Nowatorskie eksperymentalne i analityczne podejście do multimodalnego neuronalnego dekodowania intencji podczas interakcji społecznych u swobodnie zachowujących się ludzkich niemowląt

Ogólnym celem niniejszej procedury jest rejestracja aktywności mózgu i danych kinematycznych niemowląt poprzez integrację zsynchronizowanej, wysokogęstościowej, aktywnej elektroencefalografii powierzchniowej, jednostek pomiaru inercyjnego oraz nagrań wideo. Osiąga się to poprzez uprzednie nałożenie czepek EEG na głowę niemowlęcia i zapewnienie akceptowalnych poziomów impedancji między każdą elektrodą a skórą głowy. Drugim krokiem jest przymocowanie jednostek pomiaru inercyjnego na głowie, ramionach i klatce piersiowej niemowlęcia, a także na nadgarstkach eksperymentatora.

Następnie eksperymentator wchodzi w interakcję z niemowlęciem, aby wywołać reakcję naśladownictwa; ostatnim krokiem jest digitalizacja trójwymiarowych współrzędnych przestrzennych elektrod EEG. W ostateczności pozyskanie danych EEG i kinematycznych od swobodnie zachowujących się niemowląt umożliwia badanie neuronalnych podstaw poznawczego rozwoju motorycznego oraz wyłaniania się poznania społecznego. Przewagą tej techniki nad innymi podejściami badającymi poznanie społeczne jest możliwość rejestracji aktywności neuronalnej w działaniu i w kontekście podczas pierwszych dwóch lat życia.

Ta metoda może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie neuronauki poznawczej, takie jak: jaka jest wewnętrzna zależność między zmianami rozwojowymi w architekturze mózgu a zachowaniem? Zastosowania tej techniki rozszerzają się na terapię zaburzeń poznania społecznego i zaburzeń z widma autyzmu, ponieważ może ona służyć do badania kamieni milowych rozwoju i uczenia się poprzez naśladownictwo, tego, jak niemowlęta przetwarzają działania wizualne oraz w jaki sposób angażują się w komunikację społeczną. Choć metoda ta może dostarczyć wiedzy na temat funkcjonowania systemu neuronów lustrzanych w młodym ludzkim mózgu, można ją również zastosować do innych systemów poznawczych, takich jak uczenie się przez uwagę, przetwarzanie języka i planowanie motoryczne, aby badać ich powstawanie i rozwój w mózgu człowieka.

Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą napotkać trudności, ponieważ niektóre niemowlęta mogą czuć dyskomfort w nowym otoczeniu, a także podczas noszenia czepka EEG. Czynniki takie jak senność i głód mogą również sprawić, że niemowlę stanie się niecierpliwe. Należy rozpocząć od zaproszenia rodziców niemowlęcia do pomieszczenia eksperymentalnego i krótkiego wyjaśnienia celu eksperymentu. Należy odnotować wiek w miesiącach oraz płeć niemowlęcia.

Przygotuj niemowlę do badania elektroencefalograficznego (EEG), mierząc obwód głowy w centymetrach. Umieść centymetr krawiecki wokół najszerszej części głowy, prowadząc go nad brwiami i wokół guzowatości potylicznej z tyłu głowy. Następnie zmierz odległość od nasion do inion wzdłuż płaszczyzny pośrodkowej strzałkowej powierzchni skóry głowy.

Umieść elektrody na czepku EEG zgodnie ze specyfikacją międzynarodowego systemu 10-20. Następnie załóż czepek na głowę niemowlęcia. Wyrównaj elektrodę CZ z wierzchołkiem głowy, a elektrody FP1 i FP2 z czołem.

Dostosuj położenie czepka EEG tak, aby symetrycznie przylegał on do środkowej płaszczyzny strzałkowej głowy. Następnie podłącz elektrody referencyjne, uziemiające i rejestrujące do skrzynki sterującej. Włącz wskaźniki impedancji, zaczynając od elektrod uziemiających i referencyjnych.

Za pomocą małej strzykawki wstrzyknij żel elektrolityczny w przestrzeń między skórą głowy a elektrodą. Upewnij się, że poziom impedancji elektrody jest niższy niż 60 kilo ohms. Elektrody zmieniają kolor na żółty, gdy impedancja spadnie poniżej 60 kilo ohms.

Jeśli impedancja spadnie poniżej 25 kilo ohms, zmienią one kolor na zielony. Następnie podłącz wzmacniacze do komputera sterującego za pomocą portu USB, używając konwertera światłowodowego na USB. Aby przygotować jednostki pomiaru bezwładnościowego lub imus, otwórz oprogramowanie IMU.

Kliknij „new” w interfejsie graficznym i skonfiguruj zabezpieczone paski IMU imus na obu nadgarstkach, klatce piersiowej i głowie niemowlęcia. Następnie zabezpiecz imus na obu nadgarstkach eksperymentatora. Na koniec podłącz obudowę wejścia/wyjścia wyzwalacza (trigger) do EEG i rozpocznij pracę.

Zacznij od położenia niemowlęcia na stole w taki sposób, aby było ono zwrócone twarzą do badacza. Poproś rodzica, aby usiadł na krześle za dzieckiem. Następnie zarejestruj początkowe wartości impedancji elektrod EEG za pomocą oprogramowania sterującego, wybierając zakładkę sprawdzania impedancji (impedance check), klikając przycisk włącz impedancję (impedance on), a następnie klikając zapisz impedancję (save impedance).

Aby zapisać impedancje, otwórz oprogramowanie do rejestracji EEG i utwórz obszar roboczy, ustawiając kanał EEG. Wybierz folder, w którym zostaną zapisane surowe dane. Wygeneruj nazwę pliku.

Wybierz liczbę kanałów do wykorzystania. Określ częstotliwość próbkowania na poziomie 1000 hertz i odznacz opcję włączania filtrów. Upewnij się, że opcja włączania segmentacji jest odznaczona, aby rozpocząć nagrywanie danych EEG.

Kliknij monitor, a następnie play w programie do rejestracji EEG. Następnie kliknij stream oraz record w oprogramowaniu do rejestracji IMU. Aby rozpocząć zapisywanie danych kinematycznych, wprowadź trzy triggery sygnalizujące początek eksperymentu, korzystając z przycisku na obudowie wejścia/wyjścia.

Pozwól niemowlęciu odpocząć przez jedną minutę, rejestrując początkowe dane bazowe. Przeprowadź eksperyment z niemowlęciem przez około 15 minut. Spróbuj wywołać u niemowlęcia reakcję naśladownictwa.

Należy odnotować różnorodne zachowania, jakie może wykazać niemowlę podczas eksperymentu, w tym sięganie, chwytanie, wyciąganie rąk, oferowanie, eksplorację, obserwację i naśladownictwo. Użyj pięciu wyzwalaczy na obudowie wejścia-wyjścia, aby zatrzymać eksperymentatora, gdy niemowlę poczuje zmęczenie lub po upływie 15 minut interakcji zarejestrowanych w oprogramowaniu EEG. Kliknij przycisk zatrzymaj rejestrację danych w oprogramowaniu IMU.

Kliknij stop w oknie dialogowym strumieniowania, aby zakończyć nagrywanie z IMU. Na koniec zarejestruj końcowe wartości impedancji, wybierając zakładkę sprawdzania impedancji w oprogramowaniu sterującym. Kliknij przycisk impedance on, a następnie kliknij save impedance, aby zapisać impedancje. Następnie zdigitalizuj trójwymiarowe współrzędne przestrzenne elektrod EEG za pomocą skanera 3D elektrod EEG i odpowiedniego oprogramowania.

Aby to zrobić, przejdź do menu plik i wybierz nowy obszar roboczy w oprogramowaniu. Wczytaj plik z pozycjami elektrod w pierwszej zakładce obszaru roboczego. Następnie na pasku narzędzi skanowania kliknij rozpocznij skanowanie.

Użyj kamery, aby zeskanować położenie elektrod, śledząc zmieniające się wzory świetlne na czepku. W celu obrazowania źródeł pobierz obrazy rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z T1 z publicznej bazy danych MRI rozwoju neurologicznego, która zawiera średnie szablony MRI w zależności od wieku dla pierwszych dwóch lat życia. Na koniec przeprowadź korejestrację przestrzeni EEG i MRI, aby uzyskać transformację geometryczną poprzez dopasowanie punktów referencyjnych wskazanych na anatomicznym obrazie MRI do punktów referencyjnych uzyskanych za pomocą skanera 3D.

Korzystanie z oprogramowania do obrazowania mózgu. Niniejszy protokół przedstawia nowatorską metodologię dekodowania neuronalnego intencji u niemowląt wykazujących swobodne zachowania podczas nieskryptowanej interakcji społecznej z aktorem. Przedstawione tutaj histogramy danych EEG opisują rozkład standaryzowanego sygnału z trzech reprezentatywnych przestrzennie elektrod dla każdego z analizowanych zachowań. EEG i IMU dostarczają danych neuronalnych o wysokiej rozdzielczości czasowej, które mogą służyć do przewidywania działań behawioralnych u niemowląt wykazujących swobodne zachowania.

Tutaj, w tej macierzy pomyłek, przedstawiono dokładność klasyfikacji dla 20-miesięcznego niemowlęcia. Ogólna dokładność dekodowania wynosi 85,2%. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak gromadzić dane DEG i dane kinematyczne od niemowląt wykazujących nieprawidłowe zachowania podczas interakcji społecznych z eksperymentatorem. Po opanowaniu ta technika może zostać przeprowadzona w ciągu jednej godziny, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.

Podczas wykonywania tej procedury ważne jest zwrócenie uwagi na to, jak niemowlę reaguje na otoczenie, ponieważ może ono być dla niego obce lub rozpraszające. Mały, przyjazny dzieciom pokój oraz obecność mniej niż czterech osób w pomieszczeniu mogą pomóc zredukować niepokój, jaki niemowlę może odczuwać w nowym środowisku. Po przeprowadzeniu tej procedury można zastosować inne metody, takie jak analiza łączności funkcjonalnej i efektywnej, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, np. w jaki sposób interakcja i koordynacja między regionami mózgu wpływają na jego funkcje?

Wierzymy, że ta nowatorska technika pozwoli badaczom z zakresu inżynierii neurokognitywnej rehabilitacji badać aktywność mózgu w stanach zaburzeń, takich jak autyzm.