Artykuł metodologiczny

Ilościowa ocena korowego przetwarzania słuchowo-dotykowego u dzieci niepełnosprawnych

DOI:

10.3791/51054

⸱

29 stycznia 2014

 , 
1Department of Pediatrics, Monroe Carell Jr. Children's Hospital at Vanderbilt, Vanderbilt University, 2Vanderbilt Kennedy Center, Vanderbilt University, 3Department of Hearing and Speech Sciences, Vanderbilt University

W tym artykule

Podsumowanie

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

Obiektywny i łatwy pomiar przetwarzania sensorycznego jest niezwykle trudny u niewerbalnych lub wrażliwych pacjentów pediatrycznych. Opracowaliśmy nową metodologię ilościowej oceny korowego przetwarzania lekkiego dotyku, dźwięków mowy i multisensorycznego przetwarzania 2 bodźców przez niemowlęta i dzieci, bez konieczności aktywnego udziału pacjenta lub powodowania dyskomfortu u wrażliwych pacjentów.

Streszczenie

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

Obiektywny i łatwy pomiar przetwarzania sensorycznego jest niezwykle trudny u niewerbalnych lub wrażliwych pacjentów pediatrycznych. Opracowaliśmy nową metodologię ilościowej oceny korowego przetwarzania przez dzieci lekkiego dotyku, dźwięków mowy i multisensorycznego przetwarzania 2 bodźców, bez konieczności aktywnego udziału uczestników lub powodowania dyskomfortu u dzieci. Aby to osiągnąć, opracowaliśmy dwukanałowy, skalibrowany pod względem czasu i siły stymulator zaciągania się powietrzem, który umożliwia zarówno stymulację dotykową, jak i kontrolę pozorowaną. Połączyliśmy to z wykorzystaniem metodologii potencjału związanego ze zdarzeniami, aby umożliwić wysoką rozdzielczość czasową sygnałów z pierwotnej i wtórnej kory somatosensorycznej, a także przetwarzanie wyższego rzędu. Metodologia ta pozwoliła nam również zmierzyć wielozmysłową reakcję na stymulację słuchowo-dotykową.

Wprowadzenie

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

Badanie rozwoju procesów czuciowych kory mózgowej jest niezbędne do zrozumienia podstaw większości funkcji wyższego rzędu. Doświadczenia sensoryczne są odpowiedzialne za znaczną część organizacji mózgu w okresie niemowlęctwa i dzieciństwa, kładąc podwaliny pod złożone procesy, takie jak poznanie, komunikacjai rozwój motoryczny. Większość pediatrycznych badań nad procesami sensorycznymi koncentruje się na sferze słuchowej i wzrokowej, głównie dlatego, że bodźce te są najłatwiejsze do opracowania, standaryzacji i przetestowania. Jednak przetwarzanie dotykowe jest szczególnie interesujące u niemowląt i dzieci, ponieważ jest to pierwszy zmysł, który rozwija się u płodu4,5, a informacja somatosensoryczna jest integralną częścią funkcji innych układów korowych (np. motorycznego, pamięciowego, asocjacyjnego, limbicznego)6. Obecne metody oceny przetwarzania somatosensorycznego są ograniczone wyborem bodźców dotykowych. Częstym wyborem jest bezpośrednia elektryczna stymulacja nerwu pośrodkowego7,8, która może powodować dyskomfort. Inne skuteczne metody wykorzystują aktywne zadania, takie jak dyskryminacja, rozpoznawanie i lokalizacja bodźców, wymagające zarówno uwagi, jak i wysokiego poziomuzrozumienia. Wszystkie te metody są zatem ograniczone w stosowaniu u małych dzieci i niemowląt.

Dlatego naszym celem było opracowanie paradygmatu dotykowego, który rozwiązuje te ograniczenia, będąc nieinwazyjnym i redukując potrzebę aktywnego uczestnictwa podmiotu. Dodatkowo musiał mieć ustandaryzowany poziom stymulacji i pozorowaną kontrolę. W tym celu opracowaliśmy system "puffer", dwukanałowy, czasowy i skalibrowany system dostarczania powietrza, który pozwala nam mierzyć wpływ lekkiego dotyku u niemowląt i innych wrażliwych populacji.

Badania funkcjonalnego rezonansu magnetycznego wykazały, że stymulacja przez podmuchy powietrza aktywuje korę czuciową, chociaż długość i wyzwania związane z takimi badaniami, takie jak unieruchomienie, długie sesje i ustawienia wywołujące niepokój, utrudniają ich przeprowadzenie u małych dzieci. Dlatego połączyliśmy nasz nowatorski system dostarczania z metodologią Event-Related Potential (ERP), aby zapewnić czasową rozdzielczość przetwarzania sensorycznego lekkiego dotyku w krótkiej, przyjaznej dla dzieci sesji testowej.

Ten nowy paradygmat oferuje niezbędną elastyczność do badania przetwarzania sensorycznego w różnych populacjach, wieku i warunkach klinicznych. Ma również tę zaletę, że jest kompatybilny z bodźcami słuchowymi, co pozwala na oceny multisensoryczne. Do tej pory dokładna i wiarygodna ocena dotykowa nie była możliwa u niemowląt ani u dzieci, które nie są w stanie wiarygodnie zareagować z powodu zaburzeń intelektualnych/językowych. Metodologia ta ma na celu wypełnienie tej luki, aby pomóc we wczesnej identyfikacji deficytów przetwarzania sensorycznego i interwencji w okresie maksymalnej plastyczności mózgu. Poprawa przetwarzania sensorycznego w okresie niemowlęcym może wpływać na kaskadę zaburzeń neurorozwojowych

Następujące procedury są zawarte w protokołach zatwierdzonych przez Vanderbilt Institutional Review Board.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Ocena reakcji na lekki dotyk

  1. Umieść siatkę elektrod (np. 128-kanałową siatkę czujnika geodezyjnego) na głowie dziecka lub niemowlęcia. Wyreguluj czujniki do pełnego kontaktu za pomocą ciepłego roztworu soli fizjologicznej. Jeśli jesteś na dziecku, upewnij się, że dziecko siedzi wygodnie na kolanach rodzica lub opiekuna. Jeśli jest na niemowlęciu, upewnij się, że niemowlę jest lekko owinięte w pieluszki i trzymane w ramionach opiekuna lub w pozycji leżącej w otwartym łóżeczku.
  2. Umieść dyszę 1 mm 0,5 cm poniżej czubka palca wskazującego badanej ręki. Umieść palec dla małego dziecka lub dłoń dla niemowlęcia w uchwycie na formę i zabezpiecz taśmą rzepową bliżej i dystalnie do stawu, aby zapewnić stałą odległość od dyszy do palca lub dłoni. Absolutnie konieczne jest, aby dziecko utrzymywało prawidłową pozycję palców przez całą sesję testową. Upewnij się to, okresowo oceniając ułożenie palców i dłoni oraz mając dziecko z opiekunem, jeśli jest małe. W przypadku badania niemowlęcia przerwij protokół, jeśli niemowlę płacze i zapewnij mu komfort przed ponownym uruchomieniem. Jeśli badasz małe dziecko, poproś opiekuna o zapewnienie komfortu i otuchy przez cały krótki okres testowania.
  3. Uruchom sprężarkę powietrza przy 40 psi za pomocą regulatora, aby dostarczyć wejścia zaworu dla bodźców dotykowych.
  4. Uruchom program dostarczania bodźców.
    1. Dla badanej ręki należy zastosować 60 bodźców zaciągających się losowo przeplatanych 60 próbami pozorowanymi (zaciągnięcie powietrzem dostarczane przez oddzielną dyszę skierowaną w stronę przeciwną do palca).
    2. Nie prezentuj więcej niż dwóch powtórzeń zaciągnięcia się lub udawania z rzędu. Zmieniaj losowo odstępy między próbami w zakresie 2,000-2,500 ms. Ma to na celu zmniejszenie przyzwyczajenia, w którym bodziec nie jest już odbierany. Łączny czas dla sekwencji 120 prób powinien wynosić 4,5-5 minut.
    3. Uruchom ponownie identyczny protokół dla drugiej strony, jeśli badasz asymetryczne zaburzenia somatosensoryczne.
  5. W przypadku protokołów, które nie wymagają zwrócenia uwagi na bodziec, nie jest wymagana dalsza konfiguracja. Dotyczy to testów dla niemowląt. Aby zwiększyć uwagę u małych dzieci (co skutkuje większymi specyficznymi pikami ERP w nagraniu), zapewnij zadanie.
    1. Przykład zadania dla 5-latków: Opisz podmuchy powietrza jako "bąbelki" wydmuchiwane przez "ryby" w "akwarium" (zdobione pudełko ukrywające aparat do rozdymkowania). Poproś dzieci, aby zgadły, czy każda "bańka" jest dostarczana przez niebieską czy czerwoną "rybkę". Powiedz dziecku, że nie musi i nie powinno nic mówić podczas wykonywania tego zadania (patrz konfiguracja z makietą akwarium na rysunku 1).

2. Ocena reakcji na protokół multisensoryczny (słuchowo-dotykowe równoczesne vs. zsumowane indywidualne odpowiedzi)

  1. Wykonaj kroki 1.1-1.3 zgodnie z powyższym opisem. Bodźce opisano w tabeli 1.
  2. Uruchom program dostarczania bodźców (np. w oprogramowaniu E-Prime). Dla badanej ręki paradygmat słuchowo-dotykowy może losowo prezentować następujące 4 bodźce, z 60 próbami/bodźcem: puff, puff-/ga/, /ga/-sham, sham. Ponownie, aby ograniczyć możliwość przyzwyczajenia, nie prezentuj więcej niż dwóch powtórzeń zaciągnięcia się lub pozorowania z rzędu w dowolnym stanie i zmieniaj losowo odstępy między próbami między 2000-2500 ms. Każda sekwencja 240 prób powinna trwać od 9 do 10 minut.
  3. Uruchom identyczny protokół dla drugiej strony.
  4. Zapewnij bezdźwięczną kreskówkę odpowiednią do wieku na początku protokołu i kontynuuj ją przez całą procedurę, aby zapobiec wzrostowi artefaktów motorycznych spowodowanych niepokojem i zmniejszyć tło od dużych fal delta generowanych przez pacjenta, gdy jest znudzony. Na przykład w przypadku 5-latków użyliśmy pętli 20 minut zakupionego filmu, odtwarzanej z wyciszeniem i uruchamianej ponownie przed przetestowaniem każdego badanego. Nie jest potrzebna uwaga na bodźce, dlatego zapętlona kreskówka stanowi wizualne tło odłączone od bodźców.

3. Konfiguracja oprogramowania i sprzętu

  1. Aby zaprogramować oprogramowanie, należy skonfigurować dwa polecenia szeregowe wysyłane przez aplikację do sterowania bodźcami. Jeden identyfikuje zaciągnięcie, drugi fikcję. Niech aplikacja sterująca bodźcem wysyła polecenia do mikrokontrolera.
  2. Niech mikrokontroler wygeneruje impuls TTL (np. czas trwania 20 ms) do odpowiedniego cyfrowego kanału wyjściowego. Wyjście to musi być podzielone na dwie linie, jedną dla wejścia cyfrowego do systemu zapisu EEG, a drugą dla zaworów powietrznych bramkowanych elektromagnetycznie. Zaznacz otwarcie obu zaworów w strumieniu danych EEG.
  3. Zmierz opóźnienie impulsu do zaciągnięcia zarówno w warunkach rzeczywistych, jak i pozorowanych za pomocą oscyloskopu i mikrofonu. Powinny one być jednolite i rzędu 10-15 ms. Dostosuj do opóźnienia po nagraniu.
  4. Oblicz siłę wywieraną na dyszę w PSI za pomocą manometru i mierząc średnicę dyszy. Użyj wzoru F(N) = Ciśnienie*Powierzchnia. Na przykład siła wywierana przez dyszę o promieniu 1 mm przy ciśnieniu 6 psi daje F(N) = 0,03 funta.
  5. Aby zmodyfikować aplikację sterującą dla protokołu multisensorycznego, wyślij do mikrokontrolera dwie polecenia szeregowe identyfikujące prawdziwe zaciągnięcie lub pozorowanie, a także nagrany dźwięk mowy lub ciszę. Uwaga: W naszym paradygmacie wykorzystaliśmy generowany komputerowo, neutralny akcentowo dźwięk /ga/ m.in. taki jak /da/, /du/, /bu/ itp.
  6. Przedstaw bodźce słuchowe przez głośnik umieszczony w linii środkowej, 2 stopy przed badanym.
  7. Dopasuj czas rozpoczęcia dźwięku tak, aby był jednoczesny z początkiem zaciągnięcia lub z opóźnieniem mierzonym w kroku 3.3, w zależności od tego, który stan jest pożądany przez tester.

4. Akwizycja i przygotowanie danych

  1. Wybierz ustawienia filtrów i odwołań, aby pobrać przykładowe dane na podstawie standardowych metodologii ERP. W tym przypadku użyj 1,000 Hz z filtrami ustawionymi na 0,1-400 Hz. Podczas zbierania danych skieruj wszystkie elektrody do Cz i ponownie odnieś je w trybie offline do średniego odniesienia.
  2. Aby podzielić dane na segmenty, przefiltruj zarejestrowane dane za pomocą żądanych filtrów i segmentacji. W tym badaniu należy użyć filtra pasmowoprzepustowego 0,3-40 Hz i podzielić trwające EEG na podstawie początku bodźca, aby uwzględnić linię bazową przed bodźcem 200 ms i 500 ms interwał po bodźcu.
  3. Przeprowadź kontrolę jakości danych. Monitoruj każdy segment pod kątem artefaktów motorycznych i ocznych, takich jak aktywność mięśni o wysokiej częstotliwości, za pomocą algorytmów komputerowych zawartych w oprogramowaniu ERP. Postępuj zgodnie z tym ekranem, aby przeprowadzić ręczną weryfikację.
  4. Zautomatyzowane kryteria przesiewowe są ustawione w tym protokole w następujący sposób, ale mogą być modyfikowane: dla kanałów gałek ocznych napięcie >140 μV = mrugnięcie oczami i napięcie >55 μV = ruchy gałek ocznych.
  5. Skoryguj dane z zanieczyszczonych badań za pomocą narzędzia do korekcji artefaktów ocznych. Uwaga: Każdy kanał o napięciu >200 μV jest uważany za słabej jakości. Jeśli kanały >15 są niskiej jakości, zdecydowaliśmy się odrzucić całe badanie ze względu na odtwarzalność.
  6. Przeciętne ERP. Ponownie odnieś je do średniej referencyjnej, a następnie wykonaj korektę linii bazowej w oparciu o kryteria wybrane w kroku 4.2. Wyodrębnij średnią amplitudę i opóźnienia szczytowe dla różnych szczytów, ekstrapolowane z przebiegów średniej ogólnej predefiniowanych populacji. Uwaga: W naszym przypadku oparliśmy się na ustalonej literaturze dotyczącej reakcji starszych dzieci na stymulację nerwu środkowego10-14. Użyliśmy szczytów P50 (30-80 ms), N70 (50-100 ms), P100 (80-150 ms), N140 (130-230 ms) i P2 (250-350 ms).
  7. Uwzględnij tylko dane z elektrod nakładających się na wstępnie ustawione lokalizacje (rysunek 2). Wyprowadzaj dane dla poszczególnych elektrod i uśredniaj w każdym klastrze.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Ocena lekkiego dotyku (Rysunek 3):

Charakterystyka reakcji kory mózgowej na stymulację dotykową za pomocą systemu Puffer: Wzorce szczytów w odpowiedzi na zaciągnięcie są bardzo podobne do odpowiedzi korowych uzyskanych przy użyciu stymulacji nerwu środkowego u normalnych dorosłych10,11. Wczesna odpowiedź (piki P50, N70, P100) przede wszystkim odzwierciedla aktywność w pierwotnej korze czuciowej12 i nie wymaga świadomości stymulacji...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

To nowatorskie połączenie zaciągania się powietrzem i ERP (określanego jako "system Puffer") do pomiaru korowego przetwarzania lekkiego dotyku i reakcji dotykowo-słuchowych jest dobrze tolerowane przez małe dzieci niepełnosprawne i niemowlęta. Dotyczy to wersji jednosensorycznej i multisensorycznej oraz tego, czy w przypadku małych dzieci dodawany jest komponent uwagi, czy nie. Za sukcesem tej metodologii w ocenie młodej i wrażliwej populacji uważa się zarówno zastosowanie nieszkodliwego bodźca dotykowego, jak i metody i...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

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

Opisany projekt był wspierany przez National Center for Research Resources, Grant UL1 RR024975-01, a obecnie znajduje się w National Center for Advancing Translational Sciences, Grant 2 UL1 TR000445-06. Wyłączną odpowiedzialność za treść ponoszą autorzy i niekoniecznie reprezentują one oficjalne poglądy NIH.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Siatka czujnika geodezyjnegoEGI, Inc., Eugene, ORzależy od rozmiaru
Oprogramowanie EEG stacji sieciowej v. 4.2EGI, Inc., Eugene, ORNA
Aplikacja do kontroli bodźców E-PrimePST, Inc. Pittsburgh, PANA
Manometr (model 6 cali, 0-60 psi)H. O. Trerice Co, Oak Park, MI
Niestandardowa konfiguracja puchówkiNathalie Maitre

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nelson, C. A. Neural plasticity and human development: the role of early experience in sculpting memory systems. Dev. Sci. 3 (2), 115-136 (2000).
  2. Wallace, M. T., Stein, B. E. Early experience determines how the senses will interact. J. Neurophysiol. 97 (1), 921-926 (2007).
  3. Greenough, W. T., Black, J. E., Wallace, C. S. Experience and brain development. Child Dev. 58 (3), 539-559 (1987).
  4. Lickliter, R. The Role of Sensory Stimulation in Perinatal Development: insights from comparative research for care of the high-risk infant. J. Dev. Behav. Pediatr. 21 (6), 437-447 (2000).
  5. Lickliter, R. The integrated development of sensory organization. Clin. Perinatol. 38 (4), 591-603 (2011).
  6. Pleger, B., Villringer, A. The human somatosensory system: From perception to decision making. Prog. Neurobiol. 103, 76-97 (2013).
  7. Allison, T., McCarthy, G., Wood, C. C., Jones, S. J. Potentials evoked in human and monkey cerebral cortex by stimulation of the median nerve: a review of scalp and intracranial recordings. Brain. 114 (6), 2465-2503 (1991).
  8. Majnemer, A., Rosenblatt, B., Riley, P., Laureau, E., O'Gorman, A. M. Somatosensory evoked response abnormalities in high-risk newborns. Pediatr. Neurol. 3 (6), 350-355 (1987).
  9. Auld, M. L., Ware, R. S., Boyd, R. N., Moseley, G. L., Johnston, L. M. Reproducibility of tactile assessments for children with unilateral cerebral palsy. Phys. Occup. Ther. Pediatr. 32 (2), 151-166 (2012).
  10. Nakanishi, T., Shimada, Y., Toyokura, Y. Somatosensory evoked responses to mechanical stimulation in normal subjects and in patients with neurological disorders. J. Neuro. Sci. 21 (3), 289-298 (1974).
  11. Schubert, R., Blankenburg, F., Lemm, S., Villringer, A., Curio, G. Now you feel it-now you don't: ERP correlates of somatosensory awareness. Psychophysiology. 43 (1), 31-40 (2006).
  12. Hamalainen, H., Kekoni, J., Sams, M., Reinikainen, K., Naatanen, R. Human somatosensory evoked potentials to mechanical pulses and vibration: contributions of SI and SII somatosensory cortices to P50 and P100 components. Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 75 (2), 13-21 (1990).
  13. Eimer, M., Forster, B. Modulations of early somatosensory ERP components by transient and sustained spatial attention. Exp. Brain Res. 151 (1), 24-31 (2003).
  14. Forster, B., Eimer, M. Covert attention in touch: Behavioral and ERP evidence for costs and benefits. Psychophysiology. 42 (2), 171-179 (2005).
  15. Tamura, Y., et al. Cognitive processes in two-point discrimination: an ERP study. Clin. Neurophysiol. 115 (8), 1875-1884 (2004).
  16. Fabrizi, L., et al. A shift in sensory processing that enables the developing human brain to discriminate touch from. 21 (18), 1552-1558 (2011).
  17. Putnam, L. E., Vanman, E. J. Startle Modification: Implications for Neuroscience, Cognitive Science. Google Books. Startle Modification: Implications for. , (1999).
  18. Maitre, N. L., Barnett, Z. P., Key, A. P. F. Novel assessment of cortical response to somatosensory stimuli in children with hemiparetic cerebral palsy. J. Child Neurol. 27 (10), 1276-1283 (2012).
  19. Molholm, S. Audio-Visual Multisensory Integration in Superior Parietal Lobule Revealed by Human Intracranial Recordings. J. Neurophysiol. 96 (2), 721-729 (2006).
  20. Molholm, S., Ritter, W., Murray, M. M., Javitt, D. C., Schroeder, C. E., Foxe, J. J. Multisensory auditory-visual interactions during early sensory processing in humans: a high-density electrical mapping study. Brain Res. 14 (1), 115-128 (2002).
  21. Foxe, J. J., Morocz, I. A., Murray, M. M., Higgins, B. A., Javitt, D. C., Schroeder, C. E. Multisensory auditory-somatosensory interactions in early cortical processing revealed by high-density electrical mapping. Brain Res.. 10 (1-2), 77-83 (2000).
  22. Gick, B., Derrick, D. Aero-tactile integration in speech perception. Nature. 462 (7272), 502-504 (2009).
  23. Stevens, K. N., Blumstein, S. E. Invariant cues for place of articulation in stop consonants. J. Acoust. Soc. Am. 64 (5), 1358-1368 (1978).
  24. Hari, R., Parkkonen, L., Nangini, C. The brain in time: insights from neuromagnetic recordings. Ann. NY Acad. Sci. 1191, 89-109 (2010).
  25. Key, A. P. F., Dove, G. O., Maguire, M. J. Linking Brainwaves to the Brain: An ERP. Dev. Neuropsychol. 27 (2), 183-215 (2005).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

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

Poproś o pozwolenie

Tagi

Metodologia potencja w wywo anychsystem stymulacji dotykowejzak adanie siatki EEGprzetwarzanie somatosensoryczneocena odpowiedzi wielozmys owejprotok dostosowany do dziecianaliza danych ERPstymulacja s uchowo dotykowapomiar przetwarzania sensorycznego

Powiązane artykuły