Измерение Neuromagnetic функции мозга в Дети дошкольного возраста с настраиваемыми Sized MEG

Здравствуйте, я Стивен Крейн, содиректор Лаборатории исследований мозга KIT Macquarie. Лаборатория является частью Центра когнитивистики Университета Маккуори в Сиднее, Австралия.

Здравствуйте, я Илла Дессан, я работаю в Центре когнитивных наук Университета Маккуори. Здравствуйте, я Мелани Рид, я также работаю в Центре когнитивных наук Университета Маккуори. В Университете Маккуори мы используем магнитоэнцефалографию (МЭГ) для изучения механизмов работы мозга, лежащих в основе быстрого усвоения языка детьми в возрасте от двух до шести лет.

МЭГ измеряет магнитные поля, создаваемые корой головного мозга. С помощью МЭГ мы можем наблюдать, какие области мозга активны во время обработки языка и как эти различные области взаимодействуют друг с другом. При работе с маленькими детьми с использованием любой системы визуализации мозга возникают две основные сложности.

Во-первых, типичная лабораторная среда не адаптирована для детей. Во-вторых, для участия в МЭГ-исследовании дети должны следовать инструкции по минимизации движений, а также концентрироваться на задании в течение длительного времени. Поэтому для нас было важно разработать протокол, который позволил бы использовать МЭГ и при этом был бы интересным для детей.

Тем не менее, преимущества МЭГ значительно перевешивают сложности. МЭГ является ценным инструментом для измерения функций мозга у детей благодаря чрезвычайно высокому временному разрешению и хорошему пространственному разрешению, а поскольку метод полностью неинвазивен, он не представляет никакого мыслимого риска для нейронных тканей ребенка. В отличие от МЭГ, другие методы нейровизуализации используют сильные магнитные поля и радиофармпрепараты, которые могут представлять риск для детей младшего возраста.

Одной из ключевых особенностей нашей системы МЭГ для детей является то, что она была специально разработана для использования с маленькими детьми. Система индивидуального размера была создана в сотрудничестве с Технологическим институтом Канава и корпорацией Yokogawa Electric. В следующем видео мы объясним, почему возникла необходимость в разработке специализированной системы МЭГ для детей, и продемонстрируем процесс подготовки детей к исследованию в системе МЭГ.

Присоединяйтесь к нам в ближайшие несколько минут, и мы проведем для вас экскурсию по лаборатории. Мы расскажем о мерах, которые мы предприняли, чтобы детям было интересно участвовать в наших исследованиях. В лаборатории установлены две системы МЭГ, размещенные в одном помещении с магнитной защитой.

Система для взрослых состоит из 160 датчиков, равномерно распределенных внутри шлема МЭГ, который обеспечивает охват всей головы. Система МЭГ для детей имеет аналогичную конфигурацию, но оснащена 64 датчиками, что делает шлем меньше и идеально подходящим для детей дошкольного и младенческого возраста. Магнитоэнцефалография или МЭГ-визуализация представляет собой метод нейровизуализации, который напрямую измеряет нейронную активность.

МЭГ позволяет обнаруживать и усиливать слабые магнитные поля, создаваемые тысячами активных нейронов в коре головного мозга. Регистрация этих слабых магнитных полей легко осуществляется с помощью специальных датчиков, известных как СКВИДы (SQUIDs) или сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики. Для работы систем МЭГ требуются сверхпроводниковые технологии.

Датчики требуют охлаждения жидким гелием до минус 270 °C. В следующей последовательности показан процесс дозаправки систем жидким гелием, которую необходимо проводить еженедельно. Расходы на жидкий гелий составляют основную часть эксплуатационных затрат системы МЭГ.

Магнитные поля мозга чрезвычайно малы по сравнению с магнитными полями, создаваемыми всем оборудованием в современной лаборатории. Это означает, что системы МЭГ должны размещаться в магнитно-экранированной комнате. Экранированная комната в нашей лаборатории состоит из трех слоев перло и одного слоя меди.

Вес комнаты составляет около 8.5 тонн, поэтому пол лаборатории пришлось специально укрепить, чтобы он мог выдержать такую нагрузку. Стоимость магнитно-экранированной комнаты составляет от одной трети до половины капитальных затрат на систему МЭГ. В боковых стенках комнаты имеется ряд портов, которые позволяют проецировать внутрь визуальные стимулы и управлять другим оборудованием с помощью оптоволоконных кабелей.

МЭГ измеряет магнитные поля, создаваемые активными клетками головного мозга. Смежный метод, электроэнцефалография, измеряет электрический компонент этих полей. ЭЭГ представляет собой гораздо более простую и менее дорогостоящую технологию, но она не обладает способностью МЭГ локализовать активность в мозге.

При проведении исследований с участием детей старшего возраста и взрослых мы часто регистрируем ЭЭГ и МЭГ одновременно. Однако в случае с дошкольниками это обычно оказывается непрактичным из-за значительного времени, требуемого для подготовки ЭЭГ. Поскольку в МЭГ используются датчики, погруженные в жидкий гелий, они закреплены в фиксированных позициях внутри вакуумного изолирующего шлема.

Шлем стандартной системы МЭГ для взрослых рассчитан примерно на 95% взрослых голов. Это означает, что головы самого большого и самого маленького размеров не очень хорошо помещаются в шлеме для взрослых. Это представляет особую проблему для детей дошкольного возраста, так как радиус их головы может быть на два-три сантиметра меньше, чем у взрослых.

Поскольку сигналы МЭГ очень быстро затухают с увеличением расстояния, многие датчики в шлеме для взрослых будут неэффективны при измерении сигналов мозга детей. Другая проблема заключается в том, что дети с большей вероятностью будут двигать головой в больших шлемах во время сеансов измерения.

Это приводит к деградации сигналов МЭГ. В данном клипе показаны датчики МЭГ в системе для взрослых. По отношению к голове ребенка видно, что многие датчики находятся довольно далеко от поверхности головы.

Именно поэтому ценно создать шлем для МЭГ, размер которого подобран индивидуально под головы детей дошкольного возраста. В этом клипе видно, что датчики нашей детской системы МЭГ расположены очень близко к поверхности головы. Перед началом эксперимента необходимо выполнить несколько подготовительных этапов.

Внутри MSR мы проверяем, нет ли на ребенке предметов из ферромагнитного материала. У тебя есть что-нибудь в карманах? Нет. И у второго тоже ничего нет.

Мы надеваем на ребенка шлем, содержащий пять калибровочных катушек. Затем мы оцифровываем форму головы ребенка или, как мы это называем, создаем рисунок их головы. После этого мы усаживаем ребенка в МРТ-сканер или «космический корабль», подготавливая его к игре, пока мы готовим таймер.

Внутри MSR на экране сверху демонстрируется выбранный ими фильм. Как только они удобно улягутся, мы закрываем дверь и начинается сбор данных. Эксперимент обычно длится около 20 минут.

Мы предлагаем ребенку поиграть в игру внутри космического корабля, пока он смотрит фильм без звука. В нашем случае дети внимательно слушают серию предложений и повторяют слово «сыр», как только слышат его. Запах сыра из рюкзака обезьяны.

Хорошая работа. Морковный сыр, отличная работа. Акустические стимулы, такие как речь, подаются в уши ребенка через пластиковые трубки, которые вы видите на груди ребенка. Мы используем пенные наушники детского размера, чтобы зафиксировать трубки внутри ушных раковин.

Во время сбора данных за ребенком ведется непрерывное наблюдение через видеосвязь по замкнутому контуру, а экспериментаторы могут общаться с ребенком с помощью микрофона. Перед началом МЭГ-измерений на шапочку для плавания устанавливают пять маркерных катушек, после чего шапочка надевается на голову ребенка. В ходе МЭГ-измерений эти катушки используются для измерения и мониторинга положения и перемещения головы на протяжении всего процесса сбора данных.

Исследователь и родитель, при желании, постоянно находятся с ребенком в экранированной комнате. Это необходимо для того, чтобы ребенок чувствовал себя комфортно и чтобы минимизировать его движения. По завершении эксперимента дети получают приз в награду за правильное выполнение задания.

Итак, какую наклейку вы бы хотели выбрать? Вот эта — здесь, а та — там. Те из вас, кто знаком с детьми дошкольного возраста, знают, что их первым желанием будет вовсе не лежать неподвижно в магнитно-экранированной комнате.

Мы используем ряд методов, чтобы сделать как обстановку, так и сам процесс комфортными для ребенка. Лаборатория украшена детскими наклейками и мягкими игрушками. Тестирование проводится в течение трех-пяти визитов в лабораторию.

Первая встреча обычно используется для того, чтобы познакомить ребенка с исследователями и средой МЭГ. Ребенок наблюдает за игрушкой — медведем или лягушонком Кермитом. Пройдите вместе с ребенком через все этапы, которые ему предстоит выполнить.

Мы представляем детям общую тему для сеансов тестирования. Система МЭГ — это космический корабль, готовый отправить детей в космическое приключение. У нас есть рабочие тетради, основанные на этой теме, в которых объясняются этапы предстоящего процесса, а затем ребенок обводит их цветным карандашом.

Точно так же, как мы рисуем картину вашей головы. Крайне важно, чтобы дети могли оставаться неподвижными как во время оцифровки, так и во время тестирования. Итак, теперь нам нужно замереть.

Можете ли вы так замереть? Мы передаем это, прося детей показать нам, как они замирают. Молодец.

Довольно неплохо.Замораживание. Важность умения замораживать подтверждается при каждом посещении лаборатории. Также важно обеспечить понимание детьми каждого этапа эксперимента.

Мы объясняем этапы выполнения действий детям на понятном им языке. Например, мы называем колпачок, в котором находятся катушки маркера, шлемом космонавта. Чувствуете себя уже настоящим космонавтом?

Процесс оцифровки мы описываем как рисование портрета их головы. Если ребенок кажется застенчивым или тревожным, мы часто используем кукол, чтобы наглядно объяснить суть эксперимента. Мы также просим детей помочь нам, чтобы они лучше понимали, что именно мы собираемся делать.

Дети обычно с радостью помогают кукле зайти в магнитно-экранированную комнату. Если ребенок все еще не хочет заходить в магнитно-экранированную комнату, мы просто устраиваем перерывы на игры, пока он не почувствует себя более комфортно. Когда дети знакомятся со всеми этапами нашего протокола, мы представляем экспериментальное задание, которое должно быть выполнено внутри MSR.

Мм. Итак, ты помнишь, какое было волшебное слово, которое нужно было повторять? Я его не слышал. Я слышал?

Можете повторить? Да. Сыр. Например, если я скажу что-то вроде: на днях я пошел в парк и увидел кусок сыра. Что вы будете делать?

Как вы видите, проведение исследований по визуализации мозга у детей требует специализированных технологий и процедур, выходящих за рамки тех, что обычно используются в исследованиях со взрослыми. Во-первых, мы разработали МЭГ-шлем индивидуального размера, который предназначен для соответствия параметрам детской головы и ограничения ее движений. Во-вторых, мы сделали лабораторию дружелюбной для детей, используя настенные рисунки и мягкие игрушки.

Мы применяем методы, адаптированные к потребностям и мотивации детей младшего возраста. Наша лаборатория предназначена для измерения когнитивных функций мозга у здоровых детей младшего возраста в состоянии бодрствования. Таким образом, требования здесь несколько отличаются от тех, с которыми можно столкнуться при проведении нейровизуализации в педиатрии.

Появление систем МЭГ для детей является важным достижением для когнитивной нейробиологии. Это позволит получать данные о функциях мозга в возрастном диапазоне, в котором происходит захватывающее и стремительное структурирование функций мозга. В настоящее время об этих процессах развития известно очень мало.

Мы надеемся восполнить этот пробел, изучая функции мозга детей с помощью МЭГ.