Summary
Funktionell transkraniell dopplerundersökning (fTCD) är en enkel och icke-invasiv ultraljud teknik som kan användas för att bedöma lateralization av kognitiva funktioner, särskilt språk och är lämplig för användning med barn.
Abstract
Det finns många obesvarade frågor om cerebral lateralization. Framför allt är det fortfarande oklart vilka aspekter av språk och icke-verbal förmåga är lateralized, om det finns några nackdelar med atypiska mönster av cerebral lateralization och om cerebral lateralization utvecklas med åldern. Förr i tiden tenderade forskare intresserade av dessa frågor för att använda handedness som ett mått för cerebral lateralization, men detta är otillfredsställande eftersom handedness är endast en svag och indirekt indikator på Laterality av kognitiva funktioner 1. Andra metoder, såsom fMRI, är dyra för storskaliga studier, och inte alltid är möjligt med barn 2.
Här kommer vi att beskriva användning av funktionella transkraniell Doppler-ultraljud (fTCD) som en kostnadseffektiv, icke-invasiv och tillförlitlig metod för bedömning av cerebral lateralization. Förfarandet innebär att mäta blodflödet i mitten cerebral artär via en ultraljudssond placeras precis framför örat. Vårt arbete bygger på arbete av Rune Aaslid, som co-introducerade TCD 1982, och Stefan Knecht, Michael Deppe och deras kollegor vid universitetet i Münster, som börjat använda sig av samtidiga mätningar av vänster och höger mitten cerebral artär blodflöde, och utarbetat en metod att korrigera för hjärtslag aktivitet. Detta gjorde det möjligt att se en klar ökning av vänstersidig blodflödet under språk generation med lateralization överens väl med den som uppnås med andra metoder 3.
Den mellersta cerebral artär har ett mycket brett vaskulära territorium (se figur 1) och metoden ger inte användbar information om lokalisering inom ett halvklot. Vår erfarenhet visar att det är särskilt känslig för aktiviteter som innebär explicit eller implicit tal produktion. Den "gyllene standard" uppgift är ett ord generation uppgift (t.ex. tänker på så många ord du kan som börjar med bokstaven "B") 4, men detta är inte lämpligt för små barn och andra med begränsad läs-och skrivförmåga. Jämfört med andra metoder hjärnan är fTCD relativt opåverkad av rörelse artefakter från att tala, så vi kan få ett tillförlitligt resultat från uppgifter som innebär att beskriva bilderna högt 5,6. Därför har vi utvecklat en barnvänlig uppgift som innebär att titta på videoklipp som berättar en historia, och sedan beskriva vad som sågs.
Protocol
1. Använda fTCD att utvärdera Språk Lateralization hos barn
- Om möjligt, bekanta vi barnet med bilder som visar tecken från videon berättelser i en separat session före tillförsel av dem att Doppler system.
- Det är viktigt att förfarandet omfattar tillräckliga försök att få ett tillförlitligt mått: helst 20 eller mer, men vi har fått användbar data med så få som 10 till 15 försök. Varje försök innebär en period av avslappning, för att användas som en baslinje, följt av språk aktivering. Blod flödeshastighet under aktiveringen är jämfört mot baslinjen. Vi har funnit att det är möjligt att använda den tid medan barnet passivt klockor en 12-sekunders videoklipp som en baslinje. Detta hjälper till att undvika tristess. Baslinjen följs av en 10 sekunders svarstid där barnet ombeds att beskriva vad som hände. Detta följs av en 16 sekunders vila period.
- Tidpunkten för förfarandet är viktigt för att upptäcka förändringar i blodflödet hastighet på grund av metaboliska krav, vilket kan ta upp till 7 sekunder. Vi använder oss av datoriserade uppgifter, skriven presentation eller Matlab, som styr tidpunkten för varje prövning. Kritiskt, dessa program också skicka pulser till hårdvara som registrerar en markör i Doppler datafil som visar uppkomsten av den aktiva perioden. Dessa används i de data analys för att fastställa perioder av baslinjen och aktivering blodflödet.
- Vi använder en Multi-DOP system som gör det möjligt för ultraljud inspelning från vänster och höger sida samtidigt. Det är bäst att ha Multi-DOP system som inrättats och redo att gå innan deltagaren kommer. Se till att givare är anslutna till Multi-DOP systemet innan du slår på. Kontrollera att stimulans datorn är ansluten via parallellport, till Multi-DOP dator och pulser från ett syns på den andra. Se till att högpass filtret är satt till 300 Hz för båda sidor och kontrollera djup insonation (45-55 mm) och kraften av signalen. Systemet har gränser på olika parametrar att säkerställa att endast säkra nivåer kan användas.
- En deltagare koden ska vara införd i den Multi-DOP datafiler för att tillstånd, grupp eller demografiska data matchning.
- Systemet bör då pausas vid utarbetandet av sonder. Varje ultraljud givare är täckt med gel som ger en kontakt mellan proben och huden. Använd en generös mängd gel att upprätthålla bästa kontakten möjligt.
- Nu är det dags att börja sessionen. Kontrollera om barnet behöver gå på toaletten innan! Vi visar headsetet med leksak djur, och se till att barnet förstår vad som ska hända och vad de kommer att bli ombedd att göra. Det är särskilt viktigt att de förstår behovet av att hålla tyst efter den aktiva perioden, så att signalen kan återvända till baslinjen. Barn bör sitta bekvämt som en fullvärdig uppgift kan pågå mellan 20 och 30 minuter och en hel del grov kroppsrörelser kan störa Doppler-signalen.
- Den svåraste delen av förfarandet är placeringen av gelen täckta sonder. Nya användare bör vara medveten om att det krävs övning för att bli expert på denna del av processen. Det är ett användbart datorsimulering av Rune Aaslid som kan hjälpa till med utbildning
( http://www.transcranial.com/ ), men det bästa sättet att lära sig är genom att öva på vänner och kollegor. När du har bedömt ca 10 personer, kommer du att finna det mycket lättare. En bra sak med att jobba med barn är att det vanligen är lättare att hitta en signal från ett barn än en vuxen, eftersom de har tunnare skallar. - Varje givare är placerad vid tidsmässiga fönstret i skallen på varje sida av huvudet. Detta är den tunnaste delen av ben i huvud och ger den bästa genom vilket en signal kan erhållas från mitten hjärnans kärl. Dessa fönster finns precis framför varje öra. När man arbetar med barn, kan det bidra till att minska ställtid om du har två praktiker, en justera varje sond. De flesta barn är glada att titta på en DVD under denna del av förfarandet, men det är viktigt att följa barnets beteende och se till att de är bekväm och avslappnad. Avsluta sessionen om barnet begär det eller om det finns några tecken på ångest.
- Placeringen av givare justeras sedan för att insonate mitten cerebral artär. Det kan ta några minuter innan en tillfredsställande signal hittas. Denna signal har en karakteristisk ljud samt visuella mönster som bör övervakas från Multi-DOP dator.
- Den karakteristiska ljudet är en låg whooshing buller graden av deltagarens hjärtslag. Den karakteristiska visuella mönster är en kraftig ökning följt av en exponentiellt avtagande faller av som också upprepas i den takt av hjärtslag. Du kan plocka upp verksamheten från andra blodkärl, beroende på djupet av insonation och riktning av sonden. Ett djup på cirka 45 till 50 mm brukar fungera bra i barn. När en stark signal har hittats, minska makten så mycket som möjligt och samtidigt behålla en bra signal. Förstärkningen kan också ökas för att förstärka en svag signal.
- När signaler för varje mellersta cerebral artär är tillfredsställande, bör det auditiva utdata från Multi-DOP signalen slås ner, och förfarandet kan börja. Försöksledaren förklarar för barnet att de kommer att titta på ett videoklipp tyst. När de ser på frågetecknet kommer upp på datorn de behöver för att berätta för försöksledaren så mycket de kan om vad som hände i filmen. När de ser bilden av pojken gå "shhh" de måste sluta prata omedelbart och sitta stilla för att vänta på nästa video att starta (se diagram 2 och. Avi exempel).
- Inspelning enheter började sedan, dvs en diktafon för auditiva svar, tillsammans med flera DOP system för registrering, och datorn styr stimulans presentation.
- Försöksledaren uppgift är sedan att följa barnet och Doppler signal till a) se till att barnet är bekväm och sköter uppgiften och b) se till att en lämplig signal bibehålls. Den Doppler-signalen är betydligt mindre känsligt för rörelse än en fMRI-signalen, men det kan ändå störas av grov kroppsrörelser, eller om sonden rör sig. Om signalen blir märkbart störd, visar displayen dator pausas och sonder återställs på rätt sätt. Ibland kan det vara nödvändigt att tillämpa mer gel för att få återupprätta en tillfredsställande signal. Vi finner att testning av barn fungerar bäst om man försöksledaren är ansvarig för att hålla barnet på uppgiften och spela in vad de säger, och den andra övervakar Doppler signal.
- När den experimentella proceduren är klar kan Multi-DOP inspelningen stoppas och sonder bort. Det är bra att ha vissa vävnader som finns för att ta bort överflödigt gel.
- Den råa datafiler behandlas för att jämföra vänster och höger Doppler signaler. Vi har utvecklat vår egen Matlab mjukvara baserad på de metoder som utvecklats av Deppe 7. Denna behandlingen innefattar ned-provtagning uppgifterna och korrigera för variationer på grund av hjärtslag. Enstaka försök utesluts från analysen om vänster eller höger aktivering är utanför ett specificerat område, vanligen 70 till 130% av utgångsvärdet blodflödet hastighet. Aktiveringen i dessa studier kommer sannolikt att påverkas av problematiska sond kontakt. Figur 3 visar aktivering jämfört med sond signaler för en bra signal, medan figur 4 visar ett fall där signalen är periodvis förlorat.
- I förhållande till utgångsläget blodflödet hastighet, är aktivering i höger kanal subtraheras från vänster för att beräkna skillnaden aktivering (se figur 5). Den lateralization Indexet beräknas som genomsnittet av skillnaden aktivering för en sekund vardera sidan av den största skillnaden inom en på förhand definierad period av intresse. Denna period av intresse är 7 till 17 sekunder efter starten av "prata"-kommandot, som anges av markören som skickas från displayen datorn till Multi-DOP datafil. Som skillnaden aktiveringen vänster minus rätt kanaler, positiv lateralization indexen återspeglar vänster lateralization och negativa speglar rätt.
2. Representativa resultat
Figur 1:. Utsida hjärnhalva som visar de områden som tillhandahålls av cerebrala artärer Rosa är regionen levereras av mitten cerebral artär. (Från: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png )
Figur 2:. Schematisk skiss av experimentella försök med 12 sekunder baslinjen video, 10 sekunders respons intervall och 16 sekunders vila fas Period av intresse för Laterality beräkningen är också avbildade.
Figur 3. Rengör datainsamling av rå Doppler hastighet (cm / sek) för vänster (blå) och högra (röda) Doppler-kanaler 130 till 150 sekunder under en enda experimentella session. Varje synlig puls motsvarar ett hjärtslag. Händelse markör som visar stimulans debut visas i grönt.
Figur 4. Störd datainsamling av rå Doppler hastighet (cm / sek) för vänster (blå) och högra (röda) Doppler-kanaler 400 till 450 sekunder under en enda experimentella session. Händelse markör som visar stimulans debut visas i grönt. Tydliga tecken på bortfallet är synlig för båda kanalerna.
ftp_upload/2161/2161fig5.jpg "alt =" Figur 5 "/>
Figur 5. Vänster (blå) och högra (röda) kanal (Panel A) och vänster minus höger skillnad (Panel B) Doppler Velocity (cm / sek) i genomsnitt över alla acceptabla studier för en grupp av deltagare. Deltagarna var cued till "Diskussion" vid 12 sekunder och den period av intresse för Laterality beräkningen är också avbildad i grönt. Den grå felstaplar kring skillnaden hastigheten i Panel B representerar standardfel medelvärdet.
Avi exempel: videosekvenser att tala om "Freezefoot" berättelsen kan laddas ner från: http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm
Discussion
Förutom att studera normal utveckling, har vi använt fTCD för att studera språk lateralization hos vuxna och barn med utvecklingsstörningar av språk-och skrivkunnighet 8, 9. Vi är också intresserade av att utveckla metoder för att använda fTCD för bedömning av lateralization av visuo-spatiala förmågor 10, 11.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Vi tackar Hubertus Lohmann för att dela sin expertis i fTCD tekniker. Detta arbete har finansierats av Wellcome Trust programmet bidrag nr. 082498/Z/07/2.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Multi-Dop T with Upgrade to 2 Channel MultiFlow Monitoring | Compumedics | 5610 EN | soon to be superseded by digital version |
| Headset | Spencer Technologies, 701–16th Avenue, Seattle,WA 98122 |
References
- Bishop, D. V. M. Handedness and developmental disorder. , Blackwell Scientific, J.B. Lippincott. Philadelphia. (1990).
- Pelletier, I., Sauerwein, H., Lepore, F., Saint-Amour, D., Lassonde, M. Non-invasive alternatives to the Wada test in the presurgical evaluation of language and memory functions in epilepsy patients. Epileptic Disorders. 9, 111-126 (2007).
- Deppe, M., Ringelstein, E. B., Knecht, S. The investigation of functional brain lateralization by transcranial Doppler sonography. NeuroImage. 21, 1124-1146 (2004).
- Knecht, S. Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography : A comparison with the Wada test. Stroke. 29, 82-86 (1998).
- Lohmann, H., Drager, B., Muller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography. Neuroimage. 24, 780-790 (2005).
- Bishop, D. V. M., Watt, H., Papadatou-Pastou, M. An efficient and reliable method for measuring cerebral lateralization during speech with functional transcranial Doppler ultrasound. Neuropsychologia. 47, 587-590 (2009).
- Deppe, M., Knecht, S., Henningsen, H., Ringelstein, E. B. AVERAGE: a Windows program for automated analysis of event related cerebral blood flow. Journal of Neuroscience Methods. 75, 147-154 (1997).
- Whitehouse, A. J. O., Bishop, D. V. M. Cerebral dominance for language function in adults with specific language impairment or autism. Brain. 131, 3193-3200 (2008).
- Illingworth, S., Bishop, D. V. Atypical cerebral lateralisation in adults with compensated developmental dyslexia demonstrated using functional transcranial Doppler ultrasound. Brain and Language. 111, 61-65 (2009).
- Whitehouse, A. J. O., Bishop, D. V. Hemispheric division of function is the result of independent probabilistic biases. Neuropsychologia. 47, 1938-1943 (2009).
- Whitehouse, A. J. O., Badcock, N., Groen, M. A., Bishop, D. V. M. Reliability of a novel paradigm for determining hemispheric lateralization of visuospatial function. Journal of the International Neuropsychological Society. 15, 1028-1032 (2009).
