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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |