Summary
El advenimiento de los sistemas de MEG de tamaño para los niños pequeños abre nuevas e importantes oportunidades para estudiar el desarrollo del cerebro. El nuevo sistema, junto con un protocolo experimental que se alinea con los requisitos de las capacidades de los niños, puede ser usado para estudiar los procesos cognitivos y del lenguaje en los niños sanos, despiertos tres a seis años.
Abstract
La magnetoencefalografía es una técnica que detecta los campos magnéticos asociados con la actividad cortical [1]. La actividad electrofisiológica del cerebro genera campos eléctricos - que se puede grabar utilizando la electroencefalografía (EEG) - y sus campos magnéticos concomitante - detectado por MEG. MEG señales son detectadas por sensores especializados conocidos como dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID). Sensores superconductores requieren enfriamiento con helio líquido a -270 ° C. Están contenidas dentro de un casco estela aislado llamado Dewar, que está lleno de líquido. CALAMARES se colocan en posiciones fijas en el interior del casco termo en el refrigerante de helio, y la cabeza de un sujeto se encuentra dentro del casco termo para las mediciones de MEG. El casco Dewar debe ser diseñado para satisfacer las limitaciones de oposición. Está claro que debe ser lo suficientemente grande como para caber la mayoría o la totalidad de los jefes de la población que se estudiará. Sin embargo, el casco debe ser lo suficientemente pequeño como para mantener la mayoría de los sensores SQUID dentro del alcance de los pequeños campos cerebral que se van a medir. Convencionales de todo el cabeza de los sistemas de MEG se han diseñado para dar cabida a más del 90% de los jefes de adultos. Sin embargo, los sistemas de adultos no son adecuados para la medición de la función cerebral en la enseñanza preescolar Chidren cuyas cabezas tienen un radio de varios centímetros más pequeño que los adultos. El KIT-Macquarie cerebro Laboratorio de Investigación de la Universidad de Macquarie utiliza un sistema personalizado MEG tamaño para adaptarse a las cabezas de los niños en edad preescolar. Este sistema cuenta con 64 niños de primer orden gradiómetros axial con una línea de base de 50 mm [2] y está contenida dentro de un ambiente protegido magnéticamente (MSR), junto con un adulto de tamaño convencional sistema de MEG [3,4]. Hay tres ventajas principales del casco personalizado termo para el estudio de los niños. En primer lugar, el radio más pequeño de la configuración del sensor lleva los sensores SQUID dentro del rango de las señales de neuromagnetic de cabeza de los niños. En segundo lugar, el casco más pequeño permite la inserción completa de la cabeza de un niño en el termo. Inserción completa es prevenir en adultos cascos dewar debido a la corona más pequeña para asumir la distancia en los niños. Estos dos factores son fundamentales en el registro de actividad cerebral mediante MEG porque las señales neuromagnetic atenúan rápidamente con la distancia. En tercer lugar, las ayudas niño personalizado casco en la posición simétrica de la cabeza y los límites de la libertad de movimiento de la cabeza del niño dentro del dewar. Cuando se utiliza con un protocolo que se alinea con los requisitos de recopilación de datos con la capacidad de motivación y comportamiento de los niños, estas características de manera significativa facilitar la instalación, colocación y medición de señales de MEG.
Protocol
Estas directrices describen los equipos y procedimientos para medir la función cerebral cognitiva en niños en edad preescolar mediante magnetoencefalografía (MEG). En primer lugar, sobre las orientaciones generales y las cuestiones que deben ser considerados en el ejercicio de las pruebas experimentales de la función cognitiva en los niños. En segundo lugar, se describe un protocolo desarrollado para alinear los requisitos de la MEG recopilación de datos con la capacidad de motivación y de comportamiento de cuatro años de edad.
1. Consideraciones generales para el estudio de los niños pequeños con MEG
MEG investigadores se enfrentan a una serie de retos únicos cuando se trabaja con niños sanos despiertos. En primer lugar, un entorno de laboratorio cruda y funcional es probable que para intimidar o asustar a los niños pequeños. En segundo lugar, los requisitos básicos de un estudio experimental MEG incluyen la restricción de movimiento y de forma activa asistiendo a una tarea durante un período prolongado, las condiciones que muchos adultos encuentran tedioso e incómodo. Al estudiar a los niños, se vuelve imperativo adecuar los procedimientos experimentales de las capacidades y limitaciones de los niños. En esta sección se describen los primeros pasos involucrados en la preparación de la materia a participar en una sesión de adquisición de datos.
1.1 Familiarización / Sesión de Entrenamiento: Para niños en edad preescolar una sesión de familiarización / formación está prevista antes de la sesión de adquisición de datos reales. Esta sesión permite que el niño se familiarice con el medio ambiente y los investigadores a su propio ritmo. Nos introducimos en el niño y los padres de los investigadores se familiaricen con el entorno de laboratorio y las rutinas. Al final de la sesión de introducción a los padres y el niño a entender todos los pasos involucrados en participar y entender lo que les espera durante la grabación de datos. Si durante la primera visita, el niño parece tímido o ansioso, tenemos un periodo de tiempo de juego hasta que se sientan más cómodos. A continuación, se procede a la introducción de todos los pasos.
1.2 Explicar el medio ambiente: Para explicar el medio ambiente MEG para el niño, que emplean a un tema que proporciona una justificación favorable a los niños de los alrededores. Por ejemplo, el sistema de MEG es una nave espacial a la espera de llevar a los niños en una aventura espacial, donde algunos eventos desconocidos pueden ocurrir. El laboratorio también ha sido decorado con pegatinas y juguetes (Fig. 1), y se ha dedicado una sala de juegos. Al hablar con el niño, el uso del lenguaje que los niños pueden entender fácilmente como el "congelamiento" en lugar de "minimizar el movimiento, y el casco de astronauta" en lugar de "marcador de bobina cap '.
1.3 Explicar los procedimientos para el niño y los padres: Se muestra el niño y los padres las medidas que se toman antes de que el niño va dentro de la sala con blindaje magnético (MSR). Uno de los primeros pasos es instalar un marcador de cinco-coil límite a la cabeza del sujeto, estas bobinas indican la posición de la cabeza del sujeto dentro del casco MEG. Con la ayuda del niño, que digitalizar la forma de la cabeza de una marioneta, y luego invitar a los niños y los padres para acompañar a la marioneta a la MSR / nave espacial. Una vez dentro del MSR, ponemos la cabeza del títere en el interior del casco para ver una película. A continuación, preguntar al niño si quiere ver la película con el títere. Si el niño se sienta cómodo y relajado, y su padre está satisfecho con nuestros protocolos, los invitamos a jugar a un juego interior de la nave la próxima vez que visite nuestro laboratorio.
1.4 libros: Tenemos libros basados en el tema aventura espacial que muestra los pasos los niños se llevará a durante la sesión de pruebas. Los niños reciben estos worksbooks para llevar a casa y trabajar a través de ellos con sus padres en la preparación de la próxima visita. El objetivo de los cuadernos de trabajo es poner de relieve la importancia de los tres requisitos principales para la prueba: a) la evitación de cualquier material ferroso en el interior del MSR, b) la colocación de la tapa marcador de bobina para conseguir datos precisos del co-registro y c) y el importancia de permanecer quieto durante la digitalización y la adquisición de datos.
2. Un protocolo para la medición de señales de MEG desde el nivel preescolar los niños de
2.1 El equipo utilizado en la adquisición de datos y la tarea experimental
Marcador de la bobina de la PAC: el fin de alinear los datos MEG con la información estructural del sujeto (por ejemplo, forma magnética de la cabeza o digitalizados), un conjunto de cinco bobinas se colocan en una gorra de natación que el niño lleva dentro del casco MEG. Estas bobinas actúan como puntos de referencia y sus posiciones se comparan antes y después de la tarea de medir la cantidad de la cabeza del sujeto se ha movido durante la adquisición.
Digitalizador: Antes de la adquisición de datos, la posición de cinco bobinas de marcador y la forma de la cabeza del sujeto se digitaliza usando un F Polhemusastrak ® digitalizador (Burlington, VT). El digitalizador consta de un digitalizador de pluma, tres receptores, un transmisor y una unidad de seguimiento de movimiento. Este proceso mide la ubicación de las bobinas. Más tarde, estos lugares se comparan con la información de ubicación obtenida por MEG para alinear los datos adquiridos magnético y forma de la cabeza.
Niño sistema de MEG: La adquisición de datos se realiza mediante una cabeza de todo el sistema de MEG niño (KIT, Kanazawa, Japón) [2]. De datos se realiza continuamente a una velocidad de muestreo de 1000 Hz, con una línea de paso de banda de filtro entre 0,03 Hz y 200 Hz. Posiciones de marcador de la bobina se obtienen antes y después de las grabaciones para medir el movimiento de cabeza. Los datos son rechazados si el movimiento de la cabeza es mayor de 5 mm.
MEG sistema de periféricos: los estímulos experimentales se controlan con una PC usando Presentación ® (Sistemas neuroconductuales, Albany, CA). Entradas visuales son entregados por un proyector que se encuentra fuera del MSR y se refleja en la pantalla del MSR. Los estímulos auditivos son entregados por el Modelo de Investigación Etymotic ER-30 equipado con auriculares insertar auriculares bebé del tamaño de la espuma (Etymotic Research Inc., Elk Grove Village, IL). El niño es constantemente monitoreado por cámaras de circuito cerrado y el experimentador se comunica con el niño a través de un micrófono.
2.2 Adquisición de datos: Las sesiones de grabación de datos implica las siguientes etapas:
Etapa I: Antes de la llegada del niño
Es importante que todos los equipos, software y equipos listos para comenzar el experimento, tan pronto como el niño llega. Como recomendación general, dos investigadores con experiencia debe estar presente mientras el niño y sus padres están en el laboratorio. Una comunicación clara entre el investigador, padre e hijo son cruciales para el éxito del experimento.
Fase II: Después de que el niño llega
- Los formularios de consentimiento firmados y los experimentadores comprobar si los padres tienen preguntas.
- El experimentador comprueba si el niño recuerda todos los pasos introducido durante la primera reunión o en los folletos y reintroduce las que no se recuerdan. La importancia de la congelación o minimizar el movimiento durante la adquisición de la digitalización y los datos se pone de relieve. Esto se puede demostrar con un títere.
- Entonces, el investigador comprueba si el niño es portador de material ferroso (la ropa con manchas brillantes, joyas, juguetes olvidados dentro de los bolsillos, horquillas para el cabello, etc.) Si llevan un pedazo de ropa que contiene material ferroso, les damos ropa MEG seguro. Si el padre desea para acompañar al niño durante el experimento, nos aseguramos de que también eliminan los materiales ferrosos.
Etapa III: Cómo el niño listo para realizar la tarea en el interior del MSR
- El experimentador se ajusta a la tapa que contiene el 5 bobinas marcador.
- El experimentador digitaliza la ubicación de las bobinas del marcador y la forma de la cabeza del niño. A fin de mantener la cabeza en una posición fija, se utiliza un cuello ortopédico que ha sido equipado con tres receptores. Es importante reforzar la idea de reducir al mínimo el movimiento o la "congelación" con regularidad para obtener una buena forma de la cabeza. El niño puede ser recompensado con una pegatina para hacer un buen trabajo en el "congelamiento".
- El niño es invitado a entrar en el MSR. Auriculares se insertan y que el niño se coloca en el casco MEG termo en posición supina.
- Una vez que el niño está acostado cómodamente con la cabeza dentro del casco MEG, las bobinas de marcador está conectado a su unidad de poder y la puerta se cierra MSR. Un experimentador sigue siendo (y también uno de los padres, si se desea) en la sala durante toda la sesión.
- Para el entretenimiento durante la instalación y entre los bloques de recopilación de datos, una película de dibujos animados o pueden ser proyectadas en el MSR de retroproyección de la pantalla.
Etapa IV: Ejecución del experimento
- Una vez que la puerta está cerrada MSR, calamares se dedican y se inicia la adquisición de datos.
- A medida que el niño ve una película, un corregistro pre-test se lleva a cabo para asegurarse de que las señales de MEG puede ser corregistradas a la forma de la cabeza digitalizados. Este pre-test consiste en el casamiento de la posición de las bobinas marcador obtenido durante la digitalización con la posición mostrada por el sistema de MEG.
- Una vez que la muestra la primera prueba de que la cabeza del niño esté correctamente colocado en el interior del casco, el investigador puede iniciar el experimento: (a) de la película está en silencio, (b) el investigador pregunta al niño si no están dispuestos a "jugar el juego"; (c) una vez que se inicia el juego, el experimentador proporciona regularmente al niño con retroalimentación. Por ejemplo, un niño se le puede pedir a escuchar una serie de oraciones, y repetir una palabra objetivo como "queso", tan pronto como lo oyen. Estas palabras de destino están integrados en un subconjunto de la captura de tresals que la sonda continuó su atención a la tarea, pero no están incluidos en el análisis final.
- Una vez finalizada la tarea, otra medida de la bobina marcador se lleva a cabo para controlar la posición de la cabeza y el movimiento.
- Una vez que los calamares no están conectados, la puerta del MSR se abre y el niño es invitado a una sala de juegos donde pueden elegir un premio por su buen trabajo.
3. Los resultados representativos
Un estudio representativo en nuestro laboratorio utiliza este protocolo para estudiar el desarrollo de la lógica en el lenguaje infantil. Veintiséis niños de 3-4 años (media de edad de 4 años y 5 meses) participaron en la sesión de adquisición de al menos uno. Diecisiete de esos niños regresó para una segunda sesión de pruebas y cinco vino para una sesión de pruebas de terceros. Movimiento de la cabeza promedio fue de menos de 3,7 mm (DE 3,1 mm), y en el umbral de 5 mm. Movimientos de más de 5 mm se produjo en el 4,5% de las sesiones, con una variación que van desde 5,5 mm a 15 mm (media = 8.6 mm, sd = 2,5 mm).
Figura 1. El casco MSR y MEG han sido decoradas con pegatinas y juguetes de peluche.
Figura 2. Cuatro años de edad, niña de tamaño adulto MEG (izquierda). Tenga en cuenta el relleno en la parte superior de la cabeza para minimizar el movimiento y la distancia entre la cabeza y el casco. Imagen de la derecha muestra la misma chica en el MEG niño.
Discussion
Este protocolo está diseñado para facilitar las mediciones de la función cerebral cognitiva en personas sanas y despierto de 4 años de edad. Utilizamos un sistema de tamaño personalizado MEG diseñado para adaptarse a los jefes de pre-escolares. Con este sistema, un niño amigable entorno de laboratorio, y un protocolo adaptado a las capacidades y motivaciones de los niños, que son capaces de medir la función cerebral cognitiva en un rango de edad para la que existe en la actualidad muy pocos datos.
El sistema KIT-Macquarie es la primera de todo el sistema de la cabeza a medida de tamaño para su uso con pre-escolares. Hay tres ventajas principales del casco personalizado termo para el estudio de los niños. En primer lugar, el radio más pequeño de la configuración del sensor lleva los sensores SQUID dentro del rango de las señales de neuromagnetic de cabeza de los niños s. En segundo lugar, el casco más pequeño permite la inserción completa de la cabeza de un niño en el termo. Inserción completa es prevenir en adultos cascos dewar debido a la corona más pequeña para asumir la distancia en los niños (ver fig. 2). Estos dos factores son fundamentales en el registro de actividad cerebral mediante MEG porque las señales neuromagnetic atenúan rápidamente con la distancia. En tercer lugar, las ayudas niño personalizado casco en la posición simétrica de la cabeza y los límites de la libertad de movimiento de la cabeza del niño dentro del dewar. Estas características facilitan significativamente la configuración, posicionamiento y medición de señales de MEG de los niños.
El advenimiento de la costumbre de tamaño infantil MEG sistema es un avance importante para la neurociencia cognitiva. Alternativas técnicas de neuroimagen funcional que emplean radiofármacos o fuertes campos magnéticos pueden no ser apropiados para el uso habitual con niños pequeños. Desde el MEG es una técnica de medición totalmente pasiva no hay ningún riesgo concebible para el desarrollo de los tejidos. En la actualidad existe muy poca información MEG de niños sanos en edad preescolar, ya que los sistemas convencionales para adultos MEG no están bien adaptados para utilizar con los niños. Niño sistemas MEG nos permitirá estudiar la función cerebral en edades donde una estructuración dramática de la actividad cerebral se produce, proporcionando nuevos conocimientos sobre el desarrollo normal y patológico de la función cognitiva.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el australiano de investigación de equipos de infraestructura del Consejo de Vinculación y dar facilidades LEO668421 Consejo Australiano de Investigación y Vinculación de proyectos de subvención LP0669471. Los autores agradecen la colaboración del Instituto de Tecnología de Kanazawa y Yokogawa Electric Corporation en el establecimiento del Laboratorio de Cerebro KIT-Macquarie Research.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Whole head child MEG | Kanazawa Institute of Technology (Kanazawa) and Yokogawa Electric Corporation (Tokyo) | Model PQ1064R-N2m | |
| Magnetically shielded room | Fujihara Co. Ltd. | ||
| Digitiser | Polhemus (Colchester, VT) | Fastrack | |
| Experimental control software | Neurobehavioral Systems | Presentation | |
| Earphones | Etymotic Research Inc. | ER-30 |
References
- Hämäläinen, M., Hari, R., Ilmoniemi, R. J., Knuutila, J., Lounasmaa, O. V. Magnetoencephalography- theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain. Rev. Mod. Physics. 65 (2), 413-497 (1993).
- Johnson, B. W., Crain, S., Thornton, R., Tesan, G., Reid, M. Measurement of brain function in pre-school children using a custom sized whole-head MEG sensor array. Clin. Neurophysiol. , (2009).
- Kado, H., Higuchi, M., Shimogawara, M., Haruta, Y., Adachi, Y., Kawai, J., Ogata, H., Uehara, G. Magnetoencephalogram system developed at KIT. IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 4057-4062 (1999).
- Uehara, G., Adachi, Y., Kawai, J., Shimogawara, M., Higuchi, M., Haruta, Y., Ogata, H., Kado, H. Multi-Channel SQUID Systems for Biomagnetic Measurement. IEICE Trans. Electr. E86-C, 43-54 (2003).
