Studiare la funzione del cervello in bambini che usando magnetoencefalografia

Riepilogo

Questo articolo introduce un protocollo di ricerca adatti progettato per migliorare la qualità dei dati riducendo il movimento della testa durante pediatrica magnetoencefalografia (MEG). Abbiamo famiglie di familiarizzare con l'ambiente di MEG, formare i bambini rimangono ancora utilizzando un simulatore di MEG, e correggere per artefatti di movimento della testa residua utilizzando un sistema di rilevazione di movimento della testa in tempo reale.

Abstract

Magnetoencefalografia (MEG) è una tecnica non invasiva neuroimaging che direttamente misura campi magnetici generati dall'attività elettrica del cervello umano. MEG è tranquillo e meno probabile indurre claustrofobia confrontato con risonanza magnetica (MRI). È pertanto uno strumento promettente per lo studio di funzione del cervello in bambini in giovane età. Tuttavia, l'analisi dei dati di MEG da popolazioni pediatriche è spesso complicata da artefatti di movimento della testa che sorgono come conseguenza il requisito per una serie di sensori nello spazio fisso che non vi siano attaccata alla testa del bambino. Riducendo al minimo i movimenti della testa durante le sessioni di MEG può essere particolarmente impegnativo come bambini piccoli spesso sono in grado di rimanere ancora durante compiti sperimentali. Il protocollo qui presentato mira a ridurre artefatti di movimento della testa durante pediatrica MEG scansione. Prima di visitare il laboratorio di MEG, le famiglie sono fornite con le risorse che spiegano il sistema di MEG e le procedure sperimentali in un linguaggio semplice e accessibile. Una sessione di familiarizzazione di MEG è condotto durante la quale i bambini sono a conoscenza con i ricercatori e le procedure di MEG. Quindi sono addestrati per tenere la testa ancora mentre siete sdraiati all'interno di un simulatore di MEG. Per aiutare i bambini a sentirsi a proprio agio nel romanzo ambiente MEG, tutte le procedure sono spiegate attraverso la narrazione di una missione spaziale. Per ridurre al minimo movimento della testa a causa di inquietudine, i bambini sono addestrati e valutati utilizzando paradigmi sperimentali divertente e coinvolgente. Inoltre, artefatti di movimento della testa residua bambini vengono compensate durante la sessione di acquisizione di dati utilizzando un movimento della testa in tempo reale sistema di tracciamento. L'implementazione di queste procedure adatti è importante per migliorare la qualità dei dati, riducendo al minimo tasso di abbandono partecipante in studi longitudinali e garantire che le famiglie hanno un'esperienza di ricerca positiva.

Introduzione

Magnetoencefalografia (MEG) è una tecnica di neuroimaging funzionale non invasivo che misura i campi magnetici generati dall'attività elettrica del cervello umano^1,2. MEG offre un'eccellente risoluzione temporale e risoluzione spaziale superiore confrontato con l'elettroencefalografia (EEG) a causa della mancanza di segnale sbavature dai tessuti biologici tra le fonti di cervello ed i sensori. Inoltre, MEG non comporta l'esposizione a rumori forti, radiazioni o campi magnetici. Tempo di set-up è rapido e i partecipanti possono essere accompagnati da un genitore o un operatore sanitario durante test. Prese insieme, queste caratteristiche rendono MEG uno strumento promettente per indagare lo sviluppo tipico e atipico della funzione del cervello in bambini in giovane età².

Per misurare le risposte del cervello utilizzando MEG, i partecipanti alla ricerca deve inserire le loro teste in un casco alloggiamento una matrice fissa di sensori superconduttori. È fondamentale che i partecipanti mantiene le loro teste ancora in tutta la MEG registrazione, come cambiamenti nella posizione della testa rispetto i sensori entrambi degrada la distribuzione del segnale neuromagnetic e ostacolare la stima accurata origine. Stima di origine inesatte porta inevitabilmente a inferenze statistiche imprecise in fonte di alimentazione, connettività funzionale e analisi di rete³.

Riducendo al minimo movimento della testa può essere particolarmente impegnativo durante la valutazione di MEG pediatrica per una serie di motivi. In primo luogo, valutare i bambini piccoli in un sistema di MEG adulto è problematico, come le teste dei bambini sono molto più piccole di quelli degli adulti, e lo spazio aumentato tra il casco e il cuoio capelluto del bambino permette di muovere la testa senza vincoli. In secondo luogo, l'ambiente romanzo di MEG — una macchina di grandi dimensioni chiuso dentro una stanza senza finestre magneticamente schermata — può essere intimidatorio per i bambini piccoli, e movimento della testa può essere una conseguenza dell'ansia. In terzo luogo, senza formazione, i bambini possono non completamente capire o assolvere l'obbligo di rimanere ancora per tutta la durata dell'esperimento. Infine, i bambini che hanno una limitata capacità di tollerare la noia possono trovare che alcuni esperimenti di MEG prendono troppo a lunghi o sono noiosi, conseguente irrequietezza e testa artefatti di movimento.

Per affrontare la sfida di vecchia data di movimento della testa nella ricerca pediatrica di MEG, questo articolo presenta hardware recente e avanzamenti metodologici che sono implementati nel bambino-amichevole MEG protocollo utilizzato presso il KIT-Macquarie Brain Research Laboratory ( Università di Macquarie, Sydney, Australia). Come descritto in una carta precedente da questo laboratorio⁴, i problemi legati all'uso di un casco da adulto di dimensioni larghi dewar sono stati risolti installando una prima mondiale, sistema di MEG pediatrica tutta la testa con un casco su misura dewar per meglio adattarsi le teste dei bambini piccoli tra circa tre-sei anni di età. Questo adattamento di hardware migliora il rapporto segnale-rumore, come i sensori sono fisicamente più vicino, in media, al cuoio capelluto^{5,6 del bambino}. Più recentemente, il laboratorio di ricerca del cervello di KIT-Macquarie ha sviluppato diverse procedure nuove e nuove per superare i suddetti antecedenti di movimento della testa e quindi per migliorare la qualità dei dati.

Tutte le procedure descritte in questo protocollo sono spiegate attraverso una narrazione in cui il partecipante di bambino si impegna attivamente in una "missione spaziale astronauta". Questa narrazione assicura che l'esperienza del bambino MEG ricerca è non solo meno intimidatorio, ma anche emozionante. L'implementazione di queste procedure in un protocollo di MEG adatti è importante per migliorare la qualità dei dati, riducendo al minimo tasso di abbandono partecipante in studi longitudinali e garantire che le famiglie hanno un'esperienza positiva nella loro partecipazione di ricerca.

Protocollo

Questo protocollo di ricerca è stato approvato dal comitato etico di Macquarie University umana ricerca.

1. MEG familiarizzazione risorse

1. Fornire alle famiglie con risorse per imparare a MEG prima di visitare il laboratorio di MEG, ad esempio un articolo scientifico adatti⁷ spiegando MEG e MSR, una storia-scheda dettaglio i passaggi necessari a completare l'esperimento MEG (ad es., Complementare figura 1 e foglio informativo MEG per i genitori o gli operatori sanitari (per esempio, complementare figura 2).

2. MEG sessione di familiarizzazione

Nota: La sessione di familiarizzazione viene eseguita in genere per 30 min, compreso un'introduzione a MSR (5 minuti), una digitalizzazione di pratica (5 min) e addestramento con simulatore MEG, comprese le pratiche per l'attività sperimentale (20 min). Condurre la sessione di familiarizzazione tra uno-a-sette giorni prima della data di acquisizione dati.

1. Introduzione di MSR
   1. Prendere il bambino in un tour del modulo MSR ("astronave") che è decorato in arte muro relative allo spazio per rafforzare il tema della missione spaziale.
   2. Chiedere al bambino di pratica menzogne dietro con la testa nel casco dewar.
   3. Dire al bambino di mentire ancora possibile affinché la nave spaziale rimane il corso e può raggiungere la sua destinazione finale.
2. Digitalizzazione:
   1. Sedere il bambino su una sedia alta e farli stare con una cuffia poliestere ("casco astronauta") contenente cinque bobine di marcatore. Adattare larghi tappi piegando i lati. Nota: Le bobine di inviano dati ad un'unità di rilevamento di movimento continuo.
   2. Posto un trasmettitore e tre ricevitori intorno al collo del bambino.
   3. Chiedere al bambino di dimostrare la loro miglior posa 'statua' e offrono frequente rinforzo positivo quando rimangono ancora.
      Nota: Questo serve a ridurre al minimo movimento della testa durante la digitalizzazione che può compromettere la precisione della successiva co-registrazione con sensori MEG⁸.
   4. Utilizzare un digitalizzatore a penna (Vedi Tabella materiali) per registrare la posizione di tre punti fiduciali (il nasion e sinistro e destra pre-auricular punti) e le bobine di cinque indicatore, così come la forma della superficie della testa. Nota: Questi dati viene utilizzati per poi determinare la posizione della testa del bambino in relazione i sensori di MEG.
   5. Rimuovere il tappo, trasmettitore e tre ricevitori dal collo del bambino.
3. Simulatore di MEG:
   1. Portare il bambino in camera housing il simulatore di MEG (Vedi Tabella materiali e passaggi 9 e 10 in complementare figura 1), una full-size replica di un sistema di MEG. Il simulatore di MEG è decorato con adesivi a tema spaziale ed è dotato di un mock dewar, un letto, una casella di pulsante del casco e, per i visual display, uno schermo situato sopra il finto dewar
   2. Descrivere brevemente il MEG scansione procedure (vale a dire, che si trova ancora e partecipare al compito sperimentale pratica) attraverso la narrazione di una missione spaziale di pratica.
   3. Dimensioni del bambino con un 'casco astronauta' — una cuffia poliestere che ha un rilevatore di movimento attaccato alla parte anteriore (Vedi Tabella materiali).
   4. Invitare il bambino a mentire nel simulatore e guarda un video di loro scelta. Se il bambino appare nervoso, prima di illustrare le procedure sperimentali con un giocattolo.
      Nota: Ogni volta che il movimento della testa del bambino supera una soglia predeterminata (ad es. 5 mm), il sistema di rilevamento del movimento (Vedi Tabella materiali) automaticamente mettere in pausa il video e aspettare per lo sperimentatore per far ripartire il video e ripristinare manualmente il previsione di movimento.
   5. Quando il bambino completa questa parte del training simulator, è possibile fornire al bambino con formazione dell'attività sperimentale utilizzando un set separato di stimoli unici.
   6. Alla fine della formazione attività, offrire al bambino un certificato di formazione di astronauta.

3. sessione di acquisizione di dati MEG

Nota: La sessione di acquisizione di dati in genere viene eseguito per circa 30 min, tra cui la digitalizzazione (5 min), impostare il partecipante all'interno del MSR (5 min) e l'acquisizione di dati (circa 20 min, a seconda della lunghezza del paradigma sperimentale).

1. Procedure preliminari
   1. Condurre una stanza vuota di 30-60 s registrazione circa 15 min prima che il bambino arriva per identificare qualsiasi rumore esterno significativo che viene rilevato da MEG sistema⁸.
   2. Quando il bambino arriva, confermare che non sono da portare qualsiasi materiale magnetico sui loro vestiti o trasportare qualsiasi nel loro corpo, come materiali magnetici possono distorcere il segnale MEG (vedere Figura 1B per un esempio di segnale rumore a causa di metallo sul partecipante).
      Nota: Se il genitore o il caregiver desidera accompagnare i loro figli all'interno del MSR, la rimozione di materiali magnetici si applica anche a loro.
2. Digitalizzazione
   1. Verifica se il bambino ha bisogno di andare alla toilette prima di iniziare la digitalizzazione, come una volta completata la fase di digitalizzazione, il tappo non può essere rimosso fino al termine della sessione di acquisizione di MEG.
   2. Ripetere la procedura di digitalizzazione descritta nella precedente sezione "Sessione di familiarizzazione di MEG".
      Nota: Se il tappo si muove più di 5 mm nel corso dell'esperimento, eseguire una digitalizzazione seconda alla fine dell'esperimento
3. Set-up MSR
   1. Prendere il bambino a MSR ("l'astronave").
      Nota: Due ricercatori sono necessari per questa procedura — uno per accompagnare il bambino dentro il MSR come "assistant researcher" (insieme con il genitore o il caregiver, se lo si desidera) e uno per eseguire l'acquisizione di dati MEG fuori il MSR come il "ricercatore principale". Il set-up MSR richiede in genere di 5 min.
   2. Impostare apparecchiatura all'interno il MSR (assistente ricercatrice)
      1. Chiedere al bambino di mettere la testa nel casco dewar.
      2. Controllare che la testa del bambino sia allineata centralmente tale che la parte superiore della testa è il più vicina possibile alla parte posteriore del casco dewar senza toccare.
      3. Assicurarsi che il bambino sia confortevole, rilassato e rimane ancora il più possibile durante la registrazione di MEG.
      4. Durante il set-up, tenere il bambino intrattenuti dalla riproduzione di un video di loro scelta su uno schermo sopra il dewar.
   3. Impostare attrezzatura fuori il MSR (ricercatore principale)
      1. Condurre una misurazione di bobina pre-experiment/basale marcatore per registrare la posizione di testa iniziale per quanto riguarda il casco dewar.
      2. Condurre una co-registrazione tra la testa del bambino e l'array di sensori utilizzando sia la misurazione di bobina del marcatore iniziale e i dati di forma della testa di digitalizzazione.
         Nota: Queste misure preparatorie permettono l'ispezione visiva della posizione della testa all'interno del dewar per garantire che la testa del bambino sia posizionata correttamente. Se queste condizioni non sono soddisfatte, riposizionare il bambino e condurre un altro co-registrazione prima di iniziare l'acquisizione dei dati.
4. Acquisizione dati
   1. Una volta soddisfatto con la posizione della testa rispetto al casco dewar, avviare il registrazione di MEG e l'attività sperimentale.
   2. Registrazione movimenti della testa in corso con un sistema di software di MEG pediatrico denominato movimento della testa in tempo reale (ReTHM)⁹.
5. Termina l'esperimento
   1. Una volta ultimata l'attività sperimentale, disattivare ReTHM e terminare il registrazione di MEG. Eseguire la misurazione di bobina un post-esperimento indicatore per misurare la posizione di testa finale per quanto riguarda il casco dewar.
      Nota: Questa misura fornisce una semplice ispezione visiva dei movimenti della testa nel complesso durante l'esperimento.
   2. Offrire al bambino un sacchetto regalo ("kit di astronauta") per la loro partecipazione e remunerare la famiglia per il loro tempo e le spese di viaggio.

Risultati

Segnali comuni di magnetoencefalografia
MEG comuni segnali vengono visualizzati nella Figura 1, tra cui un normale segnale MEG (Figura 1A), così come rumore di segnale MEG a causa di metallo sul partecipante (Figura 1B), nel qual caso sbloccare i sensori, aprire la porta MSR e Chiedere al partecipante di rimuovere qualsiasi metallo dal loro corpo, poi prendere l'oggetto metallico fuori il MSR ed eseguire un auto-tune prima di ripetere le procedure descritte nella sezione 3.5; interferenza da un dispositivo elettronico (Figura 1C, più spesso da un telefono cellulare), nel quale caso girate fuori tutti i dispositivi elettronici o li allontana il MSR; ricordare una mascella serrata (Figura 1D), nel qual caso il partecipante per rilassarsi loro mascella per tutta la durata del MEG registrazione; onde alfa (Figura 1E; questi sono definiti da otto a 12 onde continue in un intervallo di 1 s), in questo caso controllare che il partecipante non è addormentato (va bene continuare se sono svegli); e flusso magnetico intrappolato (Figura 1F); nel qual caso sbloccare i sensori e accendere la bobina di riscaldamento per 5 min. Se il flusso persiste dopo una successiva ottimizzazione automatica, marchio canale interessato per rimozione dall'analisi dei dati successivi.

Movimento della testa durante l'acquisizione dei dati
Dati pediatrici MEG prima e dopo la correzione di ReTHM viene visualizzati nella Figura 2. Dati sono stati raccolti da un tre-anno-vecchio ragazzo che ha ascoltato passivamente toni uditivi per 15 min. dati era de-rumore¹⁰, passa-banda filtrato¹¹ (1-15 Hz), correzione della linea di base e una media. Forme d'onda magnetiche di root-mean-square (RMS) (nella colonna di destra) sono state calcolate da tutti i sensori. Movimenti della testa in scanner media erano 44,3 mm. Come dimostrato, ReTHM compensata per manufatti dovute al movimento, con conseguente più mappe di contorno isofield focale (al culmine delle forme d'onda RMS; (A), meno RMS magnetico forme d'onda distorte (B) e la più significativa fonte ricostruzione (C) nei lobi uditivi bilaterali.

Figura 1 : Esempi di comuni segnali di MEG. (A) un MEG normale segnale. (B-F) Rumore di segnale MEG a causa di metallo (B) sul partecipante (in particolare, rumore causato da una piccola fibbia in metallo su una cinghia di singoletto), (C) interferenze da un dispositivo elettronico, mascella (D) un serrato, onde alfa (E) e (F) flusso magnetico intrappolato. Per pannelli C, E e F, la scala di tempo sull'asse x è in intervalli di 10 secondi, e ampiezza scala sull'asse y è 32768 A/d. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2 . Dati pediatrici MEG prima e dopo la correzione in tempo reale movimento della testa (ReTHM). Dati sono stati raccolti da un tre-anno-vecchio ragazzo che ha ascoltato passivamente toni uditivi per 15 min media in-scanner movimenti della testa erano 44,3 mm. (A) più concentrati isofield mappe di contorno al culmine delle forme d'onda quadratico medio (RMS); (B) meno forme d'onda distorte RMS magnetiche e (C) ricostruzione di origine più significativo nei lobi uditivi bilaterali sono rivelati dopo la correzione ReTHM. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Complementare figura 1: una storia struttura 10 semplici passi per completare il "astronauta formazione" (cioè, l'esperimento di MEG) a bordo. Questo viene inviato alle famiglie prima di visitare il laboratorio di MEG al fine di orientare le aspettative dei bambini per la sessione di acquisizione, nonché di costruire eccitazione in attesa della "formazione astronauta". Giorno di acquisizione dati, i bambini seguono la storia come il procedere dell'esperimento e raccolgono francobolli dopo aver completato ogni passaggio. Fotografie riprodotte con informato consenso scritto dei genitori. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Complementare figura 2: Foglio informativo MEG per genitori o operatori sanitari spiegando il MEG, MSR, cosa aspettarsi il giorno di acquisizione dati e cosa indossare. Fotografia riprodotta con informato consenso scritto dei genitori. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

Negli ultimi anni, MEG è stata stabilita come una tecnica di neuroimaging non invasiva prezioso per indagare i meccanismi neurali alla base del cervello di sviluppo¹. Tuttavia, i movimenti della testa in scanner posa una famigerato barriera all'ottenimento di buona qualità dati MEG, particolarmente nel valutare le popolazioni pediatriche. Per ovviare a questo problema, questo articolo ha presentato un protocollo di ricerca pediatrico di MEG che si basa su procedure descritte in un articolo precedente dal KIT-Macquarie Brain Research Laboratory ⁴.

Le procedure critiche includono (1) fornire i bambini con MEG familiarizzazione risorse da cui possono imparare circa l'esperimento MEG prima di visitare il laboratorio, che includono un bambino-amichevole ricerca articolo⁷ che spiega il sistema di MEG e il schermati magneticamente camera (MSR), una storia-Pensione delineando 10 semplici passi per completare l'esperimento MEG (complementare figura 1) e un foglio informativo di MEG per genitori e tutori (complementare figura 2); (2) precedenti la sessione di acquisizione di MEG con una sessione di familiarizzazione, in cui i bambini sono familiarità con le procedure di MEG e sono addestrati a mantenere le loro teste ancora mentre siete sdraiati all'interno di un simulatore di MEG; (3) utilizzando paradigmi sperimentali passive o "gamified" per ridurre al minimo il movimento della testa a causa di noia e agitazione; e (4) rilevamento movimenti della testa in corso durante l'acquisizione dei dati online utilizzando un sistema di movimento della testa in tempo reale (ReTHM)⁹. I dati ottenuti da ReTHM utilizzabile per condurre in linea correzione di artefatti di movimento della testa quando la pre-elaborazione dei dati di MEG.

L'acquisizione di dati di alta qualità MEG dipende in modo critico il bambino a sentirsi a proprio agio nell'ambiente romanzo di MEG. Per favorire questo senso di facilità, i ricercatori sono incoraggiati a dedicare tempo a familiarizzare i bambini e le loro famiglie con MEG ambiente e procedure prima di iniziare l'acquisizione dei dati. Questo può essere raggiunto attraverso offerta bambini e loro genitori risorse di MEG che spiegano le procedure di MEG in un linguaggio semplice e accessibile. Inoltre, le famiglie possono essere invitate a visitare il laboratorio di MEG prima della sessione di acquisizione dati per incontrare i ricercatori e praticare le procedure di prova di MEG. Attraverso la formazione sul simulatore di MEG, i bambini imparano in modo implicito l'importanza di mantenere le loro teste ancora mentre siete sdraiati nel MEG. Mentre la familiarizzazione di MEG richiede i ricercatori e le famiglie a dedicare ulteriore tempo per il processo di raccolta di dati, i vantaggi del miglioramento della qualità dei dati MEG, come pure riducendo al minimo i tempi e costi di condurre i dati successivi MEG sessioni di acquisizione, probabilmente supera questo inconveniente. Inoltre, prestazioni e conformità durante la sessione di familiarizzazione può essere utilizzati per indicare se il bambino è o non è adatto per invitare nuovamente per una sessione di acquisizione di dati MEG effettiva.

Per ridurre al minimo movimento della testa in scanner a causa di inquietudine, è preferibile utilizzare un paradigma sperimentale passivo che non richiede istruzioni, evidente attenzione o partecipazione attiva. Ad esempio, un'affidabile risposta evocata può essere ottenuta con un oddball uditiva paradigma¹², per cui il partecipante ascolta passivamente una sequenza di toni uditive mentre intrattenuti da un video in silenzio. Per gli studi che richiedono una risposta evidente, il ricercatore dovrebbe mirare ad incorporare l'attività sperimentale in un coinvolgente gioco in stile paradigma¹¹. Ciò migliora la cooperazione e minimizza irrequietezza durante l'attività. In esperimenti di visual, l'uso di MEG-compatibile eye-tracker comporta poco tempo ulteriori set-up ma è necessaria per garantire che i bambini hanno fissato sulla posizione dello stimolo visivo¹³.

Qualsiasi artefatti di movimento della testa residua possono essere corretto per l'utilizzo di tracciamento del movimento testa in tempo reale. Ad esempio, i dati ottenuti da ReTHM possono essere memorizzati nel file di registrazione di MEG e utilizzati per compensare il movimento della testa durante l'acquisizione dei dati in modo tale che il testa-a-sensore localizzazione può essere ripristinato al livello pre-movimento per consentire un'ottima fonte ricostruzione, che è essenziale per dati a livello di sorgente successivi analizza¹⁴.

L'attuazione del presente protocollo mira a migliorare la qualità dei dati pediatrici di MEG, ridurre al minimo il tasso di abbandono partecipante in studi longitudinali e garantire che le famiglie hanno una piacevole esperienza di partecipazione ricerca MEG, con l'obiettivo di migliorare la nostra comprensione dello sviluppo iniziale del cervello nelle popolazioni sia tipiche che atipiche.

Materiali

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