Pomiar Neuromagnetycznej Funkcji Mózgu U Dzieci W Wieku Przedszkolnym Z Niestandardowym Rozmiarem MEG

Podsumowanie

Pojawienie się systemów MEG dostosowanych do potrzeb małych dzieci otwiera nowe możliwości badania rozwoju mózgu. Nowy system, wraz z protokołem, który dostosowuje wymagania eksperymentalne do możliwości dzieci, może być wykorzystany do badania procesów poznawczych i językowych u zdrowych, przytomnych dzieci w wieku od trzech do sześciu lat.

Streszczenie

Magnetoencefalografia to technika polegająca na wykrywaniu pól magnetycznych związanych z aktywnością kory mózgowej [1]. Aktywność elektrofizjologiczna mózgu generuje pola elektryczne - które można rejestrować za pomocą elektroencefalografii (EEG) - i towarzyszące im pola magnetyczne - wykrywane przez MEG. Sygnały MEG są wykrywane przez wyspecjalizowane czujniki znane jako nadprzewodzące urządzenia do interferencji kwantowej (SQUID). Czujniki nadprzewodzące wymagają chłodzenia ciekłym helem w temperaturze -270 °C. Są one zawarte w izolowanym próżniowo hełmie zwanym dewarem, który jest wypełniony płynem. SQUIDS umieszcza się w ustalonych pozycjach wewnątrz hełmu Dewara w płynie chłodzącym hel, a głowę osoby badanej umieszcza się wewnątrz kasku dewara w celu pomiarów MEG. Kask dewara musi być dopasowany do przeciwstawnych ograniczeń. Oczywiste jest, że musi być wystarczająco duży, aby zmieścić większość lub wszystkie głowy w populacji, która będzie badana. Jednak kask musi być również wystarczająco mały, aby większość czujników SQUID znajdowała się w zasięgu maleńkich pól mózgowych, które mają mierzyć. Konwencjonalne systemy MEG na całą głowę są zaprojektowane tak, aby pomieścić ponad 90% głów dorosłych. Jednak systemy dorosłych nie są dobrze przystosowane do pomiaru funkcji mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym, których głowy mają promień o kilka cm mniejszy niż u dorosłych. Laboratorium Badań Mózgu KIT-Macquarie na Uniwersytecie Macquarie korzysta z systemu MEG o niestandardowym rozmiarze dopasowanym do głów dzieci w wieku przedszkolnym. Ten system dla dzieci składa się z 64 osiowych gradiometrów pierwszego rzędu o linii podstawowej 50 mm[2] i jest umieszczony w pomieszczeniu ekranowanym magnetycznie (MSR) wraz z konwencjonalnym systemem MEG dla dorosłych [3,4]. Istnieją trzy główne zalety dostosowanego kasku dewara do nauki dzieci. Po pierwsze, mniejszy promień konfiguracji czujnika sprawia, że czujniki SQUID znajdują się w zasięgu sygnałów neuromagnetycznych głów dzieci. Po drugie, mniejszy kask pozwala na pełne wsunięcie głowy dziecka do dewara. Pełne włożenie jest niemożliwe w kaskach Dewara dla dorosłych ze względu na mniejszą odległość od korony do ramion u dzieci. Te dwa czynniki mają fundamentalne znaczenie w rejestrowaniu aktywności mózgu za pomocą MEG, ponieważ sygnały neuromagnetyczne tłumią się szybko wraz z odległością. Po trzecie, dostosowany kask dziecięcy pomaga w symetrycznym ułożeniu głowy i ogranicza swobodę ruchów głowy dziecka w dewarze. W połączeniu z protokołem, który dostosowuje wymagania dotyczące gromadzenia danych do zdolności motywacyjnych i behawioralnych dzieci, funkcje te znacznie ułatwiają ustawianie, pozycjonowanie i pomiar sygnałów MEG.

Protokół

Te wytyczne opisują sprzęt i procedury do pomiaru funkcji poznawczych mózgu u przedszkolaków za pomocą magnetoencefalografii (MEG). W pierwszej kolejności omawiamy ogólne wytyczne i kwestie, które należy wziąć pod uwagę podczas przeprowadzania eksperymentalnych testów funkcji poznawczych u dzieci. Po drugie, 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 z MEG

Badacze MEG stają przed wieloma unikalnymi wyzwaniami podczas pracy z rozbudzonymi, zdrowymi dziećmi. Po pierwsze, surowe i funkcjonalne środowisko laboratoryjne może zastraszać lub przerażać małe dzieci. Po drugie, podstawowe wymagania eksperymentalnego badania MEG obejmują ograniczenie ruchu i aktywne wykonywanie zadania przez dłuższy czas, stany, które wielu dorosłych uważa za uciążliwe i niewygodne. Podczas badania dzieci konieczne staje się dostosowanie procedur eksperymentalnych do możliwości i ograniczeń dzieci. W tej sekcji opisujemy początkowe kroki związane z przygotowaniem osoby badanej do udziału w sesji zbierania danych.

1.1 Sesja zapoznawcza/szkoleniowa: Dla dzieci w wieku przedszkolnym sesja zapoznawcza/szkoleniowa jest zaplanowana przed właściwą sesją zbierania danych. Sesja ta pozwala dziecku zapoznać się z otoczeniem i badaczami we własnym tempie. Zapoznajemy dziecko i rodzica z badaczami i zapoznajemy ich z otoczeniem i rutyną laboratoryjną. Pod koniec sesji wprowadzającej rodzic i dziecko rozumieją wszystkie kroki związane z uczestnictwem i rozumieją, czego powinni się spodziewać podczas rejestrowania danych. Jeśli podczas pierwszej wizyty dziecko wydaje się nieśmiałe lub niespokojne, mamy okres zabawy, aż poczuje się bardziej komfortowo. Następnie przystępujemy do wprowadzenia wszystkich kroków.

1.2 Wyjaśnienie środowiska: Aby wyjaśnić dziecku środowisko MEG, używamy tematu, który zapewnia przyjazne dla dzieci uzasadnienie otoczenia. Na przykład system MEG to statek kosmiczny, który czeka, aby zabrać dzieci na kosmiczną przygodę, w której mogą wystąpić nieznane wydarzenia. Laboratorium zostało również ozdobione naklejkami ściennymi i zabawkami (ryc. 1), a także posiada dedykowaną salę zabaw. W rozmowie z dzieckiem używamy języka, który dzieci mogą łatwo zrozumieć, np. "zamarza" zamiast "minimalizowania ruchów" i "hełm astronauty" zamiast "nasadka z cewką markera".

1.3 Wyjaśnienie procedur dziecku i rodzicom: Pokazujemy dziecku i rodzicowi kroki, które są wykonywane, zanim dziecko wejdzie do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie (MSR). Jednym z pierwszych kroków jest założenie nasadki z pięcioma cewkami markerowymi na głowie badanego; cewki te wskazują położenie głowy osoby badanej wewnątrz hełmu MEG. Z pomocą dziecka digitalizujemy kształt głowy lalki, a następnie zapraszamy dziecko i rodzica do towarzyszenia lacynki do MSR/statku kosmicznego. Po wejściu do MSR umieszczamy głowę lalki w hełmie, aby obejrzeć film. Następnie pytamy dziecko, czy chce obejrzeć film z lalką. Jeśli dziecku wygodnie i jest zrelaksowane, a jego rodzic jest zadowolony z naszych protokołów, zapraszamy je do zagrania w grę wewnątrz statku kosmicznego przy następnej wizycie w naszym laboratorium.

1.4 Zeszyty ćwiczeń: Mamy zeszyty ćwiczeń oparte na temacie kosmicznej przygody, które pokazują kroki, które dzieci podejmą podczas sesji testowej. Dzieci otrzymują te zeszyty ćwiczeń, które zabierają do domu i przepracowują je z rodzicami w ramach przygotowań do następnej wizyty. Celem zeszytów ćwiczeń jest podkreślenie znaczenia trzech głównych wymagań dotyczących testowania: a) unikania jakichkolwiek materiałów żelaznych wewnątrz MSR, b) umieszczenia nasadki cewki znacznika w celu zapewnienia dokładnej korejestracji danych oraz c) znaczenia pozostawania w bezruchu podczas digitalizacji i pozyskiwania danych.

2. Protokół pomiaru sygnałów MEG od dzieci w wieku przedszkolnym

2.1  Sprzęt używany podczas zbierania danych i zadania eksperymentalnego

Marker-cewka: w celu dopasowania danych MEG do informacji strukturalnych podmiotu (np. MRI lub cyfrowego kształtu głowy), zestaw pięciu cewek jest umieszczany w czepku pływackim, który dziecko nosi wewnątrz kasku MEG. Cewki te działają jako punkty odniesienia, a ich położenie jest porównywane przed i po zadaniu, aby zmierzyć, jak bardzo poruszyła się głowa badanego podczas akwizycji.

Digitizer: Przed akwizycją danych, pozycja pięciu cewek znacznika i kształt głowy osoby badanej są digitalizowane za pomocą digitizera Polhemus Fastrak® (Colchester, VT). Digitizer składa się z digitizera pióra, trzech odbiorników, nadajnika i jednostki śledzenia ruchu. Ten proces mierzy położenie cewek. Następnie lokalizacje te są dopasowywane do informacji o lokalizacji uzyskanych przez MEG w celu wyrównania uzyskanych danych magnetycznych i kształtu głowy.

Child MEG system: Akwizycja danych odbywa się za pomocą całego systemu MEG dla dzieci (KIT, Kanazawa, Japan) [2]. Dane są pozyskiwane w sposób ciągły z częstotliwością próbkowania 1000 Hz, z filtrem pasmowo-przepustowym online w zakresie od 0,03 Hz do 200 Hz. Pozycje cewki znacznika są uzyskiwane przed i po nagraniach w celu pomiaru ruchu głowicy. Dane są odrzucane, jeśli ruch głowy jest większy niż 5 mm.

Urządzenia peryferyjne systemu MEG: Bodźce eksperymentalne są kontrolowane za pomocą komputera za pomocą prezentacji® (Neurobehavioral Systems, Albany, CA). Sygnały wizualne są dostarczane przez projektor, który znajduje się na zewnątrz MSR i jest odbijany na ekranie MSR. Bodźce słuchowe są dostarczane przez wkładane słuchawki Etymotic Research Model ER-30 wyposażone w piankowe nauszniki w rozmiarze dziecięcym (Etymotic Research Inc., Elk Grove Village, IL). Dziecko jest stale monitorowane przez kamerę przemysłową, a eksperymentator komunikuje się z dzieckiem przez mikrofon.

2.2 Akwizycja danych: Sesje rejestracji danych obejmują następujące etapy:

Etap I: Przed przybyciem dziecka

Ważne jest, aby wszystkie komputery, oprogramowanie i sprzęt były gotowe do rozpoczęcia eksperymentu, jak tylko dziecko dotrze do nas. Zgodnie z ogólnym zaleceniem, dwóch doświadczonych badaczy powinno być obecnych, gdy dziecko i rodzic są w laboratorium. Jasna komunikacja między badaczem, rodzicem i dzieckiem ma kluczowe znaczenie dla powodzenia eksperymentu.

Etap II: Po przybyciu dziecka

1. Formularze zgody są podpisywane, a eksperymentatorzy sprawdzają, czy rodzice mają pytania.
2. Eksperymentator sprawdza, czy dziecko pamięta wszystkie kroki wprowadzone podczas pierwszego spotkania lub w książeczkach i wprowadza ponownie te, które nie zostały zapamiętane. Podkreślono znaczenie zamrożenia lub zminimalizowania ruchu podczas digitalizacji i pozyskiwania danych. Można to zademonstrować za pomocą marionetki.
3. Następnie eksperymentator sprawdza, czy dziecko ma przy sobie jakiś materiał żelazny (ubranka z naszywkami z brokatem, biżuterię, zabawki zapomniane w kieszeniach, spinki do włosów itp.). Jeśli mają przy sobie ubranie, które zawiera materiał żelazny, zapewniamy im bezpieczną odzież MEG. Jeśli rodzic chce towarzyszyć dziecku podczas eksperymentu, upewniamy się, że usunie również swój materiał żelazny.

Etap III: Przygotowanie dziecka do wykonania zadania w MSR

1. Eksperymentator pasuje do nasadki, w której znajduje się 5 cewek znacznikowych.
2. Eksperymentator digitalizuje położenie cewek markera i kształt głowy dziecka. W celu utrzymania głowy w ustalonej pozycji stosujemy ortezę szyi, która została wyposażona w trzy odbiorniki. Ważne jest, aby wzmocnić ideę regularnego minimalizowania ruchu lub "zamrażania", aby uzyskać dobry kształt głowy. Dziecko może zostać nagrodzone naklejką za dobre wykonanie "zamrażania".
3. Dziecko jest proszone o przystąpienie do MSR. Słuchawki są włożone, a dziecko jest umieszczane w kasku dewara MEG w pozycji leżącej.
4. Gdy dziecko położy się wygodnie z głową w kasku MEG, cewki znacznikowe są podłączane do jego jednostki zasilającej, a drzwiczki MSR są zamykane. Jeden eksperymentator pozostaje (a także rodzic, jeśli jest to pożądane) w pokoju podczas całej sesji.
5. W celu rozrywki podczas konfiguracji i między blokami zbierania danych, film lub kreskówka może być wyświetlana na ekranie projekcji wstecznej MSR.

Etap IV: Przeprowadzanie eksperymentu

1. Po zamknięciu drzwiczek MSR włączane są SQUIDy i rozpoczyna się akwizycja danych.
2. Gdy dziecko ogląda film, przeprowadzany jest wstępny test korejestracji, aby upewnić się, że sygnały MEG mogą być współrejestrowane ze zdigitalizowanym kształtem głowy. Ten test wstępny polega na dopasowaniu położenia cewek znaczników uzyskanego podczas digitalizacji do położenia wskazywanego przez system MEG.
3. Gdy pierwszy test wykaże, że głowa dziecka jest prawidłowo umieszczona w kasku, badacz może rozpocząć eksperyment: (a) film jest wyciszony; (b) badacz dziecko, czy jest gotowe do "zagrania w grę"; (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", gdy tylko je usłyszy. Te słowa docelowe są osadzone w podzbiorze prób połowowych, które badają ciągłą uważność na zadaniu, ale nie są uwzględniane w końcowych analizach.
4. Po wykonaniu zadania wykonywany jest kolejny pomiar cewki znacznika w celu monitorowania pozycji i ruchu głowicy.
5. Po odłączeniu SQUIDs otwierają się drzwi MSR i dziecko jest zapraszane do pokoju zabaw, w którym może wybrać nagrodę za swoją dobrą pracę.

3. Reprezentatywne wyniki

Reprezentatywne badanie w naszym laboratorium wykorzystało ten protokół do zbadania rozwoju logiki w języku dziecięcym. Dwadzieścioro sześcioro dzieci w wieku 3-4 lat (średnia wieku 4 lata i 5 miesięcy) wzięło udział w co najmniej jednej sesji akwizycyjnej. Siedemnaścioro z tych dzieci wróciło na drugą sesję testową, a pięcioro przyszło na trzecią sesję testową. Średni ruch głowy wynosił mniej niż 3,7 mm (s.d. 3,1 mm), czyli mieścił się w progu 5 mm. Ruchy większe niż 5 mm wystąpiły w 4,5% sesji, przy czym wahania wahały się od 5,5 mm do 15 mm (średnia = 8,6 mm, s.d. = 2,5 mm).

Rysunek 1. Kask MSR i MEG został ozdobiony naklejkami i pluszakami.

Rysunek 2. Czteroletnia dziewczynka w rozmiarze MEG dla dorosłych (po lewej). Zwróć uwagę na wyściółkę na czubku głowy, aby zminimalizować ruch i odległość między głową a kaskiem. Zdjęcie po prawej stronie przedstawia tę samą dziewczynkę w dziecięcym MEG.

Dyskusja

Protokół ten ma na celu ułatwienie pomiarów funkcji poznawczych mózgu u zdrowych i przytomnych 4-letnich dzieci. Korzystamy z systemu MEG o niestandardowych rozmiarach, zaprojektowanego tak, aby pasował do głów dzieci w wieku przedszkolnym. Dzięki temu systemowi, przyjaznemu dla dzieci środowisku laboratoryjnemu i protokołowi dostosowanemu do możliwości i motywacji dzieci, jesteśmy w stanie zmierzyć funkcje poznawcze mózgu w przedziale wiekowym, dla którego obecnie dostępnych jest bardzo mało danych.

System KIT-Macquarie jest pierwszym systemem obejmującym całą głowę dostosowanym do użytku z dziećmi w wieku przedszkolnym. Istnieją trzy główne zalety dostosowanego kasku dewara do nauki dzieci. Po pierwsze, mniejszy promień konfiguracji czujnika sprawia, że czujniki SQUID znajdują się w zasięgu sygnałów neuromagnetycznych głów dzieci. Po drugie, mniejszy kask pozwala na pełne wsunięcie głowy dziecka do dewara. Pełne wsunięcie jest niemożliwe w kaskach Dewara dla dorosłych ze względu na mniejszą odległość od korony do ramion u dzieci (patrz rys. 2). Te dwa czynniki mają fundamentalne znaczenie w rejestrowaniu aktywności mózgu za pomocą MEG, ponieważ sygnały neuromagnetyczne tłumią się szybko wraz z odległością. Po trzecie, dostosowany kask dziecięcy pomaga w symetrycznym ułożeniu głowy i ogranicza swobodę ruchów głowy dziecka w dewarze. Cechy te znacznie ułatwiają ustawianie, pozycjonowanie i pomiar sygnałów MEG od dzieci.

Pojawienie się systemu MEG o niestandardowych rozmiarach dla dzieci jest ważnym postępem w neuronauce poznawczej. Alternatywne techniki neuroobrazowania funkcjonalnego, które wykorzystują radiofarmaceutyki lub silne pola magnetyczne, mogą nie być odpowiednie do rutynowego stosowania u małych dzieci. Ponieważ MEG jest całkowicie pasywną techniką pomiarową, nie można sobie wyobrazić ryzyka rozwoju tkanek. Obecnie dostępnych jest bardzo mało danych dotyczących MEG pochodzących od zdrowych dzieci w wieku przedszkolnym, ponieważ konwencjonalne systemy MEG dla dorosłych nie są dobrze przystosowane do stosowania u dzieci. Systemy MEG dla dzieci pozwolą nam badać funkcje mózgu w wieku, w którym zachodzi dramatyczna struktura aktywności mózgu, dostarczając nowych informacji na temat normalnego i patologicznego rozwoju funkcji poznawczych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Cała głowa dziecka MEG	Kanazawa Institute of Technology (Kanazawa) i Yokogawa Electric Corporation (Tokio)	Model PQ1064R-N2m
Magnetycznie ekranowane pomieszczenie	Fujihara Co., Ltd.
Digitiser	Polhemus (Colchester, VT)	Fastrack
Eksperymentalne oprogramowanie kontrolne	Systemy neurobehawioralne	Prezentacja
Słuchawki	Etymotic Research Inc.	ER-30