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.
Snabb ljudbearbetning och akustiska förändring upptäckt förmågor spela en avgörande roll i att låta spädbarn för att effektivt behandla fina spektrala och temporala förändringar som är karakteristiska för mänskligt språk. Dessa förmågor lägga grunden för en effektiv språkinlärning; tillåter barn att slipa på ljudet av sitt modersmål. Ingrepp i djur och hårbotten inspelade potentialer från vuxna människor tyder på att samtidig, rytmisk aktivitet (svängningar) mellan och inom områden i hjärnan är grundläggande för sensorisk utveckling; bestämma upplösningen med vilken inkommande stimuli analyseras. Vid denna tid, lite är känt om oscillerande dynamik i mänsklig barnets utveckling. Men djur neurofysiologi och vuxna EEG-data utgör grunden för en stark hypotes som snabb ljudbearbetning hos spädbarn förmedlas genom oscillerande synkront i diskreta frekvensband. För att undersöka detta, 128-kanal, hög Density EEG svaren från 4-månader gamla spädbarn till frekvensändring i tonen par, presenteras i två hastighetsförhållanden (Rapid: 70 ms ISI och kontroll: 300 ms ISI) undersöktes. För att bestämma frekvensband och omfattningen av verksamheten, auditiva framkallade genomsnitt svars var första co-registrerade med åldersanpassade hjärn mallar. Därefter tillsattes de huvudsakliga komponenterna i svaret identifieras och lokaliseras med användning av en två-dipol modell av hjärnaktivitet. Single-rättegången analys av oscillerande makt visade en robust index för frekvensändring behandling i skurar av Theta-bandet (3-8 Hz) aktivitet i både höger och vänster auditiva cortex, med vänster aktivering mer framträdande i Rapid skick. Dessa metoder har producerat data som inte bara är en del av den första rapporterade framkallade svängningar analyser hos spädbarn, men är också viktigt, produkten av en väl etablerad teknik för att registrera och analysera ren, minutiöst samlas, spädbarn EEG och ERP. I den här artikeln beskriver vi vår metod för jagnfant EEG netto ansökan, inspelning, dynamisk hjärnan responsanalys, och representativa resultat.
Över ett brett spektrum av utvecklingsstörning, blir det allt tydligare att nyckeln till tidig upptäckt och slutligen sanering ligger i att förstå de tidiga mekanismer som spelar in som den växande hjärnan monterar funktionella nätverk. Således finns det ett ökat intresse för att förstå de temporala dynamiken i neurala mönster som påverkar kognition. I synnerhet specifika kognitiva funktioner som ska differentiellt korrelerad med oscillerande aktivitet i specifika frekvensband (t.ex. cykliska svängningar encelliga eller befolkningsmembranpotentialer) 1. Tidigare studier har visat att oscillerande dynamik spelar en avgörande roll i verksamheten beroende självorganisering utvecklings nätverk 2-4, kontrollera neuronala retbarhet 5,6 och integrera sinnesintryck 7,8. Oscillerande hjärnans aktivitet tros vara metaboliskt fördelaktigt 9,10, öka effektiviteten i AVariety av sensoriska bearbetningsfunktioner och samordning av funktioner på högre nivå, såsom kognition och språk. Men systematisk undersökning av den roll som neurala synkront över ålder och kontakter med beteende utfall i spädbarn har ännu inte åstadkommas. Ett viktigt steg mot detta mål är att uppnå en djupare förståelse av framväxten och mognaden av de temporala dynamik och oscillerande mekanismer som stödjer utveckling av kognitiva processer, inklusive tidig språkinlärning.
En viktig del av språkutvecklingen är förmågan att korrekt bearbeta och kategorisera akustiska signaler som förändras snabbt: ofta i storleksordningen så lite som tiotals millisekunder. Till exempel, de akustiska dynamiken i orden "pappa" och "dåliga" skiljer sig akustiskt bara under de första 40 ms av stavelsen, men de två har mycket olika betydelser och associationer. Tidigare studier visar en mognads bana receptive förmåga till akustiska och språkliga skillnader. Så tidigt som 2 månader, spädbarn visa förmåga att diskriminera snabba frekvensändringar (t.ex. <100 ms); vilket tyder på att den "hårdvara" för detektering av skillnaden mellan två akustiskt liknande stavelser är på plats. Under de närmaste månaderna, kan barn skilja allt mindre skillnader, utveckla kategoriska uppfattning, och uppvisar kortikala specialisering för ljudet av infödda språk stavelser 11-14. Eftersom komplexa ljud uppfattning bygger på funktionen av grundläggande bearbetningsmekanismer, är det tänkt att brister i förmågan att uppfatta snabbt föränderliga akustiska skillnader – även för enkla ljud som toner – kan vara tidiga indikatorer 15 av senare språkstörning.
Tidigare arbete från Choudhury och Benasich i detta laboratorium stöder starkt denna hypotes, visar att ett spädbarns förmåga att bearbeta mycketsnabba förändringar i enkla ljud (t.ex. toner) kan förutsäga 3- och 4-åriga språk och kognitiva förmågor 16,17. Dessa uppgifter kontrollera att hjärnan svaren från pre-språkiga barn kan ge en mätbar indikator på ljudbearbetning och utvecklande framsteg. Studien och metoder som presenteras här sond viktiga aspekter av den underliggande mekanismen för denna relation. Flera linjer av forskning visar nu att topp latens och amplitud av ERP vågor uppstår från summeringen av spectrotemporal dynamik i EEG svängningar av flera generatorer 18-23. Spectrotemporal analys gör det också möjligt att separera fasen och effektinformation. Faslåsta aktivitet speglar den del av neuronala svar som framkallas av stimulans. Denna typ av information är liknande vad som kan extraheras från ERP, eftersom svar medelvärdes relativt en tidslåst händelse. Emellertid kan tidpunkten för vissa neuronal aktivitet varierar från prov till prov. I ERP analys, this verksamhet "jämnas ut"; emellertid i analysen av effektändringar från prov till prov, kan denna information utvinnas och analyseras. Därför kan spectrotemporal analys av fas och makt att ge ytterligare information om neuronala svar, i förhållande till den konventionella ERP. När det gäller barnets utveckling, det finns betydande bevis för att svängningar bidra till utvecklingen av nervbanor i djurmodeller 2,3 men dessa mekanismer har bara börjat undersökas i den mänskliga befolkningen. Arbeta från detta laboratorium har visat theta och gamma oscillerande korrelerar av modersmål specialisering på 6 månader 24. Detta belyser funktionalitet oscillerande hierarkier i spädbarnsåldern.
Den globala hypotes, baserat på de bevis som presenterats ovan, är att synkront av framkallade svängningar i auditiva cortex stöder barnets hjärnans utveckling. Som ett första steg i att testa denna hypotes, en "baslinje221; bearbetning i tidig barndom erhölls; nämligen 4-månaders-of-age, som för närvarande tros föregå "perceptuell förträngning" för modersmål specialisering 25,26. Därför genomförde vi en enda rättegång frekvensanalys om modersmjölk EEG-data som registrerats under passivt lyssnande pitch-variant och pitch-invariant tonen par presenteras i en "kuf paradigm" som består av två räntevillkor (kontrolltillstånd: 300 msek mellan stimulus intervall; Snabb villkor: 70 ms mellan stimulus-intervall).
Här visar vi den här metoden använder stimuli från studier som fokuserar på snabb ljudbearbetning. I dessa studier, en "kuf paradigm", användes för att bedöma neuronal aktivitet till oförutsägbara, men påtagliga händelser. I detta paradigm, hjärnan svar på oförutsägbara eller "udda" stimuli ofta kallas "avvikande" svar, medan svaret för förutsägbara stimulans presenterade most av tiden, brukar kallas "Standard" hjärna svar. Svar på stimuli som presenteras i en kuf paradigm kan automatiskt framkallas utan fokuserad uppmärksamhet, vilket gör detta paradigm lätt att använda med mycket unga barn. Alla auditiva stimuli presenteras via gratis-fält talare vid intervaller, som varierar beroende på studien. Som tidigare nämnts, i den aktuella studien ljud som index snabba ljudbearbetning (RAP) förmågor användes: det vill säga, det låter som innehåller tiotals-of-millisekunder akustisk förändring 16,17,27,28. Det kan noteras att många andra typer stimulans är användbara för att testa neurofysiologisk diskriminering, inklusive konsonant-vokal (CV) låter liksom avvikare som återspeglar förändringar i frekvens eller varaktighet, med ett mellanliggande Gap, och / eller stigande eller fallande frekvenssvep. Slutligen rekommenderar vi också spela in spontana EEG under "tyst play", där ingen auditiva stimulus presenteras. Dessa uppgifter kan sedan varaanvänds för att mäta oscillerande koppling och konsekvens i frånvaro av upprepad stimulering.
Inspelning EEG-aktivitet från ett spädbarn befolkning utgör en uppsättning unika utmaningar. Exempelvis samarbete med placering av elektroderna och lämnar dem på plats under hela experimentet, vilket minimerar rörelsen för att förhindra EEG artefakter, och hålla barnet i ingrepp och distraherad med tysta leksaker samtliga representerar utmaningar. Dessutom behöver spädbarn uppgifterna inte lätt lämpar sig för enkla tillämpningar av protokoll som utvecklats med vuxna / äldre barn uppgifter. I många fall är förhållandet mellan komponenter som observerats i spädbarn EEG och händelserelaterade potentialer (ERP) inte lika entydig och inte heller alltid karta på vad som accepteras i den vuxna. Medan utvecklingsforskning har en kraftfull potential för att förstå uppkomsten av typiska och oordnad hjärnfunktion, inspelning tillförlitliga och tolkningsbara hjärn svar från spädbarn kräver ahög kunskaper i både tekniska och interpersonella världarna. Dessa utmaningar kan dock övervinnas och tillförlitliga EEG och ERP-data kan spelas in från spädbarn i olika åldrar med hjälp av olika paradigm. Här beskriver vi en generell analysmetod utnyttjar kommersiellt tillgängliga ERP inspelning och analys i kombination med en fri, öppen källkod ERP analys paket som fungerar i MATLAB miljön 29.
Tillämpningen av oscillerande analysmetoder som spädbarn hjärnan svars inspelningar medger utforskning av mer mekanistiska frågor om neuronala synkront utveckling i förhållande till språkinlärning och förmodade bakomliggande mekanismer när det synkront äventyras. Relaterade ansträngningar som använder andra stimuli, såsom tal stavelser 24, och analys av spontana eller "vilande" svängningar 1 i längsgående analyser eller i kombination med tidig utbildning paradigm, har fönster i temporal, rumsliga och spektrala dynamiken i typiska och oordnade utvecklingsbanor. Förhoppningen är att dessa ansträngningar kommer att öka vår förståelse av grunderna för hörsel utveckling och plasticitet, samt underlätta identifiering och saneringsstrategier för utvecklingsspråkstörning.
Forskningen här beskrivna metoden beskriver hur man underlätta en djupare förståelse av spectrotemporal dynamik och anatomiska läge med hög densitet hörselframkallade EEG och ERP hjärnsvar hos spädbarn. Det finns fyra viktiga steg i detta protokoll som underlättar analys. För det första är korrekt netto ansökan och positionering med minimal vårdgivare och spädbarn nöd grunden för inspelning rena EEG i icke-drogad paradigm. Korrekt mätning huvud och netto storlek val samt användningen av netto assistent och underhållare under ansökningsprocessen är nyckeln till att uppnå detta steg. För det andra är det viktigt att fastställa en lugn, lugn och lekfull stämning för familjen under testsessionen, ett tillstånd som underlättas av den primära testare, netto assistent och underhållare, som engagerar barnet i lugn lek. För det tredje, för analys av data, är det viktigt att åldersanpassade MRI huvudmodeller användas för käll lokalisering. Huvudet storlek, bone och hud och ryggmärgs utrymme måste vara korrekt för testas för att få de mest exakta lokaliseringsresultat ålder. Slutligen, för kortikala svar i allmänhet, är det också viktigt att en hög densitet nät användas (till exempel., Minst 64 datakanaler) i syfte att optimera chanserna att få låg artefakt inspelningar.
En begränsning med denna teknik är att källan lokalisering av EEG-data som inte är den gyllene standarden för platsen för aktivitetstester. Man måste komma ihåg att den framtida modellen för lokalisering även med de bästa huvudmodeller och mätningar är fortfarande uppskattar aktivitets plats. Därför är det viktigt att utforma experimentet på ett sådant sätt att information om käll aktivitet kan jämföras över experimentella förhållanden eller grupper. Dessutom kan spädbarn tester i allmänhet och i synnerhet, longitudinell studie vara förenat med ofullständiga eller saknas dataset. Lösningar på detta problem är att a) upprätthålla relationships med deltagande familjer; b) optimera en lugn, lugn inspelning atmosfär för barnet och vårdgivare; och c) överskattar ämnet poolen. I våra händer, med en erfaren barn laget, har vi uppnått låg dropout och minimal förlust hastigheter. I en longitudinell urval av 211 spädbarn inspelningar med 57 deltagare visar vi 98,6% lagring av uppgifter (t.ex.., 208 sessioner som resulterade i användbara data) och en droppe i förtid 10% (t ex., 6 deltagare kunde fortsätta efter att ha påbörjat experiment). En fördel med EEG framför andra tekniker, såsom MEG och NIRS, är att subcortically partisk aktivitet är tillgänglig med olika filterband. Dessutom är det lättare att styra för rörelse som elektrod reser med huvudet.
När detta protokoll behärskar, de experimentella tillämpningar av spädbarn EEG och oscillerande dynamik är riklig. Det är klart att vi först måste förstå typiskt utveckla kortikala netwoRKS i syfte att identifiera dem som atypiskt organiseras. Detta tyder på att det är nödvändigt för att skapa en modell där integriteten hos tidiga auditiva mekanismer bearbetning (inklusive svängningar) spelar en roll i genereringen och plasticitet av ljud representation som hörsel erfarenheter införlivas och helst lärde. Enligt denna modell kan nonlinguistic bearbetnings underskott vara associerade med symptom år, eller i vissa fall årtionden, innan formell diagnos inträffar.
Det behövs Framtida undersökningar för att förstå ytterligare information, inklusive funktion av frekvens-bandspecifika oscillerande dynamik, kors frekvens fas koppling och regionala hämmande / excitatoriska mönster över tidig utveckling. Dessutom subkortikala aktivitet och testning i olika stater, såsom sömn, behövs för att ge en mer fullständig bild av typiska utveckling. Vi tror att forskning med denna teknik kommer att ge viktig insyn i processen genom which 'neurotypiska' och atypisk oscillerande dynamik organisera och interagera med nya kognitiva och språkkunskaper.
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner tacksamt stöd för denna forskning vid Elizabeth H. Solomon Center för Neuropsykiatriska forskning och NSF bidrags # SMA-1041755 till Temporal Dynamics of Learning Center, en NSF Science of Learning Center. Ett särskilt tack också till följd av familjerna som deltog, och till ledamöterna i barndom Laboratoriestudier för deras praktiska och intellektuella bidrag. Ett särskilt tack till Jarmo Hämäläinen för utveckling av käll lokalisering protokollet och till Naseem Choudhury för hennes intellektuella ingång.
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 |