Summary
Évaluation du rythme EEG mu fournit une méthodologie unique pour examiner l'activité cérébrale et lorsqu'il est combiné avec des analyses basées comportemental, peut être un outil puissant pour élucider certains aspects de la cognition sociale, tels que l'imitation, dans les populations cliniques.
Abstract
L'électroencéphalographie (EEG) est une méthode efficace, efficace, et non invasive d'évaluation et enregistrement de l'activité cérébrale. Compte tenu de l'excellente résolution temporelle, EEG peut être utilisé pour examiner la réponse neuronale liée à des comportements spécifiques, états, ou des stimuli externes. Un exemple de cet utilitaire est l'évaluation du système des neurones miroirs (MNS) chez l'homme à travers l'examen du rythme EEG mu. Le rythme EEG mu, l'activité oscillatoire dans la gamme de fréquence 8-12 Hz enregistrées par des électrodes situées au centre, est supprimée lorsqu'un exécute individuels, ou tout simplement observe, but actions dirigées. En tant que tel, il a été proposé pour tenir compte de l'activité des MNS. Il a été émis l'hypothèse que le dysfonctionnement dans le système des neurones miroirs (MNS) joue un rôle contributif dans les déficits sociaux de troubles du spectre autistique (TSA). Les MNS peuvent ensuite être examinés de manière non invasive dans les populations cliniques en utilisant EEG mu rythme atténuation comme un indice de son activité. La prot décritocol offre un moyen d'examiner les fonctions cognitives sociales théoriquement liés aux MNS dans les individus avec un développement typique et atypique, comme TSA.
Introduction
L'électroencéphalographie (EEG) est une méthode efficace, efficace, et non invasive d'évaluation et enregistrement de l'activité cérébrale. Comme les neurones feu dans le cerveau, la tension qui en résulte peut être amplifié, enregistré, et représenté graphiquement. La résolution temporelle de l'EEG permet l'analyse de même de brèves modifications de la configuration d'oscillation du cerveau, ainsi que l'analyse de la réponse du cerveau à des stimuli spécifiques.
En dépit d'être la plus ancienne technique d'imagerie du cerveau, datant de la fin du 19 e siècle, l'EEG a encore applicabilité large. Bien que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a une excellente résolution spatiale, il a la résolution temporelle relativement pauvre. Ceci constitue une limitation majeure de l'évaluation IRMf compte tenu de la vitesse incroyable à laquelle les processus se produisent dans le cerveau. EEG a la capacité d'évaluer l'activité électrique du cerveau à l'échelle de la milliseconde, fournissant i potentielnSight dans les phases de traitement du cerveau.
L'évolution des technologies ont également élargi l'applicabilité de l'EEG. Une augmentation de la densité des systèmes d'enregistrement a permis le développement de techniques de localisation de la source, d'atténuer certaines des limites de l'EEG concernant la résolution spatiale. En outre, les systèmes modernes ont réduit le participant le temps d'installation de manière significative, permettant l'évaluation des populations auparavant inaccessibles, comme infantile et des échantillons cliniques 1-3,28-30.
Compte tenu de l'excellente résolution temporelle, EEG peut être utilisé pour examiner la réponse neuronale liée à des comportements spécifiques, états, ou des stimuli externes. Un exemple de cet utilitaire est l'évaluation du système des neurones miroirs (MNS) chez l'homme. Les neurones miroirs ont été identifiés à l'origine chez les singes à l'aide unique d'enregistrement des neurones 4, attestant d'un groupe deneurones qui ont répondu à la fois à l'exécution et l'observation des actions motrices. Ce procédé d'enregistrement direct de placer les électrodes dans le cerveau est rarement utilisée chez l'homme, et que dans des cas cliniques graves. EEG a fourni une méthode pour évaluer les MNS en surveillant le rythme EEG mu. Ce motif d'oscillation dans la plage de 8 à 12 Hz a été montré pour atténuer la puissance d'EEG en réponse à l'exécution et à l'observation des actions motrices, similaire à la configuration de l'activation observée chez les singes 7.5. De même, la stimulation des régions putatives du cerveau MNS par stimulation magnétique transcrânienne (par exemple, le frontal gyrus inférieur) abolit EEG mu rythme 8 et suppression de rythme EEG mu en corrélation avec les signaux BOLD de l'IRMf dans les régions miroir de neurones putatifs dans les sujets 9, fournir un soutien supplémentaire que ce rythme indices, au moins en partie, l'activité MNS. Évaluation du rythme EEG mu a permis une évaluation non invasive de neurone miroir acteivité chez l'homme.
EEG fournit une méthodologie unique pour examiner l'activité cérébrale et lorsqu'il est combiné avec des analyses basées comportemental, il peut être un outil puissant pour élucider certains aspects de la cognition sociale, tels que l'imitation, dans les populations cliniques. En outre, l'applicabilité de l'EEG pour une utilisation avec les populations souffrant de déficiences cognitives ou linguistiques permet de mieux comprendre les capacités des personnes pour qui les autres techniques d'imagerie ou paradigmes comportementaux peuvent être utiliser moins de succès. Le protocole décrit fournit un moyen d'examiner les fonctions cognitives sociales théoriquement liés au système des neurones miroir chez les personnes atteintes développement typique et atypique, comme le trouble du spectre autistique.
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Protocol
Le protocole suivant est conforme aux lignes directrices de la commission d'examen institutionnel de l'Université de Washington.
1. Évaluation électrophysiologique
- Préparation de la session
- Préparation de la salle: lieu manipulandum (voir la figure 1), un bloc de bois avec un capteur fixé, qui envoie un marqueur horodaté au logiciel d'acquisition quand il est saisi, sur la table dans saisissant portée du participant. Activer le logiciel d'acquisition EEG et commencer "nouvelle session" (figure S1).
- Préparation net: solution chaude de l'eau distillée (1 L), le chlorure de potassium (1 cuillère à soupe), et du shampoing pour bébé (1 cuillère à café) à 104 ° C. Faire tremper 128 électrode dense réseau système EEG dans la solution saline chauffée.
- préparation des participants: veiller à ce que le participant est assis confortablement environ 75 cm de l'écran de présentation du stimulus et entièrement en vue de la caméra vidéoère. Trouver et marquer le sommet sur la tête du participant avec un marqueur de la peau. Mesurer le vertex en trouvant l'intersection du point médian entre le nasion et l'inion et le point médian entre preauriculars.
- Net: Placez le bouchon EEG sur la tête du participant de telle sorte que l'électrode de sommet est placé directement au-dessus de la marque de sommet. Vérifiez impédances et veiller à ce que les impédances sont en dessous du seuil approprié pour le système EEG utilisé (figure S2).
- Démarrer une session vidéo taping.
- Configuration de l'enregistrement: signal de référence à l'électrode de sommet. filtre analogique entre 0,1 et 100 Hz, le signal amplifier, de numériser et de 500 échantillons / s.
- présentation de stimulation: présente participant avec 3 conditions: observer, exécuter et de repos, adapté du paradigme développé par Muthukumaraswamy et ses collègues 5.
- Respecter condition: Demandez participant à s'asseoir tranquillement et regarderune vidéo d'une personne saisissant le manipulandum. Chaque essai doit durer 6 sec. Durée de la vidéo pré-enregistré pour les essais d'observer avec précision pour garantir que la portée observé se produit exactement à 3 sec. Surveillance de l'attention visuelle des participants au cours de la tâche, et marquer des essais au cours de laquelle ils ne participent pas à l'écran pour être éliminée au cours de post-traitement.
- Exécuter état: Demandez participant à s'asseoir tranquillement avec repos de la main droite juste en dessous de la manipulandum et, après avoir entendu un signal auditif préenregistrée, d'imiter la benne de manipulandum de la condition clip observer. Chaque essai doit durer 6 sec. Assurez-vous que le signal auditif est présenté exactement 3 secondes par préenregistrement une piste sonore qui maintient une constante chronométré exécuter repère et l'intervalle entre les essais. Utiliser un capteur sur le manipulandum pour enregistrer avec précision le temps que la compréhension du participant se produit (figure S3).
- État de repos: Demandez participant à s'asseoir quieTLY les yeux ouverts et observer passivement une petite croix sur le moniteur de relance. Fiche EEG continu pendant l'état de repos pendant 3 min.
- Pour les deux observer et exécuter conditions, présents blocs aléatoires de dix essais, pour un total de quarante essais par condition. Assurez-vous que l'image de la manipulandum reste à l'écran tout au long des blocs observer et exécuter, y compris entre les essais. Administrer l'état de repos à la fin des conditions observer et exécuter.
- Traitement des données
- Après la collecte de données, vérifiez impédances. Notez tout changement à des niveaux d'impédance. Terminer l'enregistrement du logiciel d'acquisition.
- Post-traitement: le signal Rereference EEG à la moyenne. Segment données EEG continu dans quarante essais 6 sec pour chaque condition (figure S4).
- Effectuer la détection d'artefact automatisé. Utiliser des algorithmes automatisés pour inspecter segments pour des artefacts de mouvement en identifiant amplitudes moyennes rapides exceeding 200 mV, différentiel amplitudes moyennes supérieures à 100 mV, et la variance zéro dans un essai donné (Figure S5).
- Effectuer la détection manuelle d'artefact par inspection visuelle des données et de confirmer un avis vidéo de la session à supprimer tous les essais dans l'état d'observation contaminé par un artefact de mouvement et tous les essais dans l'état d'exécution contaminé par un artefact de mouvement sans rapport avec le geste de la main. Exclure essais avec artefact important de l'analyse. Jeter les essais qui ont été signalées lors de l'acquisition comme pas assisté. Examiner et noter taux de rejet d'essai pour chaque groupe de diagnostic en cours d'analyse.
- L'analyse des données
- Par Muthukumaraswamy et al. Cinq, segments essais nettoyés dans deux époques sec consistant en une seconde de données avant de l'emprise, et une seconde après que les deux états observer (tel que marqué par la cellule photo-électrique) et exécuter (comme indiqué par le capteur de manipulandum). Segment cpenché 2 époques sec de l'état de repos.
- Transformée de Fourier rapide (FFT) de chaque segment. Sélectionnez un groupe de huit électrodes sur chaque hémisphère entourant les positions C3 et C4 standard pour les analyses statistiques (ci-après Muthukumaraswamy et al. 5 et Bernier et al. 3) (figure 2). Pour chaque condition, la moyenne de la puissance dans les essais inclus pour calculer des spectres de puissance.
- Calculer l'atténuation mu par l'examen de la puissance moyenne pendant l'exécution soit d'une observation ou d'action du moteur, par rapport à la puissance moyenne pendant la condition de repos, à travers la gamme de 8 à 13 Hz. Utilisez le journal de ce rapport pour déterminer le degré d'atténuation. Remarque: une valeur négative représente une atténuation lors de l'exécution ou de l'observation, tandis qu'une valeur positive représente une augmentation. Cette méthode prend en compte la variabilité entre les individus, et la non-normalité des valeurs exprimées sous forme de rapport. <br /> Note: Ce protocole a été développé en utilisant un réseau dense système EEG 128-électrode avec la version du logiciel Net Station 4.1. Bien que les étapes de base sont similaires à travers les systèmes EEG, protocoles d'acquisition et d'analyse peuvent varier.
2. Caractérisation échantillon
- Identifiez population potentielle du patient pour la participation de paradigme à travers les registres de recherche, listes de participants précédents, ou des références de cliniques de la région et les cliniciens.
- Écran participants potentiels pour la probabilité d'atteindre les critères de diagnostic pour construction clinique (par exemple de troubles du spectre autistique) et d'identifier les critères d'exclusion, tels que la présence d'un traumatisme crânien, tumeur, l'histoire de la saisie, ou l'utilisation de médicaments anti-convulsivant ou d'un barbiturique qui peut fausser la signal électrophysiologique.
- Confirmer le statut de diagnostic de la population des patients grâce à l'utilisation d'instruments de diagnostic standard d'or (par exemple Autism Diagnostic Interview-ReVISED (ADI-R 11) et le diagnostic Observation Schedule-Generic autisme (ADOS-G, 12) administrés par le clinicien expert à la suite du Manuel diagnostique et statistique - 5 e édition (DSM-5) critères 13.
- Identifiez échantillon témoin apparié sur les variables pertinentes d'intérêt, tels que l'âge, le sexe, la capacité cognitive, etc
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Representative Results
Adultes typiques, les enfants et les nourrissons ont constamment démontré rythme mu pendant conjointement l'exécution et l'observation des actions à travers une variété de paradigmes et stimuli 5, 14-30. Atténuation dans cette bande de fréquence est toujours localisée entre les électrodes centrales (figure 3) qui indique que ce n'est pas la réduction du pouvoir d'alpha qui est enregistré à d'autres régions du cuir chevelu. De même, l'atténuation dans cette fréquence lors de l'observation de mouvement est limitée à l'observation du mouvement et de la répression fondée sur la biologie n'est pas suscité de mouvement tout simplement en passant par le champ visuel, comme les balles rebondissantes (Figure 4). Mu suppression en réponse à un événement, comme l'exécution ou l'observation d'un objectif dirigé saisir l'action, est démontrée par la réduction de la puissance spectrale suivie d'un retour à des niveaux de référence (figure 5).
Il ya eu deshuit études indépendantes et une analyse groupée de rythme EEG mu et la cognition sociale dans la population TSA. Bien que les résultats de la suppression mu pendant deux l'observation et l'exécution d'actions ont été régulièrement observés chez les individus en développement en général, les résultats concernant le rythme mu dans les TSA ont été variables. Une première étude 31 du rythme EEG mu individus atteints de TSA rapport entre les âges de 6-46 ans à un âge et le sexe correspond groupe de contrôle. Le groupe ASD montré mu atténuation uniquement pendant l'exécution d'actions, et non pas lors de l'observation. Ce même modèle a été reproduit dans les mâles adultes atteints de TSA par rapport à un groupe de l'âge et le QI identifié pairs typiques, et dans ce groupe, le degré de mu atténuation était significativement liée à la capacité d'imitation 3. De même, une troisième étude n'a pas réussi à trouver suppression mu lors de la visualisation des actions de l'homme exécuté dans de vieux 5-7 ans les enfants atteints de TSA, mais l'a fait dans l'âge et le sexe matcpairs typiques hed 32. Une deuxième étude par Oberman et al. 33, a constaté la suppression de mu typique dans un échantillon de 13 anciens 8-12 ans les enfants atteints de TSA au cours de l'observation des actions affichées par des personnes familières (mères), mais pas lors de l'observation des actions réalisées par inconnu personnes 33. Trois études ont échoué à trouver des différences de groupe dans mu suppression entre les individus avec des groupes de TSA et de contrôle. Pendant l'observation des actions réalisées par des mains humaines, aucune différence dans les mu atténuation ont été trouvés entre les anciens 8-13 ans enfants atteints de TSA et de l'âge et le QI identifié développement normal des enfants de 34 ou entre les anciens 11-26 ans personnes atteintes de TSA et de l'âge, le sexe, et IQ pairs 35 en correspondance.
Enfin, Bernier et ses collègues 36 n'ont trouvé aucune différence entre les enfants atteints de TSA, réunis or critères de diagnostic standard, et de l'âge et de leurs pairs appariés entre les sexes sur mu atténuation pendant l'observation de goal dirigée actions, mais a trouvé une relation significative entre le rythme mu EEG et les capacités d'imitation comportementale évalués. Ceci suggère que les différences dans les EEG mu atténuation qui ont été observées peuvent refléter des différences dans la capacité à imiter, plutôt que d'être une conséquence directe de TSA 36.
Ces expériences suggèrent que l'examen de l'EEG rythme mu est un outil viable pour les mécanismes liés à la cognition sociale dans les deux populations typiques et cliniques élucider.
Figure 1. Manipulandum. Afin d'examiner précisément l'observation et à l'exécution d'une portée orientée vers un but, les participants sont priés d'exécuter une compréhension simple de la main manipulandum ou observer un modèle saisissant le manipulandum. Lorsque le manipulandum est saisi, un tempssignal de verrouillage est envoyé à l'ordinateur d'acquisition de données pour plus tard, hors ligne segmentation de chaque essai.
Figure 2. Dense sélection de plomb de capuchon de l'électrode pour capturer l'activité du rythme mu.
Figure 3. Topographie caractéristique d'atténuation du rythme mu tel que démontré par individu au développement typique (mâles, âge 9,2 années) tout en observant objectif dirigé préhension action. Mu rythme atténuation est réfléchi dans la topographie du cuir chevelu après réduction d'amplitude sur des électrodes situées au centre.
. Figure 4 spectrale de puissance lors de l'observation de mouvement biologique et non biologique mouvement chez 11 enfants (âge moyen 10,8 années (gamme = 8-15 ans;. 3 hommes, 8 femmes) de puissance spectrale En moyenne dans la fréquence de mu (8-13 Hz) enregistrée à partir d'électrodes situées au centre lors de l'observation de mouvement biologique (un danseur animé) est atténuée par rapport à la ligne de base tandis que le pouvoir mu n'est pas atténuée au cours de l'observation de mouvement non biologique (une balle animée). L'transformation logarithmique du rapport de la puissance (microvolts 2 ) pour chaque condition sur la ligne de base indique une plus grande réduction de la puissance à l'état de mouvement biologique par la valeur de puissance plus négative.
Figure 5. Événement-related atténuation spectrale de puissance. puissance Mu (8-13 Hz de pistes centrales) atténue par rapport à la ligne de base lors de l'exécution (de puissance moyenne sur 20 essais de GRASP) et l'observation (puissance moyenne plus de 30 observer des procès) des actions dans une vieille développement généralement six années mâle.
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Discussion
Le succès de l'acquisition, le traitement et l'analyse des données électrophysiologiques liés au rythme mu et l'application de populations cliniques nécessite 1) l'application d'outils méthodologiques EEG, 2) la détection d'artefact attention et la réduction des données, 3) l'identification précise du rythme mu, et 4) la caractérisation précise de la population clinique et l'identification de groupes de contrôle appropriés.
Méthodologie EEG approprié nécessite fonctionnant correctement et des équipements intégrés, le choix de bouchon approprié et le placement, une amplification plus précise et synchronisation du signal, un signal clair, sans entrave, sans artefact, un signal correctement référencé, segmentée de façon appropriée (si liés à l'événement) essais, soigneusement calculé transformations de puissance, attention aux stimuli, et, bien sûr, un paradigme et les stimuli qui suscitent la capacité cognitive de l'enquête.
14 mais peut être clairement démontré de façon fiable et en fonction des événements analyses 17,37. Compte tenu du faible rapport signal à bruit, artefact peut facilement changements obscurs spectrale de puissance dans ce rythme. En conséquence, la détection d'artefact soigneux à travers des programmes automatiques ou manuel de l'enquête de données contribuant électrode est nécessaire à l'identification du rythme mu. Les différences entre les groupes dans la quantité d'artefacts observés et enlevés doivent être enregistrés pour assurer différences entre les groupes ne sont pas observées à la suite d'un artefact de données ou le processus de suppression de l'artefact. L'échantillon final de données EEG, dans le cas des analyses liées à l'événement tel que décrit dans le présent protocole, doit contenir des essais gratuits artefacts et un nombre suffisant d'essais pour saisir avec précision le degré d'atténuation, ou l'absence de celui-ci, pour une condition donnée.
considérations de développement sont importants pour le travail neurophysiologique. Atténuation du rythme mu a été enregistrée en réponse à l'observation de but actions dirigées chez les personnes à partir de 8 mois de age à l'âge adulte 28-29,38. Fait important, si présent, le degré d'atténuation observée dans la petite enfance et l'enfance est beaucoup plus faible que celle observée chez les adultes 39-40. Cette tendance souligne l'importance de tenir compte des influences de développement sur les rythmes neuronaux et correspondant à des populations de contrôle de groupes expérimentaux sur le niveau de développement.
Enfin, pour mener ces travaux dans les populations cliniques, l'évaluation minutieuse de la population clinique est nécessaire de s'assurer que les groupes sont définis de façon adéquate. Les critères d'inclusion et d'exclusion pour les groupes cliniques et de comparaison doivent être clairement décrit et mûrement réfléchie. Par exemple, l'utilisation d'instruments de diagnostic standard d'or est nécessaire pour l'établissement de populations cliniques. Sans un protocole de diagnostic clair, pour les populations cliniques hétérogènes, la construction cognitive à l'étude peut varier considérablement au sein d'un groupe clinique vaguement défini. Tight, les définitions diagnostiques réduire cette probabilité. Si certaines sous-populations d'un échantillon clinique sont exclus, qui doit être identifié comme elle influe sur la généralisation des résultats. Par exemple, alors que l'exclusion des personnes souffrant d'épilepsie d'une étude de TSA aide à nettoyer le signal EEG qui pourrait être caché à l'inclusion des personnes souffrant de crises concomitantes, cela change la généralisation des résultats compte tenu de la forte prévalence des crises chez les personnes atteintes TSA.
Le protocole décrit ci-dessus fournit un moyen d'examiner un indice EEG du système des neurones miroir dans les populations cliniques d'une manière non invasive. Il nécessite peu d'aptitude à la communication permettant ainsi l'application aux personnes ayant une déficience et est non invasive, facile à appliquer, et offre une excellente résolution pour comprendre constructions cognitives liées aux capacités sociales.
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Disclosures
Les auteurs déclarent aucun intérêt financier concurrents.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par une subvention de la Fondation Simons (SFARI n 89638 RB).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Geodesic EEG System | EGI | N/A | Any EEG system, not only EGI based systems, is applicable for the described study |
| MATLAB software | MATLAB | N/A | Any mathematical, statistical software that can work with matrices is applicable |
| Netstation software | EGI | N/A | Any EEG acquisition software is applicable for the described study |
| Manipulandum | custom | N/A | Any object that is coregistered with data acquisition software to signal a successful grasp |
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