rozmiarze dla dorosłych (po lewej). Zwróć uwagę na wypełnienie na górze głowy w celu zminimalizowania ruchów oraz na odległość między głową a kaskiem. Prawy obraz przedstawia tę samą dziewczynkę w MEG przeznaczonym dla dzieci.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MEG całogłowowy dla dzieciKanazawa Institute of Technology (Kanazawa) i Yokogawa Electric Corporation (Tokio)Model PQ1064R-N2m
Pomieszczenie ekranowane magnetycznieFujihara Co. Ltd.
DigitiizerPolhemus (Colchester, VT)Fastrack
Oprogramowanie do kontroli eksperymentuNeurobehavioral SystemsPresentation
Słuchawki douszneEtymotic Research Inc.ER-30

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

System MEGMEG u dziecimagnetoencefalografiaczujniki nadprzewodz ceciek y helpomieszczenie ekranowane magnetycznieniestandardowy kask dewarmonitorowanie pozycji g owyprotok przyjazny dzieciomsygna y neuromagnetyczne

Powiązane artykuły