Avaliação da lateralização cerebral em crianças usando Funcional ultra-som Doppler transcraniano (fTCD)

Summary

Funcional Doppler transcraniano (fTCD) é uma técnica de ultra-som simples e não invasivo, que pode ser usado para avaliar a lateralização das funções cognitivas, especialmente a linguagem, e é adequado para uso em crianças.

Abstract

Existem muitas perguntas não respondidas sobre a lateralização cerebral. Em particular, não se sabe quais os aspectos da linguagem não-verbal e habilidade são lateralizada, se existem desvantagens associadas com padrões atípicos de lateralização cerebral, e se lateralização cerebral desenvolve com a idade. No passado, os pesquisadores interessados ​​nessas questões tendem a usar a lateralidade como medida proxy para lateralização cerebral, mas isso não é satisfatório porque a lateralidade é apenas um indicador fraco e indireta da lateralidade das funções cognitivas ^1. Outros métodos, como a fMRI, são caros para estudos de grande escala, e nem sempre possível com crianças de ^2.

Aqui vamos descrever o uso de funcionais de ultra-som Doppler transcraniano (fTCD) como uma relação custo-benefício do método, não invasivo e confiável para avaliar a lateralização cerebral. O procedimento envolve a medição do fluxo sanguíneo na artéria cerebral média através de uma sonda de ultra-som colocado em frente da orelha. Nosso trabalho se baseia no trabalho de Rune Aaslid, que co-apresentou TCD em 1982, e Stefan Knecht, Deppe Michael e seus colegas da Universidade de Münster, que foi pioneiro no uso de medidas simultâneas de esquerda e direita da artéria cerebral média do fluxo de sangue, e criaram um método de correção para a atividade batimento cardíaco. Isto tornou possível para ver um claro aumento do lado esquerdo do fluxo sanguíneo durante a geração da linguagem, com lateralização concordando assim com a obtida através de outros métodos ^3.

A artéria cerebral média tem um território muito vasto vascular (ver Figura 1) eo método não fornece informações úteis sobre a localização dentro de um hemisfério. Nossa experiência sugere que é particularmente sensível às tarefas que envolvem a produção da fala, explícita ou implícita. A tarefa do "padrão ouro" é uma tarefa de geração de palavras (por exemplo, pensar em quantas palavras você pode que começam com 'B' a carta) ^4, mas isso não é adequado para crianças e outras pessoas com habilidades de alfabetização limitada. Em comparação com outros métodos de imagem cerebral, fTCD é relativamente pouco afetado por artefatos movimento de falar, e assim somos capazes de obter um resultado confiável de tarefas que envolvem imagens descrevendo em voz alta ^5,6. Assim, temos desenvolvido uma tarefa criança-friendly que envolve olhar para video-clipes que contam uma história, e depois descrever o que foi visto.

Protocol

1. Usando fTCD para Avaliar Lateralização da linguagem em crianças

1. Sempre que possível, familiarizar a criança com fotos mostrando personagens das histórias de vídeo em uma sessão separada antes de apresentá-los a Doppler sistema.
2. É importante que o processo inclui ensaios suficientes para obter uma medida confiável: idealmente 20 ou mais, embora tenhamos obtido dados úteis com apenas 10-15 ensaios. Cada ensaio envolve um período de relaxamento, para ser usado como uma linha de base, seguida de ativação de linguagem. Velocidade do fluxo sanguíneo durante o período de ativação é comparada com a linha de base. Nós descobrimos que é possível utilizar o período, enquanto a criança passivamente assiste a um clipe de vídeo de 12 segundos como uma linha de base. Isso ajuda a evitar o tédio. A linha de base é seguido por um período de resposta de 10 segundos no qual a criança é solicitada a descrever o que aconteceu. Isso é seguido por um período de descanso 16 segundo.
3. O calendário do processo é importante para detectar mudanças na velocidade do fluxo sanguíneo devido à demanda metabólica, que pode demorar até 7 segundos. Usamos tarefas informatizado, escrito em Apresentação ou Matlab, que controlam o tempo de cada julgamento. Criticamente, esses programas também enviar pulsos para o hardware que registra um marcador no ficheiro de dados Doppler para indicar o início do período de ativação. Estes são usados ​​na análise dos dados para determinar os períodos de base e do fluxo sanguíneo ativação.
4. Nós usamos um sistema Multi-dop que permita a gravação de ultra-som a partir de lados esquerdo e direito simultaneamente. É melhor ter o sistema Multi-dop configurado e pronto para ir antes que o participante chegue. Certifique-se que as sondas são conectadas ao sistema de Multi-dop antes de ligar. Verifique se o computador está conectado estímulo, via porta paralela, para o computador Multi-dop e os pulsos de um são vistos por outro. Garantir o filtro highpass está definido para 300 Hz para ambos os lados e verificar a profundidade de insonação (45-55 mm) ea potência do sinal. O sistema tem limites definidos nos parâmetros diferentes para garantir que apenas os níveis de segurança podem ser usados.
5. Um código de participante deverá ser registrada nos arquivos Multi-dop dados em ordem para a condição, grupo ou dados demográficos correspondentes.
6. O sistema deve então ser interrompida enquanto se preparam as sondas. Cada sonda ultra-som é coberto com gel que proporciona um contato entre a sonda ea pele. Use uma quantidade generosa de gel para manter o melhor contato possível.
7. Agora é hora de começar a sessão. Verificar se a criança precisa ir ao banheiro antes de começar! Nós demonstramos o fone de ouvido com animais de brinquedo, e certifique-se que a criança compreenda o que vai acontecer eo que vai ser convidado a fazer. É particularmente importante que eles compreendam a necessidade de manter a calma após o período de ativação, para que o sinal pode voltar à linha de base. As crianças devem estar sentados confortavelmente como uma tarefa completa pode durar entre 20 e 30 minutos e um monte de movimentos do corpo bruto pode interferir com o sinal Doppler.
8. A parte mais difícil do processo é o posicionamento das sondas de gel-coberto. Novos usuários devem estar cientes de que é preciso prática para se tornar expert nessa parte do processo. Há uma simulação de computador útil por Rune Aaslid que podem ajudar com treinamento
   ( http://www.transcranial.com/ ), mas a melhor maneira de aprender é praticando a amigos e colegas. Depois de ter avaliado cerca de 10 pessoas, você vai começar a achar muito mais fácil. Uma coisa boa sobre como trabalhar com crianças é que geralmente é mais fácil encontrar um sinal de uma criança do que um adulto, porque eles têm crânios mais fino.
9. Cada sonda é colocada na janela temporal do crânio de cada lado da cabeça. Este é o mais fino seção de osso na cabeça e oferece a melhor área através da qual um sinal pode ser obtido a partir das artérias cerebral média. Estas janelas podem ser encontrados apenas à frente de cada orelha. Ao trabalhar com crianças, pode ajudar a reduzir o tempo de set-up se você tiver dois experimentadores, um ajuste de cada sonda. A maioria das crianças são felizes para assistir a um DVD durante esta parte do procedimento, mas é importante para monitorar o comportamento da criança e garantir que eles são confortáveis ​​e relaxados. Encerrar a sessão, se a criança solicitar este ou se houver qualquer sinal de perigo.
10. A posição das sondas é então ajustado para insonate da artéria cerebral média. Pode demorar alguns minutos antes de um sinal satisfatória seja encontrada. Este sinal tem um som característico, bem como padrão visual que deve ser monitorado a partir do computador Multi-dop.
11. O som característico é um barulho whooshing baixa da taxa de bater o participante coração. O padrão característico visual é um aumento acentuado seguido por uma queda de decaimento exponencial off que também se repete na taxa do batimento cardíaco. Você pode escolher a atividade a partir de outros vasos sangüíneos, dependendo a profundidade de insonação e direção da sonda. A profundidade de aproximadamente 45 a 50 mm geralmente funciona bem em crianças. Uma vez que um sinal forte foi encontrado, reduzir o poder, tanto quanto possível, mantendo um bom sinal. O ganho também pode ser aumentada para amplificar um sinal fraco.
12. Uma vez que os sinais para cada artéria cerebral média são satisfatórios, a saída do sinal auditivo Multi-dop deve ser virado para baixo, eo processo pode começar. O experimentador explica para a criança que eles vão assistir a um clipe de vídeo em silêncio. Quando eles vêem o ponto de interrogação aparecer no computador que eles precisam para dizer o experimentador tanto quanto pode sobre o que aconteceu no vídeo. Quando eles vêem a imagem do menino vai "shhh" eles têm que parar de falar de imediato e sentar-se calmamente para esperar o próximo vídeo para começar (veja Figura 2 e. Exemplos avi).
13. Dispositivos de gravação são então iniciados, ou seja, um gravador de voz para respostas auditivas; junto com a gravação do sistema Multi-dop, eo computador que controla a apresentação do estímulo.
14. Trabalho do pesquisador é, então, para monitorar a criança e sinal Doppler para a) certifique-se que a criança é confortável e assistir à tarefa e b) garantir que um sinal adequado é mantido. O sinal Doppler é muito menos sensível ao movimento do que um sinal de fMRI, mas ele ainda pode ser interrompido por movimentos do corpo bruto, ou se os movimentos da sonda. Se o sinal torna-se significativamente perturbados, o computador do monitor devem ser pausadas e as sondas de redefinir de forma adequada. Às vezes pode ser necessário aplicar mais gel a fim de obter re-estabelecer um sinal satisfatório. Nós encontramos que os testes de crianças funciona melhor se for um experimentador é responsável por manter a criança na tarefa e gravar o que eles dizem, e os outros monitores do sinal Doppler.
15. Quando o procedimento experimental for concluída, a gravação Multi-dop pode ser interrompido e as sondas removido. É útil ter alguns tecidos disponíveis para remover qualquer excesso de gel.
16. Os arquivos de dados brutos são processados, a fim de comparar os sinais esquerdo e direito Doppler. Nós desenvolvemos nosso software Matlab própria com base nos métodos desenvolvidos por Deppe ^7. Este processamento envolve down-amostragem dos dados e correção de flutuações devido à batida do coração. Ensaios individuais são excluídos da análise, se a ativação esquerda ou direita está fora de um intervalo especificado, normalmente 70-130% dos valores basais velocidade do fluxo sangüíneo. A ativação nestes ensaios é susceptível de ser afectada pelo contato da sonda problemática. A Figura 3 mostra a ativação em relação à sonda de sinais para um bom sinal, enquanto a Figura 4, mostra um caso onde o sinal é periodicamente perdida.
17. Em relação aos valores basais velocidade do fluxo sangüíneo, a ativação do canal direito é subtraído da esquerda, a fim de calcular a diferença de activação (ver Figura 5). O índice de lateralização é calculada como a média da ativação diferença para um lado ou segundo da diferença máxima dentro de um prazo pré-definido de interesse. Este período de juros é de 7 a 17 segundo após o início do "falar" de comando, indicado pelo marcador enviados do computador para exibir o arquivo de dados Multi-dop. Como a ativação diferença é os canais esquerdo menos certo, os índices de lateralização positivos refletem lateralização esquerda e negativos refletem direita.

2. Resultados representante

Figura 1:. Superfície externa do hemisfério cerebral, mostrando as áreas supridas por artérias cerebral Pink é fornecido pela região da artéria cerebral média. (A partir de: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png )

Figura 2:. Esboço esquemático do teste experimental com 12 vídeo segunda linha de base, 10 intervalo de segunda resposta, e 16 segunda fase de repouso Período de interesse para o cálculo de lateralidade também é retratada.

Figura 3. Gravação de dados limpo de velocidade Doppler-primas (cm / seg) para a esquerda (azul) e direito canais (vermelho) Doppler 130-150 segundos durante uma única sessão experimental. Cada pulso visível corresponde a uma batida de coração. Evento marca início do estímulo, indicando exibido em verde.

Figura 4. Interrompido a gravação de dados de velocidade de Doppler-primas (cm / seg) para a esquerda (azul) e direito canais (vermelho) Doppler 400-450 segundos durante uma única sessão experimental. Marcador de evento indicando início do estímulo exibido em verde. Evidência significativa de abandono é visível para ambos os canais.

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Figura 5. Esquerda (azul) e direito (vermelho) do canal (Painel A) e diferença de menos à esquerda à direita (Painel B) Doppler Velocity (cm / seg) em média em todos os ensaios aceitável para um grupo de participantes. Os participantes foram cued para "Talk" em 12 segundos eo período de interesse para o cálculo lateralidade também é retratado em verde. As barras de erro cinza em torno da velocidade de diferença no Painel B representam o erro padrão da média.

Avi exemplos: as seqüências de vídeo para contar a história "Freezefoot" pode ser baixado em: http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm

Discussion

Bem como estudar o desenvolvimento normal, temos vindo a utilizar fTCD para estudar lateralização de linguagem em adultos e crianças com transtornos do desenvolvimento da linguagem e alfabetização ^{8, 9.} Nós também estamos interessados ​​no desenvolvimento de métodos de usar fTCD para avaliação da lateralização da visuo-espacial habilidades ^{10, 11.}

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Multi-Dop T com Atualização para Monitoramento MultiFlow de 2 Canais	Compumedics	5610 EN	em breve será substituído pela versão digital
Headset	Spencer Technologies, 701– 16ª Avenida, Seattle, WA 98122