Estudiar la función cerebral en niños utilizando Magnetoencefalografía

Resumen

Este artículo presenta un protocolo de investigación de niños diseñado para mejorar la calidad de los datos reduciendo el movimiento de la cabeza durante pediátrica Magnetoencefalografía (MEG). Familiarizar a las familias con el entorno de MEG, entrenar niños permanecen todavía utilizando un simulador de MEG, y corregir por artefactos de movimiento residual de la cabeza utilizando un sistema de detección de movimiento en tiempo real de la cabeza.

Resumen

Magnetoencefalografía (MEG) es una técnica de neuroimagen no invasiva que mide directamente los campos magnéticos producidos por la actividad eléctrica del cerebro humano. MEG es tranquilo y menos propensos a inducir claustrofobia en comparación con la proyección de imagen de resonancia magnética (MRI). Por lo tanto es una herramienta promisoria para investigar la función del cerebro en los niños pequeños. Sin embargo, análisis de datos de la MEG de población pediátrica es complicado a menudo por artefactos de movimiento de la cabeza que se presentan como consecuencia de la necesidad de una sensor espacial fija de matriz que no se encuentra a la cabeza del niño. Minimizando los movimientos de la cabeza durante las sesiones de MEG puede ser particularmente desafiador como niños pequeños a menudo son incapaces de permanecer todavía durante las tareas experimentales. El protocolo presentado aquí pretende reducir artefactos de movimiento de la cabeza durante MEG pediátrica análisis. Antes de visitar el laboratorio MEG, las familias cuentan con recursos que explican el sistema de MEG y los procedimientos experimentales en un lenguaje simple, accesible. Se lleva a cabo una sesión de familiarización MEG durante el cual los niños se familiaricen con los investigadores y los procedimientos de MEG. Entonces ellos están entrenados para mantener la cabeza aún tumbados dentro de un simulador de MEG. Para ayudar a los niños se sienten a gusto en la novela medio ambiente MEG, todos los procedimientos se explican a través de la narración de una misión espacial. Para minimizar el movimiento de la cabeza debido a la inquietud, los niños son entrenados y evaluaron mediante paradigmas experimentales divertidos y atractivos. Además, los artefactos de movimiento residual de la cabeza de los niños se compensan durante la sesión de adquisición de datos usando un movimiento de cabeza en tiempo real sistema de seguimiento. Aplicación de estos procedimientos de amigos de la infancia es importante para mejorar la calidad de los datos, reduciendo al mínimo las tasas de deserción de participantes en estudios longitudinales y asegurar que las familias tengan una experiencia positiva.

Introducción

Magnetoencefalografía (MEG) es una técnica de neuroimagen funcional no invasiva que mide los campos magnéticos producidos por la actividad eléctrica del cerebro humano^1,2. MEG ofrece excelente resolución temporal y resolución espacial superior en comparación con electroencefalografía (EEG) debido a la falta de señal de aplastamiento de los tejidos biológicos entre las fuentes del cerebro y los sensores. Además, MEG no implica la exposición a fuertes ruidos, radiaciones o campos magnéticos. Tiempo de preparación es rápida y los participantes pueden ir acompañados de un padre o cuidador a lo largo de la prueba. Tomados en conjunto, estas características hacen a MEG una herramienta prometedora para investigar el desarrollo de la función cerebral típica y atípica en niños².

Para medir las respuestas cerebrales usando a MEG, participantes en la investigación deben insertar la cabeza en un casco de vivienda una serie fija de sensores superconductores. Es fundamental que los participantes mantiene su cabeza todavía a lo largo de la MEG de grabación, como cambios en la posición de la cabeza en relación con los sensores tanto degradan la distribución de señal de neuromagnetic impiden la estimación precisa de la fuente. Estimación incorrecta de la fuente inevitablemente conduce a inferencias estadísticas inexactas en fuente de energía, conectividad funcional y de análisis de red³.

Minimizar el movimiento de la cabeza puede ser especialmente difícil durante la evaluación pediátrica de MEG para un número de razones. En primer lugar, evaluar a niños pequeños en un sistema adulto de MEG es problemática como las cabezas de los niños son mucho más pequeñas que los de los adultos, y el mayor espacio entre el casco y el cuero cabelludo del niño permite el movimiento de la cabeza sin restricciones. En segundo lugar, el nuevo entorno de MEG — una máquina grande encerrado en un cuarto sin ventanas blindado magnéticamente, puede ser intimidante para los niños pequeños, y movimiento de la cabeza puede ser una consecuencia de la ansiedad. En tercer lugar, sin entrenamiento, los niños pueden no entender o cumplir con el requisito de permanecer todavía durante la duración del experimento. Por último, los niños que tienen una capacidad limitada para tolerar el aburrimiento pueden encontrar que algunos experimentos de MEG demasiado largo o tediosos, dando como resultado artefactos de movimiento de agitación y cabeza.

Para afrontar el reto de larga data del movimiento de la cabeza en investigación pediátrica MEG, este artículo presenta hardware reciente y avances metodológicos que se aplican en el protocolo de MEG de niños utilizado en el laboratorio de investigación de cerebro KIT-Macquarie ( Universidad de Macquarie, Sydney, Australia). Como se indica en un artículo anterior de este laboratorio⁴, los problemas implicados en el uso de un casco de tamaño de adultos sueltas dewar han sido tratados mediante la instalación de un primer mundo, sistema de MEG pediátrico toda la cabeza con un casco a medida dewar para mejor ajuste las cabezas de los niños de aproximadamente tres a seis años de edad. Esta adaptación de hardware mejora la relación señal a ruido, ya que los sensores están físicamente más cerca, en promedio, de^5,de cuero cabelludo del niño⁶. Más recientemente, el laboratorio de investigación cerebral de KIT-Macquarie ha desarrollado varios procedimientos de nuevo para superar los mencionados antecedentes del movimiento de la cabeza y por lo tanto para mejorar la calidad de los datos.

Todos los procedimientos en este protocolo se explican a través de una narración en la que el participante niño participa activamente en una "misión espacial de astronauta". Esta narrativa asegura que la experiencia del niño MEG es no sólo menos intimidante, pero también emocionante. Aplicación de estos procedimientos en un protocolo de MEG de niños es importante para mejorar la calidad de los datos, reduciendo al mínimo las tasas de deserción de participantes en estudios longitudinales y garantizar que las familias tengan una experiencia positiva en su participación en la investigación.

Protocolo

Este protocolo de investigación ha sido aprobado por el Comité de ética investigación humana de Macquarie University.

1. MEG familiarización con recursos

1. Proporcionar a las familias con recursos para aprender sobre MEG antes de visitar el laboratorio MEG, como un artículo científico de niños⁷ explica MEG y MSR, una historia-tabla que detalla los pasos necesarios para completar el experimento MEG (p. ej., Figura 1 complementaria y una hoja de información de MEG para padres o cuidadores (p. ej., suplementario Figura 2).

2. sesión de familiarización MEG

Nota: La sesión de familiarización normalmente se ejecuta durante 30 minutos, incluyendo una introducción a MSR (5 minutos), digitalización (5 min) de la práctica y entrenamiento de simulador de MEG, incluyendo práctica en la tarea experimental (20 min). Llevar a cabo la sesión de familiarización entre uno a siete días antes de la adquisición de datos.

1. Introducción de MSR
   1. Llevar al niño en un recorrido por el MSR ("nave espacial"), que está decorado en arte de la pared relacionados con el espacio para reforzar el tema de la misión de espacio.
   2. Pregunte al niño para practicar la mentira detrás con su cabeza en el casco de dewar.
   3. Dígale al niño a mentir aún como posible para que la nave espacial se mantiene en curso y puede llegar a su destino final.
2. Digitalización:
   1. El niño en una silla de asiento y ajuste con un gorro de poliester ("casco de astronauta") que contiene cinco bobinas de marcador. Adaptar tapas sueltas doblando los lados. Nota: Las bobinas de envían datos a una unidad de seguimiento de movimiento continuo.
   2. Colocar un emisor y tres receptores en el cuello del niño.
   3. Pregunte al niño para demostrar su mejor pose de 'estatua' y ofrecer refuerzo positivo frecuente cuando permanecen todavía.
      Nota: Esto sirve para minimizar el movimiento de la cabeza durante la digitalización que puede comprometer la exactitud del registro Co posterior con el MEG sensores⁸.
   4. Utilizar un digitalizador lápiz (véase Tabla de materiales) para grabar la posición de tres puntos fiduciales (el nasion y preauricular derecha e izquierda) y las bobinas de cinco marcadores, así como la forma de la superficie de la cabeza. Nota: Esta información se utiliza para más adelante determinar la posición de la cabeza del niño en relación con los sensores de MEG.
   5. Retire la tapa, emisor y tres receptores del cuello del niño.
3. Simulador de MEG:
   1. Llevar al niño a la sala de vivienda el simulador de MEG (véase Tabla de materiales y los pasos 9 y 10 en la figura 1 complementaria), una réplica tamaño real de un sistema de MEG. El simulador de MEG está decorado con pegatinas con temática de espacio y está equipado con un mock casco dewar, una cama, una caja de botón y, para las exhibiciones visuales, una pantalla situado por encima de la falsa dewar
   2. Describir brevemente el MEG exploración procedimientos (es decir, acostado aún y participar en la tarea experimental de la práctica) a través de la narración de una misión de espacio de la práctica.
   3. Ajuste al niño con un casco de astronauta", gorro de baño de poliéster que tiene un detector de movimiento en el frente (véase Tabla de materiales).
   4. Invitar al niño a mentir en el simulador y ver un vídeo de su elección. Si el niño parece nervioso, primero demostrar los procedimientos experimentales con un juguete.
      Nota: Siempre que el movimiento de la cabeza del niño supera un determinado umbral (por ejemplo, 5 mm), el sistema de seguimiento de movimiento (véase Tabla de materiales) automáticamente pausar el video y esperar a que el experimentador reiniciar el video manualmente y restaurar la línea de base del movimiento.
   5. Cuando el niño finaliza esta parte de la formación de simulador, proporcionan al niño con el entrenamiento en la tarea experimental utilizando un conjunto independiente de estímulos únicos.
   6. Al final de la formación de la tarea, ofrecer al niño un certificado de formación de astronautas.

3. sesión de adquisición de datos de MEG

Nota: La sesión de adquisición de datos típicamente dura aproximadamente 30 minutos, incluyendo digitalización (5 min), establecimiento del participante dentro del MSR (5 min) y adquisición de datos (aproximadamente 20 min, dependiendo de la longitud del paradigma experimental).

1. Procedimientos preliminares
   1. Llevar a cabo un cuarto vacío de 30 a 60 s, grabar unos 15 minutos antes de que el niño llegue para identificar cualquier ruido externo significativo que se detecta por el MEG system⁸.
   2. Cuando el niño llega, confirmar que no están usando cualquier material magnético en su ropa o llevar en su cuerpo, como los materiales magnéticos pueden distorsionar la señal de MEG (ver figura 1B para un ejemplo de señal ruido a metal en la participante).
      Nota: Si el padre o el cuidador desea acompañar a sus hijos dentro de la MSR, el retiro de los materiales magnéticos se aplica a ellos también.
2. Digitalización
   1. Compruebe si el niño necesita ir al baño antes de comenzar la digitalización, como una vez terminado el paso de la digitalización, la tapa no se puede quitar hasta que haya terminado la sesión de adquisición de MEG.
   2. Repita el procedimiento de digitalización descrito en la sección "Sesiones de familiarización de MEG".
      Nota: Si la tapa mueve más de 5 mm a lo largo del experimento, realizar una segunda numeración al final del experimento
3. Configuración MSR
   1. Llevar al niño al MSR ("la nave espacial").
      Nota: Dos investigadores son necesarios para este procedimiento, para acompañar al niño en el MSR como "Asistente de investigación" (junto con el padre o cuidador, si lo desea) y para ejecutar la adquisición de datos de la MEG fuera el MSR como "investigador principal". La configuración MSR típicamente tarda 5 minutos.
   2. Configurar equipos dentro de la MSR (Investigador Asistente)
      1. Pedir al niño que coloque su cabeza en el casco de dewar.
      2. Compruebe que la cabeza del niño esté alineada centralmente que la corona de la cabeza es lo más cerca posible de la parte posterior del casco dewar sin tocar.
      3. Asegúrese de que el niño esté cómodo, relajado y permanece aún como posible durante la grabación de MEG.
      4. Durante la puesta en marcha, mantener al niño entretenido jugando un vídeo de su elección en una pantalla sobre el dewar.
   3. Configurar equipos fuera de la MSR (investigador principal)
      1. Realizar una medición de bobina marcador pre-experiment/línea de base para registrar la posición inicial de la cabeza con respecto a lo casco dewar.
      2. Llevar a cabo un registro Co entre la cabeza del niño y el sensor de matriz mediante la medición de la bobina de marcador inicial y los datos de forma de la cabeza de digitalización.
         Nota: Estas medidas preparatorias permiten la inspección visual de la posición de la cabeza en el dewar para asegurar que la cabeza del niño esté correctamente posicionada. Si no se cumplen estas condiciones, vuelva a colocar al niño y realizar otro registro Co antes de comenzar la adquisición de datos.
4. Adquisición de datos
   1. Una vez satisfecho con la posición de la cabeza con respecto a lo casco dewar, empezar a MEG la grabación y la tarea experimental.
   2. Registrar movimientos de cabeza continua con un sistema de software pediátrico de MEG llaman movimiento de cabeza en tiempo real (ReTHM)⁹.
5. Acabar con el experimento
   1. Una vez terminada la tarea experimental, apague ReTHM y poner fin a la MEG de grabación. Realizar una medición de bobina marcador después del experimento para medir la posición de la cabeza final con respecto a lo casco dewar.
      Nota: Esta medida proporciona una simple inspección visual de los movimientos de la cabeza en general durante el experimento.
   2. Ofrecer al niño una bolsa de regalo ("kit del astronauta") por su participación y remunerar a la familia por su tiempo y gastos de viaje.

Resultados

Señales comunes de Magnetoencefalografía
MEG común las señales se muestran en la figura 1, incluyendo una señal normal de MEG (figura 1A), así como de ruido de señal de MEG por el metal en el participante (figura 1B), en cuyo caso desbloquear los sensores, abra la puerta del MSR y preguntar al participante a eliminar cualquier metal de su cuerpo, luego tomar el objeto del metal de la MSR y realizar una sintonización automática antes de repetir los procedimientos descritos en la sección 3.5; interferencia de un dispositivo electrónico (figura 1C, más a menudo de un teléfono móvil), que alternadamente caso apagado cualquier aparato electrónico o alejarse de la MSR; una mandíbula apretada (figura 1D), en cuyo caso recordar a los participantes a relajar su mandíbula para la duración de la MEG grabación; las ondas alfa (figura 1E; éstos son definidos por ocho a 12 ondas continuas en un intervalo de s 1), en cuyo caso Verifique que el participante no está dormido (está muy bien continuar si está despiertas); y flujo magnético atrapadofigura 1F; en cuyo caso desbloquear los sensores y encienda en los calentadores de la bobina durante 5 minutos. Si el flujo persiste después de un posterior ajuste de automático, marca canal afectada para la extracción de análisis de datos posteriores.

Movimiento de la cabeza durante la adquisición de datos
Datos de MEG pediátricos antes y después de la corrección de ReTHM se muestran en la figura 2. Los datos fueron recogidos de un niño de tres años que pasivamente escuchando tonos auditivos para 15 minutos de datos fue la divulgada¹⁰, band-pass filtrada¹¹ (1-15 Hz), corrección de línea base y un promedio de. Formas de onda magnéticas cuadrático (RMS) (en la columna de la derecha) se calcularon de todos los sensores. Promedio movimientos de cabeza en el escáner eran 44,3 mm. Como lo demuestra, ReTHM compensa artefactos relacionados con el movimiento, dando por resultado más mapas de contorno de isofield focal (en el pico de la onda de RMS; (A), menos RMS magnéticos formas de onda distorsionadas (B) y la más significativa fuente reconstrucción (C) en los lóbulos auditivos bilaterales.

Figura 1 : Ejemplos de común MEG señales. (A) una MEG normal señal. (B-F) Ruido de señal de MEG por el metal (B) el participante (específicamente, ruido causado por una pequeña hebilla de metal en una correa de camiseta), interferencia (C) de un dispositivo electrónico, (D) una apretada mandíbula, las ondas alfa (E) y (F) atrapados flujo magnético. Para paneles de C, E y F, la escala de tiempo en el eje x es en intervalos de 10 segundos, y escala de amplitud en el eje y es 32768 A/D. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2 . Datos de MEG pediátricos antes y después de la corrección en tiempo real movimiento de cabeza (ReTHM). Los datos fueron recogidos de un niño de tres años que pasivamente escuchando tonos auditivos para movimientos de la cabeza 15 minutos de media en el escáner eran 44,3 mm. (A) centra más mapas de contorno de isofield en el pico de la onda media cuadrática (RMS); (B) menos distorsionada RMS onda magnética y (C) reconstrucción de fuente más significativa en los lóbulos auditivos bilaterales son revelados después de la corrección de ReTHM. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 1 complementaria: una historia del tablero esquematización 10 sencillos pasos para completar el "entrenamiento del astronauta" (es decir, el experimento de MEG). Esto se envía a las familias antes de visitar el laboratorio MEG para orientar las expectativas de los niños para la sesión de adquisición, así como para crear emoción en previsión del "entrenamiento de astronauta". En el día de adquisición de datos, los niños seguir la historia a medida que avanza el experimento y recogen estampillas después de completar cada paso. Fotografías reproducidas con informaron consentimiento paterno por escrito. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Suplementario Figura 2: Una hoja de información de MEG para padres o cuidadores explicando el MEG, el MSR, que cabe esperar en el día de adquisición de datos y qué ponerte. Fotografía reproducida con el informado consentimiento paterno por escrito. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

En los últimos años, MEG se ha establecido como una técnica de neuroimagen no invasiva valiosa para investigar los mecanismos neurales que sustentan el desarrollo del cerebro¹. Sin embargo, movimientos de la cabeza en el escáner constituyen una barrera notoria para obtener buena calidad de los datos de MEG, particularmente cuando se evalúan poblaciones pediátricas. Para superar este problema, este artículo presenta un protocolo de investigación pediátrico MEG que se basa en procedimientos descritos en el anterior documento del laboratorio de investigación de cerebro de Macquarie KIT ⁴.

Los procedimientos críticos incluyen (1) proporcionar a los niños con el MEGOHMIO recursos de familiarización de la cual podrán conocer el experimento MEG antes de visitar el laboratorio, que incluyen una investigación de amigos de la infancia artículo⁷ explica el sistema de MEG y el blindado magnéticamente habitación (MSR), una historia-Pensión que 10 sencillos pasos para completar el experimento MEG (1 figura adicional) y una hoja de información de MEG para padres y cuidadores (suplementario Figura 2); (2) anterior a la sesión de adquisición de MEG con una sesión de familiarización, en donde los niños se familiaricen con los procedimientos de MEG y están entrenados para mantener sus cabezas todavía tumbados dentro de un simulador de MEG; (3) utilizando pasivas o "combinarlos" paradigmas experimentales para minimizar el movimiento de la cabeza debido al aburrimiento y desasosiego; y (4) seguimiento continuo movimientos de la cabeza durante la adquisición de datos en línea utilizando un sistema de movimiento de cabeza en tiempo real (ReTHM)⁹. Datos obtenidos de ReTHM pueden utilizarse para realizar la corrección sin conexión de los artefactos de movimiento de la cabeza al procesar previamente los datos de la MEG.

La adquisición de datos de alta calidad MEG depende críticamente sobre el niño que se siente a gusto en el nuevo entorno de MEG. Para fomentar este sentido de facilidad, los investigadores se anima a dedicar tiempo a familiarizar a los niños y sus familias con el entorno de MEG y procedimientos antes de comenzar la adquisición de datos. Esto puede lograrse a través de la oferta de niños y sus padres recursos MEG que explican los procedimientos de MEG en un lenguaje simple, accesible. Además, las familias se pueden invita a visitar el laboratorio MEG antes de la sesión de adquisición de datos a los investigadores de conocer y practicar los procedimientos de prueba de MEG. A través del entrenamiento en el simulador de MEG, los niños aprenden implícitamente la importancia de mantener sus cabezas todavía tumbados en el MEG. Mientras que la familiarización de MEG requiere que los investigadores y las familias a dedicar un tiempo adicional para el proceso de recolección de datos, las ventajas de mejorar la calidad de los datos MEG, así como minimizar el tiempo y costo de llevar a cabo datos posteriores de MEG sesiones de adquisición, sin duda compensa esta desventaja. Además, el rendimiento y cumplimiento durante la sesión de familiarización se pueden utilizar para indicar si el niño es o no conveniente invitarle para una sesión real de adquisición de datos de MEG.

Para minimizar el movimiento de la cabeza debido a la inquietud en el escáner, es preferible utilizar un paradigma experimental pasivo que no requiere de instrucciones, atención abierta o participación activa. Por ejemplo, puede obtenerse una respuesta evocada confiable con un auditivo oddball paradigma¹², por el que el participante escucha pasivamente a una secuencia de tonos auditivos mientras se entretiene con un video silencioso. Para estudios que requieren una respuesta abierta, el investigador debe procurar integrar la tarea experimental en un atractivo estilo juego paradigma¹¹. Esto mejora la cooperación y reduce al mínimo la inquietud durante la tarea. En experimentos visuales, el uso de un MEG-compatible con eye-tracker implica poco tiempo adicional pero es necesario asegurar que los niños han fijado en la posición del estímulo visual¹³.

Cualquier artefactos de movimiento residual de la cabeza pueden ser corregidos para el uso de seguimiento de movimiento de cabeza en tiempo real. Por ejemplo, datos obtenidos de ReTHM pueden almacenarse en el archivo de grabación de MEG y usa para compensar por el movimiento de la cabeza durante la adquisición de datos de tal manera ese cabeza de sensor localización puede ser restaurada al nivel pre-movimiento para permitir una óptima fuente reconstrucción que es esencial para el análisis de datos a nivel de fuente posterior¹⁴.

La aplicación de este protocolo trata de mejorar la calidad de los datos pediátricos de MEG, reducir al mínimo las tasas de deserción de participantes en estudios longitudinales y garantizar que las familias tengan una agradable experiencia de participación en la investigación MEG, con el objetivo primordial de mejorar nuestra comprensión del desarrollo temprano del cerebro en las poblaciones típicas y atípicas.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
5 marker Coil set	Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan	PQ11MKA
Fastrak Digitizer – 3D	Polhemus Cochester, VT, USA	1A0383-001	Pen digitizer
Magnetoencephalography (MEG)	Kanazawa Institute of Technology (KIT) and Yokogawa Electric Corporation, Japan	PQ1160C
MEG simulator	Fino, NSW, Australia
MoTrack system	Psychological Software Tools, PA, USA	MTK-09314-1307	Motion tracking system
Polyester caps	Speedo	N/A	product code: SPE11733.435