מדידה של תפקוד המוח Neuromagnetic ב טרום בית ספר לילדים עם מג בגודל מותאם אישית

Summary

הופעתו של מערכות MEG בגודל לילדים צעירים פותח הזדמנויות חדשות ללמוד חשוב בהתפתחות המוח. המערכת החדשה, יחד עם פרוטוקול אשר מיישרת דרישות ניסיוני עם קיבולות של ילדים, יכול לשמש כדי לחקור תהליכים קוגניטיביים והשפה, ילדים בריאים ער בגילאי 3-6.

Abstract

מגנטו היא טכניקה המאתר שדות מגנטיים הקשורות בפעילות קליפת המוח [1]. הפעילות אלקטרו במוח יוצרת שדות חשמליים - כי ניתן להקליט באמצעות electroencephalography (EEG) - ואת השדות המגנטיים שלהם במקביל - זוהה על ידי MEG. אותות MEG מזוהים על ידי חיישנים מיוחדים המכונה מוליכי התקנים קוונטיים הפרעה (דיונונים). חיישנים מוליכי דורשים קירור עם הליום נוזלי ב -270 ° C. הם כלולים בתוך הקסדה vacumm-מבודד שנקרא דיואר, אשר מלאה בנוזל. דיונונים ממוקמים בעמדות קבועות בתוך הקסדה דיואר בתוך נוזל קירור הליום, ראש של הנושא ממוקם בתוך הקסדה דיואר למדידות MEG. הקסדה חייבת להיות בגודל של דיואר כדי לספק אילוצים מנוגדים. ברור, זה חייב להיות גדול מספיק כדי להתאים את רוב או את כל ראשי באוכלוסייה כי ייחקר. עם זאת, הקסדה חייבת להיות גם קטן מספיק כדי לשמור על רוב חיישנים SQUID בטווח של שדות מוחי זעיר שהם למדוד. כל קונבנציונלי בראש מערכות MEG נועדו להכיל יותר מ 90% של ראשי מבוגר. מערכות מבוגר עם זאת לא מתאים למדידת תפקוד המוח של טרום בית ספר chidren שראשיהם יש כמה ס"מ רדיוס קטן יותר מאשר מבוגרים. KIT-Macquarie המוח מעבדת המחקר באוניברסיטת מקווארי משתמש מותאם אישית מערכת מג בגודל כדי להתאים את ראשיהם של הרך. מערכת זו לילד יש 64 מסדר ראשון gradiometers צירית עם בסיס 50 מ"מ [2], הוא הכיל בתוך חדר מוגן מגנטית (MSR), יחד עם מערכת קונבנציונאלי MEG מבוגרים בגודל [3,4]. ישנם שלושה יתרונות עיקריים של קסדה דיואר אישית ללימוד ילדים. ראשית, רדיוס קטן של תצורת חיישן מביא את SQUID חיישנים לתחום של אותות neuromagnetic של ראשי הילדים. שנית, הקסדה קטן מאפשר החדרת מלא של הראש של הילד לתוך דיואר. הכניסה שליטת נמנעת אפשרות מבוגר קסדות דיואר בגלל הכתר קטן אל כתף מרחק אצל ילדים. שני גורמים אלה הם יסוד הקלטת פעילות המוח באמצעות MEG כי אותות neuromagnetic להחליש במהירות עם המרחק. שלישית, הקסדה אישית הילד מסייע מיקום סימטרי של הראש מגביל את חופש התנועה של ראשו של הילד בתוך דיואר. כאשר בשימוש עם פרוטוקול אשר מיישרת את הדרישות של איסוף נתונים עם יכולות מוטיבציוניים והתנהגותיים של ילדים, תכונות אלה באופן משמעותי להקל ההתקנה, מיצוב, ומדידה של אותות MEG.

Protocol

הנחיות אלו מתארים ציוד ונהלים למדידת תפקוד המוח הקוגניטיבי בגיל הרך באמצעות מגנטו (MEG). ראשית, עלינו לדון הנחיות כלליות בנושאים כי יש לקחת בחשבון בעת ​​ביצוע בדיקות ניסיוניות של התפקוד הקוגניטיבי אצל ילדים. שנית, אנו מתארים פרוטוקול שפותח כדי ליישר את הדרישות של איסוף נתונים MEG עם יכולות מוטיבציה והתנהגותיים של ארבעה בן ילדים.

1. שיקולים כלליים ללימוד ילדים צעירים עם מג

החוקרים מג פני מספר אתגרים ייחודיים כשעובדים עם ילדים בריאים ער. ראשית, סביבת מעבדה מוחלט פונקציונלי צפוי להרתיע או להפחיד ילדים קטנים. שנית, הדרישות הבסיסיות של המחקר הניסיוני MEG כוללים הגבלות תנועה להשתתף באופן פעיל למשימה במשך תקופה ארוכה, התנאים מבוגרים רבים מוצאים מייגע ולא נוח. כאשר לומדים ילדים הוא הופך להיות הכרחי כדי להתאים את הפרוצדורות את היכולות והמגבלות של הילדים. בסעיף זה, אנו מתארים את השלבים הראשוניים מעורבים בהכנת הנושא להשתתף בפגישה רכישת נתונים.

1.1 היכרות / הדרכה מושב: עבור טרום בית ספר הילדים מפגש היכרות / הדרכה מתוכננת לקראת הפגישה הנתונים בפועל הרכישה. מפגש זה מאפשר לילד להכיר את הסביבה ואת החוקרים בקצב שלהם. אנחנו מציגים את הילד לבין ההורה החוקרים ולהכיר אותם עם הסביבה מעבדה השגרה. עד סוף מושב מבוא הורה וילד להבין את כל השלבים הכרוכים להשתתף ולהבין את מה שהם צריכים לצפות במהלך הקלטת נתונים. אם במהלך הביקור הראשון, הילד נראה ביישן או חרד, יש לנו תקופה של המשחקים עד שהם מרגישים יותר בנוח. לאחר מכן, נמשיך עם הקדמה של כל השלבים.

1.2 הסבר על הסביבה: כדי להסביר את הסביבה MEG לילד, אנחנו מעסיקים נושא זה מספק הצדקה ילד ידידותי עבור הסביבה. למשל, מערכת מג היא חללית מחכה לקחת את הילדים להרפתקה בחלל שבו כמה אירועים לא מוכרים עלולה להתרחש. במעבדה יש ​​גם מקושט מדבקות קיר וצעצועים (איור 1), ויש לו חדר משחקים ייעודי. כאשר מדברים עם הילד, אנו משתמשים בשפה שילדים יכולים להבין בקלות כגון "הקפאת 'במקום' התנועה צמצום 'ו' קסדת אסטרונאוט 'במקום' כובע סמן סליל".

1.3 להסביר את הנהלים הילד להורים: אנחנו מראים את הילד ואת ההורה הפעולות הננקטות לפני שהילד הולך בתוך חדר מוגן מגנטית (MSR). אחד הצעדים הראשונים הוא להתאים כובע five סמן סליל על ראשו של הנושא; סלילים אלה מציינים את המיקום של ראשו של נושא בתוך הקסדה MEG. בעזרתו של הילד, אנחנו לספרת את הצורה ראש בובה, ולאחר מכן אנו מזמינים את הילד לבין ההורה ללוות את הבובות אל MSR / חללית. פעם אחת בתוך MSR, אנחנו מקום ראש בובה בתוך הקסדה לצפות בסרט. לאחר מכן, אנו שואלים את הילד אם הם רוצים לראות את הסרט עם הבובה. אם הילד הוא נוח רגוע האב שלהם מרוצה הפרוטוקולים שלנו, אנחנו מזמינים אותם לשחק משחק בתוך החללית בפעם הבאה הם מבקרים במעבדה שלנו.

1.4 חוברות עבודה: יש לנו חוברות עבודה מבוסס על הנושא הרפתקה בחלל המציג את הילדים צעדים תנקוט במהלך הבדיקה. ילדים אלו מקבלים worksbooks לקחת הביתה ולעבוד באמצעות אותם עם הוריהם לקראת הביקור הבא. מטרת חוברות עבודה היא להדגיש את החשיבות של שלוש הדרישות העיקריות לבדיקה: א) ההימנעות של כל חומר ברזלי בתוך MSR, ב) את המיקום של סליל כובע סמן כדי להבטיח נתונים מדויקים שיתוף רישום ג) ו החשיבות של הנותרים עדיין במהלך דיגיטציה ורכישת נתונים.

2. פרוטוקול למדידת אותות MEG מן טרום ילדים בגילאי בית הספר

2.1 ציוד המשמש במהלך רכישת נתונים משימה ניסויית

דה מרקר סליל כובע: על מנת ליישר נתונים MEG עם מידע מבניים של הנבדק (ראש כגון MRI או צורה דיגיטציה), קבוצה של חמישה סלילים ממוקמים כובע שחייה שהילד לובש בתוך הקסדה MEG. סלילים אלה לשמש נקודות התייחסות ועמדות שלהם בהשוואה לפני ואחרי המשימה כדי למדוד עד כמה הראש של הנושא עבר במהלך הרכישה.

Digitizer: לפני רכישת נתונים, את המיקום של חמישה סלילים סמן והצורה ראש הנושא הוא דיגיטציה באמצעות F Polhemusastrak ® digitizer (קולצ'סטר, VT). Digitizer מורכב digitizer עט, שלושה מקלטים, משדר ויחידת ההצעה מעקב. תהליך זה מודד את מיקום הסלילים. מאוחר יותר במקומות אלה מתאימים נגד מידע על המיקום מתקבל על ידי MEG כדי ליישר את הנתונים המגנטיים רכשה וצורה הראש.

מערכת מג ילד: רכישת הנתונים נעשית באמצעות כל הראש, ילד MEG המערכת (KIT, Kanazawa, יפן) [2]. הנתונים רכשה ברציפות בקצב דגימה של 1000Hz, עם הלהקה לעבור סינון מקוון בין הרץ 0.03 ו 200Hz. סליל עמדות מרקר מתקבלים לפני ואחרי ההקלטות כדי למדוד את תנועת הראש. נתונים נדחות אם תנועת ראש גדול 5 מ"מ.

מג מערכת היקפי: גירויים ניסויית נשלטים מול מחשב אישי באמצעות מצגת ® (מערכות neurobehavioral, אולבני, CA). תשומות חזותית מועברות על ידי מקרן שיושב מחוץ MSR ו משתקף על המסך MSR. גירוי שמיעתי מועברות על ידי דגם Etymotic Research ER-30 אוזניות להכניס מצויד בגודל התינוק האוזניות קצף (Etymotic Research Inc, Elk Grove Village, IL). הילד פיקוח מתמיד על ידי מצלמה במעגל סגור הנסיין מתקשר עם הילד באמצעות מיקרופון.

2.2 נתונים רכישה: הקלטה הפעלות נתונים כרוך בשלבים הבאים:

שלב I: לפני הגעתו של הילד

חשוב לקבל את כל המחשבים, תוכנה וציוד מוכן להתחיל את הניסוי ברגע שהילד מגיע. כהמלצה כללית, שני חוקרים מנוסים צריכים להיות נוכחים בעת הילד וההורה הם במעבדה. נקה התקשורת בין הורה חוקר, והילד הם קריטיים להצלחת הניסוי.

שלב II: לאחר שהילד מגיע

1. טפסי הסכמה חתומים ו הנסיינים לבדוק אם להורים יש שאלות.
2. הנסיין בודק אם הילד זוכר את כל השלבים הציג במהלך הפגישה הראשונה או החוברות ואת כל reintroduces שאינם נזכר. חשיבותה של הקפאת או צמצום התנועה במהלך הרכישה דיגיטציה ונתונים הוא הדגיש. זו ניתן להדגים באמצעות בובה.
3. לאחר מכן, הנסיין בודק אם הילד הוא נושא כל חומר ברזלי (בגדים עם טלאים נצנצים, תכשיטים, צעצועים נשכח בתוך כיסים, סיכות שיער וכו '). אם הם נושאים פריט לבוש המכיל חומר ברזלי, אנו מספקים אותם עם בגדים MEG בטוח. אם ההורה רוצה ללוות את הילד במהלך הניסוי, אנו מבטיחים כי הם גם להסיר חומר ברזלי שלהם.

שלב III: קבלת הילד מוכן לבצע את המשימה בתוך MSR

1. הנסיין מתאים את הכובע שמחזיק את 5 סלילים הסמן.
2. הנסיין digitizes את המיקום של סלילי סמן וצורה ראשו של הילד. כדי לשמור על הראש בתנוחה קבועה, אנו משתמשים סד לצוואר אשר כבר מצויד עם שלושה מקלטים. חשוב לחזק את הרעיון של מזעור תנועה או "הקפאת" באופן קבוע על מנת לקבל צורה ראש טוב. הילד עשוי להיות מתוגמל מדבקה עבור עושה עבודה טובה על "הקפאה".
3. הילד מוזמן להיכנס MSR. אוזניות מוכנסים והילד ממוקם בתוך הקסדה MEG דיואר במצב שכיבה.
4. ברגע שהילד שוכב בנוחות עם ראשיהם בתוך הקסדה מג, סלילי את הסמן מחוברים ליחידת הכוח שלהם ואת הדלת MSR סגור. אחת הנסיין נשאר (וגם הורה, אם רוצים) בחדר במהלך הפגישה כולה.
5. עבור בידור במהלך ההתקנה בין אבני איסוף נתונים, סרט או קריקטורה יכול להיות מוקרנת על המסך MSR גב ההקרנה.

שלב IV: הפעלת הניסוי

1. ברגע שהדלת סגורה MSR, דיונונים עוסקים ורכישת נתונים מתחיל.
2. ככל שהילד רואה סרט, coregistration טרום הבדיקה מתבצעת על מנת לוודא כי אותות MEG ניתן coregistered לעצב את הראש דיגיטציה. Pretest זה מורכב תואמות את עמדת סלילי סמן שהושגו במהלך דיגיטציה עם העמדה המוצגת על ידי מערכת MEG.
3. לאחר מראה הבדיקה הראשונה כי ראשו של הילד ממוקם כהלכה בתוך הקסדה, החוקר יכול להתחיל את הניסוי: (א) בסרט מושתק (ב) החוקר שואל את הילד אם הם מוכנים "לשחק את המשחק"; (ג) פעם המשחק מתחיל, הנסיין מספק באופן קבוע את הילד עם משוב. לדוגמה, ילד עשוי להתבקש להאזין לסדרה של משפטים, לחזור על מילה יעד כמו "גבינה", ברגע שהם שומעים את זה. מילים אלו היעד המוטבעים משנה של לתפוס תלתals כי בדיקה המשיך קשב למשימה, אך לא נכללים ניתוחים הסופי.
4. לאחר המשימה הושלמה, מדידה אחר סליל סמן מבוצעת כדי לפקח על עמדת ראש התנועה.
5. לאחר דיונונים מנותקים, MSR הדלת נפתחת והילד מוזמן המשחקים שבו הם יכולים לבחור פרס על העבודה הטובה שלהם.

3. נציג תוצאות

נציג מחקר במעבדה שלנו להשתמש בפרוטוקול זה כדי ללמוד את ההתפתחות של הלוגיקה בשפה ילד. עשרים ושישה ילדים בגילאי 3-4 שנים (גיל ממוצע של 4 שנים ו -5 חודשים) השתתפו בפגישה אחת לפחות הרכישה. שבעה עשר ילדים אלה חזרו לישיבה בדיקות השני חמש עלה לישיבה בדיקות השלישי. תנועת הראש הממוצע היה פחות מ 3.7 מ"מ (סטיית תקן 3.1 מ"מ), גם בתוך סף 5mm. תנועות יותר 5mm שחלו 4.5% של הפגישות, עם וריאציה הנעים בין 5.5 מ"מ עד 15 מ"מ (Mean = 8.6mm, SD = 2.5 מ"מ).

באיור 1. הקסדה MSR ומג כבר מקושט מדבקות צעצועים רכים.

איור 2. ארבעה בן ילדה מבוגרים בגודל MEG (משמאל). שים לב ריפוד בחלק העליון של ראשה כדי למזער את התנועה ואת המרחק בין הראש לקסדה. תמונה ימנית מראה אותה נערה ב MEG הילד.

Discussion

פרוטוקול זה נועד כדי להקל על מדידות של תפקוד המוח הקוגניטיבי בריא ער בן 4 ילדים. אנו משתמשים במערכת אישית בגודל MEG שנועד להתאים את ראשיהם של טרום בית ספר הילדים בני. עם מערכת זו, ילד ידידותי לסביבה מעבדה, פרוטוקול להתאים את היכולות ואת המניעים של ילדים, אנו מסוגלים למדוד את תפקוד המוח הקוגניטיביים בטווח הגיל שבו יש כיום מעט מאוד נתונים.

מערכת KIT-Macquarie הוא המנהג הראשון במלואו ראש מערכת בגודל לשימוש עם טרום ילדים בגילאי בית ספר. ישנם שלושה יתרונות עיקריים של קסדה דיואר אישית ללימוד ילדים. ראשית, רדיוס קטן של תצורת חיישן מביא את SQUID חיישנים לתחום של אותות neuromagnetic של ראשים של ילדים. שנית, הקסדה קטן מאפשר החדרת מלא של הראש של הילד לתוך דיואר. הכניסה שליטת נמנעת אפשרות מבוגר קסדות דיואר בגלל הכתר קטן אל כתף מרחק אצל ילדים (ראה איור. 2). שני גורמים אלה הם יסוד הקלטת פעילות המוח באמצעות MEG כי אותות neuromagnetic להחליש במהירות עם המרחק. שלישית, הקסדה אישית הילד מסייע מיקום סימטרי של הראש מגביל את חופש התנועה של ראשו של הילד בתוך דיואר. תכונות אלה באופן משמעותי להקל ההתקנה, מיצוב, ומדידה של אותות MEG מילדים.

הופעתו של המנהג בגודל ילד MEG המערכת מקדמה חשובה עבור המוח הקוגניטיביים. אלטרנטיבי טכניקות הדמייה תפקודית המעסיקות רדיואקטיביות או שדות מגנטיים חזקים לא יכול להיות מתאים לשימוש שגרתי עם ילדים צעירים. מאז MEG היא טכניקת מדידה פסיבית לחלוטין אין סיכון אפשרי לפתח רקמות. יש כיום מעט מאוד נתונים מ MEG בריא לילדים בגילאי הגן, כי קונבנציונאלי מבוגר מערכות MEG לא היטב המותאם לשימוש עם ילדים. ילד מערכות MEG יאפשר לנו ללמוד על תפקוד המוח בגיל שבו מבנה דרמטי של הפעילות המוחית מתרחשת, לספק תובנות חדשות על התפתחות נורמלית פתולוגי של תפקוד קוגניטיבי.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Whole head child MEG	Kanazawa Institute of Technology (Kanazawa) and Yokogawa Electric Corporation (Tokyo)	Model PQ1064R-N2m
Magnetically shielded room	Fujihara Co. Ltd.
Digitiser	Polhemus (Colchester, VT)	Fastrack
Experimental control software	Neurobehavioral Systems	Presentation
Earphones	Etymotic Research Inc.	ER-30