Name: Pomiar Neuromagnetycznej Funkcji Mózgu U Dzieci W Wieku Przedszkolnym Z Niestandardowym Rozmiarem MEG (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-02-19T17:10:00.000+00:00
Duration: 14 min 15 s
Description: Poznaj niestandardowy system MEG dla dzieci w wieku przedszkolnym, umożliwiający badanie aktywności mózgu podczas rozwoju języka. Ta metoda pozwala naukowcom bezpiecznie i bezinwazyjnie analizować neuronalne mechanizmy poznawcze u małych dzieci.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

Niniejsze wytyczne opisują sprzęt i procedury pomiaru funkcji poznawczych mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym z wykorzystaniem magnetoencefalografii (MEG). W pierwszej kolejności omawiamy ogólne wytyczne i kwestie, które należy wziąć pod uwagę podczas przeprowadzania testów eksperymentalnych funkcji poznawczych u dzieci. Następnie opisujemy protokół opracowany w celu dostosowania wymagań związanych z gromadzeniem danych MEG do możliwości motywacyjnych i behawioralnych dzieci w wieku czterech lat.
1. Ogólne uwagi dotyczące badania małych dzieci za pomocą MEG
Badacze MEG mierzą się z szeregiem specyficznych wyzwań podczas pracy z czuwającymi, zdrowymi dziećmi. Po pierwsze, surowe i funkcjonalne środowisko laboratoryjne może onieśmielić lub wystraszyć małe dzieci. Po drugie, podstawowe wymagania eksperymentalnego badania MEG obejmują ograniczenie ruchów oraz aktywne skupienie na zadaniu przez dłuższy czas, co dla wielu dorosłych jest nużące i niekomfortowe. Podczas badania dzieci konieczne staje się dostosowanie procedur eksperymentalnych do ich możliwości i ograniczeń. W tej sekcji opisujemy wstępne kroki związane z przygotowaniem badanego do udziału w sesji akwizycji danych.
1.1 Sesja zapoznawczo-treningowa: W przypadku dzieci w wieku przedszkolnym przed właściwą sesją pozyskiwania danych planowana jest sesja zapoznawczo-treningowa. Sesja ta pozwala dziecku zapoznać się z otoczeniem i badaczami we własnym tempie. Przedstawiamy dziecko oraz rodzica badaczom i zapoznajemy ich z otoczeniem oraz rutyną panującą w laboratorium. Pod koniec sesji wprowadzeni rodzic i dziecko rozumieją wszystkie etapy udziału w badaniu oraz 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 przechodzimy do omówienia wszystkich kroków.
1.2 Wyjaśnienie otoczenia: Aby wyjaśnić dziecku środowisko MEG, stosujemy motyw, który dostarcza przyjaznego dla dzieci uzasadnienia dla otaczającej przestrzeni. Przykładowo, system MEG jest przedstawiany jako statek kosmiczny, który czeka, aby zabrać dzieci w kosmiczną przygodę, podczas której mogą wydarzyć się nieznane zdarzenia. Laboratorium zostało również udekorowane naklejkami ściennymi i zabawkami (Ryc. 1) oraz posiada dedykowaną salę zabaw. Rozmawiając z dzieckiem, używamy języka łatwego do zrozumienia, na przykład określenia „zamrożenie” zamiast „minimalizacja ruchu” oraz „kask astronauta” zamiast „czepka z cewkami markerowymi”.
1.3 Wyjaśnienie procedur dziecku i rodzicom: Przed wejściem dziecka do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie (MSR) przedstawiamy dziecku i rodzicowi poszczególne etapy badania. Jednym z pierwszych kroków jest założenie na głowę badanego czepek z pięcioma cewkami markerowymi; cewki te wskazują położenie głowy badanego wewnątrz kasku MEG. Z pomocą dziecka digitalizujemy kształt głowy lalki, a następnie zapraszamy dziecko i rodzica, aby towarzyszyli lalce w drodze do MSR/statku kosmicznego. Po wejściu do MSR umieszczamy głowę lalki w kasku, aby „obejrzała film”. Następnie pytamy dziecko, czy 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 Książeczki ćwiczeń: Dysponujemy książeczkami ćwiczeń opartymi na motywie przygody w kosmosie, które przedstawiają kroki, jakie dzieci będą wykonywać podczas sesji testowej. Dzieci otrzymują te książeczki do zabrania do domu, aby przejść przez nie wspólnie z rodzicami w ramach przygotowania do następnej wizyty. Celem książeczek ćwiczeń jest podkreślenie znaczenia trzech głównych wymagań dotyczących testowania: a) unikania obecności jakichkolwiek materiałów ferromagnetycznych wewnątrz MSR, b) umieszczenia nakładki cewki markerowej w celu zapewnienia dokładnej korejestracji danych oraz c) znaczenia pozostania w bezruchu podczas digitalizacji i akwizycji danych.
2. Protokół pomiaru sygnałów MEG u dzieci w wieku przedszkolnym
2.1 Sprzęt użyty podczas akwizycji danych i zadania eksperymentalnego
Czapka z cewkami markerowymi: w celu dopasowania danych MEG do informacji strukturalnych badanego (np. obrazowania MRI lub zdigitalizowanego kształtu głowy), zestaw pięciu cewek zostaje umieszczony w czapce pływackiej, którą dziecko nosi pod kaskiem MEG. Cewki te pełnią funkcję punktów odniesienia, a ich położenie jest porównywane przed i po wykonaniu zadania, aby zmierzyć stopień przemieszczenia głowy badanego podczas akwizycji danych.
Digitalizator: Przed rozpoczęciem akwizycji danych, pozycja pięciu cewek znacznikowych oraz kształt głowy badanego są digitalizowane przy użyciu digitalizatora Polhemus Fastrak® (Colchester, VT). Digitalizator składa się z pióra digitalizującego, trzech odbiorników, nadajnika oraz jednostki śledzenia ruchu. Proces ten pozwala na pomiar położenia cewek. W późniejszym etapie pozycje te są dopasowywane do informacji o lokalizacji uzyskanych za pomocą MEG, aby zsynchronizować nabyte dane magnetyczne z kształtem głowy.
System MEG dla dzieci: Akwizycja danych odbywa się 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 filtru pasmowoprzepustowego online w zakresie od 0,03 Hz do 200Hz. Pozycje cewek markerowych są wyznaczane przed i po nagraniach w celu pomiaru ruchu głowy. Dane są odrzucane, jeśli ruch głowy przekracza 5mm.
Urządzenia peryferyjne systemu MEG: Bodźce eksperymentalne są kontrolowane za pomocą komputera PC z wykorzystaniem oprogramowania Presentation® (Neurobehavioral Systems, Albany, CA). Sygnały wizualne są przekazywane przez projektor znajdujący się poza ekranowanym pomieszczeniem MSR i rzutowane na ekran MSR. Bodźce słuchowe są dostarczane za pomocą słuchawek dousznych Etymotic Research Model ER-30 z piankowymi nakładkami 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 ogólną rekomendację zaleca się, aby podczas obecności dziecka i rodzica w laboratorium obecnych było dwóch doświadczonych badaczy. Jasna komunikacja między badaczem, rodzicem a dzieckiem jest kluczowa dla powodzenia eksperymentu.
Etap II: Po przybyciu dziecka
<ol>
 <li>Podpisano formularze zgody, a eksperymentatorzy sprawdzają, czy rodzice mają pytania.</li>
 <li>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 digitalizacji i akwizycji danych. Można to zademonstrować za pomocą marionetki.</li>
 <li>Następnie eksperymentator sprawdza, czy dziecko posiada przy sobie jakiekolwiek materiały ferromagnetyczne (odzież z cekinami lub brokatem, biżuterię, zabawki zapomniane w kieszeniach, spinki do włosów itp.). Jeśli dziecko ma na sobie element odzieży zawierający materiały ferromagnetyczne, zapewniamy mu odzież bezpieczną dla MEG. Jeśli rodzic chce towarzyszyć dziecku podczas eksperymentu, upewniamy się, że on również usunął wszystkie przedmioty ferromagnetyczne.</li>
</ol>
Etap III: Przygotowanie dziecka do wykonania zadania wewnątrz MSR
<ol>
 <li>Eksperymentator zakłada czepek utrzymujący 5 cewek markerowych.</li>
 <li>Eksperymentator digitalizuje położenie cewek markerowych oraz kształt głowy dziecka. Aby utrzymać głowy w stałej pozycji, stosujemy stabilizator szyjny, w którym zamontowano trzy odbiorniki. Ważne jest, aby regularnie wzmacniać przekaz o ograniczaniu ruchów lub „zamrażaniu” pozycji w celu uzyskania poprawnego odwzorowania kształtu głowy. Dziecko może zostać nagrodzone naklejką za sprawne „zamrażanie”.</li>
 <li>Dziecko zostaje zaproszone do wejścia do MSR. Po założeniu słuchawek dziecko zostaje umieszczone w pozycji leżącej w hełmie dewarowskim MEG.</li>
 <li>Gdy dziecko wygodnie ułoży się z głową wewnątrz hełmu MEG, cewki markerowe zostają podłączone do jednostki zasilającej, a drzwi MSR zostają zamknięte. Przez cały czas trwania sesji w pomieszczeniu pozostaje jeden eksperymentator (oraz rodzic, jeśli jest taka chęć).</li>
 <li>W celu zapewnienia rozrywki podczas przygotowań oraz pomiędzy blokami zbierania danych, na ekran projekcyjny MSR można wyświetlić film lub bajkę.</li>
</ol>
Etap IV: Przeprowadzanie eksperymentu
<ol>
 <li>Po zamknięciu drzwi MSR zostają aktywowane SQUIDs i rozpoczyna się akwizycja danych.</li>
 <li>Podczas gdy dziecko ogląda film, przeprowadza się wstępny test korejestracji, aby upewnić się, że sygnały MEG mogą zostać skorejestrowane z zdigitalizowanym kształtem głowy. Test ten polega na dopasowaniu pozycji cewek markerowych uzyskanych podczas digitalizacji do pozycji wyświetlanej przez system MEG.</li>
 <li>Gdy pierwszy test wykaże, że głowa dziecka jest prawidłowo umieszczona w kasku, badacz może rozpocząć eksperyment: (a) wycisza się film; (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 „ser”, natychmiast po jego usłyszeniu. Słowa docelowe te są osadzone w podzbiorze prób kontrolnych, które sprawdzają utrzymanie uwagi przy zadaniu, ale nie są uwzględniane w analizach końcowych.</li>
 <li>Po zakończeniu zadania wykonuje się kolejny pomiar cewek markerowych w celu monitorowania pozycji i ruchów głowy.</li>
 <li>Po dezaktywacji SQUIDs drzwi MSR są otwierane, a dziecko zapraszane jest do sali zabaw, gdzie może wybrać nagrodę za dobrą pracę.</li>
</ol>
3. Reprezentatywne wyniki
Reprezentatywne badanie w naszym laboratorium wykorzystało ten protokół do analizy rozwoju logiki w języku dziecięcym. Dwudziestu sześciu dzieci w wieku 3-4 lat (średni wiek 4 lata i 5 miesięcy) wzięło udział w co najmniej jednej sesji nabywania. Siedemnaście z tych dzieci powróciło na drugą sesję testową, a pięć pojawiło się na trzeciej sesji testowej. Średni ruch głowy wynosił mniej 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 czym wariancja wynosiła od 5,5 mm do 15 mm (Mean= 8,6 mm, s.d.= 2,5 mm).
<img src="/files/ftp_upload/1693/1693fig1.jpg" alt="Sala MRI dla dzieci z dekoracjami kosmicznymi, przedstawiającymi rakietę i planety, tworząca uspokajające środowisko medyczne." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> Rysunek 1. MSR oraz kask MEG zostały ozdobione naklejkami i pluszakami.
<img src="/files/ftp_upload/1693/1693fig2.jpg" alt="Obrazowanie mózgu dziecka w skanerze MRI; nieinwazyjny eksperyment neuroobrazowy." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 2"> Rysunek 2. Czteroletnia dziewczynka w MEG o rozmiarze dla dorosłych (po lewej). Zwróć uwagę na wypełnienie na szczycie głowy w celu zminimalizowania ruchów oraz odległość między głową a kaskiem. Zdjęcie po prawej przedstawia tę samą dziewczynkę w MEG dla dzieci.

<ol><li>Hämäläinen, M., Hari, R., Ilmoniemi, R. J., Knuutila, J., Lounasmaa, O. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetoencephalography-+theory%2C+instrumentation%2C+and+applications+to+noninvasive+studies+of+the+working+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Physics%22%5BJournal%5D)">Magnetoencephalography- theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain.</a> Rev. Mod. Physics. 65 (2), 413-497 (1993).</li>
<li>Johnson, B. W., Crain, S., Thornton, R., Tesan, G., Reid, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+brain+function+in+pre-school+children+using+a+custom+sized+whole-head+MEG+sensor+array%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Measurement of brain function in pre-school children using a custom sized whole-head MEG sensor array.</a> Clin. Neurophysiol. , (2009).</li>
<li>Kado, H., Higuchi, M., Shimogawara, M., Haruta, Y., Adachi, Y., Kawai, J., Ogata, H., Uehara, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetoencephalogram+system+developed+at+KIT%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Appl.+Supercond%22%5BJournal%5D)">Magnetoencephalogram system developed at KIT.</a> IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 4057-4062 (1999).</li>
<li>Uehara, G., Adachi, Y., Kawai, J., Shimogawara, M., Higuchi, M., Haruta, Y., Ogata, H., Kado, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-Channel+SQUID+Systems+for+Biomagnetic+Measurement%5BTitle%5D)+AND+%22IEICE+Trans.+Electr%22%5BJournal%5D)">Multi-Channel SQUID Systems for Biomagnetic Measurement.</a> IEICE Trans. Electr. E86-C, 43-54 (2003).</li>
</ol>

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.

<table><tbody><tr><td>MEG całogłowowy dla dzieci</td><td>Kanazawa Institute of Technology (Kanazawa) i Yokogawa Electric Corporation (Tokio)</td><td>Model PQ1064R-N2m</td><td></td></tr><tr><td>Pomieszczenie ekranowane magnetycznie</td><td>Fujihara Co. Ltd.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Digitiizer</td><td>Polhemus (Colchester, VT)</td><td>Fastrack</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie do kontroli eksperymentu</td><td>Neurobehavioral Systems</td><td>Presentation</td><td></td></tr><tr><td>Słuchawki douszne</td><td>Etymotic Research Inc.</td><td>ER-30</td><td></td></tr></tbody></table>

pomiar neuromagnetycznych funkcji mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym z użyciem meg o dostosowanym rozmiarze

Measurement Of Neuromagnetic Brain Function In Pre-school Children With Custom Sized MEG

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.

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.

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

Magnetoencefalografia jest techniką wykrywania pól magnetycznych związanych z aktywnością kory mózgowej [1]. Aktywność elektrofizjologiczna mózgu ...

Witam, nazywam się Steven Crane. Jestem współdyrektorem KIT Macquarie Brain Research Lab. Laboratorium to jest częścią Macquarie Center for Cognitive Science na Uniwersytecie Macquarie w Sydney w Australii.Witajcie, nazywam się Illa Dessan i pracuję w Centrum Nauk Poznawczych na Uniwersytecie Macquarie. Cześć, jestem Melanie Reed i również pracuję w Centrum Nauk Poznawczych na Uniwersytecie Macquarie. Na Uniwersytecie Macquarie wykorzystujemy magnetoencefalografię, czyli MEG, do badania mechanizmów mózgowych leżących u podstaw szybkiego przyswajania języka przez dzieci w wieku od dwóch do sześciu lat.MEG mierzy pola magnetyczne generowane przez korę mózgową. Dzięki MEG możemy obserwować, które obszary mózgu są aktywne podczas przetwarzania języka oraz w jaki sposób te różne obszary ze sobą oddziałują. Praca z małymi dziećmi przy użyciu dowolnego systemu obrazowania mózgu wiąże się z dwoma wyzwaniami.Po pierwsze, typowe środowisko laboratoryjne nie jest przyjazne dzieciom. Po drugie, aby wziąć udział w badaniu MEG, dzieci muszą otrzymać instrukcję minimalizowania ruchów oraz są wymagane do skupienia uwagi na zadaniu przez dłuższy czas. Dlatego ważne było dla nas opracowanie protokołu, który umożliwia wykorzystanie MEG, a jednocześnie jest przyjemny dla dzieci.Mimo to korzyści płynące z MEG znacznie przewyższają wyzwania. MEG jest cennym narzędziem do pomiaru funkcji mózgu u dzieci ze względu na niezwykle wysoką rozdzielczość czasową i dobrą rozdzielczość przestrzenną, a ponieważ jest całkowicie nieinwazyjne, nie stwarza żadnego przewidywanego ryzyka dla tkanki nerwowej dzieci. W przeciwieństwie do MEG, inne techniki obrazowania neurologicznego wykorzystują silne pola magnetyczne i radiofarmaceutyki, które mogą stanowić zagrożenie dla małych dzieci.Jedną z kluczowych cech naszego systemu MEG dla dzieci jest to, że został on zaprojektowany specjalnie do użytku u małych dzieci. System o niestandardowym rozmiarze opracowano we współpracy z Kanawa Institute of Technology oraz Yokogawa Electric Corporation. W poniższym filmie wyjaśnimy, dlaczego konieczne było opracowanie dostosowanego systemu MEG dla dzieci, oraz pokażemy, w jaki sposób przygotowujemy dzieci do badania w systemie MEG.Zapraszamy do obejrzenia naszego laboratorium w ciągu najbliższych kilku minut. Wyjaśnimy kroki, jakie podjęliśmy, aby dzieci z przyjemnością uczestniczyły w naszych badaniach. Laboratorium dysponuje dwoma systemami MEG umieszczonymi w tym samym pomieszczeniu o specjalnej konfiguracji magnetycznej.System dla dorosłych składa się ze 160 czujników równomiernie rozmieszczonych wewnątrz kasku MEG, co zapewnia pokrycie całej głowy. System MEG dla dzieci ma podobną budowę, ale posiada 64 czujniki, dzięki czemu kask jest mniejszy i idealnie dopasowany do przedszkolaków oraz niemowląt. Magnetoencefalografia lub obrazowanie MEG to technika neuroobrazowania służąca do bezpośredniego pomiaru aktywności neuronalnej.MEG potrafi wykrywać i wzmacniać słabe pola magnetyczne generowane przez tysiące aktywnych neuronów w korze mózgowej. Wykrywanie tych słabych pól magnetycznych jest łatwo osiągalne dzięki specjalnym czujnikom znanym jako SQUIDy lub nadprzewodzące kwantowe urządzenia interferencyjne. Do funkcjonowania systemów MEG niezbędna jest technologia nadprzewodnictwa.Czujniki wymagają chłodzenia ciekłym helem w temperaturze minus 270 °C. Poniższa sekwencja przedstawia proces uzupełniania systemów ciekłym helem, który musi być przeprowadzany raz w tygodniu. Ciekły hel generuje największą część kosztów eksploatacyjnych systemu MEG.Pola magnetyczne generowane przez mózg są niezwykle słabe w porównaniu z polami magnetycznymi wytwarzanymi przez całą aparaturę w nowoczesnym laboratorium. Oznacza to, że systemy MEG muszą znajdować się w pomieszczeniu ekranowanym magnetycznie. Pomieszczenie ekranowane w naszym laboratorium składa się z trzech warstw perlo i jednej warstwy miedzi.Pomieszczenie waży około 8,5 tony, a podłoga laboratorium musiała zostać specjalnie wzmocniona, aby wytrzymać ten ciężar. Koszt pomieszczenia z ekranowaniem magnetycznym stanowi od jednej trzeciej do połowy kosztów kapitałowych systemu MEG. W ścianach pomieszczenia znajduje się szereg portów, które umożliwiają projekcję bodźców wzrokowych do wnętrza oraz obsługę innych rodzajów sprzętu za pomocą kabli światłowodowych.MEG mierzy pola magnetyczne wytwarzane przez aktywne komórki mózgu. Powiązana z tą metodą elektroencefalografia mierzy elektryczny komponent tych pól. EEG jest technologią znacznie prostszą i tańszą, lecz nie posiada zdolności MEG do lokalizowania aktywności w mózgu.W badaniach z udziałem starszych dzieci i dorosłych często rejestrujemy jednocześnie sygnały EEG i MEG. Jednak w przypadku dzieci w wieku przedszkolnym nie jest to zazwyczaj praktyczne ze względu na długi czas wymaganą do przygotowania aparatury EEG. Ponieważ MEG wykorzystuje czujniki zanurzone w ciekłym helu, znajdują się one w stałych pozycjach wewnątrz próżniowo szczelnego hełmu izolacyjnego.Kask standardowego systemu MEG dla dorosłych jest zaprojektowany tak, aby pasował do około 95% głów osób dorosłych. Oznacza to, że głowy największe i najmniejsze nie przylegają odpowiednio do kasku dla dorosłych. Jest to szczególny problem w przypadku dzieci w wieku przedszkolnym, ponieważ ich głowy mają promień mniejszy od głów dorosłych nawet o dwa do trzech centymetrów.Wynika to z faktu, że sygnały MEG bardzo szybko zanikają wraz z odległością. Oznacza to, że wiele czujników w kasku dla dorosłych nie będzie skutecznych w pomiarze sygnałów z mózgów dzieci. Kolejnym problemem jest to, że dzieci częściej poruszają głową w dużych kaskach podczas sesji pomiarowych.Powoduje to degradację sygnałów MEG. Ten klip przedstawia czujniki MEG w systemie dla osób dorosłych. W odniesieniu do głowy dziecka widać, że wiele czujników znajduje się w znacznej odległości od powierzchni głowy.Dlatego też cenne jest wykonanie kasku MEG o rozmiarze dostosowanym do głów dzieci w wieku przedszkolnym. W tym klipie widać, że sensory naszego systemu MEG dla dzieci znajdują się bardzo blisko powierzchni głowy. Przed rozpoczęciem eksperymentu należy wykonać kilka etapów przygotowawczych.Wewnątrz MSR sprawdzamy, czy dziecko ma przy sobie przedmioty wykonane z materiałów ferromagnetycznych. Czy masz coś w kieszeniach? Nie. I sprawdzamy drugą kieszeń.Na głowie dziecka umieszczamy czepek zawierający pięć cewek znacznikowych. Następnie digitalizujemy kształt głowy dziecka lub, jak to nazywamy, wykonujemy rysunek ich głowy. Potem wprowadzamy dziecko do MSR lub „statku kosmicznego”, przygotowując je do gry, podczas gdy my przygotowujemy krawat.Wewnątrz MSR na ekranie powyżej wyświetlany jest wybrany przez nich film. Gdy już wygodnie się położą, zamykamy drzwi i rozpoczyna się akwizycja. Eksperyment zazwyczaj trwa około 20 minut.Zapraszamy dziecko do gry wewnątrz statku kosmicznego podczas oglądania filmu z wyciszonym dźwiękiem. W naszym przypadku dzieci uważnie słuchają serii zdań i powtarzają słowo ser, gdy tylko je usłyszą. Zapach sera z plecaka małpy.Dobra robota. Ser z marchewką, doskonała robota. Bodźce akustyczne, takie jak mowa, są dostarczane do uszu dziecka za pomocą plastikowych rurek, które widać na klatce piersiowej dziecka. Używamy piankowych wkładek do uszu w rozmiarze dziecięcym, aby dopasować rurki do wnętrza ich uszu.Podczas akwizycji danych dziecko jest stale monitorowane za pomocą wideo w obiegu zamkniętym, a eksperymentatorzy mogą komunikować się z dzieckiem przez mikrofon. Przed pomiarem MEG mocujemy pięć cewek markerowych na czepce pływackiej, którą następnie nakładamy na głowę dziecka. Podczas pomiarów MEG służą one do pomiaru i monitorowania pozycji oraz ruchów głowy w trakcie akwizycji danych.Badacz oraz rodzic, jeśli wyrazi taką chęć, pozostają z dzieckiem w ekranowanej komorze przez cały czas trwania badania. Ma to na celu zapewnienie dziecku komfortu oraz zminimalizowanie ruchów. Po zakończeniu eksperymentu dzieci otrzymują nagrodę za prawidłowe wykonanie zadania.Zatem którą naklejkę chcielibyście wybrać? Jest „Jedna Tutaj” i „Jedna Tam”. Ci z Państwa, którzy znają dzieci w wieku przedszkolnym, wiedzą, że ich pierwszym wyborem nie byłoby nieruchome leżenie w pomieszczeniu ekranowanym magnetycznie.Stosujemy szereg technik, aby zarówno otoczenie, jak i cały proces były przyjazne dla dzieci. Laboratorium jest wypełnione kolorowymi naklejkami i pluszakami. Badania są przeprowadzane podczas trzech do pięciu wizyt w laboratorium.Pierwsze spotkanie służy zazwyczaj zapoznaniu dziecka z badaczami oraz środowiskiem MEG. Dziecko obserwuje zabawkę, zwierzę (np. misia) lub żabkę Kermita. Należy przejść przez wszystkie etapy, które będą towarzyszyć dziecku podczas badania.Wprowadzamy motyw przewodni sesji badawczych. System MEG jest statkiem kosmicznym, który czeka, aby zabrać dzieci w kosmiczną przygodę. Dysponujemy zeszytami ćwiczeń opartymi na tym motywie, które wyjaśniają kolejne etapy procedury, a następnie kolorujemy je kredkami.Dokładnie tak, jakbyśmy rysowali obraz Twojej głowy. Jest niezwykle ważne, aby dzieci potrafiły pozostać w bezruchu zarówno podczas digitalizacji, jak i podczas przeprowadzania testów. Dobrze, a teraz musimy zastygnąć w bezruchu.Czy potraficie tak zamarznąć? Przekazujemy to, prosząc dzieci, aby pokazały nam, jak zamierają w bezruchu. Dobrze wykonana praca.Całkiem dobrze. Zamrażanie. Znaczenie możliwości zamrażania jest podkreślane podczas każdej wizyty w laboratorium. Ważne jest również upewnienie się, że dzieci rozumieją każdy etap eksperymentu.Kroki wyjaśniamy dzieciom w sposób dla nich zrozumiały. Na przykład nakrętkę zawierającą cewki markerów nazywamy kaskiem astronauty. Czy czujesz się już jak astronauta?Digitalizację opisujemy jako rysowanie obrazu ich głowy. Jeśli dziecko wydaje się nieśmiałe lub lękowe, często używamy marionetek, aby zilustrować, na czym polega eksperyment. Prosimy również dzieci o pomoc, aby lepiej zrozumiały, co będziemy robić.Dzieci zazwyczaj chętnie pomagają pacynce wejść do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie. Jeśli dziecko nadal nie chce wejść do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie, po prostu przeznaczamy czas na zabawę, dopóki nie poczuje się swobodniej. Gdy dzieci oswoją się ze wszystkimi krokami naszego protokołu, wprowadzamy zadanie eksperymentalne, które ma zostać wykonane wewnątrz MSR.Hmm. Więc czy pamiętasz, jakie było to magiczne słowo, które musiałeś powtarzać? Czy mogę to usłyszeć? Mogę?Czy możesz powtórzyć? Tak. Ser. Więc na przykład, jeśli powiem coś takiego, że ostatnio poszedłem do parku i zobaczyłem kawałek sera. Co robisz?Jak widać, przeprowadzanie badań obrazowania mózgu u dzieci wymaga zastosowania specjalistycznej technologii oraz procedur wykraczających poza te, które są zazwyczaj stosowane w badaniach z udziałem dorosłych. Po pierwsze, opracowaliśmy kask MEG o niestandardowym rozmiarze, zaprojektowany tak, aby pasował do głów dzieci i ograniczał ruchy ich głowy. Po drugie, dostosowaliśmy laboratorium do potrzeb dzieci, wykorzystując dekoracje ścienne oraz pluszowe zabawki.Stosujemy metody, które zostały dostosowane do potrzeb i motywacji małych dzieci. Nasze laboratorium jest zaprojektowane do pomiaru funkcji poznawczych mózgu u zdrowych i czuwających małych dzieci. W związku z tym wymagania są nieco inne niż te, z którymi można spotkać się w innych badaniach neuroobrazowych u dzieci.Wprowadzenie systemów MEG dla dzieci stanowi istotny postęp w neuronauce poznawczej. Pozwoli to na uzyskanie pomiarów funkcji mózgu w przedziale wiekowym, w którym zachodzi fascynujące i gwałtowne kształtowanie się tych funkcji. Obecnie nasza wiedza na temat tych procesów rozwojowych jest bardzo ograniczona.Mamy nadzieję wypełnić tę lukę, badając funkcje mózgu dzieci przy użyciu MEG.

measurement-neuromagnetic-brain-function-pre-school-children-with

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

Pomiar funkcji neuromagnetycznych mózgu u przedszkolaków z niestandardowym rozmiarem MEG

Źródło: Papadelis, C., et wsp., Międzynapadowe oscylacje wysokiej częstotliwości wykryte za pomocą jednoczesnej magnetoencefalografii i elektroencefalografii jako biomarker padaczki dziecięcej. J. Vis. exp.{{TAG_ 27}} (2016).  Ten film demonstruje metodę wykorzystania zapisów elektroencefalografii (EEG) i magnetoencefalografii (MEG) do identyfikacji międzynapadowych wyładowań padaczkowych (IED) i oscylacji o wysokiej częstotliwości (HFO) w celu zlokalizowania obszarów mózgu podatnych na napady.

 Jednoczesna elektroencefalografia i magnetoencefalografia w celu identyfikacji obszarów mózgu podatnych na napady padaczkowe 

Ten artykuł opisuje, jak rejestrować aktywność ciała migdałowatego za pomocą magnetoencefalografii (MEG). Ponadto w tym artykule opiszemy, jak przeprowadzić warunkowanie strachu śladowego bez świadomości, zadanie, które aktywuje ciało migdałowate. Obejmie 3 tematy: 1) Projektowanie paradygmatu warunkowania śladowego przy użyciu maskowania wstecznego do manipulowania świadomością. 2) Rejestrowanie aktywności mózgu podczas zadania za pomocą magnetoencefalografii. 3) Wykorzystanie obrazowania...

Jak wykryć aktywność ciała migdałowatego za pomocą magnetoencefalografii za pomocą obrazowania źródłowego

W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie szacowaniem kory mózgowej mierzonej aktywności elektrycznej dla eksperymentów neuronauki poznawczej. W tym artykule opisano, w jaki sposób pozyskiwane jest EEG o wysokiej gęstości i jak zapisy są przetwarzane w celu oszacowania źródła korowego u dzieci w wieku od 2 lat w London Baby Lab.

Analiza źródła korowego zapisów EEG o dużej gęstości u dzieci

Oscylacje o wysokiej częstotliwości (HFO) pojawiły się jako przedoperacyjne biomarkery do identyfikacji strefy padaczkowej u pacjentów pediatrycznych z padaczką oporną na leczenie. Przedstawiono metodykę nieinwazyjnego rejestrowania, wykrywania i lokalizacji HFO z jednoczesną elektroencefalografią skóry głowy (EEG) i magnetoencefalografią (MEG).

Międzynapadowe oscylacje o wysokiej częstotliwości wykryte za pomocą jednoczesnej magnetoencefalografii i elektroencefalografii jako biomarkera padaczki dziecięcej

Opisujemy eksperymentalną procedurę ilościowego określania pobudliwości i hamowania pierwotnej kory ruchowej podczas zadania hamowania reakcji motorycznej za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w trakcie zadania sygnalizacji zatrzymania.

Protokół przezczaszkowej stymulacji magnetycznej online do pomiaru fizjologii kory mózgowej związanej z hamowaniem odpowiedzi

Ten artykuł przedstawia przyjazny dla dzieci protokół badawczy, który ma na celu poprawę jakości danych poprzez zmniejszenie ruchów głowy podczas magnetoencefalografii dziecięcej (MEG). Zaznajamiamy rodziny ze środowiskiem MEG, szkolimy dzieci, aby pozostawały w bezruchu za pomocą symulatora MEG i korygujemy artefakty szczątkowych ruchów głowy za pomocą systemu wykrywania ruchów głowy w czasie rzeczywistym.

Badanie funkcji mózgu u dzieci za pomocą magnetoencefalografii

Ten artykuł opisuje, jak skonfigurować eksperyment, który pozwala na wykrywanie wpływów na poziomie źródła przed bodźcem na percepcję obiektu za pomocą magnetoencefalografii (MEG). Obejmuje materiał stymulacyjny, projekt eksperymentalny, rejestrację MEG i analizę danych.

Wykrywanie wpływu na percepcję obiektu na poziomie źródła przed bodźcem za pomocą magnetoencefalografii

Ten protokół opisuje metody używane do badania mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw konsolidacji pamięci zależnej od snu podczas drzemek we wczesnym dzieciństwie. Obejmuje procedury badania wpływu snu na wydajność pamięci behawioralnej, a także zastosowanie i rejestrację zarówno polisomnografii, jak i aktygrafii.

Pomiar mechanizmów neuronalnych leżących u podstaw konsolidacji pamięci zależnej od snu podczas drzemek we wczesnym dzieciństwie

Magnetoencefalografia (MEG) i elektroencefalografia o wysokiej gęstości (HD-EEG) rzadko są rejestrowane jednocześnie, chociaż dostarczają informacji potwierdzających i uzupełniających. W tym miejscu ilustrujemy eksperymentalną konfigurację do jednoczesnego rejestrowania MEG i HD-EEG oraz metodologię analizy tych danych mającą na celu zlokalizowanie padaczkowych i elokwentnych obszarów mózgu u dzieci z padaczką lekooporną.

Obrazowanie źródeł elektromagnetycznych w ocenie przedoperacyjnej dzieci z padaczką lekooporną

Nasz opatentowany, spersonalizowany nakrycie głowy drukowane w 3D zapewnia szybkie i niezawodne dostarczanie wieloelektrodowej przezczaszkowej stymulacji elektrycznej (ME-tES) w gabinecie oraz zdalnie.

Spersonalizowany nakrycie głowy drukowane w 3D do wieloelektrodowej stymulacji przezczaszkowej elektrycznej

Protokół ten opisuje metody badania struktury i funkcjonowania mózgu u dzieci w wieku 3-5 lat. Zawiera procedury przygotowania dzieci do sesji rezonansu magnetycznego (MRI), w tym materiały przeznaczone do rodzin w ramach przygotowań do sesji, szkolenie z obsługi symulacji skanera oraz metody stosowane podczas sesji skanowania.

Skanowanie, co robić, a czego unikać: Wykorzystanie obrazowania rezonansem magnetycznym u dzieci w wieku od 3 do 5 lat w celu oceny struktury i funkcji mózgu

Poznaj niestandardowy system MEG dla dzieci w wieku przedszkolnym, umożliwiający badanie aktywności mózgu podczas rozwoju języka. Ta metoda pozwala naukowcom bezpiecznie i bezinwazyjnie analizować neuronalne mechanizmy poznawcze u małych dzieci.

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

Przeglądaj więcej filmów