High-density electroencephalography (dEEG) is being used increasingly to study brain development and plasticity in the early years of life. Here we present an application of sophisticated analysis techniques that builds on traditional EEG recording to understand the oscillatory dynamics of rapid auditory processing in the infant brain.
Hurtig auditive forarbejdning og akustiske forandringer afsløring evner spiller en kritisk rolle i at tillade menneskelige spædbørn til effektivt at behandle fine spektrale og temporale ændringer, der er karakteristiske for det menneskelige sprog. Disse evner lægge fundamentet for erhvervelse effektiv sprog; tillader spædbørn til at slibe på lyden af deres modersmål. Invasive procedurer hos dyr og hovedbund optaget potentialer fra humane voksne tyder på, at samtidig, rytmisk aktivitet (svingninger) mellem og inden hjerneområder er grundlæggende for sensoriske udvikling; bestemmelse af beslutningen, som indkommende stimuli parset. På dette tidspunkt, er lidt om oscillerende dynamik i udviklingen af menneskelige spædbarn. Animalske neurofysiologi og voksen EEG data danne grundlag for en stærk hypotese, at hurtig auditive forarbejdning i spædbørn medieres af oscillerende synkroni i diskrete frekvensbånd. For at undersøge dette, 128-kanal High Density EEG responser af 4-måneder gamle spædbørn til frekvens ændring i tone par, præsenteres i to rate betingelser (Rapid: 70 msek ISI og Kontrol: 300 msek ISI) blev undersøgt. For at bestemme frekvensbåndet og omfanget af aktivitet, auditive evoked response gennemsnit var første co-registreret med alderssvarende hjerne skabeloner. Derefter blev de vigtigste elementer i indsatsen identificeret og lokaliseret ved hjælp af en to-dipol model af hjerneaktivitet. Single-retssagen analyse af oscillerende effekt viste en robust indeks for frekvensændring forarbejdning i byger af Theta-båndet (3 – 8 Hz) aktivitet i både højre og venstre auditive cortex, med venstre aktivering mere fremtrædende i Rapid tilstand. Disse metoder har produceret data, som ikke kun nogle af de først rapporteret fremkaldte svingninger analyser hos spædbørn, men også vigtigere, et produkt af en veletableret metode til registrering og analyse af ren, omhyggeligt indsamlet, spædbarn EEG og ERP systemer. I denne artikel beskriver vi vores metode for jegnfant EEG net ansøgning, optagelse, dynamisk hjerne respons analyse og repræsentative resultater.
På tværs af et bredt spektrum af udviklingsforstyrrelser, bliver det mere og mere klart, at nøglen til tidlig identifikation og i sidste ende oprydning ligger i at forstå de tidlige mekanismer, der spiller ind, som den udviklende hjerne samler funktionelle netværk. Således er der øget interesse i at forstå den tidsmæssige dynamik neurale mønstre, der påvirker kognition. Især specifikke kognitive funktioner forskelligt korreleret med oscillerende aktivitet i bestemte frekvensbånd (f.eks cykliske udsving encellede eller befolkningen membranpotentialer) 1. Tidligere undersøgelser har fastslået, at oscillerende dynamik spiller en afgørende rolle i aktiviteten-afhængige selvorganisering af udvikling af netværk 2-4, kontrollerer neuronal uro 5,6 og integrere sensoriske input 7,8. Oscillerende hjerneaktivitet menes at være metabolisk gavnlig 9,10, øge effektiviteten af avariety af sensoriske forarbejdning funktioner og koordinering af funktioner højere niveau såsom kognition og sprog. Men systematisk undersøgelse af den rolle neurale synkroni på tværs af alder og forbindelser med adfærdsmæssige resultater i humane spædbørn er endnu ikke gennemført. Et vigtigt skridt i retning af dette mål er at opnå en dybere forståelse af fremkomsten og modning af de tidsmæssige dynamik og oscillerende mekanismer, der understøtter udviklingen af kognitive processer, herunder tidlig sprog.
En afgørende bestanddel af sproglige udvikling er evnen til præcist at behandle og kategorisere akustiske signaler, der ændrer sig hurtigt: ofte af størrelsesordenen så lidt som gange ti millisekunder. For eksempel er de akustiske dynamik ordene "far" og "dårlige" adskiller akustisk kun over de første 40 ms af stavelsen, men de to har meget forskellige betydninger og foreninger. Tidligere undersøgelser viser en maturational bane af receptive mulighed for akustiske og sproglige forskelle. Så tidligt som 2 måneder gamle, spædbørn viser evnen til at skelne hurtige ændringer frekvens (f.eks <100 ms); tyder på, at "hardware" til påvisning af forskellen mellem to akustisk lignende stavelser er på plads. I løbet af de næste par måneder, kan babyer skelne stadig mindre forskelle, udvikle kategorisk perception, og udviser kortikal specialisering for lyden af indfødte sprog stavelser 11-14. Fordi komplekse lydopfattelse er afhængig af funktionen af basale behandling mekanismer, menes det, at underskud i evnen til at opfatte hurtigt skiftende akustiske forskelle – selv for simple lyde som toner – kan være tidlige indikatorer 15 af senere sprog værdiforringelse.
Tidligere arbejde fra Choudhury og Benasich i dette laboratorium støtter kraftigt denne hypotese, der viser, at et spædbarn evne til at behandle megethurtige ændringer i simple lyde (f.eks toner) kan forudsige 3- og 4-års sprog og kognitive evner 16,17. Disse data kontrollere, at hjernen reaktioner præ-flersprogede børn kan give en kvantificerbar indikator for auditiv bearbejdning og udviklingsmæssige fremskridt. Undersøgelsen og metoder præsenteres her sonde centrale aspekter af den underliggende mekanisme af dette forhold. Flere linjer af forskning nu viser, at peak latency og amplitude af ERP bølger opstå summation af spectrotemporal dynamik i EEG svingninger af flere generatorer 18-23. Spectrotemporal analyse giver også adskillelsen af fase og magt information. Faselåste aktivitet afspejler den del af den neuronale respons, der fremkaldes af stimulus. Denne type information svarer til, hvad der kan ekstraheres fra ERP, eftersom responser midles i forhold til en tid-låst begivenhed. Timingen af nogle neuronal aktivitet, kan dog variere fra forsøg til forsøg. I ERP-analyse, this aktivitet "gennemsnit out"; men i analyse af magt ændringer fra forsøg til forsøg, kan denne information blive inddrevet og analyseret. Derfor kan spectrotemporal analyse af fase og magt give yderligere oplysninger om den neuronale respons i forhold til den konventionelle ERP. Med hensyn til spædbarn udvikling, er der betydelig dokumentation for, at svingninger bidrager til udviklingen af neurale kredsløb i dyremodeller 2,3, men disse mekanismer er kun lige begyndt at blive undersøgt i den menneskelige befolkning. Arbejde fra dette laboratorium har vist theta og gamma oscillerende korrelerer af modersmål specialisering ved 6-måneders 24. Dette understreger funktionalitet oscillerende hierarkier i vorden.
Den globale hypotese, baseret på dokumentation fremlagt ovenfor, er, at synkront af fremkaldte svingninger i auditive cortex understøtter spædbarn hjernens udvikling. Som et første skridt i at teste denne hypotese, en "baseline221; forarbejdning i den tidlige barndom blev opnået; nemlig 4-måneders-of-age, som i øjeblikket menes at forud "perceptuel indsnævring" for modersmål specialisering 25,26. Derfor udførte vi single-retssagen frekvens analyse på spædbarn EEG data registreret under passiv lytning til pitch-variant og pitch-invariant tone par præsenteres i en "særling paradigme", som består af to rate forhold (Kontrol stand: 300 ms mellem stimulus interval; Hurtig stand: 70 msek inter-stimulus-interval).
Her illustrerer vi denne fremgangsmåde under anvendelse af stimuli fra undersøgelser, der fokuserer på hurtig auditive forarbejdning. I disse undersøgelser, en "særling paradigme", blev brugt til at vurdere neuronal aktivitet uforudsigelige, men genkendelige begivenheder. I dette paradigme, hjernen reaktion på uforudsigelige eller "ulige" stimuli er ofte kaldet "afvigende" svar, mens svaret for forudsigelig stimulus, præsenterede most af den tid, der normalt kaldes "Standard" brain respons. Svar til stimuli præsenteret i en særling paradigme kan automatisk fremkaldes uden fokuseret opmærksomhed, hvilket gør dette paradigme nem at bruge med meget unge spædbørn. Alle de auditive stimuli præsenteres via gratis-field-højttalere med mellemrum, som varierer afhængigt af undersøgelsen. Som tidligere nævnt i den aktuelle undersøgelse lyde, indeks hurtige auditive forarbejdning (RAP) evner blev anvendt: det vil sige, lyder indeholder snesevis-of-millisekunder af akustiske forandringer 16,17,27,28. Det kan bemærkes, at mange andre stimulerende typer er nyttige til test neurofysiologisk diskrimination, herunder konsonant-vokal (CV) lyder samt afvigere afspejler ændringer i hyppighed eller varighed, med en indskudt Gap, og / eller stigende eller faldende frekvens Fejer. Endelig anbefaler vi også at optage spontane EEG under "stille play", hvor der ikke auditive stimulus præsenteres. Disse data kan derefter værebruges til at måle oscillerende kobling og sammenhæng i fravær af gentagen stimulation.
Optagelse EEG aktivitet fra et spædbarn befolkning udgør et sæt af unikke udfordringer. F.eks samarbejde med anbringelse af elektroderne og efterlade dem på plads under hele forsøget, hvilket minimerer bevægelse for at forhindre EEG artefakter, og holde barnet i indgreb og distraheret med passive legetøj repræsenterer alle udfordringer. Derudover behøver data spædbarn ikke let egner sig til enkle anvendelser af protokoller, der er udviklet med voksne / ældre barn data. I mange tilfælde forholdet mellem komponenter observeret i spædbarn EEG og event-relaterede potentialer (ERP systemer) er ikke så entydig heller ikke altid kortlægge på, hvad der er accepteret i den voksne. Mens udviklingsmæssige forskning besidder en kraftfuld potentiale for at forstå tilblivelsen af typiske og uorganiseret hjernefunktion, optagelse pålidelige og fortolkelige hjerne svar fra menneskelige spædbørn kræver ahIGH niveau af færdigheder i både tekniske og interpersonelle riger. Disse udfordringer kan imidlertid overvindes og pålidelige EEG og ERP data kan registreres fra spædbørn i forskellige aldre ved anvendelse af forskellige paradigmer. Her beskriver vi en generel analysemetode udnytte kommercielt tilgængelig ERP registrering og analyse software i kombination med et gratis, open-source ERP analyse pakke, der fungerer i MATLAB miljø 29.
Anvendelsen af oscillerende analysemetoder til spædbarn hjernen respons optagelser muliggør udforskning af flere mekanistiske spørgsmål neuronal synkront udvikling i relation til sprogtilegnelse og formodede underliggende mekanismer, når der synkront er kompromitteret. Relaterede indsats ved hjælp af andre stimuli, såsom tale stavelser 24, og analyse af spontane eller "hvilende" svingninger 1 i langsgående analyser eller i kombination med tidlig træning paradigmer, har vinduer i temporal, rumlige og spektrale dynamik typiske og uordnede udviklingsmæssige baner. Det er håbet, at disse bestræbelser vil øge vores forståelse af grundlaget for auditive udvikling og plasticitet, og støtte i identifikation og afhjælpning strategier for udviklingsmæssige sprogforstyrrelser.
Forskningen metode beskrevet her beskriver, hvordan at fremme en dybere forståelse af spectrotemporal dynamik og anatomiske placering af high-density auditive-fremkaldte EEG og ERP hjernen reaktioner hos spædbørn. Der er fire kritiske trin i denne protokol, der letter analysen. Først, ordentlig net ansøgning og positionering med minimal omsorgsperson og spædbarn nød er grundlaget for optagelse af rene EEG i ikke-sederet paradigmer. Korrekt hoved måling og netto størrelse udvælgelse samt brug af et net assistent og entertainer under ansøgningsprocessen er nøglen til at opnå dette trin. For det andet er det vigtigt at etablere en rolig, rolig og legende atmosfære for familien under test session, en tilstand lettes ved den primære testeren, netto assistent og entertainer, der engagerer barnet i rolige leg. For det tredje, for dataanalyse, er det afgørende, at alderssvarende MRI hoved modeller bruges til kilde lokalisering. Hovedet størrelse, Bone og hud og cerebrospinal plads skal være nøjagtige for testet for at opnå de mest præcise lokalisering resultater alder. Endelig er det også kritisk for corticale reaktioner i almindelighed, at en høj densitet net skal benyttes (f.eks., Mindst 64 kanaler af data) for at optimere chancerne for at opnå lav-artefakt optagelser.
En begrænsning ved denne teknik er, at kilden lokalisering af EEG data er ikke guldstandarden for site af aktivitetstest. Man skal huske på, at den forreste model af lokalisering selv med de bedste hoved modeller og målinger er stadig skøn aktivitet placering. Derfor er det vigtigt at designe eksperimentet på en sådan måde, at oplysninger om kilde aktivitet kan sammenlignes på tværs af forsøgsbetingelser eller grupper. Derudover kan spædbarn test i almindelighed og i særdeleshed, langsgående studie være fyldt med ufuldstændige eller manglende datasæt. Løsninger på dette problem er at a) vedligeholde relationships med deltagende familier; b) at optimere en stille, rolig optagelse atmosfære for spædbarnet og pårørende; og c) overvurdere emnet pool. I vores hænder, med en erfaren pædiatrisk team, har vi nået lavt frafald og minimale datatab satser. I en langsgående stikprøve på 211 spædbarn indspilningerne med 57 deltagere viser vi 98,6% af data retention (f.eks., 208 sessioner, der resulterede i brugbare data) og en drop out på 10% (f.eks., 6 deltagere var ude af stand til at fortsætte efter begynder eksperiment). En fordel ved EEG i forhold til andre teknikker, såsom MEG og NIRS, er, at subcortically forudindtaget aktivitet er tilgængelige med forskellige filtertyper bands. Desuden er det lettere at styre bevægelse som elektroderne rejser med hovedet.
Når denne protokol er mestret, de eksperimentelle anvendelser af spædbarn EEG og oscillerende dynamik er rigelige. Det er klart, at vi først må forstå typisk udvikler kortikale netwoRKS for at identificere dem, der er atypisk organiseret. Dette tyder på at det er nødvendigt for oprettelsen af en model, hvor integriteten af tidlige auditive forarbejdning mekanismer (herunder svingninger) spiller en rolle i generering og plasticitet lyd repræsentation som auditive erfaringer er indarbejdet, og ideelt set lært. Ifølge denne model kan nonlinguistic forarbejdning underskud være forbundet med symptomer år, eller i nogle tilfælde årtier, før formel diagnose forekommer.
Fremtidige undersøgelser er nødvendige for at forstå yderligere detaljer, herunder funktion af frekvens-bånd-specifikke oscillerende dynamik, cross-frekvens fase kobling og de regionale hæmmende / excitatoriske mønstre på tværs af tidlige udvikling. Desuden subcortical aktivitet og test i forskellige tilstande, såsom søvn, er nødvendige for at give et mere komplet billede af typiske udvikling. Vi mener forskning med denne teknik vil give vigtig indsigt i processen ved which 'neurotypical «og atypisk oscillerende dynamik organisere og interagere med nye kognitive og sproglige evner.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker støtte til denne forskning af Elizabeth H. Solomon Center for Udviklingsforstyrrelser Forskning og NSF tilskud # SMA-1041755 den tidsmæssige dynamik Learning Center, et NSF Science of Learning Center. En særlig tak er også på grund af de familier, der har deltaget, og til medlemmerne af barndom Studies Laboratory for deres praktiske og intellektuelle bidrag. Særlig tak til Jarmo Hämäläinen for udvikling af kilden lokalisering protokollen og til Naseem Choudhury for hendes intellektuelle input.
EEG Amplifiers | EGI | 1301281 | |
Sensor Nets | EGI | C-GSN-128-1011-110 | Sizes of nets vary with age, by month |
EEG Recording Software | Net Station | 4604200 | |
Presentation Computer | Dell | 4608161 | |
Presentation Software | Eprime | 13102456-50 | |
Baby bottle warmer | Avent | Target or any baby store | |
Electrolyte solutuion (Potassium Chloride dry) | EGI | A-A-CC-KLL-1000-000 | |
Coban self-adherent wrap tape | Coban | 595573 | |
Measuring tape | Target or any baby store | ||
Washable Markers | Target or any baby store | ||
Pipettes | Comes with EGI amplifier setup | ||
Analysis Computer | Dell | ||
Analysis Software I | BESA | 3955054 | v5.3 |
Analysis Software II | Brain Voyager | 3955054 | |
Analysis Software III | EEGLAB/ERPLAB/ MassUnivariate Toolbox | Freeware MatLAB v2007b | |
Analysis Software IV | BESA Statistics | 3956341 |