Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Alt arbejde med mennesker kræver Institutional Review Board godkendelse og tilsyn. Metoder rapporteres her, når de anvendes i forskning, er blevet revideret og godkendt af personmotiver Protection Program gennem Rutgers Arts and Sciences Institutional Review Board (IRB).
1. Fremstilling
- Planlæg barnet i 1 time af test i et lyddæmpet og elektrisk afskærmet kammer. Forsøgsprotokollen præsenteres i denne artikel, der producerede repræsentative data omfatter 20 - 30 min af EEG test.
- Afsætte tre personer per test session: en "primær tester", en "netto assistent" og en "entertainer".
- For high-density spædbarn EEG optagelse, bruge mindst en 64-kanals nettet. For de repræsentative data præsenteret her blev en 128-kanals sensor net anvendes.
2. Net Application
- Opsæt følgende leveringer i optagelsen chamber: Coban selvklæbende wrap tape, målebånd, mærkning pen, 2 håndklæder, og pipetter. Kalibrer lyde til testning niveau (f.eks dB SPL, HL, etc.).
- Gøre elektrolytopløsningen (destilleret vand, kaliumchlorid og baby shampoo) godt før estimeret familie ankomsttid. At sikre, at nettet ikke er for koldt på barnets hoved, til varm 8 ounces vand tilsættes til opløsningen lige før påføring.
- Når familien ankommer, indhente samtykke med IRB godkendte formularer.
- I test kammer, sidde spædbarnet på omsorgsperson skød, og har entertainer begynder at lege med spædbarnet. Hvis det er det første besøg, forklarer netto ansøgningsprocedure.
- Mål barnets hovedomkreds på det bredeste sted af hovedet og vælg netto størrelse baseret på denne måling. For at opnå den bedste pasform, skal du vælge en mindre størrelse net, hvis omkredsen er tæt på den mindste størrelse for en alder. Nedsænkes den valgte nettet i elekelektrolyt opløsning.
- Mål nasion-til-Inion og markere hovedbunden ved ½ af den samlede måling. Gør det samme for øre til øre måling. Den endelige karakter er Cz (vertex).
- Fjern overskydende opløsning fra nettet ved at placere den på et tørt håndklæde. Har nettet assistent vend nettet og forstå Cz elektrode; holder nettet, så at den primære testeren kan placere deres fingre på forsiden af nettet.
- Flip nettet igen og placer nettet på spædbarnet hovedet som årets assistent bevæger hagerem og farvede forreste tråde (forbinder nasion elektrode og hagerem) uden for nettet.
- Juster nettostilling på barnets hoved, placerer Cz ved toppunktet hovedbund mærket. Stilling / justere hver af elektroderne startende fra ryggen og arbejder mod fronten, og sørg for, at der er en ret vinkel mellem hver elektrode og hovedet overflade.
- Saml ledningerne, justere hagerem, sikre ledninger med Coban tape, og sæt i nettet Connector.
- Mål elektrodeafstanden impedans med en tærskel på <50 kohm, eller efter systemets anvisninger. Hvis nogle elektroder har høj impedans, re-suge elektrode med en elektrolyt-fyldte pipette og forsigtigt flytte håret fra under elektroden.
3. Stimuli Præsentation og EEG-optagelse
- Præsentere auditive stimuli i frit felt med højttalere lige langt fra barnets hoved.
BEMÆRK: repræsentativ undersøgelse stimulusparametre var som følger: 70 msek tone-par med en grundlæggende frekvens på enten 800 eller 1.200 Hz og 15 harmoniske (6 dB roll-off per oktav) er præsenteret i to blokke (70 eller 300 ms inter- stimulus interval). De lave-høje par (800 Hz - 1.200 Hz) præsenteres som afvigere (15% = 125 forsøg) blandt (800 Hz - 800 Hz) lav-lav standarder (85% = 708 forsøg). - Optage EEG efter hardware og software instruktioner. Brug følgende parametre for repræsentative data: SampLing rate: 250 Hz, Low-pass Hardware filter: 100 Hz, Elliptical, High-pass filter: 0,1 Hz, Auto: indstillet til Nyquist, Board gain: 1.
- Giv en rolig, rolig, mildt engagerende miljø for barnet under optagelsen. Engagere barnet ved at spille et alderssvarende tavs video eller med rolige legetøj (f.eks, blæse bobler, peg på billeder i bøger, marionet play). Forudsat de pårørende med hovedtelefoner til at lytte til musik undgår utilsigtet omsorgsperson interferens med spædbarn respons. Hvis barnet er urolig, påvirker EEG, pause stimulus præsentation og EEG-optagelse, indtil et roligt miljø kan gendannes.
- Efter eksperimentet er afsluttet, fjern forsigtigt nettet og tørre barnets hår og hoved.
- Gem og backup de rå, ufiltrerede EEG data, før afslutning af programmerne i slutningen af test session.
4. Databehandling - ERP
Efterse de rå EEG data og afviser segments med høj amplitude artefakt.
BEMÆRK: Afvis kanaler med høj amplitude og interpolere. Maksimal procent af afviste kanaler bør fastsættes til 30%. Alternative metoder (fx ICA, PCA, se også referere 30) kan anvendes til at reducere eller afvise artefakter i signalet.
- Filtrere data med forud fastsatte parametre, Accord med cortical aktivitet. Til spædbørn, bruge en off-line båndpasfilter af 1 - 15 Hz.
- Segment de kontinuerlige data til at skabe epoker omkring "Time 0" (stimulus debut) i henhold til software instruktioner. For segmentering, indeholde tilstrækkelige præ-stimulus tid til at etablere basislinje aktivitet og post-stimulus tid til at fange hele respons.
- Afvis støjende epoker i henhold til en passende afvisningskriterierne (f.eks +/- 200 μV til spædbørn). Sæt maksimal procent af afviste epoker på 30%.
- Gennemsnittet af epoker for hver enkelt, og hver tilstand og kombinere disse gennemsnitliges efter gruppe, og betingelse for grand gennemsnit.
- Hvis antallet af epoker, der er indeholdt i hver gennemsnit varierer på tværs af fag, vægte antallet af epoker, så personer med flere / færre epoker er ligeligt værdsat.
- At vægte grand gennemsnit beregne den individuelle gennemsnit fra hver betingelse som n gange bølgeform, hvor n er lig med antallet af epoker, der omfatter den gennemsnitlige, derefter divideret med det samlede antal epoker for alle forsøgspersoner. Denne metode giver hvert forsøg lige vægt i den endelige gennemsnit.
5. Databehandling - Source Lokalisering
For data spædbarn, co-registrere den enkelte og grand gennemsnitlig ERP-fil med enten en alderssvarende MR skabelon eller en individuel MR-scanning (se tidligere udgivelser 31,32).
BEMÆRK: I co-registreringsprocessen, elektroden positioner og rekonstruerede hoved registreres i et enkelt koordinatsystem. Grand gennemsnit kan anvendesat definere dipol modellen.
Estimere antallet og placeringen af de underliggende kilder der skal monteres til dataene. For en auditiv paradigme, bruge to dipoler med gratis placering og rotation.
BEMÆRK: Source estimering derefter automatisk ført gennem en minimering af en omkostning funktion, der er et vægtet kombination af 4 resterende fit kriterier for at opnå den "bedst tilpassede" placering til tidsvindue af interesse.
- Sørg alderssvarende parametre anvendes til hovedbunden tykkelse, kranium tykkelse, bredde subarachnoidealrummet og knogle ledningsevne disse forhold ændre sig hurtigt under udvikling. For de repræsentative data, parametre er: skalle: 1,5 mm; hovedbunden: 2,5 mm; subarachnoidealrummet: 1,7 mm; knogle ledningsevne: 0,0581.
- Begyndende med en grand gennemsnitlig ERP, vælge et tidsvindue af interesse, som svarer til et højdepunkt. Konservative parametre er typisk +/- 20 msek omkring toppen af interesse 31.
- Check "godhed fit "for dipol opløsning ved hjælp af softwarens output af residual varians. Dette er mængden af signal, der forbliver uforklaret på det givne tidsvindue for fit af den nuværende dipol modellen. Juster tidsvindue at minimere resterende varians. Brug en distribueret kilde model (CLARA) til at kontrollere opløsningen inden den forlængede aktivitet regionen.
- Gem dipol-source løsning og kurver for hver tilstand og top.
- Gentag proceduren for hver enkelt gennemsnitlig fil.
- Til statistisk analyse af kilden placering, brugsværdier af peak ventetid, amplitude og placering koordinater i X (medial-lateral), Y (anterior-posterior), og Z (superior-inferior) retninger for hver dipol fra hver enkelt gennemsnitlig fil opløsning. I tilfælde præsenteres her, ANOVA (Stimulus (standard, afvigende) X halvkugle (venstre, højre) for amplitude og latens af kilderne 2X2 Gentagen foranstaltninger kan være nyttigt at se på styrken og timingen af generatorerne. Kildekoordinater kan vurderes på samme måde (til gennemsyn, 31,32).
6. Databehandling - Time-frekvens analyse i Source Space
- Påfør dipol model løsning på den rå, ufiltreret, kontinuerlig EEG data.
- Påfør kilden løsning (gemt i trin 5.6.) Til den rå EEG datafil som en virtuel elektrode montage.
BEMÆRK: Brugen af dipolen model på denne måde anvender en fast rumligt filter på overfladen kanal optagelse (sensor plads) at omdanne den kontinuerlige high-density EEG til en virtuel 2-kilde montage (hjerne kilde plads).
- Påfør kilden løsning (gemt i trin 5.6.) Til den rå EEG datafil som en virtuel elektrode montage.
- Omdan tid-domæne single-trial kilde signal til den tid-frekvens-domæne (figur 1).
BEMÆRK: I øjeblikket kan flere tilgange udnyttes til at transformere data single-forsøg i den tid-frekvens domæne, herunder wavelet analyse og anvendelse af et Hilbert omdanne til filtrerede data. Mens en sammenligning af disse metoder eruden for rammerne af denne artikel, har flere publicerede artikler grundigt beskrevet disse metoder 33-36. Den tid-frekvens analyse under anvendelse af komplekse demodulation procedure findes i en kommercielt tilgængelig kohærens softwareprogram 37, beregner den øjeblikkelige kuvert amplitude og fase af hvert hjerneaktivitet som en funktion af frekvens og tid 37-39. Dette frembringer foranstaltninger af øjeblikkelige magt skift (Temporal Spectral Evolution, TSE) og fase-lås (Inter-trial Phase Locking, ITPL).- Brug følgende parametre: 1 Hz brede frekvens siloer 2-80 Hz og 50 msek tidsopløsning fra -1.500 til 1.500 ms. Den epoke tidsvindue skal være lang nok til at tillade filtrering eller behandling på det laveste ønskede frekvens uden at pådrage artefakter 40,41.
- Visualisere frekvens toppe af aktivitet i EEG for at undgå fortolkning af eventuel falsk artefakt-relaterede eller cirkulær ropstemt svingninger 41,42.
- Udfør permutation test og klyngeanalyse til at bestemme områder af betydelige forskelle på tværs af betingelser og grupper 24,43.
Representative Results
Infant event-relaterede potentialer
Infant ERP'er er generelt større end voksne ERP systemer, og kan have færre eller flere toppe af aktivering, i forhold til modne reaktioner, afhængigt af alder 44. Her viser vi repræsentative Grand Gennemsnitlige svar fra treogtyve 4 måneder gamle spædbørn 43 (figur 2). Den særling paradigme giver os mulighed for at afgøre, om barnets hjerne kan genkende forskellen mellem to begivenheder. I de repræsentative resultater, tonen-varianten, afvigende respons (DEV, 800-1,200Hz, rød linje) fremkalder en ekstra top af aktivering, i forhold til de invariante tone par (STD, 800-800Hz, sort linje). Dette fund er tydelig i både Kontrolprocent (300 msek ISI, til venstre) og Rapid Rate (70 msek ISI, højre) betingelser. Eksempel svar fra elektroder af Fz (Frontal midterlinjen), C3 (Central, højre) og C4 (Central, til venstre) er vist. Den beregnede forskel bølge (Deviant minusStandard) er også vist i grå linjer. Den yderligere top af aktivering antyder, at spædbarnet hjernen i denne alder kan skelne forskellen mellem tonerne ved begge rate præsentationer.
Infant source bølgeformer
Kilde aktivitet med lidt resterende varians skal følge ERP toppe, som betyder en "god pasform" mellem den oprindelige data og kilden lokaliserede transformerede data. I de repræsentative data viser vi placeringen af to-dipol bedste pasform source modellen af barnet grand gennemsnitlige ERP til STD (tone-invariant) tilstand over CLARA distribueret model (figur 3). Beregningen viser tydeligt venstre og højre auditive aktivering i Kontrol og Rapid Rate betingelser.
Toppe af aktivitet fra de to-dipol model (figur 4) svarede til ERP respons meget godt. Den maksimale timing og morfologi af ERP kurveformer, vist in panel (i), matche timingen og morfologi af kilde- bølgeformer vist i panelet (ii) (for flere detaljer, se oprindelige artikel, 43). Kilde bølgeformer fra dette eksperiment forklaret 97,9% af variansen i aktiviteten over hovedbunden elektroder. Statistisk analyse af kilden peak latenstider viste, at højre hjernehalvdel aktivitet var hurtigere end den venstre under begge betingelser, og reaktioner i den hastige var senere i begge halvkugler end i kontrolgruppen tilstand. Hemispheric forskelle blev ikke observeret ved brug af ERP-data, hvilket tyder på, at kilden lokalisering teknikker muliggjort indhentning af yderligere oplysninger fra svarene.
Infant event-relaterede Svingninger
Generelt tid-frekvens analyser af voksne og dyredata viser, at stimuli fremkalde en 1 / f mønster af neuronal synkroni (f.eks., Faldende magt med stigende hyppighed). I de repræsentative data, fremkaldt af auditive ten par, viser vi, at spædbørn også udtrykke dette mønster (figur 5). Her stimulus debut fremkalder synkrone byger af theta (5-6 Hz), beta (20-25) Hz og gamma (35-45 Hz) magt i både højre og venstre auditive områder af hjernen.
Dyremodeller og voksne eksperimenter antyder, at oscillerende synkroni og især lav- til midten frekvenssvingninger (f.eks., 1-8 Hz) er væsentlige bidragydere til fremkaldte potentialer 45. Analyse af øjebliksværdier forskydninger (Temporal Spectral Evolution, TSE) i spædbarn svingninger fra vores tidligere publikation 43 viste større induceret strøm til variant tone i theta-båndet (6-8 Hz), i forhold til den invariante tone. Denne effekt blev observeret i begge sats betingelser, især over højre auditive region i Kontrolprocent tilstand (figur 6). Hurtig hastighed præsentation gav et mere bilateralt symmetrisk aktivitet, hvilket tyder på forøget venstre kortikale involvement under auditive behandling af hurtigt forekommende stimuli og især under akustisk forandring bearbejdning.
Figur 1. trin af tid-frekvens analyse. Time-frekvens analysemetode er illustreret ved hjælp af grand gennemsnit (n = 12) af data fra 4 måneder gamle spædbørn i løbet af 70 msek ISI tone tilstand. Stimulus indledninger er vist i røde pile beneath tidsaksen. Trinnene analyse: (1) i gennemsnit ERP, vist i Cz elektrode, skabes for hver kanal (2) Kilde placering af ERP generatorer, vist i en skitse hoved, opnås ved anvendelse af en 2-dipol modellen i data afbildet på en. spædbarn MRI skabelon. (3) Individuel og grand gennemsnitlige kilde kurver fås fra pasform Venstre og Højre dipoler. Infant hoved modeller viser spændingen kort, der svarer til den valgte top (igray). (4) Kilden montage påføres 128 kanals hovedbund data og amplituder beregnes og gemmes til de to kildekanaler. (5) Arrangementer relaterede svingninger beregnes fra enkelt-forsøg, og i gennemsnit over perioden respons. Venligst klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 2. Begivenhed-relaterede potentielle morfologi. Grand Gennemsnit (n = 23) til Rapid (70 msek ISI) og kontrol (300 msek ISI) sats reaktioner på standard (STD, sorte linjer) og afvigende (DEV, røde linjer) tone par er vist i frontal midterlinjen og central venstre og højre elektroder. Negativitet plottes op. Stimulus indledninger er vist i røde pile beneath tidsaksen på Fz. P1 er vist i Fz panel med en sort pil. Forskellen wave (reaktion på DEV minus respons på STD) vises i grå linier (tilpasset fra 43). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Kilde lokalisering resultater. To dipole "bedst tilpassede" kilde model er vist oven på distribueret aktivitet fra kilden model. Klare venstre og højre aktivitet kan ses over venstre og højre tidsmæssige lap regioner. (Tilpasset fra 43). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. event-relaterede Potentiel og Source Waveform Sammenligning. (I) Eksempel ERP systemer fra frontal LEF t og højre elektroder (F3 og F4) viser toppe af aktivering til at tone par med invariante og variant grundlæggende frekvenser (STD og DEV henholdsvis). En ændring i frekvens fremkalder større peaks ~ 400 msek (DEV, red line), i forhold til når frekvenserne er uændret (STD, sort). (Ii) Latenstiden af toppe af aktivering er tilsvarende for kilden-lokaliserede dipol-aktivitet, hvilket tyder et godt match mellem ERP og kilde bølgeform analyse. Den store top ved 400 msek er særlig mærkbar i højre hjernehalvdel med kilde-lokaliserede data. For enkelhedens skyld er kun svarene på Rapid Rate tilstand imidlertid vist en lignende kamp blev også observeret mellem ERP og kilde bølgeformer for svarene i Control Rate tilstand. Klik her for at se en større version af dette tal.
gur 5 "src =" / files / ftp_upload / 52420 / 52420fig5.jpg "/>
Maps Figur 5. Pooled TSE er udtrykt i procent spektral ændring over en epoke med -1 til 1 sek af tid til venstre og højre generatorer. (I) toner i 300 msek ISI tilstand fremkalder event-relaterede svingninger i sammenhængende frekvensbånd omkring stimulus debut (f.eks., -1140 ms og 0 ms). En lang stimulus epoke anvendes for at visualisere flere af data og for at tilvejebringe en lang nok prøve til frekvens sønderdeling. Højre panel viser de gennemsnitlige spektrum over den indledende behandling peak (150-300 ms). Den gennemsnitlige spektrum viser et samlet 1 / f spektrum med diskrete toppe af synkront på bestemte frekvensbånd. (Ii) Et lignende mønster for 70 msek ISI tilstand. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Time-frekvens analyse af event-relaterede svingninger i fire måneder gamle spædbørn. Ændring i oscillerende strøm vises inTemporal Spectral Evolution (TSE) grand gennemsnitlige grunde til 4-måneder gamle spædbørn i Kontrol (A) og Rapid Rate (B) forhold. Sorte bjælker på X-aksen illustrerer tone debut og varigheder. Venstre og højre kilde aktivitet er angivet i øverste venstre hjørne på hver graf. Første række: (i) Svar på tone par med invariant frekvens (STD) viser magt ændringer i delta-theta rækkevidde. Midterste række: (ii) Svar på tone par med en frekvens ændring i den anden tone (DEV) viser forbedret delta-theta magt på den anden tone i forhold til STD reaktioner, især i den rigtige auditive region i Control tilstand. Tredje række: Forskel plots mellem STD og DEVBesvarelserne viser en ret lateralized stigning i magten i Control Rate (A.iii) og bilateral power forskel i Rapid Rate (B.III). Væsentlige forskelle mellem STD og DEV respons i den tid-frekvens domæne er vist i sort kontur. (Tilpasset fra 43). Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
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.
Acknowledgments
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.
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).
