P50 Bramkowanie sensoryczne u niemowląt

Podsumowanie

Opisano metody rejestrowania bramkowania sensorycznego słuchowego P50, fizjologicznego markera zahamowania mózgowego, który odzwierciedla wczesne etapy uwagi.

Streszczenie

Deficyty uwagi są powszechne w różnych zaburzeniach neuropsychiatrycznych, w tym w zespole nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi, autyzmie, zaburzeniu dwubiegunowym nastroju i schizofrenii. Obserwuje się rosnące zainteresowanie neurorozwojowymi składnikami tych deficytów uwagi; Neurorozwojowy oznacza, że chociaż deficyty stają się klinicznie widoczne w dzieciństwie lub dorosłości, deficyty są wynikiem problemów w rozwoju mózgu, które zaczynają się w okresie niemowlęcym lub nawet prenatalnym. Pomimo tego zainteresowania, istnieje kilka metod oceny uwagi bardzo wcześnie w okresie niemowlęcym. Niniejszy raport koncentruje się na jednej metodzie, słuchowym bramkowaniu czuciowym P50 u niemowląt.

Uwaga składa się z kilku elementów. Jeden z najwcześniejszych składników uwagi, określany jako bramkowanie sensoryczne, pozwala mózgowi wyciszyć powtarzające się, nieinformacyjne informacje sensoryczne. Bramkowanie sensoryczne słuchowe P50 odnosi się do jednego zadania mającego na celu pomiar bramkowania sensorycznego za pomocą zmian w EEG. Gdy identyczne bodźce słuchowe są prezentowane w odstępie 500 ms, reakcja wywołana (zmiana w EEG związana z przetwarzaniem kliknięcia) na drugi bodziec jest na ogół zmniejszona w stosunku do odpowiedzi na pierwszy bodziec (tj. odpowiedź jest "bramowana"). Kiedy reakcja na drugi bodziec nie jest zmniejszona, jest to uważane za słabe bramkowanie sensoryczne, odzwierciedla upośledzone hamowanie mózgowe i jest skorelowane z deficytami uwagi.

Ponieważ zadanie bramkowania sensorycznego słuchowego P50 jest pasywne, jest potencjalnie użyteczne w badaniach nad małymi niemowlętami i może dostarczyć wglądu w przebieg deficytów uwagi w różnych zaburzeniach neuropsychiatrycznych. Celem niniejszej prezentacji jest opisanie metodologii oceny bramkowania sensorycznego słuchowego P50 u niemowląt, metodologii zaadaptowanej z metodologii stosowanej w badaniach populacji dorosłych.

Wprowadzenie

Wiele chorób neuropsychiatrycznych - w tym zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi (ADHD), dwubiegunowe zaburzenie nastroju i schizofrenia - są uważane za zaburzenia neurorozwojowe, co oznacza, że pojawienie się objawów jest przynajmniej częściowo spowodowane bardzo wczesnymi aberracjami w rozwoju mózgu. Wczesne aberracje rozwojowe mózgu mogą być ciche lub związane tylko z niespecyficznymi objawami przez lata, a nawet dziesięciolecia przed wystąpieniem pełnego zaburzenia. Model ten sugeruje, że pełne zrozumienie zaburzenia może wymagać metod pomiaru bardzo subtelnych zmian w funkcjonowaniu mózgu na bardzo wczesnym etapie rozwoju mózgu.

P50 bramkowanie sensoryczne odzwierciedla wczesny etap procesu koncentracji^{uwagi 1,2}. Bramkowanie sensoryczne P50 odnosi się do konkretnego zadania, potencjalnego zadania wywołanego słuchowo, które koreluje z behawioralnymi i neuropoznawczymi testami uwagi i odzwierciedla mózgowe mechanizmy hamujące^3,4. W tym zadaniu badanym prezentowane są dwa identyczne bodźce słuchowe o szerokim spektrum ("kliknięcia"), podczas gdy rejestrowana jest odpowiedź EEG. Bodziec słuchowy wywołuje spójną reakcję mózgu mierzoną w EEG; Odpowiedź obejmuje falę, która u dorosłych pojawia się około 50 ms po bodźcu. Ponieważ fala jest w kierunku dodatnim, fala ta jest opisana jako fala P50. Większość osób wykazuje znacznie zmniejszoną reakcję na drugi bodziec pary w stosunku do pierwszego, co odzwierciedla zdolność mózgu do automatycznego hamowania reakcji na nieistotne, powtarzające się informacje (do "bramkowania" informacji sensorycznych). Wiele chorób psychicznych z objawami uwagi - w tym zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi (ADHD), dwubiegunowe zaburzenie nastroju i schizofrenia - jest związanych z upośledzeniem bramkowania sensorycznego^5-7.

Wyniki bramkowania sensorycznego słuchowego P50 mogą być zaburzone przez adrenergiczny ton osoby^{badanej 8}. Podczas snu REM ton adrenergiczny jest osłabiony, dzięki czemu sen REM jest optymalnym czasem do wykonywania zadań^9,10. Ponieważ bramkowanie sensoryczne P50 jest zadaniem pasywnym, a niemowlęta spędzają większość dnia na aktywnym śnie (niemowlęca wersja snu REM), bramkowanie sensoryczne P50 można zmierzyć nawet u bardzo małych niemowląt.

Protokół

1. Przegląd i nadzór instytucjonalny

1. Wszelka praca z ludźmi wymaga zgody i nadzoru Instytucjonalnej Komisji Rewizyjnej. Przedstawione tutaj metody, stosowane w badaniach, zostały zrecenzowane i zatwierdzone przez Colorado Multiple Institutional Review Board (COMIRB).

2. Przygotowanie i nagrywanie

1. Zaplanuj dziecko na 90 minut w regularnym czasie drzemki niemowlęcia. Miej czyste elektrody, przewodzącą pastę EEG i ciemny, spokojny pokój. Nakarm, odbijaj i pieluchuj niemowlę przed rozpoczęciem.
2. Wytrzyj głowę, aby zminimalizować impedancję. CZ ma największą amplitudę P50¹¹. Umieść elektrody w CZ, na czole, powyżej i poniżej jednego oka, na brodzie i na prawym wyrostku sutkowatym.
3. Przedstaw bodźce o szerokim spektrum 50 ms (kliknięcia) jako pary z interwałem bodźców 500 ms. Pary kliknięć powinny być prezentowane w odstępie 10 sekund.
4. Nagrywaj, aż nastąpi 15 minut ciągłego aktywnego snu (odpowiednik snu REM dla niemowląt). Pozwól niemowlęciu zakończyć swój naturalny okres snu. Może to zająć >90 minut. Rejestruj stan dziecka (np. otwarte lub zamknięte oczy, ruch itp.) podczas całego okresu snu.

3. Analiza danych

1. Zidentyfikuj 15 minut ciągłego, aktywnego snu. Ten okres będzie miał wysoką częstotliwość, fale mózgowe o niskim napięciu, niskie napięcie mięśniowe, duże ruchy gałek ocznych i będzie znany z zamkniętych oczu.
2. Filtruj dane w celu usunięcia zakłóceń 60 Hz i dryftu niskich częstotliwości (<1 Hz)¹².
3. Zidentyfikuj epoki na podstawie prezentacji pierwszego dźwięku w każdej parze. Średnio co najmniej 60 epok. Im większa liczba użytych epok, tym większy możliwy stosunek sygnału do szumu.
4. Przefiltruj uśrednione śledzenie za pomocą filtra pasmowoprzepustowego w zakresie 10-50 Hz. Pozwala to na łatwiejszą identyfikację komponentu. Korzystając z filtrowanego uśrednionego śledzenia, zmierz amplitudę P50 w odpowiedzi na pierwszy i drugi bodziec niezależnie. Fale P50 są identyfikowane jako pierwsza fala między 40 a 100 ms po prezentacji bodźca; amplitudę mierzy się od poprzedzającego dołka do szczytu.
5. Podziel amplitudę fali P50 w odpowiedzi na drugi dźwięk przez amplitudę fali P50 w odpowiedzi na pierwszy dźwięk, aby uzyskać współczynnik bramkowania sensorycznego P50.

Wyniki

Współczynniki bramkowania sensorycznego P50 powinny zazwyczaj mieścić się w zakresie od 0 do wartości nieco przekraczających 1,0. Wartości powyżej 2 występują zazwyczaj tylko w przypadku amplitud P50 poniżej 1,0 μV, co może wskazywać na niski stosunek sygnału do szumu; takie wyniki należy odrzucić lub ograniczyć do wartości 2,0 ¹¹. Średnie wartości dla niemowląt pochodzących z ogólnej populacji powinny wynosić około 0,4 ¹³.Rysunek 1 przedstawia dwa przykładowe zapisy: jeden od niemowlęcia z typowym bramkowaniem sensorycznym, a drugi od niemowlęcia z upośledzonym bramkowaniem sensorycznym.

Bramkowanie sensoryczne P50 można obliczyć poprzez odejmowanie: amplituda odpowiedzi na pierwszy dźwięk minus amplituda odpowiedzi na drugi dźwięk. Istnieje jednak znaczna zmienność w tłumieniu sygnału od jego źródła, przez skórę głowy, aż do elektrody pomiarowej. Czynniki, które mogą wpływać na tłumienie, obejmują grubość czaszki, zanieczyszczenia (np. brud) na skórze głowy oraz zawartość wilgoci na jej powierzchni. Ta zmienność tłumienia sygnału między osobnikami, a także u tej samej osoby w czasie, zmniejsza wiarygodność wyników uzyskanych metodą odejmowania. Dlatego bramkowanie sensoryczne P50 jest zazwyczaj raportowane jako stosunek: amplituda odpowiedzi na drugi dźwięk podzielona przez amplitudę odpowiedzi na pierwszy dźwięk.

Wskaźniki bramkowania sensorycznego P50 mogą być wykorzystywane jako pomiar ciągły. Jednakże obliczanie wskaźnika wprowadza dodatkową zmienność. Alternatywnym rozwiązaniem jest dychotomizacja wyników na „prawidłowe” i „zaburzone” bramkowanie sensoryczne P50. U dorosłych wskaźniki < 0,40 uznaje się za prawidłowe, a > 0,50 za zaburzone¹⁴. Wskaźniki w przedziale 0,40-0,50 uznaje się za niejednoznaczne i mogą one zostać przypisane do którejkolwiek z grup lub wykluczone z dalszej analizy. Odpowiednie punkty odcięcia dla niemowląt nie zostały jeszcze ściśle określone, jednak wstępne badania sugerują, że zastosowanie punktów odcięcia podobnych do tych używanych u dorosłych jest właściwe¹⁵.

Rysunek 1. Przykładowe zapisy.  Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.

Dyskusja

Uważa się, że bramkowanie czuciowe P50 odzwierciedla złożoną interakcję hamujących obwodów neurologicznych zlokalizowanych głównie w hipokampie, grzbietowo-bocznej korze przedczołowej i wzgórzu¹⁶. Tak więc zmiany w bramkowaniu czuciowym P50 u niemowląt mogą sugerować zmieniony rozwój w tych obszarach mózgu.

W tych regionach mózgu hamowanie interneuronów GABA-ergicznych glutaminergicznecznych komórek piramidowych prawdopodobnie odpowiada za proces bramkowania, z hamowaniem zapewnianym przez komórki GABA-ergiczne. Interneurony GABA-ergiczne są modulowane przez wejście adrenergiczne i cholinergiczne. Wejście adrenergiczne jest przerywane i hamuje interneurony, co zmniejsza ich zdolność do hamowania komórek piramidowych, a tym samym blokuje bramkowanie czuciowe. Jedną z trudności w rejestrowaniu obudzonych niemowląt jest to, że nawet bardzo łagodne czynniki stresogenne, takie jak stosowanie elektrod, mogą zwiększyć ton adrenergiczny i zakłócić zdolność do pomiaru funkcjonalnych zdolności bramkowania.

W przeciwieństwie do wpływu przerywanych wejść adrenergicznych, cholinergiczna stymulacja interneuronów jest toniczna i powoduje zwiększone wypalanie interneuronów, poprawiając w ten sposób bramkowanie sensoryczne¹⁷. Czynniki, które zmniejszają wkład cholinergiczny, takie jak fenotypy genetyczne związane ze zmniejszoną ekspresją receptora cholinergicznego, prowadzą do przewlekłych problemów w bramkowaniu czuciowym¹⁸. Podobnie, zmniejszone uwalnianie choliny przez neurony, jak ma to miejsce podczas snu non-REM, również zmniejsza aktywność interneuronów i bramkowanie sensoryczne. Nikotyna jest interesującym związkiem, ponieważ ostre stosowanie stymuluje nikotynowe receptory cholinergiczne i poprawia bramkowanie sensoryczne^19,20, podczas gdy powtarzające się lub przewlekłe stosowanie nikotyny nie ma wpływu, gdy jest stosowane samodzielnie, ale blokuje działanie innych agonistów²¹, prawdopodobnie dlatego, że przewlekła stymulacja prowadzi do odczulenia receptorów²². Niemowlęta, które są narażone na nikotynę w okresie prenatalnym poprzez używanie papierosów przez matkę, mają upośledzone bramkowanie czuciowe P50¹².

Ta świadomość podstawowej biologii bramkowania sensorycznego była uzasadnieniem dla randomizowanego badania suplementacji w czasie ciąży składnikiem dietetycznym choliny, agonistą receptora cholinergicznego na interneuronach. Suplementacja następowała od początku drugiego trymestru do około 3 miesięcy po urodzeniu. Niemowlęta, które otrzymywały suplementację choliny, miały przyspieszony rozwój bramkowania czuciowego¹⁵.

Ocena współczynnika bramkowania sensorycznego u niemowląt P50 jest wykonalna²³, wiarygodna²⁴ i stabilna między niemowlęciem a czwartym rokiem^{życia 25} lat. Upośledzenie bramkowania sensorycznego u niemowląt P50 jest związane z prenatalnymi czynnikami ryzyka późniejszych chorób psychicznych^12,26 oraz ze zwiększonym ryzykiem wystąpienia objawów psychiatrycznych w wieku 4 lat²⁷. Jednak niemowlęta z upośledzonym bramkowaniem czuciowym P50 nigdy nie były obserwowane powyżej 4 roku życia; w związku z tym pozostaje niejasne, czy bramkowanie czuciowe P50 u niemowląt jest predyktorem późniejszej psychopatologii, czy też wysiłki zmierzające do zmiany bramkowania czuciowego P50 u niemowląt będą przydatne jako strategie prewencji pierwotnej.

Adaptacja słuchowego paradygmatu bramkowania sensorycznego P50 do badań u niemowląt pozwala na eksplorację pytań związanych z tym, kiedy podczas rozwoju rozwija się zahamowanie mózgowe i kiedy ten rozwój przebiega nieprawidłowo u osób podatnych na późniejsze choroby neuropsychiatryczne związane z uwagą. Podobne wysiłki z innymi zadaniami fizjologicznymi, takimi jak negatywność niedopasowania, śledzenie wzroku i hamowanie prepulsów, mogą oferować inne okna na wczesny rozwój. Oczekuje się, że adaptacja zadań do stosowania we wczesnym okresie niemowlęctwa może przyczynić się do lepszego zrozumienia przebiegu rozwojowego tych zaburzeń w czasie, a także zasugerować nowe strategie prewencji pierwotnej¹⁷.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
E-Prime Wersja 2.0 Profesjonalne	narzędzia programowe dla psychologii	EPR-225142	Oprogramowanie do prezentacji bodźców
Podkładki alkoholowe z pumeksem	Compumedics	95000016	Oczyszcza skórę w ramach przygotowań do umieszczenia elektrody
Pasta Ten20	Compumedics	92100032	Pasta przewodząca EEG, która ma właściwości adhezyjne, aby utrzymać elektrody na miejscu
Trawa Ag/AgCl Powierzchnia Elektrody (10mm)	Grass Technologies	FS E5SHC-48	Elektrody 10 mm służą do rejestracji sygnałów EEG z powierzchni skóry głowy i służą jako elektrody odniesienia i uziemienia
Elektrody powierzchniowe Grass Ag/AgCl (6 mm)	Elektrody Grass Technologies	F E6SHC-48	6mm służą do rejestracji ruchów gałek ocznych (EOG) i napięcia mięśniowego (EMG) z powierzchni skóry
Taśma chirurgiczna papierowa	Micropore	1530-0	niska taśma klejąca służąca do utrzymywania elektrod na miejscu
NuAmps Amplifier	Neuroscan	N/A	40-kanałowy monopolarny wzmacniacz cyfrowy do rejestracji EEG
Komputer Harmon/Kardon Głośniki	Harman/Kardon	HK206	Służy do prezentacji "kliknięć" słuchowych