Summary
感觉处理的目的简单的测量是在非语言或脆弱的儿童患者极为困难。我们开发了一种新的方法来定量评估婴幼儿和轻触摸孩子的皮质处理，语音声音，和2刺激的多感官处理，而不需要积极的主体参与或引起不适在脆弱的病人。
Abstract
感觉处理的目的简单的测量是在非语言或脆弱的儿童患者极为困难。我们开发了一种新的方法来定量评估的轻轻一碰，讲话声音和2刺激的多感官处理孩子的皮层处理，而不需要积极的主体参与或导致儿童不适。要做到这一点，我们开发了一个双通道，时间和强度校准吹气刺激，使双方的触觉刺激和假手术对照组。我们结合这与使用事件相关电位的方法来允许信号从初级和次级躯体感觉皮质高时间分辨率以及更高的订单处理。这种方法还使我们能够测量到听觉，触觉刺激一个多感官的反应。
Introduction
开发皮质感觉过程的研究对于了解最基础的高阶函数。感官体验是负责大部分通过婴儿期和儿童期大脑的组织，奠定了复杂的过程，如认知，沟通，和运动发育1-3的基础。大多数小儿感觉过程的研究集中在听觉和视觉领域，主要是因为这些刺激最容易发展，规范和测试。然而，触觉处理是在婴儿和儿童特别感兴趣，因为它是第一个意义上的胎儿4,5，发展，和体感信息是不可或缺的其它皮质系统功能（ 如电机，记忆，联想学习，边缘） 6。目前的方法评估体感处理是由触觉刺激的选择有限。一个常见的选择是直接电正中神经刺激7,8 9。因此，所有这些方法都局限在自己的幼童及婴儿使用。
因此，我们的目标是开发触觉的范例，由是无创，减少了对主体积极参与解决这些限制。此外，它需要有刺激的标准化水平和假的控制。为此，我们制定了“河豚”系统，双通道，定时和校准的空气粉扑输送系统，使我们能够衡量的光触摸婴幼儿和其他弱势群体的影响。
功能性磁共振成像研究表明，刺激通过空气抽吸激活感觉皮层，虽然这样的研究，如固定化，楞的长度和挑战你的会话，并引起焦虑的设置，使它们难以在幼儿执行。因此，我们以提供光触摸感觉处理的时间分辨率在一份简短的，适合儿童的测试环节结合我们的新型给药系统的事件相关电位（ERP）的方法。
这一新的模式提供了必要的灵活性来研究感觉处理在不同人群，不同年龄和临床设置。它也有被用听觉刺激兼容的优势，允许多感官评估。到现在为止，准确，可靠的触觉评估一直未能在婴儿或儿童谁是无法可靠地因智力/语言障碍作出反应。这种方法旨在填补这一空白，以便在一段极大大脑的可塑性在早期识别感觉处理赤字和干预提供帮助。改善感觉处理在婴儿期可能会影响级联神经发育的
下面的程序都包含在范德比尔特机构审查委员会批准的协议。
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Protocol
1。光响应触摸的评估
- 将电极网（ 如 128通道测传感器网络）的儿童或婴儿的头部。调整传感器用温盐水充分接触。如果一个孩子，确保孩子坐在舒服的父母或照顾者的腿上。如果一个婴儿，确保婴儿轻轻包扎，要么保姆的怀里或在一个开放的婴儿床仰卧位置上。
- 定位0.5厘米食指测试手的前端下方1mm的喷嘴。将手指一个年轻的孩子或手掌的婴儿在模具支架和魔术贴胶带近端和远端关节固定，以确保一致的距离，从喷嘴到手指或手。这是绝对必要的，孩子保持整个测试环节正确的手指位置。通过定期评估的手指和手的位置，并有孩子的照顾者，如果年轻确保这一点。如果测试一个婴儿，停止协议如果婴儿的哭声和重新启动之前提供的舒适性。如果测试年幼的孩子，请照顾者提供舒适和安心在整个短的测试周期。
- 通过稳压器的启动空气压缩机在40 psi的供应阀输入的触觉刺激。
- 执行经济刺激计划交付。
- 对于被测试的一方面，本60粉扑刺激随机地散布有60假试验（吹气通过一个单独的喷嘴输送指出远离手指）。
- 不要出现在一行粉扑或假的两个以上的重复。改变审间的时间间隔之间随机2,000-2,500毫秒。这样做的目的是为了减少习惯化，其中的刺激不再感知。的总时间的120试验序列应该是4.5-5分钟。
- 再次运行相同的协议另一方面，如果研究不对称体感障碍。
- 对于协议不要求注意刺激没有进一步的设置是必要的。 Ŧ他适用于婴幼儿的测试。为了提高关注幼儿（这导致更大的记录特定的ERP峰），提供一个任务。
- 任务示例5岁的孩子：描述空气泡芙为“泡沫”在“鱼缸”（装饰框隐藏河豚设备）吹的“鱼”。要求孩子猜测每个“泡泡”是否已交付蓝色或红色的“鱼”。告诉他们不需要给孩子，不应该说什么，而他们执行这项任务（见设置与图1模拟水族馆）。
2。应对多重感官议定书评估（听觉，触觉同时与总结个人回复）
- 如上所述，通过步骤1.1-1.3中运行。刺激在表1中说明。
- 运行该刺激计划交付（ 如 E-首相软件）。对于被测试的手，听觉，触觉范可呈现以下4个随机的刺激，与60试验/刺激：粉扑，puff-/ga /，/ GA / - 假，假的。再次，限制习惯的可能性，不存在于任何条件一排粉扑或假的两个以上的重复，并改变了审间的时间间隔之间随机2,000-2,500毫秒。 240试验的每个序列应该采取9-10分钟之间。
- 运行相同的协议通过对另一只手。
- 提供了一个无声的年龄相适应的卡通在协议的开始，并继续它在整个程序，以防止增加电机的文物从躁动，以及从大的患者产生δ波减少的背景时，他们感到厌烦。例如，在5岁的孩子，我们使用一个循环的购买的视频20分钟，起到静音状态，并且重新启动每个主题进行了测试之前。没有注意刺激是必要的，因此，循环动画片提供了一个可视化的背景从刺激断开。
- 编程软件，成立了由刺激控制应用程序发送两个串行命令。一个标识粉扑，其他假。有刺激控制应用程序发送命令到微控制器。
- 有微控制器产生一个TTL脉冲（ 例如 20毫秒的持续时间）相应的数字量输出通道。此输出必须分成两行，一个用于数字输入到脑电图记录系统和一个到螺线管 - 门控气阀。标志着两个阀门的脑电数据流中开幕。
- 测量脉搏，以粉扑延时用示波器既真实和假条件和一个麦克风。这些应该是均匀的，并且在10-15毫秒的顺序。调整的等待时间后录音。
- 计算力在喷嘴施加在PSI使用一个压力计和通过测量喷嘴的直径。用公式F（N）=压力*区。例如，施加的力FROM在6 psi的半径1 mm的喷嘴产生F（N）=0.03磅。
- 要修改的多感官协议控制应用程序，发送两个串口命令识别真正的粉扑或假的微控制器以及一个录制语音或沉默。注意：在我们的范例，我们使用所产生的计算机，重音中性/ GA /声音，其中包括如/ DA /，/ DU /，/蒲式耳/ 等 。
- 通过扬声器本听觉刺激放置在中线，在受试者的前2英尺。
- 对齐的声音发病定时到与同时抽吸的发病或与步骤3.3测量，这取决于哪个条件理想的是测试仪的延迟。
4。数据采集和准备
- 选择过滤器和引用设置采样基于标准的ERP数据的方法。在这里，使用一个1000赫兹设置为0.1-400赫兹滤波器。在数据采集，参考各电极锆石和离线rereferenced它们的平均值年龄参考。
- 细分数据，筛选记录的数据与所需的过滤器和分段。在这项研究中使用0.3-40赫兹带通滤波器和板块持续脑电图基础上，刺激发病，包括一个200毫秒prestimulus基线和一个500毫秒后刺激间隔。
- 执行数据的质量控制。屏幕各分部电机和眼部文物，如高频肌肉活动，使用包含在ERP软件的计算机算法。由人工审核按照这个画面。
- 自动化的筛选标准设置如下在这个协议，但可以修改：眼部通道，电压> 140μV=眨眼和电压> 55μV=眼球运动。
- 从用眼伪影校正工具被污染的试验正确的数据。注：带电压> 200μV被认为是质量差的任何通道。如果> 15个频道的质量很差，我们选择放弃的原因重现整个试验。
- 一般的ERP。他们Rereference的平均引用，然后根据选择的步骤4.2标准进行基线校正。提取平均振幅和峰潜伏期为各种山峰，从预定义的人口总平均波形推断。注：在本例中，我们基于对年龄较大的儿童的反应，正中神经刺激10-14确立文学以下。我们使用P50（30-80毫秒），N70（50-100毫秒），P100（80-150毫秒），N140（130-230毫秒）和P2（250-350毫秒）峰。
- 包括电极重叠的预设位置（ 图2）的数据。导出数据为每个集群内的各个电极和平均值。
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Representative Results
轻触摸（图3）评估：
到触觉刺激使用鲀系统皮层响应的特征：峰的图案响应于粉扑非常类似于使用正中神经刺激正常成人10,11得到的皮质反应。 早期反应（P50，N70，P100峰），主要反映在初级感觉皮层12的活动，并且不需要刺激的认识。 二级响应（N140峰值）主要反映在次级感觉皮层和体感刺激的认知活动作为已被记录在已发表 的研究13,14。此峰在我们的模式反映了次级感觉皮层的过程中，注意调节触摸（即“鱼吹泡泡的任务”）。 延迟响应（P2峰） 主要反映乞讨局与感官刺激的认知神经活动。此峰可能反映主观的关注触摸和非自愿的方向15,16。
粉扑与假：即使假提出了一种非特异性音般的声音在低于35分贝它不能被认为是完全听不见17，因此构成一个适当的假手术对照。假是空气噗的声音不带粉扑的感觉，而对于这样的试验，因此皮层的反应是在小最适用于检测触摸的自雇人士的左侧和右侧中央位置。深水试验生产的所有条件，从不同的触觉刺激，并与音般的听觉刺激下一致的前期低点振幅响应。具体来说，峰值幅度分析显示为P50（平均幅度差（D = -2.8 mV的2.7，P = 0.04），N70（D = -3.9 mV的4.0，P = 0.04）和N140假和空气粉扑之间的可测量的差异（ D = -4.1毫伏3.5，P = 0.02）。
受影响的差异与小儿偏瘫脑瘫健侧手河豚反应 （ 见表2，从J.儿童神经 18修改）。作为概念的鲀系统的证明，上峰值振幅和潜伏期进行统计学分析来表征的差异时受影响的手的刺激相比未受影响的手。虽然受人口是小（N = 8），两手之间观察到显著的差异。
针对多感官协议的评估：听觉，触觉同时与总结个人的反应（图4）
以确定与所述同步的触觉（粉扑）和听觉（语音）呈现相关联的多感官相互作用的影响，必须比较所观察到的脑响应的代数s的回应，听觉和触觉刺激的嗯单独列示。这一分析原理已经有据可查的视听研究19-21。在这种情况下，假声条件及粉扑单独条件相加，作为耦合假-讲话声音可以让我们考虑在图1中展示了低振幅非特异性听觉反应。因为听觉触觉多感官影响通常可见于皮质反应21的早期阶段，我们集中观察0-140毫秒的时间窗口。两个正计算的峰值被观察到的，对应于P50（30-80毫秒）和P100（80-150毫秒）。紧接在此之后，大的负偏转可以被观察到的，最有可能对应于N140（130-230毫秒）。
在10名儿童（5-8岁）（ 图4）第二项研究中，听觉，触觉的条件真多感官的反应，可以观察到有差异S IN三种变形。在总结和多感官的平均振幅的振幅之间的差异代表的多感官神经过程的个人感觉反应的贡献。的多感官听觉触觉响应一个语音声音吹气刺激的存在已被认为在成人中使用的神经行为措施22和该ERP方法似乎证实了它的存在对于儿童为好，但在皮质的处理水平。
| ERP的峰 | 响应特性 | P表示受影响与未受影响 |
| P50和N70 | affecte差异无统计学意义D和健侧手的刺激 | NS |
| N140 | ↑幅度受影响 | 0.036 |
| 相比于健侧手的刺激 | ||
| P2 | ↓幅度同侧和对侧↑受影响 | 0.046 |
| 相比于健侧手的刺激 | ||
| 在患侧手↑延迟只有同侧 | 0.005 | |
| 相比于对侧 |
| 感觉模态 | 刺激型 | 具体的例子 |
| 听觉 | 语音 | 计算机生成/ GA /声音 |
| 非特异性的声音 | 通过吹气产生的音般的声音 | |
| 触 | 轻触式 | 校准空气粉扑 |
| 带触摸同步语音 | 同步/ GA /和粉扑 |
表2。河豚结果小儿脑瘫的影响和不受影响的手比较（N = 8）。
。对ERP的净图1电极集群表示：
C：centroparietal
F：正面
奇数对应左半位置
偶数对应右路的位置
图2。儿童进行多感官检验。压缩空气流经黄灵活的喷嘴，通过纸板“水族中的”出出入入泥模在哪个手指固定。对于假泡芙，压缩空气流经喷嘴瞄准在箱子后面。 ERP的净是到位，孩子可以想像他的胳膊，环境，和盒子。
图3的反应粉扑，假控制在对侧皮质侧到患侧手的刺激比较 。图代表N个平均数= 8名儿童（5-8岁），centroparietal位置而已。黑线代表粉扑，灰线代表假响应。
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图4。记录在对侧半球体感区的触觉刺激，双耳听觉刺激反应。描记为N = 10个孩子（5-8岁）的平均值*，centroparietal位置而已。灰色线代表/ GA /假手术+粉扑相加计算出响应，黑线代表同步/ GA /卖自夸的真多感官反应。
*这是从图3中所描述的，在2012年进行的，也与范德比尔特IRB批准的协议，一个单独研究。
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Discussion
这种新颖的空气粉扑和ERP（简称“河豚系统”）来衡量的轻触觉和触觉，听觉反应的皮质处理的组合深受年轻残疾儿童和婴儿耐受。这对于unisensory和多感官的版本是正确的，而注意力组件是否加入或不幼童的情况下。的原因，这种方法在评估一个年轻而脆弱的人口的成功是由于两者使用无害的触觉刺激，以及在运用ERP的方法和设备。触觉示例，可以在总共5分钟来进行，而多感官范式需要10分钟。这对幼儿或主体行为的挑战进行评估时特别有用。刺激本身可以被校准，以不超过轻触摸或压力，使得公差不是什么问题，而相比之下，神经电刺激。最后，开放性和次灵活性Ë测量装置，司空见惯的环境和缺乏身体约束的创建一个放心和儿童友好的环境进行实验。这也是如此，尤其是在谁可以通过光襁褓安慰和被关押的照顾者的婴幼儿。因此，该方法具有在整个健康和疾病的频谱，以及通过使用期限从婴儿期到成年年长患者人群的应用。
虽然这些特点使“河豚系统”更容易管理的幼儿比功能性磁共振成像，ERP不提供空间分辨率24的相同程度。应注意这归因于ERP信号源到底层的结构，即使在充分研究的体感电位25的情况下被使用。这尤其适用于小儿大占位性脑病变。然而，到了河豚系统提供的时间分辨率等于说直接正中神经STIMulation于成年人，在其中的各种ERP峰的皮质起源已经得到很好的特点。
在这种模式的关键步骤是在接近更密集的神经支配区的喷嘴，以达到最佳的ERP信号的定位。手，脚和脸是由于其密集的神经支配和躯体感觉皮层大感官陈述显而易见的选择。压缩空气的力的作用，也可以进行优化，或者通过压缩机或通过喷嘴直径的修改。建议使用压力计校准力在喷嘴本身的水平，以确保准确性。确保与模具或armboard用尼龙带手的适当定位，将进一步确保喷嘴和皮肤表面之间的距离保持恒定。
也应谨慎使用，试图进一步减少时间为范式管理或增加stimul数我们试验。六十试验是足以产生一个清晰的ERP信号，并允许对一些数据丢失，由于文物，但较少的试验可能无法产生可靠的，可重复的数据。相反，每个条件更多试验可能提高ERP的信号强度，但也可能导致习惯，以刺激，或电机/眼部文物由于无聊增加。
内置的方法可能修改是对刺激的注意效应的研究。刺激是重量轻，不要求注意，但这样很容易得到提升，从而增加ERP的幅度特别是在早期峰从P50到N140。还内置入多感官系统都增加了多样的讲话声音和音色。听觉和触觉信号的定时也可以从同步修改，以向交错，以研究一种模式对另一个的影响。
正在实现在不久的将来应用包括更广泛的延伸范式，以婴幼儿和新生儿脑损伤或异常的感官体验在新生儿期，如重症监护住院以及残疾青少年。这种测试的值可以是未来的感觉运动肢体功能两者的预测。它也可以指示儿童处理多个感官流作为连接的输入和有效力的量度为治疗目的感觉统合的能力。对于成年人来说，触觉刺激的力，可能需要增加，以提供相似的结果。最后，增加视觉刺激的多感官模型在概念阶段，并会为感觉处理功能和疾病的测量提供了一个宝贵的客观工具。
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Disclosures
作者宣称，他们有没有竞争的财务权益。
Acknowledgments
说明该项目是由国家研究资源中心，格兰特UL1 RR024975-01支持，并正处于国家中心推进转化科学，格兰特2 UL1 TR000445-06。内容完全是作者的责任，并不一定代表美国国立卫生研究院的官方意见。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Geodesic sensor net | EGI, Inc., Eugene, OR | depends on size | |
| Net Station EEG software v. 4.2 | EGI, Inc., Eugene, OR | NA | |
| E-Prime stimulus control application | PST, Inc. Pittsburgh, PA | NA | |
| Manometer (model 6 in, 0-60 psi) | H. O. Trerice Co, Oak Park, MI | ||
| Custom Puffer setup | Nathalie Maitre |
References
- Nelson, C. A. Neural plasticity and human development: the role of early experience in sculpting memory systems. Dev. Sci. 3 (2), 115-136 (2000).
- Wallace, M. T., Stein, B. E. Early experience determines how the senses will interact. J. Neurophysiol. 97 (1), 921-926 (2007).
- Greenough, W. T., Black, J. E., Wallace, C. S.
- Lickliter, R. The Role of Sensory Stimulation in Perinatal Development: insights from comparative research for care of the high-risk infant. J. Dev. Behav. Pediatr. 21 (6), 437-447 (2000).
- Lickliter, R. The integrated development of sensory organization. Clin. Perinatol. 38 (4), 591-603 (2011).
- Pleger, B., Villringer, A. The human somatosensory system: From perception to decision making. Prog. Neurobiol. 103, 76-97 (2013).
- Allison, T., McCarthy, G., Wood, C. C., Jones, S. J. Potentials evoked in human and monkey cerebral cortex by stimulation of the median nerve: a review of scalp and intracranial recordings. Brain. 114 (6), 2465-2503 (1991).
- Majnemer, A., Rosenblatt, B., Riley, P., Laureau, E., O'Gorman, A. M. Somatosensory evoked response abnormalities in high-risk newborns. Pediatr. Neurol. 3 (6), 350-355 (1987).
- Auld, M. L., Ware, R. S., Boyd, R. N., Moseley, G. L., Johnston, L. M. Reproducibility of tactile assessments for children with unilateral cerebral palsy. Phys. Occup. Ther. Pediatr. 32 (2), 151-166 (2012).
- Nakanishi, T., Shimada, Y., Toyokura, Y. Somatosensory evoked responses to mechanical stimulation in normal subjects and in patients with neurological disorders. J. Neuro. Sci. 21 (3), 289-298 (1974).
- Schubert, R., Blankenburg, F., Lemm, S., Villringer, A., Curio, G. Now you feel it-now you don't: ERP correlates of somatosensory awareness. Psychophysiology. 43 (1), 31-40 (2006).
- Hamalainen, H., Kekoni, J., Sams, M., Reinikainen, K., Naatanen, R. Human somatosensory evoked potentials to mechanical pulses and vibration: contributions of SI and SII somatosensory cortices to P50 and P100 components. Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 75 (2), 13-21 (1990).
- Eimer, M., Forster, B. Modulations of early somatosensory ERP components by transient and sustained spatial attention. Exp. Brain Res. 151 (1), 24-31 (2003).
- Forster, B., Eimer, M. Covert attention in touch: Behavioral and ERP evidence for costs and benefits. Psychophysiology. 42 (2), 171-179 (2005).
- Tamura, Y., et al. Cognitive processes in two-point discrimination: an ERP study. Clin. Neurophysiol. 115 (8), 1875-1884 (2004).
- Fabrizi, L., et al. A shift in sensory processing that enables the developing human brain to discriminate touch from. 21 (18), 1552-1558 (2011).
- Putnam, L. E., Vanman, E. J. Startle Modification: Implications for Neuroscience, Cognitive Science. Google Books. Startle Modification: Implications for. , (1999).
- Maitre, N. L., Barnett, Z. P., Key, A. P. F. Novel assessment of cortical response to somatosensory stimuli in children with hemiparetic cerebral palsy. J. Child Neurol. 27 (10), 1276-1283 (2012).
- Molholm, S. Audio-Visual Multisensory Integration in Superior Parietal Lobule Revealed by Human Intracranial Recordings. J. Neurophysiol. 96 (2), 721-729 (2006).
- Molholm, S., Ritter, W., Murray, M. M., Javitt, D. C., Schroeder, C. E., Foxe, J. J. Multisensory auditory-visual interactions during early sensory processing in humans: a high-density electrical mapping study. Brain Res. 14 (1), 115-128 (2002).
- Foxe, J. J., Morocz, I. A., Murray, M. M., Higgins, B. A., Javitt, D. C., Schroeder, C. E. Multisensory auditory-somatosensory interactions in early cortical processing revealed by high-density electrical mapping. Brain Res.. 10 (1-2), 77-83 (2000).
- Gick, B., Derrick, D.
- Stevens, K. N., Blumstein, S. E. Invariant cues for place of articulation in stop consonants. J. Acoust. Soc. Am. 64 (5), 1358-1368 (1978).
- Hari, R., Parkkonen, L., Nangini, C. The brain in time: insights from neuromagnetic recordings. Ann. NY Acad. Sci. 1191, 89-109 (2010).
- Key, A. P. F., Dove, G. O., Maguire, M. J. Linking Brainwaves to the Brain: An ERP. Dev. Neuropsychol. 27 (2), 183-215 (2005).
