Summary
Medición objetiva y fácil de procesamiento sensorial es extremadamente difícil en pacientes pediátricos no verbales o vulnerables. Hemos desarrollado una nueva metodología para evaluar cuantitativamente los bebés y procesamiento cortical de los niños de tacto ligero, los sonidos del habla y el procesamiento multisensorial de los estímulos 2, sin que se requiera la participación de sujeto activo o causar molestias en los pacientes vulnerables.
Abstract
Medición objetiva y fácil de procesamiento sensorial es extremadamente difícil en pacientes pediátricos no verbales o vulnerables. Hemos desarrollado una nueva metodología para evaluar cuantitativamente el procesamiento cortical de los niños de tacto ligero, los sonidos del habla y el procesamiento multisensorial de los estímulos 2, sin que se requiera la participación de sujeto activo o causar molestias niños. Para ello hemos desarrollado un doble canal, el tiempo y la fuerza calibrada estimulador soplo de aire que permite tanto la estimulación táctil y control simulado. Combinamos esto con el uso de la metodología de potenciales evocados para permitir una alta resolución temporal de las señales de las cortezas somatosensoriales primaria y secundaria, así como el procesamiento de orden superior. Esta metodología también nos permitió medir la respuesta a la estimulación multisensorial auditivo-táctil.
Introduction
El estudio del desarrollo de los procesos sensoriales corticales es esencial para entender la base para la mayoría de las funciones de orden superior. Experiencias sensoriales son responsables de gran parte de la organización del cerebro a través de la infancia y la niñez, sentando las bases para procesos complejos como la cognición, la comunicación, y el desarrollo motor 3.1. La mayoría de los estudios pediátricos de los procesos sensoriales se centran en dominios auditivas y visuales, principalmente debido a que estos estímulos son más fáciles de desarrollar, estandarizar y prueba. Sin embargo, el procesamiento táctil es de particular interés en lactantes y niños, ya que es el primer sentido para desarrollar en el feto de 4,5, y la información somatosensorial es parte integral de la función de otros sistemas corticales (por ejemplo, del motor, de la memoria, aprendizaje asociativo, límbico) 6. Los métodos actuales que evalúan el procesamiento somatosensorial están limitadas por la elección de estímulo táctil. Una opción común es la mediana de estimulación nerviosa eléctrica directa 7,8 9. Todos estos métodos son, por tanto, limitados en su uso en niños pequeños y bebés.
Por lo tanto, nuestro objetivo fue desarrollar un paradigma táctil que se ocupa de estas limitaciones por ser no invasivo y reduce la necesidad de la participación activa de un sujeto. Además, es necesario tener un nivel estandarizado de estimulación y un simulacro de control. Para ello hemos desarrollado el sistema de "globo", un doble canal, por tiempo, y el sistema de suministro de aire-puff calibrado, lo que nos permite medir los efectos del toque de luz en los lactantes y otros grupos vulnerables.
Estudios de resonancia magnética funcional mostraron que la estimulación por bocanadas de aire activa cortezas sensoriales, aunque la duración y los retos de este tipo de estudios, como la inmovilización, lengtus sesiones, y los ajustes que provocan ansiedad hacen difícil de realizar en niños pequeños. Por lo tanto, hemos combinado nuestro nuevo sistema de introducción a la metodología (ERP) de eventos relacionados con Potencial para proporcionar resolución temporal del procesamiento sensorial del tacto ligero en una breve, sesión de pruebas para los niños.
Este nuevo paradigma ofrece la flexibilidad necesaria para estudiar el procesamiento sensorial en diversas poblaciones, edades y entornos clínicos. También tiene la ventaja de ser compatible con los estímulos auditivos, permitiendo evaluaciones multisensorial. Hasta ahora, la evaluación precisa y fiable táctil no ha sido posible en los bebés o en los niños que no son capaces de responder de manera fiable debido a trastornos mentales / lenguaje intelectual. Esta metodología pretende llenar este vacío con el fin de ayudar en la identificación temprana de los déficit de procesamiento sensorial y la intervención durante un período de plasticidad cerebral máxima. Las mejoras en el procesamiento sensorial en la infancia pueden influir en la cascadadel neurodesarrollo
En los procedimientos siguientes se han incluido en Vanderbilt Junta de Revisión Institucional aprobado protocolos.
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Protocol
1. Evaluación de la Respuesta a la luz del tacto
- Coloque la red de electrodos (por ejemplo, 128 canales geodésica red de sensores) el niño o la cabeza del bebé. Ajustar los sensores de contacto pleno uso de solución salina caliente. Si a un niño, asegúrese de niño está sentado cómodamente en padre o cuidador regazo. Si en un bebé, asegúrese de que niño está ligeramente envuelto y, o bien en los brazos de los cuidadores o en posición supina en una cuna abierta.
- Coloque una boquilla de 1 mm de 0,5 cm por debajo de la punta del dedo índice de la mano probado. Coloque el dedo para un niño pequeño o de la palma de un niño en un soporte de molde y asegurar con cinta Velcro proximal y distal a la articulación para asegurar distancia constante de la boquilla con el dedo o la mano. Es absolutamente esencial que el niño mantiene la posición del dedo adecuado durante la sesión de pruebas. Asegúrese de que esta evaluando periódicamente dedo y colocación de las manos y tener hijos con el médico si el joven. Si la prueba a un bebé, deje de protocolosi el bebé llora y proporcionar comodidad antes de reiniciar. Si la prueba del niño pequeño, Consulte con el médico para proporcionar comodidad y seguridad a lo largo del período de prueba corto.
- Comience compresor de aire a 40 psi a través del regulador para suministrar insumos de válvulas para los estímulos táctiles.
- Ejecute el programa de entrega de estímulos.
- Para la mano probado, presentes 60 de hojaldre estímulos intercalan aleatoriamente con 60 simulacros de proceso (un soplo de aire emitido a través de una boquilla separada apuntando en dirección opuesta a la del dedo).
- No presente más de dos repeticiones de un soplo o farsa en una fila. Varíe los intervalos entre ensayos al azar entre 2.000-2.500 ms. El propósito de esto es para reducir la habituación, donde un estímulo ya no se percibe. El tiempo total de una secuencia de 120 ensayos debería ser 4,5-5 min.
- Ejecutar el protocolo idéntico de nuevo por el otro lado, si el estudio de trastornos somatosensoriales asimétricas.
- Para los protocolos que no requieren la atención a los estímulos no configurar más se necesita. Tsu aplica a pruebas de bebé. Para la mejora de la atención en los niños pequeños (que se traduce en grandes picos ERP específicos en la grabación), proporcionará una tarea.
- Ejemplo de tareas para 5 años de edad: Describa bocanadas de aire como "burbujas" soplado por "peces" en una "pecera" (una caja decorada ocultar el aparato soplador). Pida a los niños que adivinar si cada "burbuja" se entrega por un azul o un "pez" de color rojo. Dígale al niño que no es necesario y no debe decir nada, mientras que están realizando esta tarea (ver configurado con acuario simulacro en la Figura 1).
2. Evaluación de la Respuesta al Protocolo Multisensorial (auditivo-táctil vs simultánea Resumió las respuestas individuales)
- Ejecutar a través de los pasos 1.1 a 1.3 como se describe anteriormente. Los estímulos se describen en la Tabla 1.
- Ejecute el programa de suministro de estímulo (por ejemplo, en el software de E-Prime). Para la mano a prueba, un auditorio-táctil paradigma puede presentar los siguientes 4 estímulos al azar, con 60 ensayos / estímulo: puff, puff-/ga /, / ga /-farsa, farsa. Una vez más, al limitar la posibilidad de la habituación, no presentar más de dos repeticiones de un soplo o farsa en una fila en cualquier condición, y variar los intervalos entre ensayos al azar entre 2.000-2.500 ms. Cada secuencia de 240 ensayos debe tomar entre 9-10 min.
- Ejecutar protocolo idéntico el control para la otra parte.
- Proporcionar una caricatura apropiada para su edad sin sonido al inicio del protocolo y continuarlo durante todo el procedimiento para evitar aumento de artefactos de motor de inquietud, y para disminuir el fondo de las grandes ondas delta generado por el paciente cuando están aburridos. Por ejemplo, en los niños de 5 años, hemos utilizado un bucle de 20 min un vídeo comprado, jugado en el mudo y reiniciado antes de cada sujeto se puso a prueba. No se necesita ninguna atención a los estímulos, por lo tanto, la caricatura en bucle proporciona un entorno visual desconectado de los estímulos.
- Para programar el software, la creación de dos comandos serie enviados por la aplicación de control de estímulos. Uno identifica el soplo, la otra la farsa. Haga que la aplicación de control de estímulos enviar los comandos a un microcontrolador.
- Tienes el microcontrolador generar un pulso TTL (por ejemplo, 20 ms de duración) para el canal de salida digital correspondiente. Esta salida debe ser separado en dos líneas, una para la entrada digital al sistema de registro de EEG y una para las válvulas de aire solenoide cerrada. Marque la apertura de ambas válvulas en el flujo de datos de EEG.
- Mida el pulso a la latencia de hojaldre para ambas condiciones reales y simuladas con un osciloscopio y un micrófono. Estos deben ser uniforme, y en el orden de 10-15 mseg. Ajuste de la latencia después de la grabación.
- Calcular la fuerza ejercida en la boquilla en PSI utilizando un manómetro y midiendo el diámetro de la boquilla. Utilice la fórmula F (N) = Presión * Area. Por ejemplo, la fuerza ejercida FROM una boquilla radio de 1 mm a 6 psi produce F (N) = 0,03 libras.
- Para modificar la aplicación de control para el protocolo multisensorial, enviar dos comandos serie que identifican un soplo real o simulada al microcontrolador, así como un sonido de voz grabada o silencio. Nota: En nuestro paradigma se ha utilizado la generada por ordenador, acento neutral / ga / sonido, entre otros, como / da /, / du /, / bu /, etc.
- Estímulos auditivos presente a través de un altavoz colocado en la línea media, 2 pies delante del sujeto.
- Alinear la sincronización de inicio de sonido a ser simultánea con el inicio de la bocanada o con el retraso medido en el paso 3.3, dependiendo de la condición es deseable para el probador.
4. Adquisición de Datos y Preparación
- Elija filtros y referencias ajustes para muestrear los datos basados en las metodologías de ERP estándar. En este caso, use un 1000 Hz con filtros establecidos a 0,1 a 400 Hz. Durante la recogida de datos, consulte todos los electrodos de Cz y les rereferenced offline a un promedioReferencia edad.
- Para segmentar los datos, filtrar los datos registrados con filtros y segmentación deseados. Para este estudio se utiliza un filtro de paso de banda de 0,3 a 40 Hz y el segmento de la actual EEG basa en la aparición de estímulo para incluir una línea de base 200 ms prestimulus y un intervalo post-estímulo de 500 mseg.
- Realizar el control de calidad de los datos. Screen cada segmento de artefactos a motor y oculares como la actividad muscular de alta frecuencia, usando algoritmos informáticos incluidos en el software ERP. Siga esta pantalla por una revisión manual.
- Los criterios de selección automatizado se establecen de la siguiente manera en este protocolo, pero se pueden modificar: para los canales del ojo, tensión> 140 mV = parpadeo y tensión> 55 mV = movimientos oculares.
- Corrija los datos de los ensayos contaminados utilizando una herramienta de corrección artefacto ocular. Nota: Cualquier canal con tensión> 200 mV se considera de mala calidad. Si> 15 canales son de mala calidad, se optó por descartar todo el juicio por razones de reproducibilidad.
- ERPs media. Rereference a un medio de referencia y luego realizar la línea de base de corrección basado en criterios seleccionados en el paso 4.2. Extracto de media amplitud y latencias máximas para varios picos, extrapolados de grandes formas de onda medias de las poblaciones predefinidas. Nota: En nuestro caso, nos basamos en la siguiente literatura establecida de la respuesta de los niños de más edad a la estimulación del nervio mediano 10-14. Utilizamos P50 (30-80 ms), N70 (50-100 ms), P100 (80-150 ms), N140 (130-230 ms) y P2 (250-350 ms) picos.
- Incluya sólo los datos de electrodos superpuestos lugares preestablecidos (Figura 2). Obtener los datos de los electrodos individuales y promedio dentro de cada grupo.
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Representative Results
Evaluación de toque ligero (Figura 3):
Características de la respuesta cortical a la estimulación táctil usando el sistema del soplador: Los patrones de picos en respuesta a la bocanada son muy similares a las respuestas corticales obtenidos utilizando la estimulación del nervio mediano en adultos normales 10,11. La respuesta temprana (P50, N70, P100 picos) refleja principalmente la actividad en la corteza sensorial primaria 12 y no requiere el conocimiento de la estimulación. La respuesta secundaria (pico N140) refleja principalmente la actividad en la corteza sensorial secundaria y la conciencia de un estímulo somatosensorial como se ha documentado en los estudios publicados 13,14. Este pico en nuestro paradigma refleja los procesos en la corteza sensorial secundaria, modulados por la atención al tacto (la "tarea soplando burbujas de pescado"). La respuesta tardía (pico P2) refleja principalmente el beginning del cognitiva actividad neuronal relacionada con la estimulación sensorial. Este pico puede reflejar la atención subjetiva de tocar y la orientación involuntaria 15,16.
Soplo vs simulado: A pesar de que el tratamiento simulado presenta un sonido de tono-como no específica a menos de 35 dB, no puede considerarse completamente inaudibles 17, y por lo tanto constituye un simulacro de control apropiada. La farsa es el sonido de la bocanada de aire y sin la sensación del soplo, y por lo tanto, las respuestas corticales para tales ensayos son pequeños en ubicaciones centrales izquierdo y derecho óptimas para la detección de los SEP táctiles. Pruebas de Sham produjeron respuestas principios de baja amplitud en todas las condiciones, diferentes de la estimulación táctil y consistentes con los estímulos auditivos de tono similar. En concreto, el análisis de amplitudes máximas mostró una diferencia apreciable entre el simulacro y el soplo de aire para P50 (diferencia media de amplitud (D = -2,8 mV 2,7, p = 0,04), N70 (D = -3,9 mV 4,0, p = 0,04) y la N140 ( D = -4,1mV 3,5, p = 0,02).
Las diferencias entre los afectados frente a las respuestas puffer parte no afectados en niños con parálisis cerebral hemiparetic (véase el cuadro 2, modificado a partir de J. Child Neurology 18). Como una prueba de concepto para el sistema Puffer, se realizó un análisis estadístico de amplitudes máximas y las latencias de caracterizar las diferencias a la estimulación de la mano afectada en comparación con la mano no afectada. Mientras que la población de sujetos fue pequeño (N = 8), no se observaron diferencias significativas entre las dos manos.
Evaluación de la respuesta al protocolo multisensorial: auditivo-táctil vs simultánea respuestas individuales sumadas (Figura 4)
Para determinar los efectos de las interacciones multisensoriales asociados con lo táctil simultánea (puff) y auditiva (sonidos del habla) presentación es esencial para comparar la respuesta del cerebro a los observados s algebraicasum de las respuestas a la estimulación auditiva y táctil presenta por separado. Este principio de análisis ha sido bien documentada en estudios audiovisuales 19-21. En este caso, se añaden la condición simulada de sonido y la condición solo soplo, como una farsa junto - habla y sonido nos permite dar cuenta de la amplitud respuestas auditivas inespecíficos bajos demostrados en la Figura 1. Dado que los efectos multisensoriales-auditivas táctiles suelen ser evidentes en las primeras fases de las respuestas corticales 21, enfocamos nuestra observación en la ventana de tiempo ms 0-140. Se observan dos picos calculados positivos, correspondiente a la P50 (30-80 mseg) y P100 (80-150 ms). Inmediatamente después de esto, una gran desviación negativa se puede observar, más probable correspondiente a la N140 (130-230 mseg).
En un segundo estudio de 10 niños (edades 5-8) (Figura 4), la verdadera respuesta multisensorial a condición auditivo-táctil puede ser observado a tener diferencias en los tres deflexiones. La diferencia entre la amplitud de las amplitudes medias suman y multisensorial representa las contribuciones de los procesos neuronales multisensorial a las respuestas sensoriales individuales. La existencia de una respuesta auditiva táctil multi-sensorial a un discurso soplo de sonido al aire estímulo había sido sugerido en los adultos mediante el uso de medidas neuroconductuales 22 y esta metodología ERP parece confirmar su existencia en los niños también, pero a nivel de procesamiento cortical.
| ERP Peaks | Características de respuesta | P para afectada vs no afectado |
| P50 y N70 | No hay diferencia estadística entre affected e inafectado mano estimulación | NS |
| N140 | ↑ amplitud afectada | 0.036 |
| en comparación con la estimulación mano no afectada | ||
| P2 | ↓ amplitud ipsilateral y contralateral en ↑ afectada | 0.046 |
| en comparación con la estimulación mano no afectada | ||
| ↑ ipsilateral latencia en la mano afectada sólo | 0.005 | |
| en comparación con el contralateral |
| Modalidad sensorial | Tipo de Estímulo | Ejemplo específico |
| auditivo | Sonido del habla | generados por computadora / ga / sonido |
| Sonido no específica | sonido de tono similar generada por soplo de aire | |
| táctil | Toque de luz | soplo de aire calibrada |
| Sonido del habla simultánea con el tacto | simultánea / ga / y puff |
Tabla 2. Comparación de los resultados del soplador de mano afectada y no afectada en niños con parálisis cerebral (N = 8).
. Figura 1 Representación racimo de electrodos en la red ERP:
C: centroparietal
F: frontal
Los números impares corresponden a las ubicaciones del lado izquierdo
Los números pares corresponden a las ubicaciones del lado derecho
Figura 2. Niño en fase de pruebas multisensorial. Aire comprimido fluye a través de boquillas flexibles amarillo a través de cartón "caja acuario" y salió al molde de arcilla en el que está asegurado el dedo. Para puffs farsa, el aire comprimido fluye a través de la boquilla orientada en la parte trasera de la caja. Net ERP está en su lugar y el niño puede visualizar el brazo, el entorno, y la caja.
Figura 3. Comparación de las respuestas al hojaldre y control simulado en la parte cortical contralateral a la estimulación de una mano afectada. Los trazados representan promedios de N = 8 niños (edades 5-8), ubicaciones centroparietal solamente. Línea de Negro representa puff, línea gris representa la respuesta simulada.
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Figura 4. Respuestas registradas en el área somatosensorial del hemisferio contralateral al estímulo táctil, estímulo auditivo binaural. Calcos representan promedios de N = 10 niños (edades 5-8) *, lugares centroparietal solamente. Línea gris representa calculado respuesta sumada de / ga /-farsa + puff, línea de color negro representa la verdadera respuesta multisensorial del simultánea / ga /-puff.
* Este fue un estudio separado de la descrita en la Figura 3, realizado en 2012, también con los protocolos aprobados por el IRB de Vanderbilt.
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Discussion
Esta nueva combinación de soplo de aire y ERP (en adelante, el "sistema Puffer") para medir el procesamiento cortical de toque ligero y respuestas táctiles auditiva es bien tolerado por los niños pequeños con discapacidades y de los lactantes. Esto es válido para las versiones unisensory y multisensoriales, y si el componente de atención se agrega o no en el caso de los niños pequeños. Las razones para el éxito de esta metodología en la evaluación de una población joven y vulnerable se deben tanto a la utilización de un estímulo táctil inocuos, así como a la utilización de métodos y equipos de ERP. El paradigma táctil se puede realizar en un total de 5 minutos, mientras que el paradigma multisensorial toma 10 min. Esto es especialmente útil para la evaluación de niños pequeños o personas con problemas de comportamiento. El estímulo en sí mismo puede ser calibrado para no superar jamás ligero toque o presión, por lo que la tolerancia a nonissue, a diferencia de la estimulación nerviosa eléctrica. Por último, la apertura y la flexibilidad de thdispositivo de medición electrónico, el entorno habitual y la falta de restricción física crean un ambiente tranquilizador y favorable a los niños para los experimentos. Esto es especialmente cierto en los niños que pueden ser consolados por envolver la luz y en poder de un cuidador. Por lo tanto esta metodología tiene aplicaciones para las poblaciones de pacientes en todo el espectro de la salud y la enfermedad, así como a través de la esperanza de vida desde la infancia a la edad adulta mayor.
Si bien estas características hacen que el "sistema Puffer" más fáciles de administrar en niños pequeños que la RM funcional, ERP no proporciona el mismo grado de resolución espacial 24. Se debe tener precaución en la atribución de las fuentes de señal de ERP a las estructuras subyacentes, incluso en el caso de los potenciales somatosensoriales bien estudiados 25. Esto es especialmente relevante para los niños con grandes lesiones cerebrales ocupantes de espacio. Sin embargo, la resolución temporal que ofrece el sistema del soplador es igual a la de la estimulación directa del nervio medianoulación en adultos, en los que los orígenes corticales de varios picos de ERP han sido bien caracterizado.
Un paso crítico en este paradigma es el posicionamiento de la boquilla en la proximidad de las áreas más densamente inervadas con el fin de lograr óptima de la señal de ERP. Las manos, los pies y la cara son opciones obvias debido a su densa inervación y grandes representaciones sensoriales de la corteza somatosensorial. La fuerza del aire comprimido también puede ser optimizado, ya sea a través del compresor o a través de la modificación del diámetro de la boquilla. Se recomienda el uso de un manómetro para calibrar la fuerza a nivel de la propia boquilla para asegurar la exactitud. Garantizar la colocación apropiada de la mano con un molde o placa para brazo con tiras de velcro se asegurará, además, que la distancia entre la boquilla y la superficie de la piel se mantiene constante.
Precaución debe utilizarse también para tratar de disminuir aún más el tiempo para la administración paradigma o aumentar el número de stimulnos ensayos. Sesenta pruebas son suficientes para generar una señal de ERP claro y permitir una cierta pérdida de datos debido a los artefactos, pero un menor número de ensayos no pueden producir, datos reproducibles. Por el contrario, más ensayos por condición puede mejorar la potencia de la señal de ERP, pero también podría dar lugar a la habituación a los estímulos, o el aumento de los artefactos de motor / ocular debido al aburrimiento.
Posibles modificaciones incorporadas en la metodología son el estudio de los efectos atencionales en estímulos. El estímulo es suficiente para no requerir la atención la luz, pero esto se puede mejorar fácilmente, lo que resulta en un aumento de las amplitudes de ERP especialmente en los primeros picos de P50 a N140. También integrado en el sistema multisensorial son la adición de sonidos del habla y tonos variados. La sincronización de las señales auditivas y táctiles también se puede modificar a partir simultánea para escalonada, para estudiar los efectos de una modalidad sobre otra.
Las solicitudes que sean realizadas en un futuro próximo incluyen la extensión más ampliadel paradigma de los bebés y los recién nacidos con daño cerebral o experiencias sensoriales anormales en el período neonatal, como la hospitalización de cuidados intensivos, así como los adolescentes con discapacidades. El valor de tales pruebas puede ser tanto de predicción de la futura función del miembro sensorio-motor. También puede ser indicativo de la capacidad de los niños para procesar múltiples flujos sensoriales como entradas conectadas y ser una medida de la eficacia de las terapias dirigidas a la integración sensorial. Para los adultos, puede ser necesario aumentar para proporcionar resultados similares la fuerza del estímulo táctil. Por último, las adiciones de los estímulos visuales en el modelo multi-sensorial se encuentran en etapas conceptuales y proporcionará una herramienta objetiva de incalculable valor para la medición de las funciones de procesamiento sensorial y trastornos.
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Disclosures
Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.
Acknowledgments
El proyecto que se describe fue apoyada por el Centro Nacional de Recursos para investigación, Grant UL1 RR024975-01, y se encuentra ahora en el Centro Nacional para el Avance de las Ciencias de traslación, de Grant 2 UL1 TR000445-06. El contenido es de exclusiva responsabilidad de sus autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de los NIH.
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 |
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