Funkcjonalna dopplerowska sonografia przezczaszkowa (fTCD) to prosta i nieinwazyjna technika ultradźwiękowa, która może być wykorzystywana do oceny lateralizacji funkcji poznawczych, zwłaszcza mowy, i nadaje się do stosowania u dzieci.
Artykuł metodologiczny
Ocena lateralizacji mózgowej u dzieci z wykorzystaniem funkcjonalnego dopplerowskiego ultrasonografu przezczaszkowego (fTCD)
W tym artykule
Informacja o sprostowaniu
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Podsumowanie
Streszczenie
Istnieje wiele nieodpowiedzianych pytań dotyczących lateralizacji mózgowej. W szczególności nie jest jasne, które aspekty języka i zdolności niewerbalnych są lateralizowane, czy istnieją jakiekolwiek wady związane z nietypowymi wzorcami lateralizacji mózgowej oraz czy lateralizacja mózgowa rozwija się wraz z wiekiem. W przeszłości badacze zainteresowani tymi kwestiami mieli tendencję do wykorzystywania preferencji ręki jako miary zastępczej dla lateralizacji mózgowej, jednak jest to rozwiązanie niesatysfakcjonujące, ponieważ preferencja ręki jest jedynie słabym i pośrednim wskaźnikiem lateralizacji funkcji poznawczych1. Inne metody, takie jak fMRI, są kosztowne w przypadku badań na dużą skalę i nie zawsze są możliwe do zastosowania u dzieci2.
W niniejszym materiale opisano zastosowanie funkcjonalnego transkranialnego dopplerowskiego badania przepływów (fTCD) jako taniej, nieinwazyjnej i niezawodnej metody oceny lateralizacji mózgowej. Procedura polega na pomiarze przepływu krwi w tętnicy środkowej mózgu za pomocą głowicy ultradźwiękowej umieszczonej bezpośrednio przed uchem. Nasza praca opiera się na badaniach Rune Aaslida, który współwprowadził TCD w 1982 roku, oraz Stefana Knechta, Michaela Deppe i ich współpracowników z Uniwersytetu w Münster, którzy zapoczątkowali stosowanie jednoczesnych pomiarów przepływu krwi w lewej i prawej tętnicy środkowej mózgu oraz opracowali metodę korygowania aktywności związane z rytmem serca. Dzięki temu możliwe stało się zaobserwowanie wyraźnego wzrostu przepływu krwi po stronie lewej podczas generowania mowy, przy czym stopień lateralizacji był zgodny z wynikami uzyskanymi za pomocą innych metod3.
Tętnica mózgu środkowa posiada bardzo obszerny obszar unaczynienia (patrz Figura 1), a metoda ta nie dostarcza przydatnych informacji dotyczących lokalizacji w obrębie jednej półkuli. Nasze doświadczenie sugeruje, że jest ona szczególnie czuła na zadania obejmujące jawną lub niejawną produkcję mowy. Zadaniem uznawanym za „złoty standard” jest zadanie generowania słów (np. wymyśl jak najwięcej słów zaczynających się na literę „B”) 4, jednak nie jest ono odpowiednie dla małych dzieci oraz osób o ograniczonej sprawności czytania i pisania. W porównaniu z innymi metodami obrazowania mózgu, fTCD jest w stosunkowo niewielkim stopniu podatne na artefakty ruchowe wynikające z mówienia, dzięki czemu jesteśmy w stanie uzyskać wiarygodne wyniki w zadaniach polegających na głośnym opisywaniu obrazów5,6. W związku z tym opracowaliśmy dostosowane do dzieci zadanie, które polega na oglądaniu klipów wideo opowiadających historię, a następnie opisywaniu tego, co zostało zobaczone.
Protokół
1. Wykorzystanie fTCD do oceny lateralizacji języka u dzieci
- W miarę możliwości, w osobnej sesji przed zapoznaniem z systemem Dopplera, oswajamy dziecko z obrazkami przedstawiającymi postaci z historii wideo.
- Istotne jest, aby procedura obejmowała wystarczającą liczbę prób w celu uzyskania wiarygodnego pomiaru: idealnie 20 lub więcej, choć uzyskaliśmy użyteczne dane przy zaledwie 10 do 15 próbach. Każda próba obejmuje okres relaksacji, służący jako poziom bazowy, a następnie aktywację językową. Prędkość przepływu krwi podczas okresu aktywacji jest porównywana z poziomem bazowym. Stwierdziliśmy, że jako poziom bazowy można wykorzystać okres, w którym dziecko pasywnie ogląda 12-sekundowy klip wideo. Pomaga to uniknąć nudy. Po poziomie bazowym następuje 10-sekundowy okres odpowiedzi, w którym dziecko jest proszone o opisanie tego, co się wydarzyło. Następnie następuje 16-sekundowy okres odpoczynku.
- Timing procedury jest istotny dla wykrycia zmian w prędkości przepływu krwi wynikających z zapotrzebowania metabolicznego, co może zająć do 7 sekund. Używamy zadań komputerowych, napisanych w Presentation lub Matlab, które kontrolują czas trwania każdej próby. Co kluczowe, programy te wysyłają również impulsy do sprzętu, który rejestruje marker w pliku danych Dopplera, wskazując początek okresu aktywacji. Są one wykorzystywane w analizie danych do wyznaczenia okresów przepływu bazowego i aktywacyjnego.
- Używamy systemu Multi-dop, który umożliwia jednoczesny zapis ultradźwiękowy z lewej i prawej strony. Najlepiej jest przygotować system Multi-dop i mieć go w gotowości przed przybyciem uczestnika. Przed włączeniem należy upewnić się, że sondy są podłączone do systemu Multi-dop. Należy sprawdzić, czy komputer bodźca jest podłączony za pomocą portu równoległego do komputera Multi-dop i czy impulsy z jednego są widoczne na drugim. Należy upewnić się, że filtr górnoprzepustowy jest ustawiony na 300 Hz dla obu stron, a następnie sprawdzić głębokość sonacji (45-55 mm) oraz moc sygnału. System posiada ustawione limity dla różnych parametrów, aby zapewnić możliwość stosowania wyłącznie bezpiecznych poziomów.
- Kod uczestnika powinien zostać zapisany w plikach danych Multi-dop w celu dopasowania danych dotyczących warunków, grupy lub danych demograficznych.
- Następnie należy wstrzymać działanie systemu podczas przygotowywania sond. Każdą sondę ultradźwiękową pokrywa się żelem, który zapewnia kontakt między sondą a skórą. Należy użyć obfitej ilości żelu, aby zachować jak najlepszy możliwy kontakt.
- Teraz nadszedł czas na rozpoczęcie sesji. Przed startem sprawdź, czy dziecko nie musi skorzystać z toalety! Prezentujemy zestaw słuchawkowy, używając zabawek zwierząt, i upewniamy się, że dziecko rozumie, co się wydarzy i co będzie od niego wymagane. Szczególnie ważne jest, aby dziecko zrozumiało konieczność zachowania ciszy po okresie aktywacji, tak aby sygnał mógł powrócić do poziomu bazowego. Dzieci powinny siedzieć wygodnie, ponieważ pełne zadanie może trwać od 20 do 30 minut, a znaczne ruchy ciała mogą zakłócić sygnał Dopplera.
- Najtrudniejszą częścią procedury jest pozycjonowanie pokrytych żelem sond. Nowi użytkownicy powinni wiedzieć, że opanowanie tej części procesu wymaga praktyki. Istnieje pomocna symulacja komputerowa autorstwa Rune Aaslida, która może pomóc w szkoleniu
(http://www.transcranial.com/), ale najlepszym sposobem nauki jest ćwiczenie na przyjaciołach i kolegach. Po zbadaniu około 10 osób zaczniecie zauważać, że jest to znacznie łatwiejsze. Jedną z zalet pracy z dziećmi jest to, że zazwyczaj łatwiej jest uzyskać sygnał od dziecka niż od dorosłego, ponieważ mają one cieńsze czaszki. - Każdą sondę umieszcza się w oknie skroniowym czaszki po każdej stronie głowy. Jest to najcieńszy odcinek kości w głowie i zapewnia najlepszy obszar, przez który można uzyskać sygnał z tętnic środkowych mózgu. Okna te znajdują się tuż przed każdym uchem. Podczas pracy z dziećmi czas konfiguracji może zostać skrócony, jeśli w badaniu uczestniczy dwóch eksperymentatorów, z których każdy reguluje jedną sondę. Większość dzieci chętnie ogląda DVD podczas tej części procedury, ale ważne jest monitorowanie zachowania dziecka i upewnienie się, że czuje się ono komfortowo i zrelaksowanie. Przerwij sesję, jeśli dziecko o to poprosi lub jeśli pojawi się jakikolwiek objaw stresu.
- Następnie koryguje się położenie sond w celu sonacji tętnicy środkowej mózgu. Znalezienie satysfakcjonującego sygnału może zająć kilka minut. Sygnał ten ma charakterystyczny dźwięk oraz wzorzec wizualny, które należy monitorować na komputerze Multi-dop.
- Charakterystyczny dźwięk to niski szum przypominający szum wody, zgodny z rytmem bicia serca uczestnika. Charakterystyczny wzorzec wizualny to gwałtowny wzrost, po którym następuje wykładniczy spadek, co również powtarza się w rytmie bicia serca. W zależności od głębokości sonacji i kierunku sondy można przechwycić aktywność z innych naczyń krwionośnych. Głębokość około 45 do 50 mm zazwyczaj sprawdza się dobrze u dzieci. Po znalezieniu silnego sygnału należy maksymalnie zmniejszyć moc, zachowując jednocześnie dobry sygnał. Można również zwiększyć wzmocnienie, aby wzmocnić słaby sygnał.
- Gdy sygnały dla każdej tętnicy środkowej mózgu są satysfakcjonujące, należy wyciszyć wyjście audio sygnału Multi-dop i rozpocząć procedurę. Eksperymentator wyjaśnia dziecku, że będzie ono w ciszy oglądać klip wideo. Gdy na komputerze pojawi się znak zapytania, dziecko musi powiedzieć eksperymentatorowi jak najwięcej o tym, co wydarzyło się w filmie. Gdy zobaczy obrazek chłopca mówiącego „ćśśś”, musi natychmiast przestać mówić i siedzieć w ciszy, czekając na rozpoczęcie kolejnego filmu (patrz Rysunek 2 i przykłady .avi).
- Następnie uruchamia się urządzenia rejestrujące, tj. rejestrator głosu dla odpowiedzi słownych, zapis systemu Multi-dop oraz komputer kontrolujący prezentację bodźców.
- Zadaniem eksperymentatora jest następnie monitorowanie dziecka i sygnału Dopplera, aby a) upewnić się, że dziecko czuje się komfortowo i skupia się na zadaniu oraz b) zapewnić utrzymanie odpowiedniego sygnału. Sygnał Dopplera jest znacznie mniej wrażliwy na ruchy niż sygnał fMRI, ale nadal może zostać zakłócony przez gwałtowne ruchy ciała lub przesunięcie sondy. Jeśli sygnał zostanie znacząco zakłócony, należy wstrzymać komputer wyświetlacza i odpowiednio zresetować sondy. Czasami konieczne może być nałożenie większej ilości żelu w celu ponownego uzyskania satysfakcjonującego sygnału. Stwierdziliśmy, że testowanie dzieci działa najlepiej, gdy jeden eksperymentator odpowiada za utrzymanie skupienia dziecka na zadaniu i zapisywanie jego wypowiedzi, a drugi monitoruje sygnał Dopplera.
- Po zakończeniu procedury eksperymentalnej można zatrzymać zapis Multi-dop i zdjąć sondy. Warto mieć pod ręką chusteczki higieniczne, aby usunąć nadmiar żelu.
- Surowe pliki danych są przetwarzane w celu porównania lewego i prawego sygnału Dopplera. Opracowaliśmy własne oprogramowanie Matlab w oparciu o metody opracowane przez Deppe7. Przetwarzanie to obejmuje down-sampling danych i korekcję fluktuacji wynikających z bicia serca. Pojedyncze próby są wykluczane z analizy, jeśli aktywacja lewa lub prawa wykracza poza określony zakres, zazwyczaj od 70 do 130% bazowej prędkości przepływu krwi. Aktywacja w tych próbach jest prawdopodobnie zaburzona przez problematyczny kontakt sondy. Rysunek 3 przedstawia aktywację względem sygnałów sondy dla dobrego sygnału, natomiast Rysunek 4 przedstawia przypadek, w którym sygnał jest okresowo tracony.
- W stosunku do bazowej prędkości przepływu krwi, aktywację w kanale prawym odejmuje się od lewego, aby obliczyć aktywację różnicową (patrz Rysunek 5). Indeks lateralizacji oblicza się jako średnią z aktywacji różnicowej dla jednej sekundy po obu stronach maksymalnej różnicy w ramach zdefiniowanego okresu zainteresowania. Okres ten trwa od 7 do 17 sekund po rozpoczęciu polecenia „mów”, wskazanego przez marker wysłany z komputera wyświetlacza do pliku danych Multi-dop. Ponieważ aktywacja różnicowa to kanał lewy minus prawy, dodatnie indeksy lateralizacji odzwierciedlają lateralizację lewostronną, a ujemne – prawostronną.
2. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 1: Zewnętrzna powierzchnia półkuli mózgu, przedstawiająca obszary zaopatrywane przez tętnice mózgowe. Kolor różowy oznacza obszar zaopatrywany przez tętnicę mózgu środkową. (źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png)
Rysunek 2: Schematyczny zarys próby eksperymentalnej z 12-sekundowym wideo bazowym, 10-sekundowym interwałem odpowiedzi i 16-sekundową fazą odpoczynku. Przedstawiono również okres zainteresowania dla obliczeń lateralizacji.
Rysunek 3. Rejestracja czystych danych surowej prędkości Dopplera (cm/sec) dla lewego (niebieskiego) i prawego (czerwonego) kanału Dopplera od 130 do 150 sekundy podczas jednej sesji eksperymentalnej. Każdy widoczny impuls odpowiada jednemu uderzeniu serca. Marker zdarzenia wskazujący początek bodźca wyświetlony na zielono.
Rysunek 4. Przerwana rejestracja surowych danych prędkości Dopplera (cm/sec) dla lewego (niebieskiego) i prawego (czerwonego) kanału Dopplera od 400 do 450 sekundy podczas jednej sesji eksperymentalnej. Marker zdarzenia wskazujący moment rozpoczęcia bodźca wyświetlony na zielono. Widoczne są znaczące oznaki utraty danych w obu kanałach.
Rysunek 5. Prędkość Dopplera (cm/sec) w kanale lewym (niebieski) i prawym (czerwony) (Panel A) oraz różnica między lewym a prawym (Panel B), uśredniona dla wszystkich dopuszczalnych prób w grupie uczestników. Uczestnicy otrzymali sygnał do „mówienia” w 12. sekundzie, a okres istotny dla obliczenia lateralizacji zaznaczono również kolorem zielonym. Szare słupki błędów wokół różnicy prędkości w Panelu B reprezentują błąd standardowy średniej.
Przykłady plików Avi: sekwencje wideo służące do przedstawienia historii „Freezefoot” można pobrać z adresu: http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm
Dyskusja
Oprócz badania prawidłowego rozwoju, wykorzystujemy fTCD do badania lateralizacji języka u dorosłych i dzieci z zaburzeniami rozwojowymi języka i umiejętności czytania i pisania 8, 9. Interesuje nas również opracowanie metod wykorzystania fTCD do oceny lateralizacji zdolności wzrokowo-przestrzennych10, 11.
Oświadczenia
Nie zgłoszono żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Dziękujemy Hubertusowi Lohmannowi za podzielenie się wiedzą ekspercką w zakresie technik fTCD. Praca ta była finansowana z grantu programu Wellcome Trust nr 082498/Z/07/2.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Multi-Dop T z aktualizacją do 2-kanałowego monitorowania MultiFlow | Compumedics | 5610 EN | wkrótce zostanie zastąpione wersją cyfrową |
| Słuchawki | Spencer Technologies, 701–16th Avenue, Seattle,WA 98122 |
Bibliografia
- Bishop, D. V. M. Handedness and developmental disorder. , Blackwell Scientific, J.B. Lippincott. Philadelphia. (1990).
- Pelletier, I., Sauerwein, H., Lepore, F., Saint-Amour, D., Lassonde, M. Non-invasive alternatives to the Wada test in the presurgical evaluation of language and memory functions in epilepsy patients. Epileptic Disorders. 9, 111-126 (2007).
- Deppe, M., Ringelstein, E. B., Knecht, S. The investigation of functional brain lateralization by transcranial Doppler sonography. NeuroImage. 21, 1124-1146 (2004).
- Knecht, S. Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography : A comparison with the Wada test. Stroke. 29, 82-86 (1998).
- Lohmann, H., Drager, B., Muller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography. Neuroimage. 24, 780-790 (2005).
- Bishop, D. V. M., Watt, H., Papadatou-Pastou, M. An efficient and reliable method for measuring cerebral lateralization during speech with functional transcranial Doppler ultrasound. Neuropsychologia. 47, 587-590 (2009).
- Deppe, M., Knecht, S., Henningsen, H., Ringelstein, E. B. AVERAGE: a Windows program for automated analysis of event related cerebral blood flow. Journal of Neuroscience Methods. 75, 147-154 (1997).
- Whitehouse, A. J. O., Bishop, D. V. M. Cerebral dominance for language function in adults with specific language impairment or autism. Brain. 131, 3193-3200 (2008).
- Illingworth, S., Bishop, D. V. Atypical cerebral lateralisation in adults with compensated developmental dyslexia demonstrated using functional transcranial Doppler ultrasound. Brain and Language. 111, 61-65 (2009).
- Whitehouse, A. J. O., Bishop, D. V. Hemispheric division of function is the result of independent probabilistic biases. Neuropsychologia. 47, 1938-1943 (2009).
- Whitehouse, A. J. O., Badcock, N., Groen, M. A., Bishop, D. V. M. Reliability of a novel paradigm for determining hemispheric lateralization of visuospatial function. Journal of the International Neuropsychological Society. 15, 1028-1032 (2009).
Przedruki i uprawnienia
Sprostowanie
Formal Correction: Erratum: Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD)
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.
A correction was made to Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD). There was a misstated time interval for the point of interest.
