Infant Auditieve Verwerking en Event-gerelateerde Brain Oscillations

Behavior
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Musacchia, G., Ortiz-Mantilla, S., Realpe-Bonilla, T., Roesler, C. P., Benasich, A. A. Infant Auditory Processing and Event-related Brain Oscillations. J. Vis. Exp. (101), e52420, doi:10.3791/52420 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Snelle verwerking van auditieve en akoestische mutatiesignalering vaardigheden spelen een cruciale rol in het toestaan ​​van de menselijke baby's om efficiënt verwerken van de fijne spectrale en tijdelijke veranderingen die kenmerkend zijn voor de menselijke taal zijn. Deze vaardigheden de basis leggen voor een effectieve taalverwerving; waardoor zuigelingen te slijpen op de klanken van hun moedertaal. Invasieve procedures bij dieren en de hoofdhuid opgenomen potentials uit menselijke volwassenen suggereren dat gelijktijdige, ritmische activiteit (oscillaties) tussen en binnen de gebieden van de hersenen zijn van fundamenteel belang voor zintuiglijke ontwikkeling; het bepalen van de resolutie waarmee inkomende stimuli worden ontleed. Op dit moment is er weinig bekend over oscillerende dynamiek in de ontwikkeling van het menselijk kind. Echter, dieren neurofysiologie en volwassen EEG data vormen de basis voor een sterke hypothese dat snelle auditieve verwerking bij kinderen veroorzaakt door oscillerende synchronie in discrete frequentiebanden. Om dit, 128 kanalen, high-verb onderzoekenty EEG reacties van 4 maanden oude baby om de frequentie verandering in toon paren, gepresenteerd in twee tarief voorwaarden (Rapid: 70 msec ISI en controle: 300 msec ISI) werden onderzocht. Om de frequentieband en de omvang van de activiteit te bepalen, auditieve evoked gemiddelden reactie waren de eerste co-geregistreerd bij de leeftijd passende hersenen templates. Vervolgens worden de hoofdcomponenten van de respons werden geïdentificeerd en gelokaliseerd behulp van een twee-dipoolmodel van hersenactiviteit. Single-proces analyse van oscillerende vermogen toonde een robuuste index van frequentiewijziging verwerking in uitbarstingen van Theta band (3-8 Hz) activiteit in zowel de rechter en linker auditieve cortex, met links activering meer prominent in de snelle conditie. Deze methoden zijn gegevens die niet alleen enkele eerste declaratie opgewekt oscillaties analyses bij zuigelingen maar ook geproduceerd, belangrijker, het product van een gevestigde werkwijze voor het registreren en analyseren schoon, zorgvuldig verzameld, baby EEG en ERP. In dit artikel beschrijven we onze methode voor infant EEG netto-applicatie, opname, dynamische hersenen respons analyse, en representatieve resultaten.

Introduction

Over een breed spectrum van de ontwikkelingsstoornissen, wordt het steeds duidelijker dat de sleutel tot vroegtijdige signalering en uiteindelijk herstel ligt in het begrijpen van het begin van de mechanismen die een rol spelen als de zich ontwikkelende hersenen assembleert functionele netwerken. Er is dus toegenomen belangstelling voor het begrijpen van de temporele dynamiek van neurale patronen die invloed cognitie. Vooral specifieke cognitieve functies worden differentieel gecorreleerd met oscillerende activiteit in specifieke frequentiebanden (bijvoorbeeld cyclische fluctuaties eencellige of populatie membraanpotentialen) 1. Eerdere studies hebben aangetoond dat oscillerende dynamiek spelen een cruciale rol in de activiteit-afhankelijke zelforganisatie van het ontwikkelen van netwerken 2-4, controle neuronale prikkelbaarheid 5,6 en integreren van zintuiglijke input 7,8. Oscillerende hersenactiviteit wordt gedacht metabolisch 9,10 gunstig te zijn, de efficiëntie van avariety van de verwerking functies en coördinatie van functies op hoger niveau, zoals cognitie en taal zintuiglijke. Echter, systematisch onderzoek naar de rol van neurale synchroon over leeftijd en banden met gedragsproblemen resultaten in menselijke zuigelingen is nog niet volbracht. Een belangrijke stap in de richting van deze doelstelling is om een ​​dieper begrip van het ontstaan ​​en de rijping van de temporele dynamiek en oscillerende mechanismen die de ontwikkeling van cognitieve processen, waaronder vroege taalondersteuning bereiken.

Een essentieel onderdeel van taalontwikkeling is de mogelijkheid om nauwkeurig verwerken en categoriseren akoestische signalen snel veranderen: vaak in de orde van slechts enkele tientallen milliseconden. Bijvoorbeeld, akoestische dynamiek van de woorden "vader" en "slechte" verschillen akoestisch slechts over de eerste 40 ms van de lettergreep, maar de twee zeer verschillende betekenissen en associaties. Eerdere studies tonen een maturational traject van receptive mogelijkheid voor akoestische en taalkundige verschillen. Reeds 2 maanden oud, zuigelingen tonen het vermogen om een snelle frequentie verandert onderscheiden (bijvoorbeeld <100 msec); suggereert dat de "hardware" voor het detecteren van het verschil tussen twee vergelijkbare akoestisch lettergrepen aanwezig is. In de komende maanden kunnen baby's onderscheid steeds kleinere verschillen, het ontwikkelen van categorische perceptie, en vertonen corticale specialisatie voor geluiden van de moedertaal lettergrepen 11-14. Omdat complexe geluidswaarneming voert de functie van basisverwerking mechanisme, wordt gedacht dat tekorten in het vermogen om snel waarnemen veranderende akoestische verschillen - zelfs voor eenvoudige geluiden zoals tonen - misschien vroege indicatoren 15 van later taalstoornis.

Vorige werk van Choudhury en Benasich in dit laboratorium steunt sterk deze hypothese, waaruit blijkt dat het vermogen van een kind om zeer te verwerkensnelle veranderingen in eenvoudige geluiden (bijvoorbeeld tonen) 3- en 4-jaar taal en cognitieve vaardigheden 16,17 voorspellen. Deze gegevens te controleren dat de hersenen reacties van pre-lingual zuigelingen een kwantificeerbare indicator van auditieve verwerking en ontwikkelingsstoornissen vooruitgang kan bieden. Het onderzoek en de methoden hier gepresenteerde onderzoeken de belangrijkste aspecten van het onderliggende mechanisme van deze relatie. Verschillende lijnen van het onderzoek nu geven aan dat piek latentie en amplitude van ERP-golven voortvloeien uit de optelling van spectrotemporal dynamiek in het EEG oscillaties van meerdere generatoren 18-23. Spectrotemporal analyse maakt het ook de scheiding van fase en de macht informatie. Fasevergrendelde activiteit reflecteert het deel van de neuronale respons die wordt opgewekt door de stimulus. Dit soort informatie is gelijk aan wat de ERP te extraheren aangezien reacties met betrekking tot een tijd-vergrendelde event worden gemiddeld. Echter de timing van bepaalde neuronale activiteit variëren van proef tot proef. In ERP-analyse, thiDe activiteit wordt "uitgemiddeld"; maar in de analyse van de macht verandert van proef tot proef, kan deze informatie worden teruggewonnen en geanalyseerd. Daarom kan spectrotemporal analyse fase en kracht aanvullende informatie over de neuronale respons ten opzichte van de conventionele ERP geven. Wat zuigeling ontwikkeling er aanzienlijk bewijs dat de oscillaties bijdragen aan de ontwikkeling van neurale circuits in diermodellen 2,3 maar deze mechanismen zijn slechts beginnen te onderzoeken in de humane populatie. Het werk van dit laboratorium heeft aangetoond theta en gamma oscillerende correleert van moedertaal specialisatie op 6-maanden 24. Dit benadrukt de functionaliteit van oscillerende hiërarchieën in de kinderschoenen.

De algemene hypothese gebaseerd op de hierboven gepresenteerde bewijs dat synchronie van opgewekte trillingen in de auditieve cortex ondersteunt zuigeling ontwikkeling van de hersenen. Als eerste stap bij het testen van deze hypothese, een "basislijn221; van de verwerking in de vroege kindertijd werd verkregen; namelijk 4-maanden-oud, die momenteel verondersteld om "perceptuele vernauwing" voor moedertaal specialisatie 25,26 voorafgaan. Daarom voerden we single-proef frequentie-analyse op de zuigeling EEG-gegevens opgenomen tijdens passief luisteren pitch-variant en pitch-invariante tone paren gepresenteerd in een "oddball paradigma", bestaande uit twee tarief omstandigheden (controle conditie: 300 msec inter-stimulus interval; Rapid voorwaarde: 70 msec inter-stimulus-interval).

Hier illustreren we deze methode gebruiken stimuli van studies gericht op een snelle auditieve verwerking. In deze onderzoeken werd een "oddball paradigma ', werd gebruikt om neuronale activiteit onvoorspelbaar, maar herkenbaar events beoordelen. In dit paradigma, de hersenen reactie op onvoorspelbare of "vreemde" stimuli worden vaak "Afwijkende" reacties, terwijl de respons voor de voorspelbare stimulus, gepresenteerd most de tijd, wordt meestal de "Standard" brain response. Reacties op stimuli gepresenteerd in een oddball paradigma kan automatisch worden uitgelokt zonder gerichte aandacht, waardoor dit paradigma makkelijk te gebruiken met zeer jonge kinderen. Alle van de auditieve stimuli worden aangeboden via het vrije veld speakers met tussenpozen die variëren afhankelijk van de studie. Zoals eerder vermeld, in de huidige studie geluiden die index snelle auditieve verwerking (RAP) capaciteiten werden gebruikt: dat wil zeggen, klinkt met tientallen-of-milliseconden van akoestische veranderingen 16,17,27,28. Het kan worden opgemerkt dat vele andere soorten stimulans zijn nuttig voor het testen van neurofysiologische discriminatie, met inbegrip medeklinker-klinker (CV) klinkt als afwijkenden weerspiegelt veranderingen in de frequentie of de duur, met een tussengeplaatste Gap, en / of stijgende of dalende frequentie Sweeps. Tot slot hebben we ook aan het opnemen spontane EEG tijdens 'stille play "waarin geen auditieve stimulus wordt gepresenteerd. Deze gegevens kunnen dangebruikt om oscillerende koppeling en coherentiemaat in afwezigheid van herhaalde stimulatie.

Opnemen EEG activiteit van een zuigeling bevolking vormt een reeks unieke uitdagingen. Bijvoorbeeld samenwerking met de plaatsing van de elektroden en laat ze op hun plaats gedurende de duur van het experiment, minimaliseert beweging om EEG artefacten te voorkomen, en het houden van het kind betrokken en afgeleid door stille speelgoed alle uitdagingen vormen. Bovendien, baby gegevens niet gemakkelijk lenen zich tot een eenvoudige toepassingen van protocollen ontwikkeld met volwassene / ouder kind data. In veel gevallen is de relatie tussen componenten waargenomen in kindervoeding EEG en event-related potentials (ERP) is niet zo duidelijk en ook niet altijd in kaart aan wat in de volwassen wordt aanvaard. Terwijl ontwikkelingsonderzoek heeft een krachtige mogelijkheden voor het begrijpen van het ontstaan ​​van de typische en verstoorde hersenfunctie, het opnemen van betrouwbare en interpreteerbaar hersenen reacties van het menselijk zuigelingen vereist ahoge niveau van bekwaamheid in zowel technische en interpersoonlijke sferen. Deze problemen kunnen echter worden overwonnen en betrouwbare EEG en ERP gegevens kunnen worden opgenomen van kinderen van verschillende leeftijden met verschillende paradigma. Hier beschrijven we een algemene analysemethode gebruikmaking handel verkrijgbaar ERP registratie en analyse software in combinatie met een vrije, open source ERP analysepakket die werkt in het MATLAB-omgeving 29.

De toepassing van oscillerende analysemethoden zuigeling hersenen reactie opnames maakt verkenning van meer mechanistische vragen van neuronale synchroon ontwikkeling in relatie tot taalverwerving en vermeende onderliggende mechanismen wanneer die synchroon in het gedrang komt. Verwante inspanningen op andere stimuli, zoals spraak lettergrepen 24, en analyse van spontane of "rust" 1 oscillaties in longitudinale analyses of in combinatie met vroege training paradigma bieden windows in de temporal, ruimtelijke en spectrale dynamiek van typische en wanordelijke ontwikkelingstrajecten. Het is te hopen dat deze inspanningen ons begrip van de bases van de auditieve ontwikkeling en plasticiteit zal toenemen, en helpen bij de identificatie en sanering van strategieën voor ontwikkelingsstoornissen taalstoornissen.

Protocol

Alle werkzaamheden met menselijke proefpersonen nodig Institutional Review Board goedkeuring en toezicht. Methoden hier gemeld, wanneer gebruikt in het onderzoek, zijn beoordeeld en door het Human Onderwerpen Protection Program door de Rutgers Kunsten en Wetenschappen Institutional Review Board (IRB) goedgekeurd.

1. Voorbereiding

  1. Plan van de baby voor 1 uur van het testen in een geluid verzwakt en elektrisch afgeschermde kamer. De studie protocol in dit artikel dat representatieve gegevens geproduceerd omvat 20 - 30 min van EEG testen.
  2. Wijs drie mensen per testsessie: één "primaire tester", een "netto-assistent" en één "entertainer".
  3. Voor high-density zuigeling EEG-opname, gebruik van ten minste een 64-kanaal net. Voor de vertegenwoordiger van de hier gepresenteerde gegevens, werd een 128-kanaals sensor net gebruikt.

2. Net Application

  1. Stel de volgende leveringen in de opname chamber: Coban zelf-klevende wrap tape, meetlint, markering pen, 2 handdoeken, en pipetten. Kalibreren klinkt testniveau (bijv dB SPL, HL, enz.).
  2. Maak de elektrolytoplossing (gedestilleerd water, kaliumchloride en babyshampoo) goed voor naar schatting familie aankomsttijd. Om het net niet te koud op het hoofd van de baby, warm 8 ounces water worden toegevoegd aan de oplossing net vóór het aanbrengen.
  3. Toen de familie aankomt, krijgen toestemming met IRB goedgekeurd vormen.
  4. In de testkamer, zit het kind op de schoot van de verzorger, en hebben de entertainer beginnen te spelen met het kind. Als het de eerste bezoek, verklaren de netto-aanvraagprocedure.
  5. Meet de baby hoofdomtrek op het breedste punt van het hoofd en kies de netto formaat op basis van deze meting. Om de beste fit te krijgen, kiezen voor een kleinere net als de omtrek dicht bij de minimale grootte voor een tijdperk. Dompel de gekozen net in de elecelektrolyt oplossing.
  6. Maatregel nasion-to-INION en markeer de hoofdhuid op ½ van de totale meting. Doe hetzelfde voor het oor tot oor meting. Het eindcijfer is Cz (vertex).
  7. Verwijder overtollige oplossing van het net door het op een droge handdoek. Heb het net assistent omkeren het net en pak de Cz elektrode; houdt het net, zodat het primaire tester hun vingers kunnen positioneren aan de voorkant van het net.
  8. Flip het net over en zet het net aan het kind hoofd als de netto-assistente beweegt de kinband en gekleurde voorste draden (het aansluiten van de nasion elektrode en kinband) buiten het net.
  9. Pas de netto-positie op het hoofd van de baby, het plaatsen van Cz op het hoekpunt hoofdhuid merk. Position / uitlijnen elk van de elektroden vanaf de rug en werken in de richting van de voorzijde, om ervoor te zorgen dat er een juiste hoek tussen elke elektrode en het hoofd oppervlak.
  10. Verzamel de draden, pas de kinband, veilige kabels met Coban tape, en steek de stekker in het net connector.
  11. Meet de impedantie van de elektrode met een drempelwaarde van <50 KOhm, of volgens de instructies van het systeem. Als sommige elektroden hoge impedantie, re-week de elektrode met een elektrolyt gevuld pipet en beweeg zachtjes het haar van onder de elektrode.

3. Stimuli Presentatie en EEG opname

  1. Aanwezig auditieve stimuli in vrije-veld met luidsprekers op gelijke afstand van het hoofd van de baby.
    LET OP: De representatieve studie stimulus parameters waren als volgt: 70 msec tone-paren met een fundamentele frequentie van 800 of 1200 Hz en 15 harmonischen (6 dB roll-off per octaaf) worden gepresenteerd in twee blokken (70 of 300 msec inter- stimulus interval). De lage-hoge paren (800 Hz - 1200 Hz) worden gepresenteerd als gestoorden (15% = 125 trials) onder lage-laag (800 Hz - 800 Hz) normen (85% = 708 trials).
  2. Noteer de EEG volgens hardware- en software-instructies. Gebruik de volgende parameters voor de representatieve gegevens: Sampleng tarief: 250 Hz, Laag-pas filter Hardware: 100 Hz, Elliptical, High-pass filter: 0,1 Hz, Auto: ingesteld op Nyquist, Board winst: 1.
  3. Zorg voor een kalme, rustige, licht boeiende omgeving voor het kind tijdens de opname. Betrek het kind door het spelen van een leeftijd passende stille video of met stille speelgoed (bijv klap bellen, wijs afbeeldingen in boeken, poppenspel). Het verstrekken van de verzorger met een koptelefoon naar muziek te luisteren voorkomt onbedoelde verzorger interferentie met het kind reactie. Als het kind is onrustig, invloed op de EEG, pauzeren stimulus presentatie en EEG opname tot een rustige omgeving kan worden hersteld.
  4. Na het experiment is voltooid, verwijder voorzichtig het net en droog haar en het hoofd van de baby.
  5. Opslaan en back-up van de rauwe, ongefilterde EEG-gegevens voor het sluiten van de programma's aan het einde van de testsessie.

4. Data Processing - ERP

Inspecteer de ruwe EEG data en segment verwerpens met een hoge amplitude artefact.
OPMERKING: kanalen met een hoge amplitude Weigeren en interpoleren. Maximale percentage van afgewezen kanalen moet worden vastgesteld op 30%. Alternatieve methoden (bv ICA, PCA, zie referentie 30) kan worden toegepast te verminderen of artefacten in het signaal te verwerpen.

  1. Filter de data met een vooraf bepaalde parameters die in overeenstemming zijn met corticale activiteit. Voor zuigelingen, maken gebruik van een off-line banddoorlaatfilter van 1 - 15 Hz.
  2. Segment van de continue data om tijdperken te creëren rond "Time 0" (stimulus onset) volgens de software-instructies. Voor segmentatie, onder meer voldoende pre-stimulus tijd om de baseline activiteit en post-stimulus tijd om de gehele reactie vast te leggen vast te stellen.
  3. Luidruchtige tijdperken Weigeren volgens een geschikte afwijzing criteria (bijvoorbeeld +/- 200 mV voor zuigelingen). Set maximale percentage afgekeurde tijdvakken op 30%.
  4. Het gemiddelde van de tijdperken voor elk individu en elke staat en combineren deze gemiddeldeis volgens de groep en voorwaarde voor grand gemiddelden.
  5. Indien het aantal tijdvakken die binnen elke gemiddelde verschilt onderwerpen, gewicht het aantal tijdvakken, zodat personen met meer / minder tijdperken dezelfde waardering.
    1. Om het totale gemiddelde gewicht Bereken het gemiddelde van elke afzonderlijke voorwaarde n maal de golfvorm, waarbij n gelijk is aan het aantal tijdvakken dat de gemiddelde omvatten dan gedeeld door het totale aantal tijdvakken voor alle vakken. Deze methode geeft elke proef gelijk gewicht in de finale gemiddelde.

5. Data Processing - Bron Localization

Voor zuigeling data, co-registreren elk individu en grand gemiddelde ERP-bestand met ofwel een leeftijd passende MR sjabloon of een individuele MR-scan (zie eerdere publicaties 31,32).
LET OP: In de co-registratie proces, de elektrode posities en gereconstrueerde hoofd zijn geregistreerd in één assenstelsel. Grote gemiddelden worden gebruikthet dipoolmodel definiëren.

Schatting van het aantal en de plaats van de onderliggende bronnen tot de gegevens te monteren. Voor een auditieve paradigma, gebruik maken van twee dipolen met gratis locatie en rotatie.
OPMERKING: Source schatting wordt vervolgens automatisch geleid door het minimaliseren van een kostenfunctie die een gewogen combinatie van 4 residuele binnen criteria de "best fit" locatie de tijdsinterval van belang te verkrijgen.

  1. Zorg leeftijd passende parameters worden gebruikt voor scalp dikte, schedel dikte, breedte van de subarachnoïdale ruimte en bot geleidbaarheid deze factoren snel veranderen tijdens de ontwikkeling. Voor de representatieve gegevens, parameters zijn: schedel: 1,5 mm; hoofdhuid: 2,5 mm; subarachnoïdale ruimte: 1,7 mm; bot geleidbaarheid: 0,0581.
  2. Te beginnen met een groots gemiddelde ERP, kies een tijdvenster van belang dat overeenkomt met een piek. Conservatieve parameters zijn meestal +/- 20 msec rond de piek van belang 31.
  3. Controleer de "goedheid van fit 'de dipool oplossing met de software uitgangen van residuele variantie. Dit is de hoeveelheid signaal die onverklaarbare van de gegeven tijdvenster van fit van de huidige dipoolmodel blijft. Stel het tijdvenster om de residuele variantie te minimaliseren. Gebruik een gedistribueerde source model (CLARA) om de oplossing binnen de verlengde activiteit regio te controleren.
  4. Sla de dipool-source-oplossing en golfvormen voor elke conditie en piek.
  5. Herhaal de procedure voor elk individu gemiddeld bestand.
  6. Voor de statistische analyse van de bron locatie, gebruik waarden van de piek latency, amplitude, en locatie coördinaten in de X (mediale-laterale), Y (anterior-posterior) en Z (superior-inferieur) aanwijzingen voor elke dipool van elk individu gemiddeld bestand oplossing. In de hier gepresenteerde geval 2X2 herhaalde metingen ANOVA (Stimulus (standaard, deviant) X halfrond (links, rechts) voor de amplitude en latentie van de bronnen kan nuttig zijn om te kijken naar de sterkte en de timing van de generatoren. Sourcecoördinaten kan worden geëvalueerd op dezelfde manier (voor een overzicht, 31,32).

6. Data Processing - Time-Frequency Analysis in Source Space

  1. Breng de dipool model oplossing voor de rauwe, ongefilterde, continue EEG-gegevens.
    1. Breng de bron oplossing (opgeslagen in stap 5.6.) Om de ruwe EEG data bestand als een virtuele elektrode montage.
      Opmerking: Het gebruik van de dipool model op deze wijze past een vaste ruimtelijke filter op het oppervlak tweekanaalsopname (sensor ruimte) de continue high-density EEG transformeren tot een virtuele bron 2-montage (brain bronruimte).
  2. Transformeer de tijdsdomein één proef source signaal in de tijd-frequentie-domein (Figuur 1).
    OPMERKING: Momenteel kunnen verschillende manieren worden gebruikt om één onderzoeksgegevens veranderen in de tijd-frequentiedomein, zoals wavelet analyse en toepassing van een Hilbert transformatie gefilterde data. Terwijl een vergelijking van deze methodenbuiten het bestek van dit artikel, hebben diverse artikelen gepubliceerd grondig beschreven deze methoden 33-36. De tijd-frequentie-analyse met behulp van complexe demodulatie procedure in een commercieel verkrijgbare samenhang softwareprogramma 37 berekent de momentane enveloppe amplitude en fase van elke hersenactiviteit als functie van frequentie en tijd 37-39. Deze produceert maatregelen van onmiddellijke machtsverschuivingen (Temporal Spectral Evolution, TSE) en fase-vergrendeling (Inter-proef Phase Locking, ITPL).
    1. Gebruik de volgende parameters: 1 Hz breed frequentiebereik bakken 2-80 Hz en 50 msec tijdsresolutie van -1500 tot 1500 msec. Het tijdvenster tijdperk moet lang genoeg zijn om het filtreren of verwerking bij de laagste gewenste frequentie laten zonder dat artefacten 40,41 zijn.
  3. Visualiseer de frequentie pieken van activiteit in het EEG met het oog op de interpretatie van mogelijke valse artefact-gerelateerde of cirkelvormige r voorkomenopgetogen oscillaties 41,42.
  4. Voer permutatie testen en cluster analyse om gebieden van significante verschillen tussen condities en groepen 24,43 bepalen.

Representative Results

Infant-Event Related Potentials

Infant ERPs het algemeen groter dan volwassen ERP's, en kunnen minder of meer pieken activering moet ten opzichte van responsen rijpen, afhankelijk van de leeftijd 44. Hier tonen we representatieve totale gemiddelde antwoorden van drieëntwintig 4 maanden oude zuigelingen 43 (figuur 2). De excentrieke paradigma stelt ons in staat om te bepalen of de hersenen van de baby het verschil tussen de twee gebeurtenissen kan herkennen. In de representatieve resultaten, de tone-variant, afwijkende respons (DEV, 800-1,200Hz, rode lijn) lokt een extra piek van activering, ten opzichte van de invariante toon paren (STD, 800-800Hz, zwarte lijn). Deze bevinding is duidelijk in zowel controle-tarief (300 msec ISI, links) en Rapid Rate (70 msec ISI, rechts) omstandigheden. Voorbeeld reacties van elektroden van Fz (Frontale middellijn), C3 (Central, rechts) en C4 (Central, links) getoond. Het berekende verschil wave (Deviant minusStandard) wordt ook getoond in grijze lijnen. De extra piek van activering suggereert dat het kind hersenen op die leeftijd het verschil tussen de tonen kan maken zowel snelheid presentaties.

Infant source golfvormen

Bron activiteit met weinig resterende variantie moeten volgen de ERP pieken, betekent een "goede fit" tussen de oorspronkelijke gegevens en de bron gelokaliseerde getransformeerde gegevens. In de representatieve gegevens, laten we de locatie van de twee-dipool best fit bron model van het kind grand gemiddelde ERP aan de STD (tone-invariante) toestand over de CLARA verdeeld model (figuur 3). De berekening toont duidelijk links en rechts auditieve activering in Controle en Rapid Rate omstandigheden.

Pieken van de activiteit van de twee-dipoolmodel (Figuur 4) overeen met de ERP reactie goed. De piek timing en de morfologie van het ERP-golfvormen, getoond in panel (i), overeen met de timing en de morfologie van de bron golfvormen in panel getoond (ii) (voor meer informatie, zie originele artikel, 43). Source golfvormen uit dit experiment toegelicht 97,9% van de variantie in activiteit over de hoofdhuid elektroden. Statistische analyse van de bron liet zien dat piek latencies rechter hemisfeer activiteit sneller dan links in beide gevallen, en responsen in de hoge snelheid werden later in beide hemisferen dan in de controlegroep. Hemisferische verschillen werden niet waargenomen met behulp van de ERP-gegevens, wat suggereert dat de bron lokalisatie technieken kon het ophalen van aanvullende informatie van de reacties.

Infant-Event-gerelateerde Oscillations

In het algemeen is de tijd-frequentie analyses van volwassen en dierlijke gegevens blijkt dat stimuli roepen een 1 / f patroon van neuronale synchroon (bijv., Het verminderen van de macht met toenemende frequentie). In de representatieve gegevens, opgeroepen door auditieve teen paar tonen we dat baby uitdrukken ook deze patroon (figuur 5). Hier, stimulus onset ontlokt synchrone uitbarstingen van theta (5-6 Hz), beta (20-25) Hz en gamma (35-45 Hz) macht in beide links en rechts auditieve gebieden van de hersenen.

Diermodellen en volwassenen experimenten suggereren dat oscillerende synchroon, en in het bijzonder lage tot midden-frequentie oscillaties (bijv., 1-8 Hz) zijn belangrijke bijdragen aan evoked potentials 45. Analyse van de momentele vermogen verschuivingen (Temporal Spectral Evolution, TSE) in kindervoeding oscillaties van onze vorige publicatie 43 toonde grotere geïnduceerde stroom naar de variant toon in de theta band (6-8 Hz), ten opzichte van de invariante toon. Dit effect werd waargenomen in beide tarief omstandigheden, met name over de juiste auditieve regio in het Control rate toestand (figuur 6). Snelle presentatie tarief leverde een bilateraal symmetrische activiteit, wat suggereert verbeterde linker corticale involvement tijdens de auditieve verwerking van snel optredende prikkels en in het bijzonder tijdens de akoestische verandering verwerking.

Figuur 1
Figuur 1. Stappen van tijd-frequentie-analyse. Tijd-frequentie-analyse methode wordt geïllustreerd aan de hand grand gemiddelde (n = 12) de gegevens van 4-maanden oude baby's tijdens de 70 msec ISI toon conditie. Stimulus aanzetten worden weergegeven in rode pijlen onder de tijd as. Stappen van de analyse: (1) gemiddeld ERP's, getoond in Cz elektrode gecreëerd voor elk kanaal (2) Bronlocatie van ERP generatoren, getoond in een schets kop, wordt verkregen door een 2-dipoolmodel data in kaart gebracht op een. zuigeling MRI sjabloon. (3) Individueel en grand gemiddelde bron golfvormen worden verkregen uit de pasvorm van de linker en rechter dipolen. Infant hoofd modellen tonen de spanning kaarten overeenkomt met de geselecteerde piek (in gray). (4) De bron montage wordt op de hoofdhuid 128 channel data en amplituden worden berekend en opgeslagen voor de twee bronkanalen. (5) evenementgerelateerde oscillaties berekend van onafhankelijke proeven en gemiddeld over de responstijd. Gelieve klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Event-gerelateerde potentiële morfologie. Grote Gemiddelden (n = 23) naar Rapid (70 msec ISI) en Control (300 msec ISI) percentage reacties op standaard (STD, zwarte lijnen) en afwijkende (DEV, rode lijnen) toonparen worden in frontale middellijn en centrale linker en rechter elektroden. Negativiteit is uitgezet up. Stimulus aanzetten worden weergegeven in rode pijlen onder de tijd as Fz. P1 wordt weergegeven in het deelvenster Fz met een zwarte pijl. Het verschil wave (reactie op DEV minus reactie op STD) wordt weergegeven in grijze lijnen (Aangepast van 43). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. Bron lokalisatie resultaten. Twee-dipool "best fit" source model wordt getoond bedekt op verdeelde activiteit van de bron model. Duidelijke linker en rechter activiteit kan worden gezien via linker en rechter temporale kwab gebieden. (Aangepast van 43). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4
Figuur 4. Event-gerelateerde Potentiële en Source Waveform Vergelijking. (I) Voorbeeld ERP bij frontale lef t en juiste elektroden (F3 en F4) tonen pieken van de activering te paren met invariante en variant fundamentele frequenties (STD en DEV, respectievelijk) toon. Een verandering in frequentie opwekt grotere pieken ~ 400 msec (DEV, rode lijn) ten opzichte van de bij frequenties ongewijzigd (STD, zwart). (Ii) De latentie van de pieken van activering vergelijkbaar voor de source-dipool gelokaliseerde activiteit, wat suggereert een goede match tussen de ERP en de bron golfvorm analyse. De grote piek bij 400 msec is vooral merkbaar in de rechter hemisfeer met de source-gelokaliseerde gegevens. Voor de eenvoud, worden alleen de reacties op het snelle tempo voorwaarde blijkt echter een soortgelijke wedstrijd werd ook waargenomen tussen ERP en de bron golfvormen voor de reacties in het Control Rate conditie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

guur 5 "src =" / files / ftp_upload / 52420 / 52420fig5.jpg "/>
Figuur 5. gepoolde TSE kaarten worden uitgedrukt in termen van percentage spectrale verandering over een periode van -1 tot 1 sec tijd voor links en rechts generators. (I) tonen in de 300 msec ISI staat te lokken evenementscontactpunt oscillaties in samenhang frequentiebanden rond stimulus onset (bijv., -1140 msec en 0 msec). Een lange periode stimulus wordt gebruikt om meer gegevens te visualiseren en een lang genoeg monster voor frequenties afbraak verschaffen. Rechter paneel toont de gemiddelde spectrum over de eerste verwerking piek (150-300 msec). De gemiddelde spectrum toont een algehele 1 / f spectrum met discrete pieken van synchroon op specifieke frequentiebanden. (Ii) Een vergelijkbaar patroon wordt waargenomen voor de 70 msec ISI conditie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

tent "fo: keep-together.within-page =" always "> Figuur 6
Figuur 6. Time-frequentie-analyse van event-gerelateerde oscillaties in 4 maanden oude baby. Verandering in oscillerende stroom wordt getoond inTemporal Spectral Evolution (TSE) grand gemiddelde percelen voor 4 maanden oude baby in de Control (A) en Rapid Rate (B) omstandigheden. Zwarte balken aan de x-as illustreren toon begin en looptijden. Links en Rechts de bron activiteit wordt aangegeven in de linker bovenhoek van elke grafiek. Eerste rij: (i) reacties op toonparen met invariante frequentie (STD) tonen vermogensveranderingen in de delta-theta bereik. Middelste rij: (ii) Responses to tone paren met een frequentie verandering in de tweede toon (DEV) tonen verbeterde delta-theta vermogen bij de tweede toon, ten opzichte van reacties norm, met name in de juiste auditieve regio in de controle conditie. Derde rij: Verschil percelen tussen STD en DEVreacties tonen een recht gelateraliseerde toename van de macht in het Control Rate (a.iii) en bilaterale macht verschil in de Rapid Rate (B.III). Significante verschillen tussen STD en DEV respons in de tijd-frequentiedomein worden getoond in zwart overzicht. (Aangepast van 43). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Het onderzoek hier beschreven methode wordt beschreven hoe u een dieper begrip van spectrotemporal dynamiek en anatomische locatie van high-density-auditieve evoked EEG en ERP hersenen reacties bij zuigelingen te vergemakkelijken. Er zijn vier kritische stappen in dit protocol die analyse te vergemakkelijken. Ten eerste, de juiste netto-applicatie en positionering met minimale verzorger en kind nood is de basis voor het opnemen van schone EEG in niet verdoofd paradigma. Proper hoofd meten en netto formaat selectie, evenals het gebruik van een netto-assistent en entertainer tijdens de aanvraagprocedure is de sleutel tot het bereiken van deze stap. Ten tweede is het belangrijk om een ​​kalme, rustige en speelse sfeer voor het gezin te vestigen tijdens de testsessie, een aandoening vergemakkelijkt door de primaire tester, net assistent en de entertainer, die het kind in een rustige spel bezig. Ten derde, voor gegevensanalyse, is het essentieel dat leeftijd passende MRI hoofdmodellen worden gebruikt bronlokalisatie. De grootte van het hoofd, bone en huid- en cerebrospinale ruimte moeten nauwkeurig de tijd onderworpen om de meest nauwkeurige lokalisatie resultaten te verkrijgen. Tenslotte, voor corticale reacties in het algemeen, is het ook essentieel dat een hoge dichtheid net worden (bv., Ten minste 64 datakanalen) om de kansen op low-artefact opnamen optimaliseren.

Een beperking van deze techniek is dat de bron lokalisatie van EEG data niet de gouden standaard voor plaats van activiteitstesten. Men moet in gedachten houden dat de forward-model van de lokalisatie, zelfs met de beste hoofd modellen en metingen zijn nog steeds schat van activiteiten plaats. Daarom is het noodzakelijk om het experiment op zodanige wijze dat informatie betreffende bron activiteit kan worden vergeleken tussen proefomstandigheden s. Bovendien kunnen testen baby in het algemeen en vooral longitudinaal onderzoek beladen met onvolledige of ontbrekende gegevenssets zijn. Oplossingen voor dit probleem zijn a) behoud relationships met de deelnemende families; b) het optimaliseren van een rustig, kalm opname sfeer voor het kind en de verzorger; en c) overschatten het onderwerp zwembad. In onze handen, met een ervaren team van kinderartsen, we hebben lage uitval en een minimaal verlies datasnelheden bereikt. In een longitudinale steekproef van 211 kind opnamesessies met 57 deelnemers zien we 98,6% bewaring van gegevens (bijv., 208 sessies die resulteerde in bruikbare gegevens) en een 10% drop-out percentage (bijv., 6 deelnemers waren niet in staat om verder te gaan na het begin van de experiment). Een voordeel van EEG boven andere technieken, zoals MEG en NIRS, dat Subcortically voorgespannen activiteit te bereiken met verschillende filterbanden. Bovendien is het makkelijker om te controleren voor beweging als de elektroden reizen met het hoofd.

Zodra dit protocol wordt beheerst, de experimentele toepassingen van kleuter EEG en oscillerende dynamiek zijn er in overvloed. Het is duidelijk dat we eerst moeten begrijpen normaal ontwikkelende corticale networks teneinde die atypische georganiseerd identificeren. Dit suggereert de noodzaak voor het creëren van een model waarin de integriteit van de vroege auditieve verwerking mechanismen (met inbegrip van oscillaties) speelt een rol in het ontstaan ​​en de plasticiteit van het geluid representatie als auditieve ervaringen zijn verwerkt en, idealiter, geleerd. Volgens dit model kunnen talige verwerkingstekorten gepaard met symptomen jaar, of in sommige gevallen decennia vóór de formele diagnose plaatsvindt.

Toekomstige onderzoeken zijn nodig om verdere details, met inbegrip van de functie van de frequentie-band-specifieke oscillerende dynamiek, cross-frequentie fase koppeling en regionale remmende / prikkelende patronen in de vroege ontwikkeling te begrijpen. Daarnaast subcorticale activiteit en testen in verschillende staten, zoals slaap, zijn nodig om een ​​vollediger beeld van de typische ontwikkeling te geven. Wij geloven onderzoek met deze techniek zal belangrijk inzicht verschaffen in het proces which 'neurotypische' en atypische oscillerende dynamiek organiseren en communiceren met de opkomende cognitieve en taalvaardigheden.

Acknowledgments

De auteurs dankbaar erkennen steun voor dit onderzoek door de Elizabeth H. Solomon Centrum voor Onderzoek en Neurodevelopmental NSF subsidie ​​# SMA-1041755 aan de temporele dynamiek van Learning Center, een NSF Wetenschap van het Learning Center. Speciale dank gaat ook uit naar de families die hebben deelgenomen, en aan de leden van de Kleutertijd Studies Laboratorium voor hun praktische en intellectuele bijdragen. Speciale dank aan Jarmo Hämäläinen voor de ontwikkeling van de bron lokalisatie protocol en Naseem Choudhury voor haar intellectuele inbreng.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Singer, W. Development and plasticity of cortical processing architectures. Science. 270, 758-764 (1995).
  4. 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).
  5. Lakatos, P., et al. An oscillatory hierarchy controlling neuronal excitability and stimulus processing in the auditory cortex. Journal of neurophysiology. 94, 1904-1911 (2005).
  6. 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).
  7. Schroeder, C. E., Lakatos, P. Low-frequency neuronal oscillations as instruments of sensory selection. Trends Neurosci. 32, 9-18 (2009).
  8. 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).
  9. Basar, E. Oscillations in 'brain-body-mind'-A holistic view including the autonomous system. Brain Res. 1235, 2-11 (2008).
  10. Buzsaki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nature. 7, 446-451 (2004).
  11. Aslin, R. N. Discrimination of frequency transitions by human infants. The Journal of the Acoustical Society of America. 86, 582-590 (1989).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Lakatos, P., et al. Timing of pure tone and noise-evoked responses in macaque auditory cortex. Neuroreport. 16, 933-937 (2005).
  19. Shah, A. S., et al. Neural dynamics and the fundamental mechanisms of event-related brain potentials. Cerebral cortex. 14, 476-483 (2004).
  20. Fries, P. A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends Cogn Sci. 9, 474-480 (2005).
  21. Buzsaki, G. Rhythms of the Brain. Oxford University Press. New York. (2006).
  22. Buzsaki, G., Draguhn, A. Neuronal oscillations in cortical networks. Science. 304, 1926-1929 (2004).
  23. Whittingstall, K., Logothetis, N. K. Frequency-band coupling in surface EEG reflects spiking activity in monkey visual cortex. Neuron. 64, 281-289 (2009).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Benasich, A. A., Tallal, P. Infant discrimination of rapid auditory cues predicts later language impairment. Behavioural brain research. 136, 31-49 (2002).
  29. Lopez-Calderon, J., Luck, S. J. ERPLAB: an open-source toolbox for the analysis of event-related potentials. Front Hum. Neurosci. 8, 213 (2014).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Canolty, R. T., et al. High gamma power is phase-locked to theta oscillations in human neocortex. Science. 313, 1626-1628 (2006).
  34. 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).
  35. Delorme, A., et al. ERICA: new tools for advanced EEG processing. Computational intelligence and neuroscience. 2011, 130714 (2011).
  36. Makeig, S. Auditory event-related dynamics of the EEG spectrum and effects of exposure to tones. Electroencephalography and clinical neurophysiology. 86, 283-293 (1993).
  37. Hoechstetter, K., et al. BESA source coherence: a new method to study cortical oscillatory coupling. Brain topography. 16, 233-238 (2004).
  38. Papp, N., Ktonas, P. Critical evaluation of complex demodulation techniques for the quantification of bioelectrical activity. Biomedical sciences instrumentation. 13, 135-145 (1977).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Musacchia, G., et al. Oscillatory support for rapid frequency change processing in infants. Neuropsychologia. 51, 2812-2824 (2013).
  44. 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).
  45. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics