Summary
感覚処理の客観的かつ簡単に測定が非言語的または脆弱な小児患者には非常に困難である。私たちは、積極的な主題の参加を必要とするか、脆弱な患者に不快感を引き起こすことなく、定量的に乳児を評価するための新しい方法論と軽いタッチ、音声の音、そして2刺激の多感覚処理の子どもの皮質処理を開発しました。
Abstract
感覚処理の客観的かつ簡単に測定が非言語的または脆弱な小児患者には非常に困難である。私たちは、積極的な主題の参加を必要とするか、子どもたちの不快感を引き起こすことなく、定量的に軽いタッチ、音声音と2刺激の多感覚処理の子どもの皮質処理を評価するための新しい方法論を開発しました。これを実現するために、我々は、デュアルチャネル、時間と触覚刺激および偽コントロールの両方を可能にする強度較正された空気パフ刺激器を開発しました。私たちは、一次および二次体性感覚皮質からの信号の高時間分解能だけでなく、より高次の処理を可能にする事象関連電位の方法論を利用して、これを配合しました。この方法論はまた、私たちは、聴覚·触覚刺激に対する多感覚応答を測定することができました。
Introduction
皮質感覚過程を開発する研究は、ほとんどの高次機能の基礎を理解するために不可欠である。感覚的な経験では、認知、コミュニケーション、および運動発達1-3のような複雑なプロセスのための基礎を築く、幼児期や幼年期を通して脳の組織の大部分を担当している。感覚過程のほとんどが小児科の研究では、これらの刺激は、開発の標準化、およびテストするのが最も簡単である主な理由は、聴覚と視覚のドメインに焦点を当てる。それは胎児4,5で最初に開発し感覚で、体性感覚情報が他の皮質系の機能に不可欠であるようにしかし、触覚処理が乳児や小児で特に重要である（ 例えばモーター、メモリ、連想学習、大脳辺縁系） 6。体性感覚処理を評価する現在の方法は、触覚刺激の選択によって制限されています。一般的な選択は、直接の電気正中神経刺激7,8である9高レベルの両方を必要とする、そのような差別、認識、刺激の局在などのアクティブなタスクを使用しています。これらの方法の全ては、したがって、幼児および乳児におけるその使用が制限されている。
そのため、私たちの目標は、非侵襲的であることと、被検者の積極的な参加の必要性を減らすことによって、これらの制限に対処する触覚パラダイムを開発することでした。加えて、刺激の標準化レベルおよび偽コントロールを持っている必要がありました。このために我々は、私たちは、幼児や他の脆弱な集団における軽いタッチの効果を測定することができ、「フグ」システム、デュアルチャネル、時限、およびキャリブレーション空気パフ配信システムを開発しました。
機能的MRI研究では、空気のパフによる刺激は、感覚皮質を活性化することを示したが、このような固定化、LENGなどの研究、の長さと課題あなたのセッション、および不安させられる設定は、幼児に実行するためにそれらを困難にする。したがって、我々は簡単に、子供向けのテスト·セッションで軽いタッチの感覚処理の時間分解能を提供するために、事象関連電位（ERP）の方法論との新たなデリバリーシステムを組み合わせた。
この新しいパラダイムは、多様な集団、年齢や臨床現場で感覚処理を研究するために必要な柔軟性を提供しています。また、多感覚的評価を可能にし、聴覚刺激と互換性があるという利点がある。今までは、正確で信頼性の高い触覚評価は、乳児または確実に起因する知的/言語障害に対応することができない子どもたちには不可能であった。この方法論は、最大の脳の可塑性の期間の間に感覚処理の赤字と介入の早期発見を支援するために、このギャップを埋めることを目指しています。幼児期における感覚処理の改善は、カスケードに影響を与える可能性が神経発達の
ヴァンダービルト治験審査委員会は、プロトコルを承認し、次の手順がすべて含まれています。
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Protocol
1。ライトタッチへの対応の評価
- 子供や乳児の頭に電極ネット（ 例えば 128チャンネル測地センサネット）を配置します。温かい生理食塩水を使用して完全な接触のためのセンサーを調整します。子供に関する場合、子が親や介護者のラップで楽に座っていることを確認してください。幼児にいる場合は、その乳児が軽く巻いいずれか介護者の腕の中で、またはオープンベビーベッドでの仰臥位に保持されていることを確認してください。
- 0.5センチメートルテスト手の人差し指の先端の下に1mmのノズルを配置します。金型ホルダーに幼児のための幼児やPalm用の指を置き、指や手にノズルから一貫した距離を確保するために関節にベルクロテープ近位および遠位で固定します。それは子供がテストセッション全体を通じて適切な指の位置を維持することが必要不可欠である。定期的に、指や手の配置を評価し、若い場合は、介護者との子供を持つことによって、これを確認してください。幼児をテストする場合、プロトコルを停止幼児が泣くと再起動する前に、快適さをご提供しております。幼い子供をテストする場合は、短いテスト期間全体での快適さと安心を提供するために、介護者に依頼してください。
- 触覚刺激のための弁の入力を供給するために調整器を通して40psiで空気圧縮機を起動する。
- 刺激配信プログラムを実行します。
- テスト手のために、本60パフ刺激はランダムに60偽試験（指から離れて指摘した別々のノズルを介して供給される空気パフ）が点在。
- 行のパフまたは偽の二つ以上の繰り返しを提示しない。 2,000〜2,500ミリ秒の間でランダムに試行間の間隔を変化させる。この目的は、刺激がもはや知覚される馴化を低減することである。 120試験のシーケンスの合計時間は4.5〜5分である必要があります。
- 非対称性感覚障害を研究する一方、再び同一のプロトコルを実行します。
- プロトコルのための刺激に注意を必要としないが、それ以上に設定する必要はありません。 T彼は、幼児のテストに適用されます。 （記録中の大きな特定のERPピークになる）幼児の注意の強化のために、タスクを提供します。
- 5歳児のためのタスクの例：「水槽」（フグ装置を隠し飾ら箱）に「魚」に吹か「気泡」として空気パフを説明してください。それぞれの「バブル」が青または赤」の魚」で配信されているかどうかを推測する子供たちを頼む。 （ 図1のモック水族館で設定を参照）、彼らがする必要はありません子供を教え、彼らはこのタスクを実行している間は何も言うべきではない。
2。多感覚議定書への対応の評価（聴覚、触覚の同時対個々の応答を合計）
- 上記のようなステップを1.1〜1.3を介して実行。刺激は、表1に記載されている。
- （ 例えば 、E-プライムソフト）で刺激配信プログラムを実行します。テスト手のための、聴覚、触覚パフ、puff-/ga /、/ GA /シャム、シャム：パラダイム/刺激60試験で、無作為に以下の4刺激を提示することができます。繰り返しますが、慣れの可能性を制限するために、いずれかの条件に一列にパフまたは偽の二つ以上の繰り返しを提示し、ランダムに2,000〜2,500ミリ秒の間に試行間の間隔を変えることはありません。 240試験の各シーケンスは、9月10日分の間取る必要があります。
- 一方で同一のプロトコル経由で実行します。
- プロトコルの開始時に無音年齢に応じた漫画を提供し、落ち着きのなさから運動の成果物の増加を防ぐために、作業中はそれを続け、彼らは退屈しているとき、大きな患者によって生成されたデルタ波からバックグラウンドを減少させる。例えば、5歳児では、我々は、購入したビデオの20分のループを使用し、各被験者が試験前にミュートし、再起動で再生。刺激に対する全く注意が必要とされない、したがって、ループ漫画は刺激から切り離さ視覚的な背景を提供しています。
- ソフトウェアをプログラムするには、刺激制御アプリケーションから送信された2シリアルコマンドを設定します。一つは、他の偽、パフを識別します。刺激制御アプリケーションは、マイクロコントローラにコマンドを送信する必要があります。
- マイクロコントローラは、対応するデジタル出力チャンネルにTTLパルス（ 例えば 20ミリ秒の持続時間）を生成できます。この出力は2系統、脳波記録システムへのデジタル入力用と電磁ゲート式の空気弁に1に分割する必要があります。マークEEGデータストリームの両方の弁の開放。
- オシロスコープとマイク付き本当および偽の条件の両方にパフの待ち時間にパルスを測定します。これらは、均一な、10〜15ミリ秒のオーダーである必要があります。待ち時間の後の記録のために調整します。
- 圧力計を使用してPSIのノズルに加わるとノズル径を測定することにより、力を計算します。式F（N）=圧力*領域を使用します。例えば、力が加わる詳細frオム6 psiで1mmの半径ノズルはF（N）= 0.03ポンドをもたらす。
- 多感覚プロトコル用の制御アプリケーションを変更するには、実際のパフまたは偽マイクロコントローラだけでなく、記録された音声や沈黙を特定する2シリアルコマンドを送信します。注意：私たちのパラダイムでは、我々はこのようなDA /、/デュ/、/ BU / など /他のものの間で生成したコンピュータ、アクセントに中立/ GA /音声を、使用している。
- 、正中線に配置されたスピーカーから、聴覚刺激を提示し、被験者の前で2フィート。
- パフの発症またはテスターすることが望ましい状況に応じて、ステップ3.3で測定された遅延と同時であることが、サウンドオンセットタイミングを合わせます。
4。データ収集と準備
- 標準のERPの方法論に基づいてデータをサンプリングするためのフィルタと参照設定を選択します。ここでは、0.1から400 Hzに設定されたフィルタで千ヘルツを使用しています。データ収集中、Czは、すべての電極を参照し、AVERにオフラインでrereferenced年齢参照。
- セグメントにデータが必要なフィルタとセグメント化して記録されたデータをフィルタリングします。この研究では200ミリ秒刺激前のベースラインと500ミリ秒後の刺激間隔が含まれるように刺激開始に基づいて、進行中の脳波を0.3から40 Hzのバンドパスフィルタおよびセグメントを使用しています。
- データの品質管理を行う。 ERPソフトウェアに含まれるコンピューターアルゴリズムを用いて、このような高周波筋活動としてのモータおよび眼球アーチファクト各セグメントをスクリーニングする。マニュアルレビューすることで、この画面に従ってください。
- 自動化されたスクリーニング基準は、このプロトコルで、以下のように設定されていますが、変更することができます：目のチャネル、電圧> 140μV=まばたきと電圧> 55μV=眼球運動のために。
- 眼アーティファクト補正ツールを使用して汚染された試験から正しいデータ。注意：電圧> 200μVを持つ任意のチャネルが低品質であると考えている。 > 15のチャネルが低品質のものである場合、我々は再現性の理由から全体の裁判を破棄することにしました。
- 平均のERP。平均基準にそれらをRereferenceし、ステップ4.2で選択した基準に基づいて、ベースライン補正を行う。事前に定義された集団の総平均波形から推定し、様々なピークの平均振幅とピークレイテンシを抽出します。注意：この例では、我々は正中神経刺激10月14日にそれ以上の年齢のお子様の応答の確立された文献で 次のように基づく。私たちは、P50（30〜80ミリ秒）、N70（50〜100ミリ秒）、P100（80〜150ミリ秒）、N140（130から230ミリ秒）、およびP2（250〜350ミリ秒）のピークを使用していました。
- （ 図2）のプリセット位置をオーバーラップした電極からのデータのみが含まれています。各クラスタ内の個々の電極と平均のデータを導出する。
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Representative Results
軽いタッチの評価（図3）。
フグシステムを使用して触覚刺激に対する皮質応答の特性：パフに応答して、ピークのパターンは、正常な成人10,11における正中神経の刺激を用いて得られた皮質応答と非常に類似している。 初期応答（P50、N70、P100のピーク）は、主に一次感覚野12の活動を反映しており、刺激の認識を必要としません。 発表された研究13,14で文書化されているように二次応答（N140ピーク）は、主として体性感覚刺激の二次感覚皮質と意識の活動を反映している。私たちのパラダイムにおけるこのピークは（ '魚の発泡気泡タスク」）をタッチするために注意によって変調された二次感覚皮質の処理を反映している。 後半応答（P2ピーク） 主に請うを反映している感覚刺激に関連する認知神経活動のイニング。このピークは触れる主観的な注意や不随意向き15,16を反映することができる。
偽対パフ：偽未満35デシベルで、非特異的な音のような音を提供していますが、それは17完全に聞こえないと考えているので、適切な偽制御を構成することができません。偽のパフ感のない空気パフの音であり、そのような試験のためのそのための皮質応答は触覚のSEPの検出に最適な左右の中央の場所に小さい。シャム試験は触覚刺激とは異なるトーンのような聴覚刺激と一致すべての条件の下で、早期低振幅応答を生成する。具体的には、ピーク振幅の分析は（P50（振幅平均差（D = -2.8 mVで2.7、P = 0.04）、N70（D = -3.9 mVで4.0、P = 0.04）とN140のための偽と空気パフの間に測定可能な差を示したD = -4.1mVで3.5、P = 0.02）。
片麻痺脳性麻痺児の影響を受けていない手のフグ応答対影響を受けるとの違い （J.小児神経 18から変更された表2を参照してください）。フグシステムのコンセプトの証明として、統計的な分析が影響を受け、手に比べて影響を受けた手の刺激時の違いを特徴づけるために、ピークの振幅と潜時で実施した。被験体集団は小さい（N = 8）であったが、有意差は両手の間に観察された。
多感覚のプロトコルに対応しての評価：聴覚、触覚の同時対合算個々の応答（図4）
同時触覚（パフ）と聴覚（音声）のプレゼンテーションに関連する多感覚インタラクションの効果を測定するためには、代数sに観察脳の反応を比較することが不可欠である聴覚と触覚刺激に対する応答のUMが個別に表示。この分析の原理はよく視聴覚研究19〜21に記載されています。この場合、偽音条件とパフだけでは条件が結合された偽のように、追加され-音声の音は、私たちは、図1に示されている低振幅の非特異的な聴覚の応答を考慮することができます。聴覚、触覚多感覚効果は皮質の応答21の初期段階で、通常明白であるため、我々は0から140ミリ秒の時間窓上で我々の観察を当てた。二つの正の計算されたピークは、P50（30〜80ミリ秒）とP100（80〜150ミリ秒）に対応して、観察される。この直後に、大きな負の偏向は、おそらくN140（130〜230ミリ秒）に対応する、観察することができる。
10人の子供（年齢5-8）（ 図4）の第二の研究では、聴覚·触覚の条件に忠実多感覚応答は差があるように観察することができすべての3つのたわみにおけるS。加算され、多感覚の平均振幅の振幅との違いは、個々の感覚応答に多感覚神経プロセスの貢献を表しています。音声空気パフ刺激に対する多感覚、聴覚、触覚応答の存在は、神経行動措置22を使用して、成人で示唆されていたと、このERPの方法論は、同様に子供のその存在を確認するように見えますが、皮質処理のレベルで。
| ERPピークス | 応答の特性 | 影響を受けていないVS影響を受けたため、P |
| P50とN70 | affecteの間には統計的な差はないDおよび影響を受けていない手の刺激 | NS |
| N140 | ↑影響を受けた振幅 | 0.036 |
| 影響を受けていない手の刺激に比べて | ||
| P2 | 影響を受けた中↓振幅同側および対↑ | 0.046 |
| 影響を受けていない手の刺激に比べて | ||
| 影響を受けた手に↑の待ち時間同側のみ | 0.005 | |
| 対側に比べて |
| 感覚モダリティ | 刺激の種類 | 具体例 |
| 聴覚の | 言語音 | コンピュータ生成された/ GA /サウンド |
| 非特異的なサウンド | 空気パフで生成された音のような音 | |
| 触覚の | 軽いタッチ | 校正された空気パフ |
| タッチと同時に音声 | 同時/ GA /およびパフ |
表2。脳性麻痺児の患者と正常手のためのフグ結果の比較（N = 8）。
図1のERP、ネット上の電極のクラスタ表現。：
C：centroparietal
F：正面
奇数番号が左側の位置に対応
偶数番号の右側の位置に対応
図2。子供は多感覚検査を受け、圧縮空気はボール紙「アクアリウム箱」を通じて出入り指が固定される粘土の型に黄色の柔軟なノズルを通って流れる。偽パフのために、圧縮空気が箱の後ろに向けたノズルを通って流れる。 ERPのネットが整備されているし、子供は彼の腕、環境、およびボックスを視覚化することができます。
図3。影響を受けた手の刺激に反対皮質側のパフおよび偽コントロールに対する応答の比較 。トレーシングは、N = 8の子供（年齢5-8）、centroparietal場所のみの平均値を表す。黒い線は、パフを表し、灰色の線は、偽の応答を表している。
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図4。触刺激、バイノーラル聴覚刺激に半球対側の体性感覚領域に記録された応答。トレーシングは、N = 10の子供（年齢5-8）の平均値を表す*、centroparietal場所のみ。グレーラインは/ GA /シャム+パフの計算された合計された応答を表し、黒線は、同時/ GA /-パフの真の多感覚応答を表す。
*これはまた、ヴァンダービルト、IRBが承認したプロトコルで、2012年に行われ、図3で説明した1とは別の研究であった。
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Discussion
軽いタッチと触覚、聴覚応答の皮質処理を測定する（「フグシステム」という。）空気パフとERPのこの新規な組み合わせはよく障害のある幼児で、幼児によって許容されている。これはunisensoryと多感覚のバージョンについても同様、と注意のコンポーネントは、幼児の場合には追加されているかどうか。若くて傷つきやすい人口を評価する上で、この方法論の成功の理由は、ERPの方法や機器の使用に無害な触覚刺激の使用だけでなく、両方によるものである。多感覚パラダイムは10分間かかりながら触覚パラダイムは、5分の合計で行うことができる。これは幼児または行動の課題と被験者の評価に特に便利です。刺激自体は電気神経刺激とは対照的に、寛容nonissue作り、軽い接触や圧力を超えることはありませんように較正することができる。目の最後に、オープン性と柔軟性E測定装置、一般的な環境と物理的な拘束がないことは、実験のための安心と子供に優しい設定を作成します。これは、特に光おくるみによって慰めすることができ、介護者によって保持されている乳児でも同様である。したがって、この方法論は、健康と病気のスペクトルだけでなく、幼児期から成人期までの古い寿命を通じて全体の患者集団のためのアプリケーションを持っています。
これらの特性は「フグシステム「機能的MRIよりも幼児の管理が容易になりますが、ERPは、空間分解能24と同程度を提供していません。注意してもよく研究体性感覚ポテンシャル25例では、下にある構造にERPの信号源を帰属で使用する必要があります。これは、大規模な占拠性脳病変を持つ子どものために特に関連しています。しかし、フグシステムによって提供される時間分解能は、直接正中神経STIMのそれに等しいulationは成人では、人の様々なERPのピークの皮質起源は十分に特徴付けられている。
このパラダイムにおける重要なステップは、最適なERPの信号を達成するために、より密に神経支配地域に近接するノズルの位置である。手、足、顔はその緻密な神経支配と体性感覚野で大きな感覚の表現に起因する明白な選択である。圧縮空気の力は、圧縮機を介して、またはノズル直径の変更のいずれかを介して、最適化することができる。ノズル自体のレベルで力を校正する圧力計の使用は、精度を確保することをお勧めします。ベルクロストラップで金型やアームボードと手の適切な配置を確保することは、さらにノズルと皮膚表面との距離が一定に保たれることを保証します。
注意さらにパラダイム投与のための時間を減少又はstimulの数を増加しようとする際に使用されるべきである当方試験。六十試験は明確なERPの信号を生成し、成果物のために、いくつかのデータ損失を許容するのに十分であるが、少数の試験では、信頼性、再現性のあるデータが得られないことがあります。逆に、条件ごとに複数の試験では、ERPの信号強度を向上させることができるだけでなく、刺激に慣れにつながる可能性、または原因退屈にモータ/眼のアーチファクトを増加させた。
方法論に組み込まれている可能性のある変更は、刺激に対する注意の効果に関する研究である。刺激は注意を必要としない程度に軽いですが、これは簡単に、特にP50からN140への早期のピークにおけるERPの振幅の増加、その結果、向上させることができる。また、組み込みに多感覚システム様言語音と音の付加である。聴覚及び触覚的信号のタイミングは、他の上の1つのモダリティの効果を研究するために、互い違いに同時との間で変更することができる。
近い将来に実現されたアプリケーションは、より広い拡張子を含めるこのような集中治療室入院だけでなく、障害を持つ青年のように新生児期における脳損傷や異常な感覚経験を持つ乳児と新生児へのパラダイム。このようなテストの値は、将来の感覚運動手足の機能の両方を予測することができます。また、接続された入力など、複数の感覚ストリームを処理し、感覚統合を目的とした治療法のための有効性の尺度であると子供たちの能力を示すことができる。成人は、触覚刺激の力は、同様の結果を提供するために増加される必要があり得る。最後に、多感覚モデルへの視覚刺激の追加は概念的な段階にあり、感覚処理機能および障害を測定するための非常に貴重な客観的なツールを提供します。
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Disclosures
著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。
Acknowledgments
記載されたプロジェクトは、研究資源のための国民の中心、グラントUL1 RR024975-01でサポートされている、および翻訳科学、グラント2 UL1 TR000445-06を前進させるためのナショナルセンターで今した。内容はもっぱら著者の責任であり、必ずしもNIHの公式見解を示すものではありません。
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
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