Estudando a função cerebral em crianças usando magnetoencefalografia

Summary

Este artigo apresenta um protocolo de investigação de crianças destinado a melhorar a qualidade dos dados, reduzindo o movimento da cabeça durante pediátrica magnetoencefalografia (MEG). Temos famílias de familiarizar com o ambiente de MEG, treinar crianças permanecem ainda usando um simulador de MEG, e corrigir para artefatos de movimento residual da cabeça usando um sistema de detecção de movimento da cabeça em tempo real.

Abstract

Magnetoencefalografia (MEG) é uma técnica de neuroimagem não-invasivo que mede diretamente a campos magnéticos produzidos pela atividade elétrica do cérebro humano. MEG é tranquila e menos provável de induzir claustrofobia em comparação com a ressonância magnética (MRI). É, portanto, uma ferramenta promissora para investigar a função cerebral em crianças pequenas. No entanto, análise de dados de MEG de populações pediátricas é muitas vezes complicada por artefatos de movimento da cabeça que surgem como consequência a exigência de uma matriz de sensor espacialmente fixo que não é aposta para a cabeça da criança. Minimizar os movimentos da cabeça durante sessões de MEG pode ser particularmente desafiador, pois as crianças são muitas vezes incapazes de permanecer ainda durante tarefas experimentais. O protocolo aqui apresentada visa reduzir artefatos de movimento da cabeça durante a MEG pediátrica de digitalização. Antes de visitar o laboratório de MEG, famílias são dotadas de recursos que explicam o sistema MEG e os procedimentos experimentais em linguagem simples, acessível. Uma sessão de familiarização de MEG é conduzida durante o qual as crianças estão familiarizadas com ambos os pesquisadores e os procedimentos de MEG. Então, eles são treinados para manter sua cabeça ainda enquanto deitado dentro de um simulador de MEG. Para ajudar as crianças se sintam à vontade no ambiente de MEG romance, todos os procedimentos são explicados através da narrativa de uma missão espacial. Para minimizar o movimento da cabeça devido à inquietação, crianças são treinadas e avaliados usando paradigmas experimentais divertidas e envolvente. Além disso, artefatos de movimento residual da cabeça da criança são compensados durante a sessão de aquisição de dados usando um movimento de cabeça em tempo real, sistema de rastreamento. Implementar estes procedimentos amigáveis é importante para melhorar a qualidade dos dados, minimizando taxas de atrito participantes em estudos longitudinais e garantindo que as famílias tenham uma experiência de pesquisa positivo.

Introduction

Magnetoencefalografia (MEG) é uma técnica de neuroimagem funcional não-invasivo que mede campos magnéticos produzidos pela atividade elétrica do cérebro humano^1,2. MEG oferece excelente resolução temporal e resolução espacial superior em comparação com Eletroencefalografia (EEG), devido à falta de sinal, mancha os tecidos biológicos entre as fontes do cérebro e os sensores. Além disso, a MEG não implica a exposição a ruídos, radiação ou campos magnéticos. Tempo de instalação é rápido e os participantes podem ser acompanhados por um pai ou cuidador durante todo o teste. Tomados em conjunto, estas características tornam a MEG uma ferramenta promissora para investigar o desenvolvimento da atividade cerebral típicos e atípicos em crianças jovens².

Para medir respostas do cérebro usando o MEG, participantes da pesquisa devem inserir suas cabeças para um capacete habitação uma matriz fixa de sensores supercondutores. É fundamental que os participantes mantém suas cabeças ainda em toda a MEG de gravação, como mudanças na posição de cabeça em relação as sensores ambos degradam a distribuição do sinal de neuromagnetic e impedem a estimativa fonte exata. Estimativa fonte imprecisos, inevitavelmente, leva a inferências estatísticas imprecisas em poder da fonte, conectividade funcional e de análises de rede³.

Minimizar o movimento da cabeça pode ser particularmente desafiador durante avaliação pediátrica de MEG para um número de razões. Primeiro, avaliar as crianças em um sistema de MEG adulto é problemático, pois cabeças infantis são muito menores do que os dos adultos, e o espaço aumentado entre o capacete e o couro cabeludo da criança permite o movimento da cabeça irrestrito. Em segundo lugar, o ambiente de MEG a novela — uma máquina grande trancado dentro de uma sala sem janelas magneticamente blindada — pode ser intimidante para as crianças, e movimento da cabeça pode ser uma consequência da ansiedade. Em terceiro lugar, sem formação, crianças podem não totalmente compreender ou cumprir com a obrigação de manter-se ainda para a duração do experimento. Finalmente, as crianças que têm uma capacidade limitada de tolerar o tédio podem achar que alguns experimentos de MEG demorem muito ou são entediantes, resultando em artefatos de movimento de agitação e cabeça.

Para enfrentar o desafio de longa data de movimento da cabeça em investigação pediátrica de MEG, este artigo apresenta hardware recente e avanços metodológicos que são implementados no protocolo MEG crianças usado no cérebro KIT-Macquarie Research Laboratory ( Macquarie University, Sydney, Austrália). Conforme descrito em um artigo anterior deste laboratório⁴, os problemas inerentes à utilização de um capacete de tamanho adulto folgadas dewar foram abordadas através da instalação de um primeiro mundo, sistema de MEG pediátrico toda a cabeça com um capacete sob medido dewar para melhor ajuste as cabeças das crianças entre aproximadamente três a seis anos de idade. Esta adaptação de hardware melhora a relação sinal-ruído, como os sensores são fisicamente mais perto, em média, para couro cabeludo^{5,6 a criança}. Mais recentemente, o laboratório de pesquisa do cérebro de KIT-Macquarie desenvolveu vários procedimentos novos e inovadores para superar os antecedentes acima do movimento da cabeça e, consequentemente, melhorar a qualidade dos dados.

Todos os procedimentos no presente protocolo são explicados através de uma narrativa em que o participante de criança se engaja ativamente em uma missão no espaço"astronauta". Esta narrativa garante que a experiência de investigação da criança MEG é não só menos intimidante, mas também excitante. Implementar estes procedimentos em um protocolo de MEG para crianças é importante para melhorar a qualidade dos dados, minimizando taxas de atrito participantes em estudos longitudinais e assegurar que as famílias tenham uma experiência positiva em sua participação de pesquisa.

Protocol

Este protocolo de pesquisa foi aprovado pelo Comitê de ética de pesquisa de Universidade Macquarie.

1. MEG familiarização recursos

1. Prover as famílias com recursos para aprender sobre MEG antes de visitar o laboratório de MEG, como um artigo científico para crianças⁷ explicando a MEG e o MSR, um story-board, detalhando as etapas envolvidas na realização do experimento de MEG (por exemplo, Complementar Figura 1 e uma folha de informações de MEG para os pais ou cuidadores (por exemplo, complementar a Figura 2).

2. MEG sessão de familiarização

Nota: A sessão de familiarização normalmente é executado por 30 min, incluindo uma introdução para o MSR (5 minutos), uma digitalização de prática (5 min) e treinamento de simulador de MEG, incluindo prática na tarefa experimental (20 min). Realizar a sessão de familiarização entre um a sete dias antes da aquisição de dados.

1. Introdução de MSR
   1. Leve a criança em uma turnê do MSR ("espaçonave") que está decorado com arte da parede relacionadas com o espaço para reforçar o tema da missão espacial.
   2. Pedir a criança para a prática de mentir de volta com sua cabeça no capacete dewar.
   3. Dizer que a criança mentir mais imóvel possível para que a nave permanece em curso e pode chegar ao seu destino final.
2. Digitalização:
   1. Sentar a criança em uma cadeira alta e encaixá-los com uma touca de natação poliéster ("capacete de astronauta") contendo cinco bobinas de marcador. Adapte as tampas soltas dobrando dos lados. Nota: As bobinas de enviar dados para uma unidade de monitoramento de movimento contínuo.
   2. Coloque um transmissor e 3 receptores em volta do pescoço da criança.
   3. Pergunte a criança a demonstrar sua melhor pose 'estátua' e oferecer reforço positivo frequente quando ficam ainda.
      Nota: Isso serve para minimizar o movimento da cabeça durante a digitalização que possam comprometer a precisão do registo co subsequente com a MEG sensores⁸.
   4. Use um digitalizador de caneta (consulte a Tabela de materiais) para gravar a posição de três pontos fiduciais (o nasion e pontos à esquerda e direita pré-auricular) e as bobinas de cinco marcador, bem como a forma da superfície da cabeça. Nota: Este dados são usados para depois determinar a posição da cabeça da criança em relação as sensores de MEG.
   5. Retire a tampa, transmissor e 3 receptores o pescoço da criança.
3. Simulador de MEG:
   1. Leve a criança para a sala o simulador de MEG de habitação (ver Tabela de materiais e as etapas 9 e 10 em complementar a Figura 1), uma réplica em tamanho natural de um sistema de MEG. O simulador de MEG está decorado com adesivos com temática espacial e está equipado com um mock capacete dewar, uma cama, uma caixa de botão e, para exposições visuais, uma tela situado acima do dewar simulado
   2. Descreva brevemente a MEG digitalização procedimentos (ou seja, ainda mentindo e participando na tarefa prática experimental) através da narrativa de uma missão espacial de prática.
   3. Tamanho da criança com um capacete de astronauta' ' — uma touca do poliéster, que tem um detector de movimento anexado à frente (ver Tabela de materiais).
   4. Convide a criança a mentir no simulador e assista a um vídeo de sua escolha. Se a criança parece nervosa, primeiro demonstra os procedimentos experimentais com um brinquedo.
      Nota: Sempre que o movimento da cabeça da criança excede um limite pré-determinado (por exemplo, 5 mm), o sistema de rastreamento de movimento (ver Tabela de materiais) automaticamente pausar o vídeo e esperar que o experimentador reiniciar o vídeo e restaurar manualmente o linha de base do movimento.
   5. Quando a criança for concluída esta parte do treinamento simulador, fornece a criança com treinamento na tarefa experimental usando um conjunto separado de estímulos exclusivos.
   6. No final da formação tarefa, oferece a criança um certificado de treinamento de astronauta.

3. sessão de aquisição de dados MEG

Nota: A sessão de aquisição de dados normalmente é executado por cerca de 30 min, incluindo digitalização (5 min), configurando o participante dentro do MSR (5 min) e aquisição de dados (aproximadamente 20 min, dependendo do comprimento do paradigma experimental).

1. Procedimentos preliminares
   1. Realizar um quarto vazio de 30 a 60 s gravação aproximadamente 15 min antes que a criança chegue para identificar qualquer ruído externo significativo que é detectado pela MEG sistema⁸.
   2. Quando a criança chega, confirme que não estão usando qualquer material magnético em suas roupas ou carregando alguma em seu corpo, como materiais magnéticos podem distorcer o sinal de MEG (ver Figura 1B para obter um exemplo de sinal ruído devido ao metal sobre o participante).
      Nota: Se o pai ou cuidador deseja acompanhar sua criança dentro do MSR, a remoção de materiais magnéticos também se aplica a eles.
2. Digitalização
   1. Verifique se a criança precisa ir ao banheiro antes de iniciar a digitalização, como uma vez que a etapa de digitalização é concluída, a tampa não pode ser removida até que tenha terminado a sessão de aquisição do MEG.
   2. Repita o procedimento de digitalização descrito na seção "Sessão de familiarização de MEG" acima.
      Nota: Se a tampa se move mais do que 5 mm ao longo do experimento, realizar uma digitalização segunda no final do experimento
3. Set-up MSR
   1. Leve a criança para o MSR ("a nave").
      Nota: Dois pesquisadores são necessários para este procedimento — uma para acompanhar a criança dentro o MSR como o pesquisador"assistente" (junto com o pai ou cuidador, se desejado) e outra para executar a aquisição de dados de MEG, fora o MSR como o "pesquisador principal". A afinação MSR normalmente demora 5 min.
   2. Configurar equipamento dentro do MSR (pesquisador assistente)
      1. Pedir à criança para colocar sua cabeça no capacete dewar.
      2. Verificar que a cabeça da criança é centralmente alinhada tal que a coroa da cabeça é tão próxima quanto possível na parte de trás do capacete dewar sem tocar.
      3. Certifique-se de que a criança está confortável, relaxado e permanece o mais imóvel possível durante a gravação de MEG.
      4. Durante a instalação, manter a criança entretida pela reprodução de um vídeo de sua escolha em uma tela acima o dewar.
   3. Configurar equipamento fora do MSR (pesquisador principal)
      1. Realizar uma medição de bobina pre-experiment/linha de base marcador para gravar a posição de cabeça inicial em relação a capacete dewar.
      2. Realizar um registo co entre a cabeça da criança e a matriz de sensor usando a medição de bobina de marcador inicial e os dados de forma da cabeça de digitalização.
         Nota: Estas medidas preparatórias permitem inspeção visual da posição de cabeça dentro do dewar para garantir que a cabeça da criança está correctamente posicionada. Se essas condições não forem atendidas, re-posicionar a criança e realizar outra inscrição co antes de iniciar a aquisição de dados.
4. Aquisição de dados
   1. Uma vez satisfeito com a posição de cabeça em relação a capacete dewar, começar a MEG a gravação e a tarefa experimental.
   2. Registro em curso os movimentos da cabeça com um sistema de software de MEG pediátrico chamado movimento de cabeça em tempo real (ReTHM)⁹.
5. Terminando o experimento
   1. Terminada a tarefa experimental, desligue ReTHM e acabar com a MEG de gravação. Realizar uma medição de bobina de pós-experiência marcador para medir a posição de cabeça final em relação a capacete dewar.
      Nota: Esta medida fornece uma simples inspeção visual dos movimentos da cabeça em geral durante o experimento.
   2. Oferecer a criança um saco de presente ("kit de astronauta") para a sua participação e remunerar a família para seu tempo e os custos de viagens.

Results

Sinais comuns de magnetoencefalografia
Comum MEG sinais que são exibidos na Figura 1, incluindo um sinal normal de MEG (Figura 1A), assim como o ruído de sinal MEG devido ao metal sobre o participante (Figura 1B), caso em que os sensores de desbloqueio, abra a porta MSR e perguntar ao participante para remover qualquer metal de seu corpo, em seguida, tomar o objeto de metal fora o MSR e executar um auto-tune antes de repetir os procedimentos descritos na seção 3.5; interferência de um dispositivo eletrônico (Figura 1C, maioria das vezes de um telefone celular), em que caso sua vez desligar todos os dispositivos eletrônicos ou movê-los longe do MSR; uma mandíbula cerrada (Figura 1D), caso em que lembrar o participante a relaxar seu queixo para a duração da gravação; a MEG ondas alfa (Figura 1,E; estes são definidos por oito a 12 ondas contínuas em um intervalo de 1 s), caso em que verifique que o participante não está dormindo (que é bom para continuar se estiverem acordados); e fluxo magnético preso (Figura 1F); Nesse caso, desbloquear os sensores e ligue sobre os aquecedores de bobina por 5 min. Se o fluxo persiste após uma subsequente auto-ajuste, marca canal afetado para remoção de análise de dados subsequentes.

Movimento da cabeça durante a aquisição de dados
Dados de MEG pediátricos antes e após a correção de ReTHM são exibidos na Figura 2. Os dados foram coletados de um menino de três anos que ouvia passivamente tons auditivos para 15 min. dados foi propalada de¹⁰, band-pass filtrado¹¹ (1-15 Hz), correção de linha de base e em média. Formas de onda magnéticas root-mean-square (RMS) (na coluna à direita) foram calculadas a partir de todos os sensores. Em média os movimentos da cabeça no scanner foram 44,3 mm. Como demonstrado, ReTHM compensada por artefatos relacionados com movimento, resultando em mais mapas de contorno isofield focal (no pico da onda RMS; (A), menos distorcidas RMS magnéticas formas de onda (B) e reconstrução de fonte mais significativa (C) nos lóbulos auditivas bilaterais.

Figura 1 : Exemplos de comum MEG sinaliza. (A), um normal MEG sinal. (B-F) Ruído de sinal MEG devido de metal (B) o participante (especificamente, o ruído causado por uma fivela de metal pequena em uma cinta de singlete), (C) interferência de um dispositivo eletrônico, mandíbula (D) um cerrado, as ondas alfa (E) e (F) preso fluxo magnético. Painéis de C, E e F, a escala de tempo no eixo x é em intervalos de 10 segundos, e amplitude escala no eixo y é 32768 A/d. , por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2 . Dados de MEG pediátricos antes e após a correção do movimento de cabeça em tempo real (ReTHM). Os dados foram coletados de um menino de três anos que ouvia passivamente tons auditivos para os movimentos da cabeça 15 min. média em scanner foram 44,3 mm. (A) mais focado isofield mapas de contorno no auge da forma de onda a raiz média quadrática (RMS); (B) menos distorcidas ondas magnéticas de RMS e (C) reconstrução de fonte mais significativa dos lóbulos auditiva bilateral são revelados após a correção de ReTHM. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Complementar a Figura 1: uma história da placa delineando 10 passos simples para completar a "treino de astronauta" (ou seja, a experiência de MEG). Este é enviado para as famílias antes de visitar o laboratório de MEG para orientar as expectativas das crianças para a sessão de aquisição, bem como para construir excitação na expectativa de que o "treinamento de astronauta". No dia de aquisição de dados, as crianças seguem a história no decorrer do experimento e colecionam selos depois de concluir cada etapa. Fotografias reproduzidas com informaram consentimento escrito dos pais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Complementar Figura 2: Uma folha de informações de MEG para os pais ou cuidadores explicando a MEG, o MSR, o que esperar no dia de aquisição de dados e o que vestir. Fotografia reproduzida com informado consentimento escrito dos pais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Nos últimos anos, MEG foi estabelecida como uma técnica de neuroimagem não-invasiva valiosa para investigar os mecanismos neurais subjacentes cérebro desenvolvimento¹. Contudo, os movimentos da cabeça no scanner constituem uma barreira notória para obtenção de boa qualidade dados de MEG, particularmente ao avaliar populações pediátricas. Para superar este problema, este artigo apresentou um protocolo de investigação pediátrico MEG que se baseia nos procedimentos descritos em trabalho anterior do cérebro KIT-Macquarie Research Laboratory ⁴.

Os procedimentos críticos incluem (1) fornecendo crianças com MEG recursos de familiarização do qual eles podem aprender sobre o experimento de MEG antes de visitar o laboratório, que incluem uma pesquisa crianças artigo⁷ explicando o sistema de MEG e o blindagem magnética (MSR), de sala de um story-board delineando 10 passos simples para completar a experiência de MEG (complementar a Figura 1) e uma folha de informações de MEG para pais e cuidadores (complementar a Figura 2); (2) precedendo a sessão de aquisição de MEG com uma sessão de familiarização, onde as crianças estão familiarizadas com os procedimentos de MEG e são treinadas para manter suas cabeças ainda enquanto deitado dentro de um simulador de MEG; (3) usando paradigmas experimentais passivas ou "gamified" para minimizar o movimento da cabeça devido ao tédio e inquietação; e (4) acompanhamento contínuo os movimentos da cabeça durante a aquisição de dados on-line usando um sistema de movimento de cabeça em tempo real (ReTHM)⁹. Dados obtidos de ReTHM podem ser usados para realizar a correção off-line de artefatos de movimento da cabeça quando pre-processamento dos dados de MEG.

A aquisição de dados de alta qualidade MEG depende criticamente a criança se sentindo à vontade no novo ambiente de MEG. Para fomentar este sentido de facilidade, os investigadores são incentivados a dedicar tempo para familiarizar as crianças e suas famílias com o ambiente de MEG e procedimentos antes de iniciar a aquisição de dados. Isto pode ser conseguido através do oferecimento de crianças e seus pais recursos MEG que explicam os procedimentos de MEG, em linguagem simples, acessível. Além disso, as famílias podem ser convidadas a visitar o laboratório de MEG antes da sessão de aquisição de dados para atender os pesquisadores e praticar os procedimentos de teste de MEG. Através do treinamento no simulador de MEG, as crianças aprendem implicitamente a importância de manter suas cabeças ainda enquanto deitado a MEG. Enquanto a familiarização de MEG requer tanto os pesquisadores e as famílias para se dedicar mais tempo para o processo de coleta de dados, as vantagens da melhoria da qualidade de dados de MEG, bem como minimizando o tempo e o custo da realização de dados subsequentes de MEG sessões de aquisição, sem dúvida compensa essa desvantagem. Além disso, desempenho e conformidade durante a sessão de familiarização podem ser usados para indicar se a criança é ou não é adequada para o convidou para uma sessão de aquisição de dados real do MEG.

Para minimizar o movimento da cabeça em scanner devido à agitação, é preferível usar um paradigma experimental passivo que não requer instruções, atenção evidente ou participação ativa. Por exemplo, uma resposta evocada confiável pode ser obtida com um excêntrico auditivos paradigma¹², segundo o qual o participante ouve passivamente uma sequência de tons auditivos enquanto entretidos por um vídeo em silêncio. Para estudos que exigem uma resposta evidente, o pesquisador deve procurar incorporar a tarefa experimental em uma envolvente paradigma do estilo de jogo¹¹. Isto melhora a cooperação e minimiza a inquietação durante a tarefa. Em experiências visuais, o uso de um olho-tracker compatível com MEG implica pouco tempo de instalação adicionais, mas é necessário garantir que as crianças têm fixado na posição do estímulo visual¹³.

Qualquer artefatos de movimento da cabeça residual podem ser corrigidos para o uso de rastreamento de movimento de cabeça em tempo real. Por exemplo, dados obtidos de ReTHM podem ser armazenados no arquivo de gravação de MEG e usados para compensar o movimento da cabeça durante a aquisição de dados de forma que cabeça-de-sensor de localização pode ser restaurada para o nível pré-movimento para permitir uma fonte ideal reconstrução que é essencial para dados de nível de fonte subsequentes analisa¹⁴.

A implementação do presente protocolo visa melhorar a qualidade dos dados de MEG pediátricas, minimizar taxas de atrito participantes em estudos longitudinais e garantir que as famílias tenham uma agradável experiência de participação de pesquisa de MEG, com o objectivo geral de melhorar a nossa compreensão do desenvolvimento inicial do cérebro em populações típicos e atípicos.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Conjunto de bobinas de 5 marcadores	Kanazawa Institute of Technology (KIT) e Yokogawa Electric Corporation, Japão	PQ11MKA
Fastrak Digitizer – 3D	Polhemus Cochester, VT, EUA	1A0383-001	Digitalizador de caneta
Magnetoencefalografia (MEG)	Kanazawa Institute of Technology (KIT) e Yokogawa Electric Corporation, Japão	PQ1160C
simulador	MEGFino, NSW, Austrália
Sistema MoTrack Ferramentas	de software psicológico, PA, EUA	MTK-09314-1307	Sistema de rastreamento de movimento
Bonés de poliéster	Velocímetro	N/A	Código do produto: SPE11733.435