مقاربة الرواية التجريبية والتحليلية لالمتعدد الوسائط العصبية فك نوايا خلال التفاعل الاجتماعي في التصرف بحرية-الرضع الإنسان

Behavior
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Cruz-Garza, J. G., Hernandez, Z. R., Tse, T., Caducoy, E., Abibullaev, B., Contreras-Vidal, J. L. A Novel Experimental and Analytical Approach to the Multimodal Neural Decoding of Intent During Social Interaction in Freely-behaving Human Infants. J. Vis. Exp. (104), e53406, doi:10.3791/53406 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

Introduction

واحدة من القدرات البشرية الأساسية هي القدرة على التعلم ونشر الأعمال (إنتاج العمل) استراتيجيا في خدمة الأهداف والمكافآت، والقدرة على إلقاء القبض على أهداف الشركاء الاجتماعيين (فهم العمل) من أجل إنتاج الاستجابات الاجتماعية المناسبة، والقدرة لنتعلم من الآخرين من خلال الملاحظة والتقليد 1. وقد عزا الأساس العصبي لهذه القدرات الإدراكية والحركية، على الأقل جزئيا، إلى ما يسمى نظام مرآة الخلايا العصبية. النظام الذي يعتقد أن تشارك عند واحد ترى شخص يؤدون هذا العمل، وعندما يقوم احد العمل. ومع ذلك، فإن العلاقة المحتملة بين نظام مرآة الخلايا العصبية وفهم العمل ليست بعد مفهومة جيدا 1. دراسة نشوء وتطور هذا النظام مرآة الخلايا العصبية عند الرضع الإنسان قد يعوقها) القيود التقنية من الحصول على البيانات متعددة الوسائط من نشاط الدماغ ربطها النية وبيانات الحركة غرامة الحبيبات، ب) القيود التي تفرضها البروتوكولات التجريبية التي هي غير طبيعية (مثل التفاعل الاجتماعي مع وكيل صورت في شريط فيديو، والحاجة إلى الحفاظ على وضعية ثابتة للحد من القطع الأثرية أثناء الكهربي (EEG) التسجيلات، وما إلى ذلك)، وج) حواجز الاتصال / اللغة عند اختبار الرضع الصغار / الأطفال الصغار التي تحد بشكل كبير قدرات الباحث لإعطاء التعليمات والتحقق من صحة التصرفات.

من أجل فهم أفضل للالعصبية متفاوتة والديناميات السلوكية في السلوك الطبيعي، قمنا بتطوير المنهج التجريبي والتحليلي الرواية التي تسمح للدراسة وقت حل من ركائز العصبية من السلوكيات الموجهة نحو هدف معين والاجتماعية الناشئة في الأطفال الصغار. على وجه التحديد، ونحن وزع EEG استنادا تصوير الدماغ المحمول (موبي) نهج 2 لنشاط الدماغ سجل والحركة من الأطفال يتصرفون بحرية خلال التفاعل مع المجرب. تم استخدام وحدات قياس بالقصور الذاتي (إيمس) إلى monitor الكينماتيكا الموضوع ومجرب ل.

استخدمت التكنولوجيا EEG وأجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي لدراسة أنماط العصبية والتنشيط المرتبطة التقليد العمل والرضع والسلوكيات الموجهة نحو هدف معين في التفاعل مع مرتجل مجرب / الفاعل. إجراءات مثل الوصول، فهم، والوصول، عرض، ومراقبة، والراحة، واستكشاف كلها جزء من العمليات المعرفية والحركية تشارك في التقليد. وعلاوة على ذلك، ونحن نستخدم تقدير المصدر إلى توطين المولدات من إمكانات الكهربائية داخل الدماغ أثناء المهام السلوكية، وبالتالي دراسة ديناميات الزمانية المكانية التيارات العصبية في جميع أنحاء الدماغ. وبالمثل ننشر خوارزميات تعلم الآلة لتقييم وقياس القدرة على التنبؤ هذه الإجراءات السلوكية من خلال تحديد أنماط المكانية والزمانية العمل ذات الصلة في النشاط العصبي في جهاز استشعار (EEG) و / أو مسافات المصدر. دمج ERD التقليدي / ERS، مصدر وتحليل فك توفر التن أشملوصف التل من الأساس العصبي لمثل هذه السلوكيات.

يسمح هذا الإعداد لنا لاستغلال مزايا النهج موبي 2،3 ودراسة التفاعلات الاجتماعية بين الرضع والمجرب لأنها تحدث بشكل طبيعي دون قيود.

البروتوكول، من وقت لموضوع يصل إلى الوقت وقال انه / انها تترك، يستغرق حوالي 1 ساعة لإكمال. في وقت الإعداد والمكان القطب اكتساب الحركة الإسلامية الأوزبكية / EEG يختلف 15-25 دقيقة اعتمادا على عوامل مثل طول الشعر والتعاون في هذا الموضوع. التهيئة والتكوين للمعدات وتضيف ما يصل إلى 10 دقيقة، والدورة الاختبار تستغرق حوالي 15 دقيقة. إزالة إيموس وغطاء EEG، بما في ذلك تنظيف الرأس للرضيع من هلام هيبوالرجينيك، ويأخذ 5-10 دقيقة.

Protocol

تم فحص بروتوكول التالية والموافقة عليها من قبل مجلس المراجعة المؤسسية في جامعة هيوستن. الآباء جميع المواد الرضع أو الأوصياء وردت، قراءة، والتوقيع على استمارة الموافقة قبل المشاركة. تلقى الآباء مواقف مجانية للسيارات، وبطاقة هدية 20 $ كتعويض عن مشاركتهم في الدراسة في حين اختارت الرضع لعبة تتناسب مع أعمارهم.

اجتمع الموضوعات الرضع المعينين على المعايير التالية: 1) العمر بين 6 و 24 شهرا. 2) كان الرضع الأصحاء، كان النمو والتطور الطبيعي، وليس لديه تاريخ الولادة القضايا، هزات، والمضبوطات، والسكتات الدماغية، أو صعوبات في التعلم. أمثلة لبعض الإعاقات النمائية شيوعا التي سيستبعد رضيع من الاختبار هي عدم قدرته على النمو، نقص التغذية، واستخدام الكحول أو المخدرات من قبل الأم خلال فترة الحمل.

رسم تخطيطي تدفق مبسطة للتسجيل في وقت واحد من النشاط العصبي المتعدد الوسائط عبر فروة الرأس وEEGويرد إيموس في الرضع يتصرف بحرية في الشكل 1.

1. الموافقة المستنيرة

  1. عرض الوالدين غرفة التجريبية وشرح مقتضب لغرض التجربة لهم.

2. فروة الرأس EEG إعداد

  1. ملاحظة: نظام EEG المستخدمة (الجدول 1) ويتكون من نظام القطب النشط مع أقطاب القابلة للإزالة. يشار إلى مستويات مقاومة على الأقطاب باستخدام المصابيح.
  2. قياس محيط رأس الجنين في الطول. وضع شريط القياس حول أوسع جزء من الرأس، ويمر عليه أكثر من الحاجبين وحول أهمية القذالي في الجزء الخلفي من الرأس.
    ملاحظة: قياس محيط الرأس هو ضروري لاختيار غطاء EEG بحجم مناسب. وهناك أحجام الخاصة للسكان الرضع هو موضح في الجدول 1.
  3. مكان الأقطاب الكهربائية على غطاء EEG بحجم مناسب (الجدول 1) كما هو محدد من قبل10-20 النظام الدولي. غطاء يضمن تحديد المكان المناسب للأقطاب كهربائية على فروة الرأس.
    ملاحظة: من الأفضل أن يكون الحد الأقصى للاستعداد في الوقت الذي الرضع يصل إلى موقع الدراسة. يمكن الحصول على معلومات حول حجم الرأس من الوالدين قبل الوقت، أو تقريب باستخدام الجداول على شبكة الإنترنت [http://www.cdc.gov/growthcharts/html_charts/hcageinf.htm]. إذا لم قياس الرأس تتوافق مع تقريب الباحث، يجب أن يكون مستعدا سقف جديد. إذا كانت القبعات وأقطاب متعددة متوفرة، يمكن تعيين قبعات متعددة مقدما لتقليل الوقت اللازم لإعداد.
  4. شرح الإجراء التبلور إلى الأصل. تبين لهم إبرة حادة والمحاقن المستخدمة لتطبيق الجل على كل قطب كهربائي واجعلهم يشعرون الإبرة في الجلد. استخدام التجريبي EEG القطب وفروة الرأس غطاء للذهاب على إجراء التبلور.
  5. قياس المسافة من ناسيون إلى inion على المستوى السهمي النصفي من سطح فروة الرأس. المضي قدما لتناسب SCALص الغطاء من وراء الرضع.
  6. محاذاة القطب تشيكوسلوفاكيا مع قمة الرأس. انتقل إلى محاذاة وتوسيط FP1 FP2 والأقطاب الكهربائية على الجبين في حوالي 10٪ من المسافة بين ناسيون وinion. محاذاة الحد الأقصى فروة الرأس بشكل متناظر على طول الطائرة السهمي النصفي للرئيس. تأكد من منتصف أقطاب [المنطقة الحرة، فعز، FCZ، تشيكوسلوفاكيا، CPZ، PZ، POZ، عوز] تتماشى مع ناسيون وinion. عند الانتهاء، وتأمين الغطاء من قبل ضخم تحت الذقن.
    ملاحظة: يصرف الرضيع بينما هو / هي يجري تركيبها مع غطاء EEG. تم استخدام الفيديو المناسب السن عادة لصرف الرضع أثناء الإعداد.
  7. توصيل الإشارة، والأرض، وأقطاب تسجيل السيطرة على المربع. بدوره على مؤشرات مقاومة من السيطرة على المربع.
  8. بدءا من أقطاب الأرض، وإشارة، استخدم حقنة صغيرة لحقن بالكهرباء جل في الفضاء بين فروة الرأس والقطب حتى مقاومة كل التدابير الكهربائي أقل من 60 أوم. هذا هو دائرة الهجرة والجنسيةicated التي كتبها ضوء أصفر أو أخضر على الأقطاب. تتوفر في 4 مزيد من التفاصيل حول إعداد الكهربائي EEG.
    ملاحظة: أثناء إجراء التبلور، والرضع يمكن أن تتحرك له / رأسها لأسباب مختلفة (الفضول والخوف وتحول الاهتمام). ولذلك فمن المستحسن أن المجرب الثاني أو الأم يستمر لإلهاء الأطفال الرضع. استخدام المحاقن من وراء رأس الرضيع لتفادي خطر على ضرب وجه الرضيع مع إبرة بسبب حركة غير متوقعة للموضوع.
  9. توصيل مكبرات الصوت إلى الكمبيوتر المضيف عبر منفذ USB باستخدام الألياف البصرية إلى تحويل USB.
    ملاحظة: يبين الشكل 2A الإعداد يخضع الأطفال الرضع مع غطاء EEG ووضع الحركة الإسلامية الأوزبكية. لاحظ أن الكابلات الكهربائي وصندوق التحكم وتعقد ما يصل، وتوفير حرية الحركة الحمل لهذا الموضوع. الشكل 2B يعرض وجهة نظر الطبوغرافية للمواقع القطب غطاء EEG في أعقاب نظام وضع العلامات 10-20.

3. إعداد إيموس

  1. فتح برنامج الحركة الإسلامية الأوزبكية. انقر على "الجديد" على واجهة رسومية.
  2. ثم انقر فوق "تكوين" في مربع الحوار تكوين إيموس. ضبط تردد أخذ العينات إلى 128 هرتز.
  3. تأمين إيموس على الرأس والصدر، والمعصمين الأيمن والأيسر للرضيع.
    ملاحظة: انظر الشكل 2A. في موازاة ذلك، تناسب المعصمين التجربة مع إيموس. يتم تأمينها تأكد إيموس جيدا على الجسم لتقليل أخطاء القياس بالقصور الذاتي.
  4. باستخدام الأشرطة، ضع إيموس المعصم على الجانب الظهري من المعصمين. وضع الحركة الإسلامية الأوزبكية الصدر على السطح البطني بالقرب من وسط الصدر باستخدام تسخير.
  5. إرفاق الحركة الإسلامية الأوزبكية الرأس إلى الأشرطة الذقن الغطاء فروة الرأس بحيث يكون بالقرب من الجانب الأيسر من الذقن. ضع إيموس درجة أنهم يواجهون الخارج، مع ضوء LED الموجهة تصل.
    ملاحظة: إيموس كل تزن حوالي 22 جرام، وصغر حجمها وخفيفة الوزن من غير المرجح أن يعرقل مovement. قد تكون هناك حاجة مجرب إضافية لإلهاء الأطفال لأسباب هو موضح في الخطوة 2.8.

4. التقاط الفيديو وتزامن البيانات تيارات

  1. كاميرا مكان الفيديو (18) حتى أن الرضيع (12)، والفاعل (14)، وعلى الزناد LED (13) كلها واضحة للعيان. انظر الشكل 4.
    ملاحظة: يتم استخدام تسجيلات فيديو للسماح الشرح المرئي وتجزئة من السلوكيات الناجمة عن المجرب، وكذلك تأكيدا لبداية ونهاية الدورة تسجيل.
  2. ربط الضميمة مدخلات الزناد / الإخراج (7) إلى EEG (5) وإيموس (4). انظر الشكل 3.
    ملاحظة: A الضميمة المدخلات المخصصة / الإخراج (7)، كما هو موضح في الشكل (3)، وقد صمم لمواءمة جميع تيارات البيانات المسجلة (EEG، إيموس، والفيديو)، وبالتالي استخدام علامات الحدث من تسجيل واحد (مثل الفيديو) أو مساعدة تحليل من تسجيل آخر (مثل EEG أو تسريع). يتم ذلك عن طريق استخدامالضغط على زر لحظة واحدة أنه عندما الاكتئاب، وسوف ترسل نشط منخفض (+ V لالأرضي) الزناد نبض لEEG (عن طريق DB-25 المنفذ المتوازي)، الحركة الإسلامية الأوزبكية (عن طريق ميني DIN-6 موصل) والفيديو (من قبل إلقاء الضوء على الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) وضعه في ضوء الكاميرا الفيديو) التسجيلات في وقت واحد. تم استخدام عضلة قالبة رقاقة IC 7404 منطق لتحويل الدولة منخفضة (الأرضي) إلى حالة عالية (+ V) النبض، وتوفير الإمكانات اللازمة الجهد لتشغيل LED.
  3. هل لديك مجرب على مقربة من الضغط على زر الزناد والكمبيوتر جمع البيانات. المجرب هو المسؤول عن التشغيل على الزناد، ومراقبة جودة البيانات في كافة مراحل التجربة، وحفظ البيانات.

5. إعداد بيئة اختبار

  1. انظر الشكل 4.

6. جمع البيانات

  1. تسجيل قيم مقاومة الأولية من الأقطاب الكهربائية EEG باستخدام برنامج حاسوبي لمراقبة عن طريق اختيار "الممانعةتحقق "علامة التبويب، النقر على زر" الممانعة على "(انتظر حوالي 5 ثانية للقيم مقاومة الكهربائي لتحقيق الاستقرار)، والنقر على" حفظ مقاومة "زر الراديو لإنقاذ ممانعات. انظر الشكل 5.
  2. يتم تطبيق أي المرشحات خلال جمع البيانات EEG.
  3. في برنامج مسجل EEG، انقر على "رصد" ثم "تشغيل" لبدء إعادة ترميز البيانات EEG. انظر الشكل 6.
  4. في برنامج الحركة الإسلامية الأوزبكية، انقر فوق "ستريم" ثم "سجل" في مربع الحوار لبدء تسجيل بيانات الحركة الإسلامية الأوزبكية. انظر الشكل 7.
  5. تطبيق ثلاثة مشغلات (III) للإشارة إلى بداية التجربة باستخدام الزر على العلبة الإدخال / الإخراج (7). ترك بقية الأطفال الرضع لمدة 1 دقيقة أثناء التسجيل. وهذا يوفر البيانات الأساسية الأولية.
  6. أداء تجربة والسماح موضوع الرضع تأخذ فترات راحة عند الحاجة. وتتكون كل محاكمة تجربة مهمة أخذ بدوره حيث يظهر الممثلدعوى إلى الرضيع باستخدام كائن (عادة، ولكن ليس دائما، لعبة)، يمررها إلى الرضيع في محاولة للشروع في رد التقليد، وأخيرا باسترداد الكائن مرة أخرى من الرضع.
    ملاحظة: يتم تكرار عموما هذا التبادل لمدة 4-5 محاكمات أو حتى يظهر الرضيع لا مصلحة أخرى في الجسم.
  7. ونظرا للبيئة الدورة، تعليم جميع التوقيتات كل السلوك بعد جمع البيانات باستخدام تسجيل الفيديو.
  8. تسجيل قيم مقاومة النهائية من الأقطاب الكهربائية EEG. راجع الخطوة 6.1.
  9. رقمنة الإحداثيات المكانية 3D من الأقطاب الكهربائية EEG باستخدام EEG القطب الماسح الضوئي 3D والبرمجيات والمناظر له.
  10. بدء المسح برنامج 3D. انتقل إلى "ملف" وحدد "مساحة عمل جديدة". تحميل الملف موقف القطب في علامة التبويب الأولى من مساحة العمل وتوفير المعلومات اللازمة في علامة التبويب التخزين.
  11. في شريط الأدوات مسح، انقر على "نجمةر المسح ". استخدام الماسح الضوئي 3D، في حوالي 30 سم من رأس الجنين، لمسح المواقع القطب باتباع أنماط ضوء تغيير على الغطاء. وبمجرد أن يتم المسح الضوئي، يقوم البرنامج بحفظ النتائج تلقائيا.
    ملاحظة: في الجزء الخلفي من الرأس، قد الكابلات كتلة المصابيح على الأقطاب نظرا لصغر حجم رأس الرضيع. البرنامج يسمح للمستخدم لإزالة بعض أقطاب من الفحص دون المساس النتائج. إزالة الأقطاب القفوية من الفحص إذا لزم الأمر.

7. الإنقسام السلوكي

  1. تفقد تسجيل الفيديو من الدورة التجربة وبمناسبة وقت LED على الزناد يومض (أي عندما يبدأ وينتهي التجربة)، وعند أي من السلوكيات المذكورة سابقا في الخطوة 6.6 بداية ونهاية.

التصوير 8. المصدر

  1. ملاحظة: التصوير المصدر يمكن أن تحدد بدقة مولداتامكانات EEG في الدماغ ويتكون عادة من حل المشكلة إلى الأمام ومعكوس 5.
  2. الحصول على قرار T1 عالية المرجح بالرنين المغناطيسي صورة (MRI) البيانات من قواعد البيانات المشاع مثل قاعدة بيانات النمو العصبي MRI الذي يحتوي على متوسط ​​القوالب MRI بوصفها وظيفة من العمر (بالأشهر) للسنتين الأولى من حياته 6،7.
    ملاحظة: تستخدم هذه الدراسة نماذج الرأس إلى الأمام فقط المناسبة للفئة العمرية من الأطفال الرضع، وبالتالي لا يؤخذ المعلومات الجنس في الاعتبار عند اختيار القالب MRI).
  3. الحصول على كميات مصدر لنماذج عنصر الحدود (BEM) التي تتضمن حجرات الرأس (أي المادة الرمادية والمادة البيضاء، فروة الرأس، الجمجمة الخارجية أو الداخلية) كوحدات تخزين MRI من قاعدة بيانات النمو العصبي MRI 8.
  4. قبل عملية حجم BEM MRI للحصول على نموذج الرأس واقعية من خلال استخراج سطح الدماغ والرأس مقصورات في كاري 7، أو ما شابه ذلك حزمة برامج تصوير الدماغ.
  5. استيراد T1 المرجحة MRI. تحديد يدويا النقاط الإيمانية ثلاثة مثل نقاط اليمين / اليسار قبل أذني وناسيون ضمن برنامج تصوير الدماغ، أو صفقة مماثلة.
  6. شارك في تسجيل EEG والتصوير بالرنين المغناطيسي الفضاء للحصول على التحول هندسي صارم بين الفضاء التصوير بالرنين المغناطيسي ومساحة هذا الموضوع من خلال تركيب نقاط إيمانية مبين على التصوير بالرنين المغناطيسي وfiducials تم الحصول عليها مع الماسح الضوئي 3D في الخطوات 6،9-6،11 باستخدام برنامج تصوير الدماغ أو صفقة مماثلة.
  7. حل نموذج الأمام.
    ملاحظة: تتضمن المشكلة إلى الأمام تعريف نموذج الرأس الذي يمثل هندسة الرأس وخصائص الموصلية الكهربائية لل9،10 حجم الرأس.
  8. حل مشكلة عكسية
    ملاحظة: تحاول مشكلة عكسية لاستنتاج موقع والقوة ودورة زمنية من مصدر في الدماغ من الإشارات فروة الرأس EEG باستخدام تقنيات معالجة الإشارات 11.
  9. الجزء المستمرالبيانات EEG في التجارب حول بداية المهمة (على سبيل المثال، والتقليد، وقطاعات المراقبة) مع شرائح قبل وبعد المهمة ظهور طول 2 ثانية. تحديد قنوات مع مقاومة عالية باسم "قنوات سيئة" والمحاكمات مصطنعة أخرى في كل محاكمة. قبل عملية البيانات EEG لرفض القطع الأثرية باستخدام ICA وإعادة بناء قنوات سيئة مع متوسط ​​قنوات خالية من القطع الأثرية المجاورة. 12،13،14.
  10. استخدام نموذج الأمام كمدخل لتحسين خوارزمية الآلي الذي يبحث على مدى الدماغ بأكمله لتحديد أفضل المواقع مصدر الممكنة.
  11. بصريا تحليل مصادر التقديرية والتقاط الحلول أن معظم يطابق التوقعات الخاصة بك على أساس معرفة مسبقة عن طبيعة التجربة وتفسيرها بعناية.
    ملاحظة: هذه الخطوة هي الأكثر منحازة واحد نظرا لطبيعة سوء المطروحة للمشكلة معكوس، أي تكوينات مختلفة من مصادر قد يؤدي إلى إمكانات سطح نفسها. لذا، قد يكون من المفيد إجراء فحص التعقل للتحقق من أن نموذج الرأس معين وطريقة معكوس يعمل بشكل جيد.
  12. إجراء فحص التعقل، توطين ثنائي القطب محاكاة معروف. وهي لمكان نموذج الرأس نظرا ثنائي القطب مع تكوين معروف، وتحل المشكلة إلى الأمام للحصول على الفولتية محاكاة لهذا ثنائي القطب.
  13. حل مشكلة عكسية مع هذه الفولتية على نفس نموذج الرأس، للتأكد من أنها ترجع ثنائيات الاقطاب المحاكاة.
    ملاحظة: ينبغي أن تكون هذه الشيكات التعقل عودة ثنائيات الاقطاب وضعت في البداية إلى درجة عالية من الدقة.

Representative Results

الرقم 8 يعرض EEG العينة والبيانات تسارع من ايميس لفترة إطار 16 ثانية سجلت خلال التفاعل بين الموضوع ومجرب. أعيد عينات البيانات EEG في 100 هرتز ثم الفرقة تمرير تصفية [1-40 هرتز] باستخدام أمر 3RD، صفر مرحلة بترورث التصفية. قنوات مع القيم مقاومة عالية (Z> 60 أوم)، وقنوات الطرفية، تم تجاهل 12،15. سجلت إيموس تسع إشارات في 128 هرتز: الفيض المغناطيسي، السرعة الزاوية، والتسارع الخطي في المحاور الديكارتية الثلاثة. نحن هنا تظهر ضخامة (GC) تسارع تعويض من الجاذبية. تم تعويض تأثير تسارع الجاذبية من خلال تطبيق مرشح كالمان لتوقع اتجاه الحركة الإسلامية لأوزبكستان في إطار عالمي 16. ومجزأة البيانات عن طريق التفتيش البصري لتسجيلات الفيديو (الخطوة 7.1). خطوط متصلة العمودية تشير إلى بداية سلوك الفائدة، وخطوط عمودية منقط تمثل نهاية لهذا الحدث.

الطبقة = "jove_content"> تأثير الحركة الفنية موجود في البيانات EEG هو مبين في الشكل 8 حول 709s. النهج غير المقيد لجمع البيانات في هذا البروتوكول التجريبي يجعل البيانات EEG عرضة لليومض العين، حركات العين، والحركة والتحف electromyographic. وpreprocessed البيانات باستخدام 3 النظام الثالث صفر في المرحلة بترورث الفرقة تمرير مرشح لتقييد ذلك إلى دلتا الفرقة (1-4Hz)، وتوحيد بطرح المتوسط ​​وقسمة الانحراف المعياري. أزيلت التحف عالية السعة تلقائيا باستخدام طريقة إزالة قطعة أثرية فضاء جزئي (ASR) 17. بالإضافة إلى ذلك، يتم استبعاد قنوات الطرفية من تحليل البيانات وذلك في محاولة للحد من التلوث قطعة أثرية كهربية العضل. الجبهي والصدغي تقلصات العضلات تندمج مع إشارة EEG أبرزها في الأماكن النائية: الجبهي انكماش يظهر في المواقع الأمامية، والانكماش الصدغي يظهر في الجبهية الجانبية وtemporمواقع ال 15.

لتفقد طبيعة البيانات التي تم جمعها مع هذا البروتوكول، تم التخطيط رسوم بيانية البيانات EEG في الشكل 9. في الشكل 9A، فإنه يصف توزيع البيانات للإشارة موحدة من ثلاثة أقطاب ممثلة مكانيا. تظهر البيانات EEG التوزيع المتعدد الوسائط للسلوكيات تحليلها. في الشكل 9B يتم عرض القيم التفرطح كما شريط الرسوم البيانية للتفتيش البصرية أسهل من البيانات.

تم إجراء تصنيف عن طريق استخراج التخلف تستند إلى الوقت من كل قناة EEG، والحد من الأبعاد مع الحفاظ على مبعثر المحلي لكل فئة (تحليل فيشر المحلي التمايز (LFDA)) 18، والتدريب / اختبار نموذج للمجموعة تقليل من الميزات (خليط جاوس نماذج (GMMs)) 19. وأخذت عينات من عينات التدريب / الاختبار بشكل عشوائي على 20 تكرارات (أي عبر التحقق من صحة) لمنع أي اوفer-fitting.Training/testing~~V حجم العينة يختلف نظرا لعدد من القنوات رفض (أي مقاومة أكبر من 60 كيلو هرتز)، وطول الدورة التجربة، وعدد من التجارب والسلوكيات التي أعرب عنها. ومع ذلك، فإن عدد العينات التدريب والاختبار المستخدمة لكل فئة (السلوك) تتوافق مع 50٪ من الطبقة الأقل سكانا. وكمثال على ذلك، فإن حجم اختبار مجموعة من كل فئة هو N = 1069 عينات للبيانات الرضع هو مبين في الشكل (10). حسبت جميع خطوات تجهيز ما قبل والتصنيف في ظل بيئة البرمجة MATLAB.

ويوضح الشكل 11 الإجراء بأكمله لEEG مصدر تقدير أجريت في هذه الدراسة بطريقة خطوة بخطوة. كما لخص مزيد من التفاصيل حول كل خطوة في القسم 8.

الرقم 12 يظهر نتائج الحدث ذات الصلة (دي) التزامن (ERD / ERS) في مو إيقاع (5-9 هرتز) ومصادر ثنائي القطب خلال "أيادي-عرض1؛ المهمة. تم احتساب ERS وERD النسبة المئوية للانخفاض أو زيادة في السلطة نطاق التردد الذي يحدث أثناء الحدث (الوصول إليها، وعرض المهام) الفاصل بالمقارنة مع الفترة المرجعية (جزء تؤخذ قبل الحدث). ويظهر هذا الرقم أيضا تعويض من تسارع الجاذبية الحجم المتحصل عليها خلال مهمة من كلا الرسغين للرضيع والفاعل. لتحليل ثنائي القطب تحللت إشارات EEG باستخدام تحليل عنصر المستقلة (ICA) للقضاء على الضوضاء الخلفية. تم إجراء تقدير مصدر في مو إيقاع بعد ICA تجهيزها عن طريق خوارزمية MUSIC ثابت 5. كما هو متوقع، كانت محلية المصادر على الحق في منطقة المحرك الأساسي في حين أن الموضوع كان يستخدم يده اليسرى لفهم الكائن.

كاب actiCAP EEG 64 الأقطاب *
اسم المنتج شركة كمية
BrainAmp مكبر للصوت المنتجات الدماغ، شركة محدودة 2
المنتجات الدماغ، شركة محدودة 10
actiCAP صندوق التحكم المنتجات الدماغ، شركة محدودة 1
برنامج الدماغ الرؤية مسجل المنتجات الدماغ، شركة محدودة 1
برنامج actiCAP صندوق التحكم المنتجات الدماغ، شركة محدودة 1
CapTrak المنتجات الدماغ، شركة محدودة 1
برنامج CapTrak المنتجات الدماغ، شركة محدودة 1
رصد حركة أوبال APDM، وشركة 6
محطة لرسو السفن العقيق APDM، وشركة 6
العقيق نقطة وصول لاسلكية APDM، وشركة 1
برنامج الحركة ستوديو APDM، وشركة 1
مربع الزناد عرف 1
كاميرا فيديو HC-W850M، شركة باناسونيك 1
* والقبعات EEG تأتي في أحجام محيط الرأس التالية للرضع: 42، 44، 46، 48، 50 سم. لهذا البروتوكول، ويوصى مخزون من 2 قبعات من كل حجم.

الجدول 1 المعدات.

الشكل 1
الشكل 1. مخططات التدفق. الرسم البياني (A) تدفق الإعداد التجربة. (B) الرسم التخطيطي تدفق الدورة جمع البيانات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2. موضوع الصورةetup وعلى استعداد لجمع البيانات. (A) عرض أمامي من موضوع ارتداء غطاء EEG، وأربعة إيموس. (B) تمثيل الطبوغرافية من 64 قناة غطاء EEG باستخدام معيار نظام القطب المواقع 10-20. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الرقم معدات جمع البيانات و3. قاعة الاختبار. (A) ضبط معدات جمع البيانات: صندوق التحكم EEG (1)، وكأب EEG (2)، الزناد (3)، لاسلكي الحركة الإسلامية الأوزبكية استقبال البيانات (4)، ومكبرات الصوت EEG (5)، مربع لعبة (6)، الزناد الضغط على زر (7) وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والحصول على البيانات (8)، ومحطة لرسو السفن إيموس (9). (B) عن قرب من سقف EEG، الأقطاب الفاعلة وصندوق التحكم (C) عن قرب من إيموس واستقبال لاسلكي، trigge ص الضغط على زر، ومكبرات الصوت EEG، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة جمع البيانات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. تمثيل تخطيطي من الإعداد التجريبية. حامل مربع التحكم EEG (10). ولي موضوع ليجلس على كرسي (11)، المجرب يجلس على كرسي (14) والشخص رصد البيانات يجلس على كرسي (17). يتم عرض بقية الإعداد التجريبية: الطاولة التفاعل (12)، الزناد (13)، لعبة مربع (15)، طاولة الحصول على البيانات (16)، وضع كاميرا فيديو (18) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

"SRC =" / ملفات / ftp_upload / 53406 / 53406fig5.jpg "/>
الرقم 5. لقطة من برنامج حاسوبي لمراقبة EEG. وتشير الأسهم إلى الرموز الرئيسية في البرنامج هو موضح في الخطوة 6.1 و 6.8. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الرقم 6. لقطة من EEG تسجيل البرامج. وتشير الأسهم إلى الرموز الرئيسية في البرنامج هو موضح في الخطوة 6.2 و 6.3. ويظهر مقطع من البيانات الخام الحية المتدفقة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

خريج "/>
الرقم 7. لقطة من البرنامج إيموس. مربعات حمراء تبرز الرموز الرئيسية في البرنامج هو موضح في الخطوة 6.4. (A) النافذة الرئيسية الأوامر. (B) نافذة تكوين. نافذة (C) تسجيل. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. عينة البيانات من جلسة تجريبية التمثيلية. وأظهرت البيانات (A) EEG والتسارع، سواء الفرقة تمرير تصفية [1-40Hz]. يتم عرض الأقطاب الكهربائية EEG مع انخفاض مقاومة (Z <60 أوم) طوال الدورة. خطوط عمودية قوية تشير إلى ظهور السلوك (B) ما زال تأطير تمثيل الرضيع تعمل في مجال السلوكيات تحليل: لاحظ، الوصول، فهم، الوصول، عرض، Imita الشركة المصرية للاتصالات، استكشاف، الراحة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 9
الرقم 9. عينة رسوم بيانية من EEG السعة لمدة ستة السلوكيات التي تم تحديدها. A) البيانات المعروضة يتوافق مع البيانات الخام من ثلاثة أقطاب (CP2، FC5، POZ) سجلت في جلسة مع رضيع يبلغ من العمر 20 شهرا. يتم تحجيم رسوم بيانية لأكبر عدد من الحوادث ويظهر التفرطح من كل رسم بياني على حق كل قطعة. لاحظ التوزيع المتعدد الوسائط بالنسبة لمعظم من السلوكيات. B) التفرطح من بيانات العينة لكل السلوك. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

العمر = "دائما"> الرقم 10
الرقم 10. EEG تتوقع الإجراءات السلوكية عند الأطفال يتصرفون بحرية (12). ويرد الارتباك مصفوفة العينة عن دقة تصنيف لرضيع يبلغ من العمر 20 شهرا. يتم عرض دقة فك الشاملة في الزاوية اليمنى السفلى. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 11
الرقم 11. المصدر التعريب. الخطوات المطلوبة للحصول على مصدر توطين ثنائي القطب الرضع باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي التشريحية والوظيفية البيانات EEG. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا التينلدى عودتهم.

الرقم 12
الرقم 12. ريتش-عرض تحليل المهام الشخصية. A) لقطات لرضيع أداء B "أيادي-عرض" مهمة.) متوسط ​​العالمية قوة مجال EEG في مو الفرقة (09/05 هرتز)، ومسارات حركة الأطراف للرضيع والفاعل؛ بلغ متوسط ​​الكبرى الحدث المتعلقة الطيفية اضطراب من جميع القنوات. C) مصادر ثنائي القطب المترجمة لمدة أحداث "بداية حركة" و "حركة الانتهاء". يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

بروتوكول صفها يعرض منهجية لجمع البيانات من الأطفال يتصرفون بحرية في حين أنها تتفاعل مع مجرب في الوقت الحقيقي. ويعمل الهاتف النقال تكنولوجيا تصوير الدماغ (EEG فروة الرأس) لالتقاط النشاط العصبي في حين تم تسجيل البيانات في وقت واحد الحركية مع إيموس في مواقع الجسم الاستراتيجية. وسجلت الدورة التجربة أيضا بواسطة كاميرا الفيديو. تتم مزامنة نظام لتسجيل البيانات الثلاثة باستخدام نظام الزناد المخصصة.

وثاق EEG ونظام الحركة الإسلامية الأوزبكية لهذا الموضوع كما انه / انها تتحرك بحرية خلال الدورة التجربة. تحتاج إلى ايميس لتكون مربوطة بإحكام لتكون قادرة على التقاط الكينماتيكا بدقة. لضمان التنقل غير المقيد الكامل لهذا الموضوع، والمعدات يجب أن تكون كما تدخلي الحد الأدنى ممكن؛ وبالتالي فإن استخدام حامل لدعم الكابلات الكهربائي وEEG والسيطرة على المربع EEG. ثم يتفاعل المجرب مع الرضع لمدة 15 دقيقة تقريبا. وINFAسوف الإقليم الشمالي استثارة ذخيرة تعتمد على سن السلوكيات أثناء التفاعل. وتشمل هذه الراحة، والوصول إلى فهم-، والوصول إلى، عرض، واستكشاف، ومراقبة، وتقليد. ومع ذلك، فإن بعض الأطفال تكون غير راغبة في التعاون في الدورة بسبب التعب، وعدم الراحة، أو الإجهاد. تأكد من تحديد موعد التجربة عندما يكون الطفل هو الأكثر حيوية ونشاطا لمنع وقوع الردود السلبية من له / لها.

طبيعة التجربة تقدم المخاطر على نوعية البيانات المسجلة طوال الدورة. لذلك، لا بد من اختبار جميع الروابط وبيانات الجودة قبل بدء الدورة تسجيل ومراقبة بشكل مستمر خلال الدورة. إذا كان النظام EEG البيانات لا تسجل نوعية البيانات، ووقف البرنامج وتوصيل كافة الاتصالات. قبل إعادة تشغيل البرامج أو توصيل معدات إلى جهاز الكمبيوتر المحمول، وإزالة جميع مصادر الضوضاء ممكنة (أي امدادات الطاقة) من القرب من أجهزة التسجيل. وEEويشمل الأجهزة G مكبرات الصوت إشارة التي يمكن التقاط الضوضاء البيئية إذا وضعت بالقرب من مصادر الضوضاء الكهربائية. لاستقبال الحركة الإسلامية الأوزبكية، تأكد من وجود أي تدخل في خط البصر بين المتلقي والتجربة والرضع.

يوفر هذا الإعداد التجريبية بيانات عالية الدقة العصبية الزمنية من خلال قياس النشاط الكهربائي على سطح فروة الرأس. وقد أظهرت الدراسات التي أجريت مؤخرا في جدوى استخدام هذه الإشارات، جنبا إلى جنب مع الحركيات كامل الجسم، لتحديد المعلومات تصنيفها للحركات التعبيرية 20، والحركات الفنية 21،22، مما يشير إلى أن هذا النهج جمع البيانات المقترحة يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل للالعصبية أساس التقليد عند الرضع.

المساهمات الأخيرة تتميز خوارزميات التعلم آلة قوية تطبق على ديناميات الدماغ 13،20،21 ببناء مجموعة أدوات المتزايد لدراسة إمكانات السطح في حد ذاته أكثر طبيعيةttings. يوفر هذا الإعداد المقترحة تشكيلة واسعة من الاحتمالات عن الأسئلة البحثية التي سيتم تناولها 2،22. بشكل خاص، ويمكن تطبيقه للبحث تركز على أ) فهم الأساس العصبي للتنمية المعرفية والحركية للرضع بناء على عدد كبير من المواضيع؛ ب) فهم الأساس العصبي للنوايا الطفل في "العمل والسياق"، التي ينبغي أن تكون التنبؤية للعمل السلوكي واردة. ج) قياس أنماط العصبية المشتركة وفريدة من نوعها لتوصيف الفردية والتباين في الدماغ النامية؛ ود) دراسة ظهور عمليات التقليد والتعلم. هذه الأهداف يستلزم نشر خوارزميات تعلم الآلة التي يمكن التعامل مع البيانات الغنية إحصائيا في كل من إمكانات نشأت الدماغ بالمعلومات وحركة العضلات أو التحف 12،20،23.

تحاول هذه الدراسة لتقدير مصادر القشرية وامكانات الحقل الكهربائية باستخدام البيانات EEG الرضع. بسببالصعوبات التقنية مثل عدم وجود المعرفة في الرضع القيم رئيس الموصلية وسمك المادة القشرية، ووضع نماذج دقيق لنموذج الرأس هي مهمة صعبة. هناك حاجة لدراسات إضافية لتقديرات الموصلية الأنسجة الإقليمية موسع في الرضع 24. تقسيم سطح القشرية البيانات MRI الرضع تقدم تحديا إضافيا بسبب التباين الفقراء وجدت في صور الدماغ البشري النامي 25. هناك حاجة إلى بحوث المستقبلية لمعالجة هذه الصعوبات وتقدير مختلف يرتبط العصبية للتنمية الرضع والسلوك.

وأخيرا، يمكن نشرها البروتوكول والأساليب التجريبية المقترحة في الدراسة من ذوي العاهات الخلقية مثل الاطفال الذين يعانون من المحتمل اضطراب طيف التوحد (ASD). في هذا التطبيق، سيكون من المرغوب فيه لتشمل مجموعة مراقبة وتقييم تنموية مناسبة لتوصيف المجموعتين (السيطرة وASD). للامتحانسبيل، ويمكن أن تتألف مجموعة الدراسة من جميع المخاطر العالية (لASD) الأشقاء الرضع المقررة لجدول تشخيص التوحد مراقبة 26، شدة الأعراض (27) وبره مولن من التعليم المبكر من 28 إلى تميز القدرة المعرفية العامة. إن وجدت، مرجحة نشر الرنين المغناطيسي ستكون أيضا مرغوب فيه للغاية (29).

Acknowledgements

وأيد هذا العمل من قبل يونيس كينيدي شرايفر المعهد القومي لصحة الطفل والتنمية البشرية (معاهد الصحة القومية) جائزة # P01 HD064653-01. المحتوى هو فقط من مسؤولية الكتاب ولا تمثل بالضرورة وجهة النظر الرسمية للمعاهد الصحة القومية أو المعاهد القومية للصحة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BrainAmp Amplifier Brain Products, Gmbh
actiCAP EEG cap- 64 electrodes* Brain Products, Gmbh
actiCAP Control Box Brain Products, Gmbh
Brain Vision Recorder software v1.20.0601 Brain Products, Gmbh
actiCAP Control Box software v1.2.5.2 Brain Products, Gmbh
CapTrak Brain Products, Gmbh
CapTrak software v1.0.0 Brain Products, Gmbh
Opal movement monitor APDM, Inc
Opal docking station APDM, Inc
Opal wireless access point APDM, Inc
Motion Studio software v1.0.0.201503302222 APDM, Inc
Trigger box Custom
Video camera HC-W850M, Panasonic Co.
*The EEG caps come in the following head circumference sizes for infants: 42, 44, 46, 48, 50cm. For this protocol, a stock of 2 caps of each size is recommended. 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Woodward, A. L., Gerson, S. A. Mirroring and the development of action understanding. Phil. Trans. R. Soc. B. 369, (1644), (2014).
  2. Makeig, S., Gramann, K., Jung, T. -P., Sejnowski, T. J., Poizner, H. Linking brain, mind and behavior. Int J Psychophysiol. 73, (2), 95-100 (2009).
  3. Gramann, K., et al. Cognition in action: imaging brain/body dynamics in mobile humans. Rev. Neurosci. 22, (6), 593-608 (2011).
  4. GmbH Brain Products. actiCAP Operating Instructions. Version 006, Author. Munich, Germany. (2013).
  5. Grech, R., et al. Review on solving the inverse problem in EEG source analysis. J Neuroeng Rehabil. 5, (25), (2008).
  6. Sanchez, C. E., Richards, J. E., Almli, C. R. Neurodevelopmental MRI brain templates for children from 2 weeks to 4 years of age. Dev Psychobiol. 54, (1), 77-91 (2012).
  7. Richards, J. E. Neurodevelopmental MRI Database. Available from: http://jerlab.psych.sc.edu/NeurodevelopmentalMRIDatabase (2010).
  8. Fuchs, M., Wagner, M., Kastner, J. Boundary element method volume conductor models for EEG source reconstruction. Clin. Neurophysiol. 112, 1400-1407 (2001).
  9. Song, J., et al. Anatomically Accurate Infant Head Models for EEG Source Localization. J Phys Conf Ser. 434, (1), (2013).
  10. Roche‐Labarbe, N., et al. High‐resolution electroencephalography and source localization in neonates. Hum Brain Mapp. 29, (2), 167-176 (2008).
  11. Michel, C. M., et al. EEG source imaging. Clin Neurophysiol. 115, (10), 2195-2222 (2004).
  12. Hernandez, Z. R., Cruz-Garza, J., Tse, T., Contreras-Vidal, J. L.Decoding of intentional actions from scalp electroencephalography (EEG) in freely-behaving infants. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2115-2118 (2014).
  13. Bulea, T. C., Prasad, S., Kilicarslan, A., Contreras-Vidal, J. L. Sitting and Standing Intention Can be Decoded from Scalp EEG Recorded Prior to Movement Execution. Front Hum Neurosci. 8 (2014).
  14. Cuevas, K., Cannon, E. N., Yoo, K., Fox, N. A. The infant EEG mu rhythm: methodological considerations and best practices. Developmental Review. 34, (1), 26-43 (2014).
  15. Goncharova, I. I., McFarland, D. J., Vaughan, T. M., Wolpaw, J. R. EMG contamination of EEG: spectral and topographical characteristics. Clin. Neurophysiol. 114, (9), 1580-1593 (2003).
  16. Marins, J. L., Yun, X., Bachmann, E. R., McGhee, R. B., Zyda, M. J. An extended Kalman filter for quaternion-based orientation estimation using MARG sensors. Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems. 4, 2003-2011 (2001).
  17. Mullen, T., et al. Real-time modeling and 3D visualization of source dynamics and connectivity using wearable EEG. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2184-2197 (2013).
  18. Sugiyama, M. Dimensionality reduction of multimodal labeled data by local fisher discriminant analysis. J. Mach. Learn. Res. 8, 1027-1061 (2007).
  19. Li, W., Prasad, S., Fowler, J. E., Bruce, L. M. Locality-preserving dimensionality reduction and classification for hyperspectral image analysis. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 50, 1185-1198 (2012).
  20. Cruz-Garza, J. G., Hernandez, Z. R., Nepaul, S., Bradley, K. K., Contreras-Vidal, J. L. Neural decoding of expressive human movement from scalp electroencephalography (EEG). Front Hum Neurosci. 8, (188), (2014).
  21. Kilicarslan, A., Prasad, S., Grossman, R. G., Contreras-Vidal, J. L. High accuracy decoding of user intentions using EEG to control a lower-body exoskeleton. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 5606-5609 (1109).
  22. Gramann, K., Jung, T. -P., Ferris, D. P., Lin, C. -T., Makeig, S. Toward a new cognitive neuroscience: modeling natural brain dynamics. Front Hum Neurosci. 8, (444), (2014).
  23. Bulea, T. C., Kilicarslan, A., Ozdemir, R., Paloski, W. H., Contreras-Vidal, J. L. Simultaneous scalp electroencephalography (EEG), electromyography (EMG), and whole-body segmental inertial recording for multi-modal neural decoding. J Vis Exp. 26, (77), (2013).
  24. Odabaee, M., et al. Neonatal EEG at scalp is focal and implies high skull conductivity in realistic neonatal head models. NeuroImage. 96, 73-80 (2014).
  25. Knickmeyer, R. C., et al. A structural MRI study of human brain development from birth to 2 years. J Neurosci. 28, 12176-12182 (2008).
  26. Lord, C., Rutter, M., DiLavore, P. C., Risi, S. Autism Diagnostic Observation Schedule. Psychological Services. Los Angeles, Calif, Western. (2000).
  27. Gotham, K., Pickles, A., Lord, C. Standardizing ADO S scores for a measure of severity in autism spectrum disorders. J Autism Dev Disord. 39, 693-705 (2009).
  28. Mullen, E. M. Mullen Scales of Early Learning. AGS Edition, AGS Publishing. Circle Pines, Minn. (1995).
  29. Wolff, J. J., Gu, H., Gerig, G., et al. IBIS Network. Differences in white matter fiber tract development present from 6 to 24 months in infants with autism. Am J Psychiatry. 169, (6), 589-600 (2012).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics