Abstract
Rapid auditiv prosessering og akustiske egenskaper endring deteksjons spille en avgjørende rolle i å la menneskebarn til å effektivt behandle den fine spektral og tidsmessige endringer som er karakteristisk for menneskelig språk. Disse evnene legge grunnlaget for effektiv språkopplæring; slik at spedbarn å hone på lyden av sitt eget morsmål. Invasive prosedyrer i dyr og hodebunn innspilte potensialer fra voksne mennesker foreslår at samtidig, rytmisk aktivitet (svingninger) mellom og innen områder av hjernen er grunnleggende for sensorisk utvikling; bestemme oppløsning som innkommende stimuli er analysert. På denne tiden, er lite kjent om oscillasjon dynamikken i menneskelige spedbarn utvikling. Men dyret nevrofysiologi og voksen EEG data gir grunnlag for en sterk hypotese at rask auditiv prosessering hos spedbarn er mediert av oscillerende synkronitet i diskrete frekvensbånd. For å undersøke dette, 128-kanal, høy tetthetsty EEG svar innen 4-måneder gamle spedbarn til frekvensendring tonepar, presentert i to rentebetingelsene (Rapid: 70 msek ISI og Kontroll: 300 msek ISI) ble undersøkt. For å bestemme frekvensbånd og omfanget av aktiviteten, auditivt fremkalt respons gjennomsnitt var første co-registrert med alderstilpasset hjerne maler. Deretter ble de viktigste komponentene i respons identifiseres og lokaliseres ved hjelp av en to-dipol modell av hjerneaktivitet. Single-rettssaken analyse av oscillerende strøm viste en robust indeks over frekvensendringene behandling i pakker med Theta band (3-8 Hz) aktivitet i både høyre og venstre auditiv cortices, med venstre aktivering mer fremtredende i Rapid tilstand. Disse metodene har produsert data som ikke er bare noe av det første rapporterte fremkalt svingninger analyser hos spedbarn, men er også viktigere, er produktet av en veletablert metode for opptak og analysere rene, omhyggelig samlet, spedbarn EEG og ERP. I denne artikkelen beskriver vi vår metode for jegnfant EEG net søknad, opptak, dynamisk hjernen responsanalyse, og representative resultater.
Introduction
Over et bredt spekter av utviklingsforstyrrelser, er det stadig mer klart at nøkkelen til tidlig identifisering og til slutt utbedring ligger i å forstå de tidlige mekanismer som spiller inn som utviklingen av hjernen setter sammen funksjonelle nettverk. Dermed er det økt interesse for å forstå de time dynamikken i nevrale mønstre som påvirker kognisjon. Spesielt spesifikke kognitive funksjonene som skal differensielt korrelert med oscillerende aktivitet i bestemte frekvensbånd (f.eks sykliske fluktuasjoner encellede eller populasjon membran potensialene) 1. Tidligere studier har vist at oscillasjon dynamikk spille en avgjørende rolle i aktiviteten avhengige selvorganisering for å utvikle nettverk 2-4, kontrollere nevronale eksitabilitet 5,6 og integrere sanseinntrykk 7,8. Oscillerende hjerneaktiviteten er antatt å være fordelaktig metabolsk 9,10, noe som øker effektiviteten av AV-ariety av sensoriske behandlingsfunksjoner og koordinering av høyere nivå funksjoner som kognisjon og språk. Men systematisk undersøkelse av rollen nevrale synkronitet på tvers av alder og lenker med atferds utfall i menneskelige spedbarn har ennå å bli fullført. Et viktig skritt mot dette målet er å oppnå en dypere forståelse av fremveksten og modning av de timelige dynamikk og oscillasjon mekanismer som støtter utvikling av kognitive prosesser inkludert tidlig språk.
En viktig del av språket utvikling er evnen til nøyaktig å behandle og kategorisere akustiske signaler som endrer seg raskt: ofte i størrelsesorden av så lite som titalls millisekunder. For eksempel, de akustiske dynamikken i ordene "far" og "dårlige" forskjellig akustisk bare i løpet av de første 40 msek av stavelsen, men de to har svært ulike betydninger og foreninger. Tidligere studier viser en maturasjonelle banen receptihar evne for akustiske og språklige forskjeller. Så tidlig som 2 måneders alder, spedbarn vise evne til å diskriminere raske frekvensendringer (for eksempel <100 msek); tyder på at "hardware" for å detektere forskjellen mellom to akustisk lignende stavelser er på plass. I løpet av de neste månedene, kan babyer diskriminere stadig mindre forskjeller, utvikle kategorisk persepsjon, og viser kortikal spesialisering for lyden av morsmålet stavelser 11-14. Fordi kompleks lyd persepsjon er avhengig av funksjon av grunnleggende prosessmekanismer, er det tenkt at underskudd i evnen til å oppfatte raskt skiftende akustiske forskjeller - selv for enkle lyder som ringetoner - kan være tidlige indikatorer 15 av senere språkvansker.
Tidligere arbeid fra Choudhury og Benasich i dette laboratoriet støtter sterkt denne hypotesen, som viser at et barns evne til å behandle sværtraske endringer i enkle lyder (f.eks toner) kan forutsi 3- og 4-årig språk og kognitive evner 16,17. Disse data bekrefter at hjernen svarene av pre språklige spedbarn kan gi en målbar indikator på auditiv prosessering og utviklings fremgang. Studien og metodene som presenteres her sondere sentrale deler av den underliggende mekanismen for dette forholdet. Flere linjer med forskning nå viser at peak ventetid og amplitude av ERP bølger oppstår fra summering av spectrotemporal dynamikk i EEG svingninger av flere generatorer 18-23. Spectrotemporal analysen kan også separasjon av fasen, og strøminformasjon. Faselåst aktivitet reflekterer den delen av neuronal respons som er fremkalt av stimulus. Denne type informasjon er likt det som kan trekkes ut fra ERP, siden svarene er gjennomsnitt i forhold til en tids låst hendelsen. Imidlertid kan timingen av noen neuronal aktivitet varierer fra studie til studie. I ERP analyse, this aktivitet er "gjennomsnitt ut"; men i analyse av kraft endringer fra rettssaken til rettssak, kan denne informasjonen bli gjenvunnet og analysert. Derfor kan spectrotemporal analyse av fase og effekt gi ytterligere informasjon om nerveaktivitet, i forhold til den konvensjonelle ERP. Når det gjelder spedbarn utvikling, er det betydelig bevis for at svingninger bidra til utvikling av nevrale kretser i dyremodeller 2,3, men disse mekanismene bare begynner å bli undersøkt i den menneskelige populasjonen. Arbeid fra dette laboratoriet har vist theta og gamma oscillasjon korrelerer av morsmålet spesialisering på 6 måneder 24. Dette understreker funksjonaliteten oscillerende hierarkier i barndommen.
Den globale hypotese, basert på bevisene presentert ovenfor, er at synkronisering av fremkalt svingninger i auditiv cortices støtter spedbarn hjernens utvikling. Som et første skritt i å teste denne hypotesen, en "baseline221; behandling i tidlig barndom ble oppnådd; nemlig fire-måneders-of-age, som for tiden er tenkt å gå foran "perseptuelle innsnevring" for morsmålet spesialisering 25,26. Følgelig, utførte vi single-rettssaken frekvensanalyse på baby EEG-data som er registrert i løpet av passiv lytting til pitch-variant og pitch-invariant tonepar presentert i en "underlig paradigmet" som består av to rentebetingelsene (Kontroll betingelse: 300 msek inter-stimulus intervall; Rapid betingelse: 70 msek inter-stimulus-intervall).
Her vi illustrere denne metoden bruker stimuli fra studier som fokuserer på rask auditiv prosessering. I disse studiene, en "underlig paradigme", ble brukt for å vurdere neuronal aktivitet til uforutsigbar, men gjenkjennelige hendelser. I dette paradigmet, hjernen svar på uforutsigbare eller "Odd" stimuli blir ofte kalt "Deviant" svar, mens responsen for forutsigbar stimulus, present most av tiden, vanligvis kalt "Standard" hjernen svar. Responser på stimuli som presenteres i et underlig paradigme kan automatisk utløses uten fokusert oppmerksomhet, noe som gjør dette paradigmet enkel å bruke med svært små spedbarn. Alle de auditive stimuli presenteres via frittfelt høyttalere med intervaller, som varierer avhengig av studien. Som nevnt tidligere, i den aktuelle studien lyder som indeks raske auditiv prosessering (RAP) evner ble brukt: det vil si, lyder som inneholder flere titalls-of-millisekunder av akustisk endring 16,17,27,28. Det kan bemerkes at mange andre tiltakstyper er nyttig for å teste nevrofysiologiske diskriminering, inkludert konsonant-vokal (CV) høres så vel som avvikere som gjenspeiler endringer i frekvens eller varighet, med en mellom Gap, og / eller stigende eller synkende frekvens feier. Til slutt anbefaler vi også opptak spontan EEG under "stille play" der ingen auditiv stimulus presenteres. Disse dataene kan så værebrukes til å måle oscillatoriske kopling og sammenheng i fravær av gjentatt stimulering.
Opptak EEG aktivitet fra et spedbarn befolkning utgjør et sett med unike utfordringer. For eksempel, sammen med plassering av elektrodene og forlater dem på plass i løpet av eksperimentet, minimere bevegelse for å forhindre EEG gjenstander, og å holde babyen i inngrep og forstyrret med tause leker alle representerer utfordringer. I tillegg trenger baby data ikke lett egner seg til enkle anvendelser av protokoller utviklet med voksen / ungdom data. I mange tilfeller forholdet mellom komponentene observert i spedbarns EEG og hendelsesrelaterte potensialer (ERP) er ikke så entydige heller ikke alltid kartlegge om det som er akseptert i voksen. Mens utviklingsforskning har en kraftig potensiale for å forstå dannelsen av typiske og uordnede hjernens funksjon, opptaks pålitelige og tolkbare hjerne svar fra menneskelige spedbarn krever ahigh ferdighetsnivå i både tekniske og mellommenneskelige riker. Disse utfordringene, men kan overvinnes og pålitelige EEG og ERP-data kan registreres fra spedbarn i ulike aldre hjelp av en rekke paradigmer. Her beskriver vi en generell metode for analyse utnytte kommersielt tilgjengelig ERP-opptak og analyse programvare i kombinasjon med et gratis, open-source ERP analysepakke som fungerer i MATLAB miljøet 29.
Anvendelsen av oscillerende analysemetoder til spedbarn hjernen respons innspillinger tillater utforskning av flere mekanistiske spørsmål av nevronale synkronitet utvikling i forhold til språktilegnelse og antatte underliggende mekanismene når som synkronitet er kompromittert. Relatert arbeid ved hjelp av andre stimuli, som for eksempel tale stavelser 24, og analyse av spontane eller "hvile" svingninger 1 i langsgående analyser eller i kombinasjon med tidlig trening paradigmer, har vinduer inn i temporal, romlig og spektral dynamikken i typiske og uordnede utviklingsbaner. Det er å håpe at denne innsatsen vil øke vår forståelse av baser av auditiv utvikling og plastisitet, og hjelpe til med identifisering og utbedring strategier for utviklingsspråkforstyrrelser.
Protocol
Alt arbeid med mennesker krever Institutional Review Board godkjenning og tilsyn. Metoder rapporteres her, når det brukes i forskning, er gjennomgått og godkjent av bilder av mennesker Protection Program gjennom Rutgers Arts and Sciences Institutional Review Board (IRB).
1. Forberedelse
- Planlegg baby for en time av testing i en lyd-dempet og elektrisk skjermet kammer. Studieprotokollen som presenteres i denne artikkelen som produseres representative data inkluderer 20 - 30 minutter av EEG testing.
- Bevilge tre personer per testøkt: en "primær tester", en "net assistent" og en "entertainer".
- For høy tetthet spedbarn EEG opptak, bruker minst 64-kanals nettet. For de representative data som presenteres her, ble en 128-kanal sensor net brukt.
2. Net Application
- Sett opp følgende utstyr i innspillingen chamber: Coban selvheftende bandasje tape, målebånd, tusjpenn, to håndklær og pipetter. Kalibrerings lyder for å teste nivået (f.eks dB SPL, HL, etc.).
- Gjør elektrolyttoppløsning (destillert vann, kaliumklorid og baby shampoo) i god tid før antatt familie ankomsttid. For å sikre at nettet ikke er for kaldt på babyens hode, for å varme 8 unser vann tilsettes til løsningen rett før anvendelse.
- Når familien kommer, innhente samtykke med IRB godkjent former.
- I testkammeret, sitter barnet på omsorgspersonen fang, og har entertainer begynne å leke med barnet. Hvis det er første besøk, forklarer nettet søknadsprosedyre.
- Mål barnets hodeomkrets på det bredeste punktet av hodet og velger nettostørrelsen basert på denne målingen. For å få best mulig passform, velge en mindre størrelse net hvis omkretsen er nær minstemål for en alder. Senk valgt netto i eleclyttløsning.
- Mål nasion-to-inion og merke skalp på ½ av den totale målingen. Gjør det samme for øre til øre måling. Karakteren er Cz (toppunktet).
- Fjern overflødig oppløsning fra nettet ved å plassere den på et tørt håndkle. Har netto assistent invertere nettet og ta tak i Cz elektrode; holde nettet, slik at det primære tester kan plassere sine fingre på forsiden av nettet.
- Vend nett over og legg på nettet på barnet hodet som netto assistent flytter hakestropp og fargede fram tråder (forbinder nasion elektroden og hakestropp) utenfor nettet.
- Juster nettoposisjonen på barnets hode, plassere Cz på toppunktet skalp mark. Stilling / justere hver av elektrodene start fra baksiden og arbeids mot fronten, og pass på at det er en rett vinkel mellom hver elektrode og hodet overflaten.
- Samle ledningene, justere hakestropp, sikre ledninger med Coban tape, og plugg i nettet Connector.
- Mål elektrodeimpedans med en terskel på <50 kohm, eller i henhold til system instruksjoner. Hvis noen av elektrodene har høy impedans, re-suge elektrode med en elektrolytt-fylt pipette og forsiktig flytte håret fra undersiden av elektroden.
3. Stimuli Presentasjon og EEG-opptak
- Presentere auditive stimuli i fritt felt med høyttalere like langt fra barnets hode.
MERK: Representanten studien stimulanse parametere var som følger: 70 msek tone-par med en grunnfrekvens på enten 800 eller 1200 Hz og 15 harmoniske (6 dB roll-off per oktav) er presentert i to blokker (70 eller 300 msek inter- stimulus intervall). De lave-høye par (800 Hz - 1200 Hz) er presentert som avvikere (15% = 125 studier) blant lav-lav (800 Hz - 800 Hz) standarder (85% = 708 studier). - Spill EEG henhold til maskinvare og programvare instruksjoner. Bruk følgende parametere for det representative data: Sampling rate: 250 Hz, Low-pass Hardware filter: 100 Hz, elliptiske, High-pass filter: 0,1 Hz, Auto: satt til Nyquist, Board gevinst: 1.
- Gi en rolig, stille, mildt engasjerende miljø for barnet under opptak. Engasjere barnet ved å spille en alderstilpasset lydløs video eller med rolige leker (f.eks, blåse bobler, pek på bilder i bøker, dukketeater play). Gir pleieren øretelefonene for å lytte til musikk unngår utilsiktet omsorgsperson interferens med barnet respons. Hvis barnet er urolig, påvirker EEG, pause stimulus presentasjon og EEG opptak til et rolig miljø kan gjenopprettes.
- Etter at forsøket er ferdig, fjern forsiktig på nettet og tørke barnets hår og hode.
- Lagre og backup rå, ufiltrerte EEG data før du lukker programmene på slutten av testøkt.
4. Data Processing - ERP
Inspiser rå EEG data og avvise segments med høy amplitude artefakt.
MERK: Avvis kanaler med høy amplitude og interpolere. Maksimal prosent av avviste kanaler bør settes til 30%. Alternative metoder (f.eks ICA, PCA, se også referanse 30) kan benyttes for å redusere eller å avvise gjenstander som er tilstede i dataene.
- Filter data med pre-etablerte parametre som er i overensstemmelse med kortikal aktivitet. For spedbarn, bruke en off-line båndpassfiltret av 1 - 15 Hz.
- Segment de kontinuerlige data til å lage epoker rundt "Time 0" (stimulus utbruddet) i henhold til bruksanvisningen for programvaren. For segmentering, har tilstrekkelig forhånds stimulans tid å etablere baseline aktivitet og post-stimulans tid til å fange hele respons.
- Avvis bråkete epoker i henhold til en passende avvisningskriterier (f.eks +/- 200 uV for spedbarn). Satt maksimal prosent avviste epoker på 30%.
- Gjennomsnittlig epokene for hver enkelt og hver tilstand og kombinere disse gjennomsnittligs etter gruppe og tilstand for grand gjennomsnitt.
- Hvis antall epoker som finnes i hver gjennomsnittet varierer på tvers av fag, vekte antall epoker, slik at personer med mer / mindre epoker er like verdsatt.
- Å vekte grand gjennomsnitt beregne den enkelte gjennomsnittet fra hver tilstand som n ganger bølgeform, hvor n er lik antall epoker som utgjør den gjennomsnittlige, deretter dividert med det totale antall epoker for alle fag. Denne metoden gir hvert forsøk lik vekt i den endelige gjennomsnittet.
Processing 5. data - Source Lokalisering
For spedbarn data, co-registrere hver enkelt og grand gjennomsnittlig ERP-fil med enten en alderstilpasset MR mal eller en enkeltperson MR scan (se tidligere kunngjøringer 31,32).
Merk: I co-registreringsprosessen blir de elektrodestillinger og rekonstruert hode registrert i ett enkelt koordinatsystem. Grand gjennomsnitt kan brukeså definere dipol modell.
Anslå antallet og plasseringen av underliggende kilder for å monteres til dataene. For en auditiv paradigme, bruke to dipoler med fri beliggenhet og rotasjon.
MERK: Source estimering blir deretter automatisk guidet gjennom en minimalisering av en kostnadsfunksjon som er en vektet kombinasjon av fire gjenværende passer kriteriene for å oppnå "best fit" beliggenhet til tidsvindu av interesse.
- Sørg for at alderstilpassede parameterne brukes for hodebunnen tykkelse, skull tykkelse, bredde subaraknoidalrommet og bein ledningsevne som disse faktorene endrer seg raskt under utvikling. For de representative data, parametere er: skull: 1,5 mm; hodebunn: 2,5 mm; subaraknoidalrommet: 1,7 mm; bein ledningsevne: 0,0581.
- Begynner med en grand gjennomsnitt ERP, velge et tidsvindu på rente tilsvarende en topp. Konservative parametere er typisk +/- 20 msek rundt toppen av interesse 31.
- Sjekk "godhet fit "for dipol-løsning ved hjelp av programvare utgangene rest varians. Dette er mengden av signalet som er uforklart på det gitte tidsvinduet for tilpasning av den aktuelle modellen dipol. Juster tidsvinduet for å minimalisere den gjenværende varians. Bruk en distribuert kildekode-modellen (CLARA) for å sjekke løsningen innenfor den utvidede aktivitet regionen.
- Redd dipol-source løsning og kurver for hver tilstand og peak.
- Gjenta prosedyren for hver enkelt gjennomsnitt fil.
- For statistisk analyse av kildeplassering, bruksverdier av peak ventetid, amplitude, og posisjonskoordinater i X (medial-lateral), Y (anterior-posterior), og Z (superior-inferior) retninger for hver dipol fra hver enkelt gjennomsnitt fil løsning. I tilfelle presenteres her, 2x2 Gjentatte tiltak ANOVA (Stimulus (standard, avvikende) X halvkule (Venstre, Høyre) for amplitude og ventetid av kildene kan være nyttig å se på styrke og timing av aggregatene. Kildekoordinater kan evalueres på samme måte (for gjennomgang, 31,32).
6. Data Processing - Time-Frequency Analysis in Kilde Space
- Påfør dipol modellen løsning på rå, ufiltrert, kontinuerlig EEG data.
- Påfør kildekode-løsning (lagret i trinn 5.6.) Til den rå EEG datafil som en virtuell elektrode montasje.
MERK: Bruken av dipol-modellen på denne måte gjelder et fast romlig filter på overflaten kanal opptaket (sensor plass) å transformere den kontinuerlige høy tetthet EEG til en virtuell 2-source montasje (hjerne kilde plass).
- Påfør kildekode-løsning (lagret i trinn 5.6.) Til den rå EEG datafil som en virtuell elektrode montasje.
- Transformere tidsdomeneenkeltprøvekildesignal i tidsfrekvensdomenet (figur 1).
NB: For øyeblikket kan flere tilnærminger benyttes for å transformere en-prøvedata i tidsfrekvensdomenet, inkludert wavelet analyse og anvendelse av en Hilbert-transformasjonen for å filtrerte data. Mens en sammenligning av disse metodene erutenfor rammen av denne artikkelen, har flere publiserte artikler grundig beskrevet disse metodene 33-36. Den tidsfrekvensanalyse ved hjelp av den komplekse demodulasjon måten finnes i en kommersielt tilgjengelig sammenheng software program 37, beregner den øyeblikkelige konvolutt amplitude og fase for hver hjerneaktivitet som en funksjon av frekvens og tid 37-39. Dette gir målinger av momentan kraft turnus (Temporal Spectral Evolution, TSE) og faselåsende (Inter-rettssaken Phase Locking, ITPL).- Bruk følgende parametre: 1 Hz brede frekvens binger 2-80 Hz og 50 msek tidsoppløsning fra -1500 til 1500 millisekunder. Epoken tidsvinduet bør være lang nok til å tillate filtrering eller foredling til lavest ønsket frekvens uten å pådra seg gjenstander 40,41.
- Visualisere de frekvenstopper med aktivitet i EEG for å unngå mulig falsk tolkning av gjenstanden relatert eller sirkulært ropprømt svingninger 41,42.
- Utfør permutasjon testing og cluster analyse for å fastslå regioner av betydelige forskjeller mellom vilkår og grupper 24,43.
Representative Results
Baby tilstelninger relaterte Potentials
Spedbarn ERP er generelt større enn voksne ERP, og kan ha færre eller flere topper av aktivering, i forhold til modne reaksjoner, avhengig av alder 44 år. Her viser vi representative i Grand Gjennomsnittlig svar fra tjuetre fire måneder gamle spedbarn 43 (figur 2). Underlig paradigmet tillater oss å avgjøre om barnets hjerne kan kjenne forskjellen mellom to hendelser. I de representative resultater, tone-varianten, avvikende respons (DEV, 800-1,200Hz, rød linje) utløser en ytterligere topp av aktivering, i forhold til de invariante tonepar (STD, 800-800Hz, svart linje). Dette funnet er tydelig i både kontrollrate (300 msek ISI, til venstre) og Rapid Rate (70 msek ISI, høyre) forhold. Eksempel svar fra elektroder av Fz (Frontal midtlinjen), C3 (Central, høyre) og C4 (Central, venstre) blir vist. Den beregnede forskjellen wave (Deviant minusStandard) er også vist i grå linjer. Den ytterligere topp aktiverings antyder at barnet hjernen i denne alderen kan diskriminere forskjellen mellom tonene på begge sats presentasjoner.
Infant kildebølgeformer
Kilde aktivitet med litt rest varians bør følge ERP toppene, som betegner en "god fit" mellom de opprinnelige dataene og kilden lokalisert transformerte data. I de representative data, viser vi plasseringen av de to-dipol passer best kilden modell av spedbarn grand gjennomsnittlig ERP til STD (tone-invariant) tilstand over CLARA distribuert modell (figur 3). Beregningen viser tydelig venstre og høyre auditiv aktivering i Kontroll- og hurtig tempo forhold.
Topper av aktivitet fra de to dipol-modellen (figur 4) samsvarer med ERP responsen meget godt. Toppen timing og morfologi av ERP-bølgeformer, vist in panel (i), samsvarer med timing og morfologi av kildebølgeformer vist i panel (ii) (for mer informasjon, se opprinnelige artikkelen, 43). Kilde bølgeformer fra dette forsøket forklarte 97,9% av variansen i aktivitet over hodebunnen elektrodene. Statistisk analyse av kilde peak ventetider viste at høyre hjernehalvdelen aktiviteten var raskere enn venstre i begge forholdene, og reaksjoner i hurtig tempo var senere på begge halvkuler enn i kontrollgruppen tilstand. Halvkule forskjeller ble ikke observert ved hjelp av ERP-data, noe som tyder på at kilde lokalisering teknikker aktivert henting av tilleggsinformasjon fra svarene.
Baby tilstelninger relaterte Svingninger
Generelt analyserer tids frekvens av voksne og dyre data viser at stimuli fremkalle en 1 / f mønster av nevronale synkronitet (f.eks., Avtagende effekt med økende frekvens). I de representative data, fremkalt av auditiv tett par, viser vi at spedbarn også uttrykke dette mønsteret (figur 5). Her utløser stimulus utbruddet synkrone bursts av theta (5-6 Hz), beta (20-25) Hz og gamma (35-45 Hz) makt i både høyre og venstre auditive regioner av hjernen.
Dyremodeller og voksne eksperimenter tyder på at oscillasjon synkronisering, og spesielt lav til midten av frekvenssvingninger (f.eks., 1-8 Hz) er store bidragsytere til fremkalt respons 45. Analyse av momentan kraft turnus (Temporal Spectral Evolution, TSE) i baby svingninger fra vår forrige publisering 43 viste større indusert strøm til variant tone i theta band (6-8 Hz), i forhold til invariant tone. Denne effekten ble observert i begge rente forhold, spesielt over høyre auditive regionen i kontrollfrekvensen tilstand (figur 6). Hurtig tempo presentasjon ga et mer bilateralt symmetriske aktivitet, noe som tyder på forbedret venstre cortical involvement under auditiv prosessering av raskt oppstår stimuli og spesielt under akustisk endring behandling.
Figur 1. Fremgangsmåte for tidsfrekvensanalyse. Tid-frekvens-analyse-metoden er illustrert ved hjelp av grand gjennomsnitt (n = 12) av data fra fire måneder gamle barn i løpet av 70 millisekunder ISI tone tilstand. Stimulans onsets er vist i røde pilene under tidsaksen. Fremgangsmåte for analyse av: (1) Gjennomsnittet av ERP, vist i Cz elektrode, er skapt for hver kanal (2) Kilde plassering av ERP-generatorer, som er vist på en skisse hode, oppnås ved hjelp av en to-dipol-modell i data tilordnet på en. spedbarn MR-mal. (3) Individuell og grand gjennomsnittlig kildebølgeformer er hentet fra tilpasning av Venstre og Høyre dipoler. Babyhode modeller viser spennings kartene som tilsvarer den valgte peak (i gray). (4) Kilden montasjen er brukt på 128 kanal skalp data, og amplituder blir beregnet og lagret for de to kilde kanaler. (5) Hendelsesrelaterte svingninger regnes fra enkelt-studier og midlet over responsen perioden. Please Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Hendelse-relaterte potensial morfologi. I Grand Gjennomsnitt (n = 23) til Rapid (70 msek ISI) og kontroll (300 msek ISI) rente responser til standard (STD, svarte streker) og avvikende (DEV, røde linjer) tonepar er vist i frontpartiet og midtlinjen sentral venstre og høyre elektroder. Negativitet er plottet opp. Stimulans onsets er vist i røde pilene under tidsaksen på Fz. P1 er vist i Fz panel med en sort pil. Forskjellen wave (respons på DEV minus respons på STD) er vist i grå linjer (tilpasset fra 43). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Kilde lokalisering resultater. To-dipol "best fit" kildemodellen vises kledde på distribuert aktivitet fra kilden modell. Klar til venstre og høyre aktivitet kan sees over venstre og høyre tinninglappen regioner. (Tilpasset fra 43). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. hendelsesrelaterte Potensial og Source Waveform sammenligning. (I) Eksempel ERP fra frontal LSF t og høyre elektroder (F3 og F4) viser toppene aktivisering å tone parene med invariante og variant grunnfrekvensene (STD og DEV, henholdsvis). En endring i frekvens frembringer høyere topper ~ 400 msek (DEV, rød linje), i forhold til når frekvensene er uendret (STD, svart). (Ii) Latensen til toppene av aktivering er lik for kilde-lokaliserte dipol-aktivitet, noe som tyder en god match mellom ERP og kildebølgeform analyse. Den store topp på 400 ms er spesielt merkbart i den høyre hjernehalvdelen med kilde-lokaliserte data. For enkelhets skyld er bare svarene til Rapid Rate tilstanden imidlertid vist en tilsvarende kamp ble også observert mellom ERP og kildebølgeformer for svarene i kontroll Rate tilstand. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
gur 5 "src =" / files / ftp_upload / 52420 / 52420fig5.jpg "/>
Figur 5. Pooled TSE kart er uttrykt i prosent spektrale endringer over en epoke på -1 til 1 sek tid for venstre og høyre generatorer. (I) tonene i 300 msek ISI tilstand lokke fram hendelsesrelaterte svingninger i sammenhengende frekvensbånd rundt stimulus utbruddet (f.eks., -1140 ms og 0 ms). En lang stimulus epoken blir brukt for å visualisere mer av data og for å tilveiebringe et langt nok prøve for frekvens nedbrytning. Høyre panel viser gjennomsnittlig spekteret over foredling peak (150-300 msek). Den gjennomsnittlige spekteret viser en samlet 1 / f spektrum med diskrete toppene synkront på bestemte frekvensbånd. (Ii) Et lignende mønster er observert for 70 msek ISI tilstand. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Tid-frekvens analyse av hendelsesrelaterte svingninger i fire måneder gamle spedbarn. Endring i oscillerende strøm vises inTemporal Spectral Evolution (TSE) grand gjennomsnitts tomter for fire måneder gamle spedbarn i Control (A) og Rapid Rate (B) forhold. Svarte striper på x-aksen illustrere tone debut og varighet. Venstre og Høyre kilde aktivitet vises i øverste venstre hjørne av hver graf. Første rad: (i) Tiltak mot tonepar med invariant frekvens (STD) viser kraft endringer i delta-theta range. Midterste rad: (ii) Tiltak mot tonepar med en frekvens endring i andre tone (DEV) viser forbedret delta-theta makt på andre tone, i forhold til STD reaksjoner, spesielt i Høyre auditive regionen i kontroll tilstand. Tredje rad: Forskjell tomter mellom STD og DEVSvarene viser en riktig lateralized økning i kraft i kontroll Rate (A.iii) og bilateral makt forskjell i hurtig tempo (B.iii). Betydelige forskjeller mellom STD DEV og respons i tidsfrekvensdomenet er vist i sort omriss. (Tilpasset fra 43). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Forskningen metoden beskrevet her beskriver hvordan legge til rette for en dypere forståelse av spectrotemporal dynamikk og anatomisk lokalisering av high-density auditiv-fremkalt EEG og ERP hjerne reaksjoner hos spedbarn. Det er fire viktige skritt i denne protokollen som letter analyse. For det første er riktig netto søknad og posisjonering med minimal omsorgsperson og spedbarn nød grunnlaget for opptak ren EEG i ikke-bedøvet paradigmer. Riktig måling hode og netto størrelsesvalg så vel som anvendelse av et nett assistent og underholder under påføringsprosessen er nøkkelen til å oppnå dette trinnet. For det andre er det viktig å etablere en rolig, rolig og leken atmosfære for familien under testing økten, en tilstand tilrettelagt av primær tester, netto assistent og entertainer, som engasjerer barnet i rolig lek. For det tredje, for dataanalyse, er det kritisk at alderstilpassede MRI hodemodeller anvendes for kildelokalisering. Hodet størrelse, bone og hud og cerebrospinal plass må være nøyaktig for en alder testet for å oppnå de mest presise lokalisering resultater. Til slutt, for kortikale responser generelt, er det også viktig at en høy tetthet net brukes (f.eks., Minst 64 kanaler med data) for å optimalisere sjansene for å oppnå lav gjenstand opptak.
En begrensning ved denne teknikken er at kilden lokalisering av EEG data ikke gullstandarden for området av aktivitetstester. Man må huske på at det frem modellen av lokalisering selv med de beste hode modeller og målinger er fortsatt anslår aktivitets plassering. Derfor er det viktig å konstruere eksperiment på en slik måte at informasjon om kilde aktivitet kan sammenlignes på tvers av forsøksbetingelsene eller grupper. I tillegg kan barnet testing generelt og spesielt, longitudinell studie være nervøs med ufullstendige eller mangler datasett. Løsninger på dette problemet er å a) opprettholde relationships med deltakende familier; b) optimalisere et stille, rolig opptak atmosfære for barnet og omsorgsgiver; og c) overvurdere emnet bassenget. I våre hender, med en erfaren pediatrisk team, har vi oppnådd lite frafall og minimalt tap av data priser. I en longitudinell prøve av 211 spedbarn innspillinger med 57 deltakere viser vi 98,6% data retention (f.eks., 208 sesjoner som resulterte i brukbare data) og en 10% drop out rate (f.eks., Ikke var i stand til å fortsette etter at du begynner 6 deltakere eksperiment). En fordel med EEG i forhold til andre teknikker, slik som MEG og NIRS, som er forspent subcortically aktivitet er tilgjengelig med forskjellige filterbånd. I tillegg er det lettere å kontrollere for bevegelse som elektrodene reise med hodet.
Når denne protokollen er mestret, de eksperimentelle anvendelser av baby EEG og oscillasjon dynamikk er rikelig. Det er klart at vi må først forstå typisk utvikle cortical netwoRKS for å identifisere de som er atypisk organisert. Dette tyder på at behovet for etablering av en modell der integriteten til tidlige auditive prosesseringsmekanismer (herunder svingninger) spiller en rolle i generering og plastisitet av lyd representasjon som auditive erfaringer er registrert og, ideelt sett, lært. Ifølge denne modellen, kan nonlinguistic behandling underskudd bli assosiert med symptomer år, eller i noen tilfeller tiår, før formell diagnose oppstår.
Fremtidige undersøkelser er nødvendig for å forstå ytterligere detaljer, herunder funksjon av frekvens-band spesifikke oscillasjon dynamikk, cross-frekvens fase kopling og regionale hemmende / stimulerende mønstre på tvers av tidlig utvikling. I tillegg subcortikal aktivitet og testing i forskjellige stater, som søvn, er nødvendig for å gi et mer fullstendig bilde av typisk utvikling. Vi tror forskning med denne teknikken vil gi viktig innsikt inn i prosessen ved hh 'neurotypical' og atypisk oscillasjon dynamikk organisere og samhandle med nye kognitive og språklige evner.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å takke for støtte til denne forskningen ved Elizabeth H. Solomon Center for nevrologisk forskning og NSF tilskuddet # SMA-1041755 til Temporale Dynamics of Learning Center, en NSF Science of Learning Center. Spesiell takk er også på grunn av de familiene som deltok, og til medlemmene av barndom Studies Laboratory for sine praktiske og intellektuelle bidrag. Spesiell takk til Jarmo Hämäläinen for utvikling av kilden lokalisering protokollen og til Naseem Choudhury for hennes intellektuelle innspill.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Gou, Z., Choudhury, N., Benasich, A. A. Resting frontal gamma power at 16, 24 and 36 months predicts individual differences in language and cognition at 4 and 5 years. Behavioural brain research. 220, 263-270 (2011).
- Uhlhaas, P. J., Roux, F., Rodriguez, E., Rotarska-Jagiela, A., Singer, W. Neural synchrony and the development of cortical networks. Trends in cognitive sciences. 14, 72-80 (2010).
- Singer, W. Development and plasticity of cortical processing architectures. Science. 270, 758-764 (1995).
- Singer, W. Mechanisms of experience dependent self-organization of neuronal assemblies in the mammalian visual system. Archivos de biologia y medicina experimentales. 16, 317-327 (1983).
- Lakatos, P., et al. An oscillatory hierarchy controlling neuronal excitability and stimulus processing in the auditory cortex. Journal of neurophysiology. 94, 1904-1911 (2005).
- Jacobs, J., Kahana, M. J., Ekstrom, A. D., Fried, I. Brain oscillations control timing of single-neuron activity in humans. The Journal of neuroscience. 27, 3839-3844 (2007).
- Schroeder, C. E., Lakatos, P. Low-frequency neuronal oscillations as instruments of sensory selection. Trends Neurosci. 32, 9-18 (2009).
- Schroeder, C. E., Lakatos, P., Kajikawa, Y., Partan, S., Puce, A. Neuronal oscillations and visual amplification of speech. Trends in cognitive sciences. 12, 106-113 (2008).
- Basar, E. Oscillations in 'brain-body-mind'-A holistic view including the autonomous system. Brain Res. 1235, 2-11 (2008).
- Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature. 7, 446-451 (2004).
- Aslin, R. N. Discrimination of frequency transitions by human infants. The Journal of the Acoustical Society of America. 86, 582-590 (1989).
- Eilers, R. E., Morse, P. A., Gavin, W. J., Oller, D. K. Discrimination of voice onset time in infancy. The Journal of the Acoustical Society of America. 70, 955-965 (1981).
- Irwin, R. J., Ball, A. K., Kay, N., Stillman, J. A., Rosser, J. The development of auditory temporal acuity in children. Child development. 56, 614-620 (1985).
- Jusczyk, P. W., Pisoni, D. B., Walley, A., Murray, J. Discimination of relative onset time of two-component tones by infants. The Journal of the Acoustical Society of America. 67, 262-270 (1980).
- Bishop, D. V. M., Hardiman, M. J., Barry, J. G. Auditory Deficit as a Consequence Rather than Endophenotype of Specific Language Impairment Electrophysiological Evidence. Plos One. 7, e35851 (2012).
- Benasich, A. A., et al. The infant as a prelinguistic model for language learning impairments: Predicting from event-related potentials to behavior. Neuropsychologia. 44, 396-411 (2006).
- Choudhury, N., Benasich, A. A. Maturation of auditory evoked potentials from 6 to 48 months: prediction to 3 and 4 year language and cognitive abilities. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 122, 320-338 (2011).
- Lakatos, P., et al. Timing of pure tone and noise-evoked responses in macaque auditory cortex. Neuroreport. 16, 933-937 (2005).
- Shah, A. S., et al. Neural dynamics and the fundamental mechanisms of event-related brain potentials. Cerebral cortex. 14, 476-483 (2004).
- Fries, P. A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends Cogn Sci. 9, 474-480 (2005).
- Buzsaki, G. Rhythms of the Brain. , Oxford University Press. New York. (2006).
- Buzsaki, G., Draguhn, A. Neuronal oscillations in cortical networks. Science. 304, 1926-1929 (2004).
- Whittingstall, K., Logothetis, N. K. Frequency-band coupling in surface EEG reflects spiking activity in monkey visual cortex. Neuron. 64, 281-289 (2009).
- Ortiz-Mantilla, S., Hämäläinen, J. A., Musacchia, G., Benasich, A. A. Enhancement of gamma oscillations indicates preferential processing of native over foreign phonemic contrasts in infants. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 33, 18746-18754 (2013).
- Palmer, S. B., Fais, L., Golinkoff, R. M., Werker, J. F. Perceptual narrowing of linguistic sign occurs in the 1st year of life. Child. 83, 543-553 (2012).
- Werker, J. F., Tees, R. C. Speech perception as a window for understanding plasticity and commitment in language systems of the brain. Dev Psychobiol. 46, 233-251 (2005).
- Benasich, A. A. Impaired processing of brief, rapidly presented auditory cues in infants with a family history of autoimmune disorder. Developmental neuropsychology. 22, 351-372 (2002).
- Benasich, A. A., Tallal, P. Infant discrimination of rapid auditory cues predicts later language impairment. Behavioural brain research. 136, 31-49 (2002).
- Lopez-Calderon, J., Luck, S. J. ERPLAB: an open-source toolbox for the analysis of event-related potentials. Front Hum. Neurosci. 8, 213 (2014).
- Delorme, A., Sejnowski, T., Makeig, S. Enhanced detection of artifacts in EEG data using higher-order statistics and independent component analysis. NeuroImage. 34 (4), 1443-1449 (2007).
- Hämäläinen, J. A., Ortiz-Mantilla, S., Benasich, A. A. Source localization of event-related potentials to pitch change mapped onto age-appropriate MRIs at 6 months of age. NeuroImage. 54, 1910-1918 (2011).
- Ortiz-Mantilla, S., Hämäläinen, J. A., Benasich, A. A. Time course of ERP generators to syllables in infants: A source localization study using age-appropriate brain templates. NeuroImage. 59, 3275-3287 (2012).
- Canolty, R. T., et al. High gamma power is phase-locked to theta oscillations in human neocortex. Science. 313, 1626-1628 (2006).
- Delorme, A., Makeig, S. EEGLAB: an open source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics including independent component analysis. Journal of neuroscience. 134, 9-21 (2004).
- Delorme, A., et al. ERICA: new tools for advanced EEG processing. Computational intelligence and neuroscience. 2011, 130714 (2011).
- Makeig, S. Auditory event-related dynamics of the EEG spectrum and effects of exposure to tones. Electroencephalography and clinical neurophysiology. 86, 283-293 (1993).
- Hoechstetter, K., et al. BESA source coherence: a new method to study cortical oscillatory coupling. Brain topography. 16, 233-238 (2004).
- Papp, N., Ktonas, P. Critical evaluation of complex demodulation techniques for the quantification of bioelectrical activity. Biomedical sciences instrumentation. 13, 135-145 (1977).
- Yoon, H., Yeom, W., Kang, S., Hong, J., Park, K. A multiple phase demodulation method for high resolution of the laser scanner. The Review of scientific instruments. 80, 056106 (2009).
- Wang, Z., Maier, A., Leopold, D. A., Logothetis, N. K., Liang, H. Single-trial evoked potential estimation using wavelets. Comput Biol Med. 37 (4), 463-473 (2007).
- Kramer, M. A., Tort, A. B., Kopell, N. J. Sharp edge artifacts and spurious coupling in EEG frequency comodulation measures. J Neurosci Methods. 170 (2), 352-357 (2008).
- Kriegeskorte, N., Simmons, W. K., Bellgowan, P. S., Baker, C. I. Circular analysis in systems neuroscience: the dangers of double dipping. Nat Neurosci. 12 (5), 535-540 (2009).
- Musacchia, G., et al. Oscillatory support for rapid frequency change processing in infants. Neuropsychologia. 51, 2812-2824 (2013).
- Boer, T., Scott, L. S., Nelson, C. A. Infant EEG and Event-Related Potentials.Studies in Developmental Psychology. Hann, M. , Psychology Press. Washington D.C. 5-39 (2007).
- Basar, E., Schurmann, M., Demiralp, T., Basar-Eroglu, C., Ademoglu, A. Event-related oscillations are 'real brain responses' - wavelet analysis and new strategies. Int J Psychophysiol. 39, 91-127 (2001).
