Роман Экспериментальные и Аналитический подход к мультимодальным Neural декодирования намерениях Во социального взаимодействия в свободно-Младенцев себя человека

Общая цель данной процедуры — регистрация мозговой активности и кинематических данных младенцев путем интеграции синхронизированной активной электроэнцефалографии кожи головы с высокой плотностью электродов, инерциальных измерительных модулей и видеозаписи. Это достигается путем первоначального размещения ЭЭГ-шлема на голове младенца и обеспечения приемлемых уровней импеданса между каждым электродом и кожей головы. Вторым этапом является закрепление инерциальных измерительных модулей на голове, руках и груди младенца, а также на запястьях экспериментатора.

Затем экспериментатор взаимодействует с младенцем, стараясь вызвать имитационный ответ; заключительным этапом является оцифровка трехмерных пространственных координат электродов ЭЭГ. В конечном счете, сбор данных ЭЭГ и кинематики у свободно двигающихся младенцев позволяет исследовать нейронные основы когнитивного моторного развития и возникновения социального познания. Преимуществом данного метода перед другими подходами к изучению социального познания является возможность регистрировать нейронную активность в действии и в контексте в течение первых двух лет жизни.

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области когнитивной нейробиологии, такие как: какова внутренняя взаимосвязь между изменениями в архитектуре мозга в процессе развития и поведением? Возможности применения данной методики распространяются на терапию нарушений социального познания и расстройств аутистического спектра, поскольку ее можно использовать для изучения этапов развития и обучения посредством имитации, того, как младенцы воспринимают визуальные действия и как они вступают в социальное взаимодействие. Хотя этот метод позволяет глубже понять функционирование системы зеркальных нейронов в мозге человека на ранних этапах развития, его можно применять и к другим когнитивным системам, таким как внимание при обучении, обработка языка и моторное планирование, для изучения их возникновения и развития в человеческом мозге.

Как правило, специалисты, впервые применяющие данный метод, могут столкнуться с трудностями, так как некоторые младенцы могут чувствовать себя некомфортно в новой обстановке, а также при ношении ЭЭГ-шлема. Такие факторы, как сонливость и голод, также могут привести к нетерпению младенца. Начните с того, что сопроводите родителей младенца в экспериментальный зал и кратко объясните цель эксперимента. Запишите возраст младенца в месяцах и его пол.

Подготовьте младенца к электроэнцефалограмме (ЭЭГ), измерив окружность головы в сантиметрах. Оберните измерительную ленту вокруг самой широкой части головы, пропустив её над бровями и вокруг затылочного бугра в задней части головы. Затем измерьте расстояние от nasion до inion по срединной сагиттальной плоскости поверхности кожи головы.

Разместите электроды на ЭЭГ-шапочке в соответствии с международной системой «10-20». Затем наденьте шапочку на голову младенца. Совместите электрод CZ с макушкой головы, а электроды FP1 и FP2 — с лобной областью.

Отрегулируйте положение ЭЭГ-шапочки так, чтобы она симметрично располагалась вдоль срединной сагиттальной плоскости головы. Затем подключите референтный, заземляющий и регистрирующие электроды к блоку управления. Включите индикаторы импеданса, начиная с заземляющего и референтного электродов.

С помощью небольшого шприца введите электролитный гель в пространство между кожей головы и электродом. Убедитесь, что уровень импеданса электрода составляет менее 60 кОм. Электроды окрашиваются в желтый цвет, когда импеданс опускается ниже 60 кОм.

Если импеданс опускается ниже 25 kΩ, индикаторы становятся зелеными. Затем подключите усилители к хост-компьютеру через USB-порт, используя оптоволоконный USB-конвертер. Для подготовки инерциальных измерительных блоков (IMU) откройте соответствующее программное обеспечение IMU.

Нажмите «new» в графическом интерфейсе и выполните настройку, чтобы закрепить датчики imus secure IMU на обоих запястьях, груди и голове младенца. Затем закрепите imus на обоих запястьях экспериментатора. В завершение подключите блок ввода-вывода триггера к ЭЭГ и приступите к работе.

Начните с того, что положите младенца на стол лицом к исполнителю. Попросите родителя сесть на стул позади младенца. Затем зафиксируйте начальные значения импеданса электродов ЭЭГ с помощью управляющего программного обеспечения, выбрав вкладку проверки импеданса, нажав кнопку включения импеданса, а затем нажав сохранить импеданс.

Для сохранения значений импеданса откройте программное обеспечение для записи ЭЭГ и создайте рабочую область, настроив каналы ЭЭГ. Выберите папку для сохранения необработанных данных. Придумайте название файла.

Выберите количество используемых каналов. Укажите частоту дискретизации 1000 hertz и снимите флажок с опции включения фильтров. Убедитесь, что опция включения сегментации отключена, чтобы начать запись данных ЭЭГ.

Нажмите «monitor», затем «play» в программе записи ЭЭГ. Далее нажмите «stream» и «record» в программном обеспечении для записи данных IMU. Чтобы начать запись кинематических данных, подайте три триггера для сигнализации о начале эксперимента, используя кнопку на блоке ввода-вывода.

Дайте младенцу отдохнуть в течение одной минуты, записывая исходные базовые данные. Проводите эксперимент с младенцем примерно 15 минут. Постарайтесь вызвать у младенца имитационную реакцию.

Отметьте разнообразие форм поведения, которые может проявлять младенец во время эксперимента, включая попытки дотянуться, захват, протягивание, предложение, исследование, наблюдение и имитацию. Используйте пять триггеров на корпусе устройства ввода-вывода, чтобы остановить экспериментатора, когда младенец устанет, или по истечении 15 минут взаимодействия в программном обеспечении для записи ЭЭГ. Нажмите кнопку «остановить запись данных» в программном обеспечении IMU.

Нажмите «stop» в диалоговом окне потока, чтобы завершить запись данных IMU. В завершение зафиксируйте конечные значения импеданса, выбрав вкладку проверки импеданса (impedance check) в управляющем программном обеспечении. Нажмите кнопку «impedance on», а затем «save impedance» для сохранения значений импеданса. Оцифруйте трехмерные пространственные координаты ЭЭГ-электродов с помощью 3D-сканера ЭЭГ-электродов и соответствующего программного обеспечения.

Для этого перейдите в меню «Файл» и выберите «Новое рабочее пространство» в программном обеспечении. Загрузите файл с позициями электродов на первой вкладке рабочего пространства. Затем на панели инструментов сканирования нажмите «Начать сканирование».

Используйте камеру для сканирования расположения электродов, следуя за изменяющимися световыми паттернами на колпаке. Для визуализации источников получите Т1-взвешенные магнитно-резонансные изображения высокого разрешения из общедоступной базы данных МРТ нейроразвития, которая содержит усредненные МРТ-шаблоны в зависимости от возраста для первых двух лет жизни. Наконец, выполните совмещение пространств ЭЭГ и МРТ для получения геометрического преобразования путем сопоставления фидуциарных точек, отмеченных на анатомическом МРТ, и фидуциарных точек, полученных с помощью 3D-сканера.

Использование программного обеспечения для визуализации мозга. В данном протоколе представлена новая методика нейронного декодирования намерений свободно ведущих себя младенцев во время спонтанного социального взаимодействия с актером. Здесь гистограммы данных ЭЭГ описывают распределение стандартизированного сигнала от трех пространственно репрезентативных электродов для каждого из анализируемых типов поведения. ЭЭГ и IMU обеспечивают нейронные данные с высоким временным разрешением, которые позволяют предсказывать поведенческие действия у свободно ведущих себя младенцев.

Здесь в данной матрице ошибок показана точность классификации для младенца в возрасте 20 месяцев. Общая точность декодирования составляет 85,2%. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как собирать данные DEG и кинематические данные от младенцев с нарушением поведения во время их социального взаимодействия с экспериментатором. При должном освоении эта методика может быть выполнена за один час при условии правильного проведения процедуры.

При выполнении данной процедуры важно обращать внимание на реакцию младенца на окружающую обстановку, так как она может быть для него чуждой или содержать отвлекающие факторы. Небольшая, подходящая для детей комната и присутствие менее четырех человек в помещении могут помочь снизить тревожность младенца, вызванную новой средой. После данной процедуры могут быть применены другие методы, такие как анализ функциональной и эффективной связности, чтобы ответить на дополнительные вопросы, например, о том, как взаимодействие и координация между областями мозга влияют на функции мозга.

Мы полагаем, что этот новый метод позволит исследователям в области нейрокогнитивной реабилитационной инженерии изучать активность мозга при таких расстройствах, как аутизм.