子供の脳磁図を用いた脳機能の研究

要約

小児脳磁図 (MEG) の中に頭の動きを減らすことによってデータの品質を改善するために設計された子供向け研究プロトコルを紹介します。我々 はメグ環境と家族をよく理解して、子供もまだメグ シミュレータを使用して、リアルタイムの頭の動き検出を用いた残留頭の動き工芸品用に修正する訓練。

要約

脳磁図 (MEG) は、人間の脳の電気的活動によって生成された磁場を直接測定する非侵襲的イメージング手法です。メグは静かで磁気共鳴画像 (MRI) と比較して閉所恐怖症を誘発しにくくします。したがって、幼児の脳機能を調査するための有望なツールです。しかし、子供の頭に添付されない空間固定センサー アレイの要件の結果として起こる頭の動きの遺物、小児集団から MEG データの分析は複雑頻繁。メグのセッション中にヘッドの動きを最小限に抑えることができます特に挑戦的な幼児が多い実験課題の中にまだ残ることができます。プロトコル小児メグの中に頭の動きの人工物を削減を目指してここにスキャン提示。MEG 研究室を訪問する前に家族が MEG システムと単純なアクセス可能な言語の実験の手順を説明するリソースが提供されます。その中に子供研究者とメグ プロシージャの両方を熟知しているメグ習熟セッションが行われます。彼らは、メグ シミュレータ内に横たわっている間にまだ自分の頭を保つために訓練されます。小説メグ環境で安心を感じる子供たちのため、すべての手順は、宇宙ミッションの物語を説明します。落ち着きのなさが原因の頭の動きを最小限に抑えるために子供は訓練を受けているし、楽しさと魅力的な実験パラダイムを用いて評価しました。さらに、子供の残留の頭の動きの工芸品が実時間頭部運動の追跡システムを使用してデータ集録セッション中に補償します。子供向け手順の実装は、データ品質の向上、縦方向の研究の参加者の離職率を最小限に抑え、家族が肯定的な研究経験を持っていることを確保するために重要です。

概要

脳磁図 (MEG) は、脳^1,2の電気的活動によって生成された磁場を測定する非侵襲的脳機能イメージング手法です。メグは、優れた時間分解能と信号生体脳源とセンサーの間からスミアの不足のため脳波 (EEG) と比較して優れた空間分解能を提供しています。さらに、メグには、騒音、放射線や電磁界への曝露は伴いません。セットアップ時間は急速、参加者はテスト中の保護者が同伴できます。一緒に取られて、これらの機能は、幼児²の典型的な非定型の脳機能の発達を調査するための有望なツール メグを作る。

MEG による脳の反応を測定するには、研究参加者は、超伝導センサーの固定長配列を住宅ヘルメットに頭を挿入する必要があります。参加者は MEG でまだ頭を続けている記録、センサーに対する頭の位置の変化として両方低下した脳磁場信号の分布と正確な源推定を妨げることが重要です。不正確な源の推定が必然的に電源、機能接続およびネットワーク分析³で不正確な統計的推測に します。

頭の動きを最小限に抑えることができますいくつかの理由のための小児のメグ アセスメント中に特に困難になります。お子様の頭が大人のそれらよりはるかに小さいとヘルメットと子供の頭皮の間増加した領域で制約のない頭の動きは、まず、成人の脳磁計で幼い子供を評価する問題です。第二に、新規のメグ環境 — 大規模なマシンをウィンドウなしの磁気シールド ルーム内部ロック-若い子供のために威圧することができ、頭部運動不安の結果であるかもしれない。第三に、トレーニングなしの子供たちが完全に理解したり、実験の期間で滞在する要件に準拠。最後に、退屈に耐えるに限られた容量を持つ子どもたちがいくつかのメグの実験があまりにも長く、退屈な落ち着きのなさと頭の動きの工芸品で、その結果見つけます。

小児の MEG の研究の頭部運動の長年の課題を取り組むためには、この記事、最新のハードウェアとキット マッコーリー ・脳研究所 (で使用される子供向けメグ プロトコルに実装されている方法論の進歩マッコーリー大学、シドニー、オーストラリア)。この研究室⁴デュワーは、世界初をインストールすることによって対処されているゆったりした大人サイズ ヘルメットの使用に関連する問題から以前の論文に記載されている全頭型小児 MEG システム特注ヘルメットよりデュワーに収める約 3 〜 6 歳の幼児の頭。この適応は、センサーは、物理的に近い、平均すると、子供の頭皮^5,6信号対雑音比を向上します。キット-マッコーリー ・脳研究所が頭の動きの前述の前身を克服するためにいくつかの新しいと小説のプロシージャを開発した最近と、それゆえデータ品質を向上させる。

このプロトコルの手順のすべては、子供の参加者が積極的に「宇宙飛行士宇宙ミッション」に従事する物語を説明します。この物語は、子供の脳磁図研究経験があるだけでなく少ない威圧的、またエキサイティングな保証されます。子供向けメグ プロトコルにこれらの手順を実装することは、データ品質の向上、縦方向の研究の参加者の離職率を最小限に抑えることと家族が研究参加に肯定的な経験を持っていることを確保するために重要です。

プロトコル

この研究計画書は、マッコーリー大学人間研究倫理委員会によって承認されています。

1. メグ習熟リソース

1. についてはメグのメグと MSR、ストーリー ボードの MEG 実験の完了に必要な手順の詳細を説明する子供向け科学論文⁷などのメグの研究室を訪問する前にリソースを持つ家族を提供する (例えば、 補足図 1と両親や介護者 (例えば、補足図 2) メグ情報シート。

2. メグ習熟セッション

注:習熟セッションは通常、MSR (5 分) ・実践デジタル化 (5 分) とメグ シミュレータ訓練、実験的作業 (20 分) の練習を含むの紹介を含む、30 分間実行されます。データ集録前に 1 から 7 日間の習熟セッションを実施します。

1. MSR 導入
   1. スペース ミッションのテーマを強化する宇宙関連のウォール アートで装飾されている MSR (「宇宙船」) のツアー子供を連れて行きます。
   2. ヘルメットに頭を横になっている背中を練習する子を求めるデュワー。
   3. 宇宙船はもちろんオンのまま、その最終的な宛先に到達することができますので、まだ可能な限り嘘をつく子を教えてください。
2. デジタル化:
   1. 高い椅子に子供の座席、5 つのマーカー コイルを含むポリエステル スイミング キャップ (「宇宙飛行士ヘルメット」) とそれらに合います。両側を折りたたみ、ゆったりしたキャップを対応させます。注:コイルは連続的な動きの追跡ユニットにデータを送信します。
   2. 送信機と子供の首の周りの 3 つのレシーバーを配置します。
   3. 彼らの最高の '女神' のポーズを示すし、彼らはまだ滞在時、頻繁に肯定的な補強を提供する子をお願いします。
      注:これはメグ センサー⁸以降の共同位置合わせ精度を危険にさらす可能性がありますデジタル化時にヘッドの動きを最小限に提供しています。
   4. ペン デジタイザーを使用 (材料の表を参照) 3 つの基準点 (、ナジオンと左と右の耳介のポイント)、5 つのマーカー コイルの位置だけでなく、頭の表面の形を記録します。注: このデータは、後でメグのセンサーに関連して子供の頭の位置を決定する使用されます。
   5. 子供の首からキャップ、送信機および 3 つのレシーバーを取り外します。
3. メグ シミュレータ:
   1. メグ シミュレータを住宅の部屋に子を取る (材料表と手順 9 と 10補足図1 を参照)、MEG システムのフルサイズのレプリカ。メグ シミュレータ宇宙をテーマにしたステッカーで装飾された、モックが装備ヘルメット デュワー、ベッド、ボタン ボックス、モックのデュワー上に位置するスクリーン映像表示用として
   2. 練習スペース ミッションの物語を (すなわち、まだ横たわっていると実習の実験的作業に参加している) の手順をスキャン メグを簡単に説明します。
   3. '宇宙飛行士ヘルメット' 子供に合う-モーション検出器前面に添付のあるポリエステル スイミング キャップ (材料の表を参照してください)。
   4. シミュレータでうそをつくとビデオを自分で選んだ子を招待します。子供が神経質になって表示された場合は、まずおもちゃと実験手順を示します。
      注:モーション追跡システム (材料表参照) 自動的にビデオを一時停止し、手動でビデオを再起動し、復元する実験者を待つ子供の頭の動きが (例えば、5 mm) の前もって決定されたしきい値を超えたときに、運動基準。
   5. 子供には、シミュレータ訓練のこの部分が完了すると、ユニークな刺激の別のセットを使用して実験課題訓練を子供を提供します。
   6. タスク トレーニングの最後に、子供に宇宙飛行士訓練証明書を提供します。

3. MEG データ集録セッション

注:データ集録セッションは、通常デジタル化 (5 分)、MSR (5 分) とデータ集録 (約 20 分、実験パラダイムの長さに応じて) の中参加者の設定を含む、約 30 分間実行されます。

1. 予備手順
   1. 30-60 s 空の部屋子 MEG システム⁸で検出された任意の顕著な外部騒音を識別するために到着する前に約 15 分の記録を行います。
   2. 子供が到着すると、確認がない自分の服着た磁性体または運ぶのいずれか自分の体のこととして磁性材料の提案と MEG 信号を歪めることができます (参照図 1B例の金属による信号ノイズの上、参加者)。
      注:親や介護者の MSR 内子供を一緒に願い、磁性材料の除去はあまりにもそれらを適用します。
2. デジタル化
   1. 子供がメグ集録セッションが終了するまで、キャップを削除できませんデジタル化のステップが完了したら、デジタル化を開始する前に、トイレに行く必要があるかどうかを確認します。
   2. 上記の「メグ習熟セッション」セクションに記載されているデジタル化の手順を繰り返します。
      注:キャップは、実験の過程で 5 mm 以上移動する場合実行実験の終わりに 2 番目のデジタル化
3. MSR の設定
   1. MSR (「宇宙船」) 子供を連れて行きます。
      注:2 つの研究がこの手順に必要な (親や介護者、必要な場合) と共に「研究助手」として MSR 内子供を同行して「研究」中心として MSR 外 MEG データ集録を実行します。MSR のセットアップは、通常 5 分をかかります。
   2. MSR (研究助手) 内の機器を設定します。
      1. 子供に依頼、ヘルメットに頭を配置してデュワー。
      2. 頭の王冠がヘルメットの後ろにできるだけ近くなるように、子供の頭が一元的に整列されているチェック デュワーに触れることがなく。
      3. 子供が快適で、まだ可能な限りは、記録メグの中にあり、リラックスしました。
      4. 設定時子供を楽しま保つデュワー上記画面で、選択したビデオを再生することにより。
   3. MSR (主な研究員) 外機材をセットアップします。
      1. ヘルメットに関して初期の頭の位置を記録する前 experiment/ベースライン マーカー コイル測定を行いデュワー。
      2. 子供の頭と初期マーカー コイル測定とデジタル化の頭部形状データを用いたセンサアレイと共同登録を実施します。
         注:子供の頭が正しく配置されていることを確認するデュワー内頭の位置を視覚的にこれらの予備測定可能。 にします。これらの条件が満たされない場合は、子を再配置し、データ集録を開始する前に別の共同登録を行います。
4. データ集録
   1. 一度ヘルメットに対する頭の位置に満足してデュワー、開始記録メグと実験的作業。
   2. 小児の脳磁図ソフトウェア システムとレコードの継続的な頭の動きでは、実時間頭部運動 (ReTHM)⁹と呼ばれます。
5. 実験を終了
   1. 実験のタスクが完了したら、ReTHM を切りながら記録メグを終了します。ヘルメットに関して最終的な頭の位置を測定する実験マーカー コイル測定を行いデュワー。
      注:この測定は、実験中に全体的な頭部の動きの簡単な目視検査を提供します。
   2. ギフトバッグ (「宇宙飛行士キット」) 彼ら参加のため子を提供して自分の時間家族報酬与えるし、旅行費用。

結果

一般的な脳磁図信号
一般的な MEG 信号が図 1に表示されます、参加者 (図 1B) の金属による MEG 信号ノイズだけでなく、通常の提案と MEG 信号 (図 1A) を含む場合、センサーのロックを解除、MSR の扉を開くと参加者は、自分の体から任意の金属を削除し、MSR の金属オブジェクトを受け取る、セクション 3.5 で説明されている手順を繰り返す前に自動チューニングを実行するを求めるすべての電子デバイスをオフまたは MSR; 離すように動かしてどのケースのターン (図 1C、最も頻繁に携帯電話から)、電子機器から干渉場合 clenched 顎 (図 1D) 記録; メグの間彼らの顎をリラックスするように参加者を思い出させるアルファ波 (図 1E; 8 に 12 1 秒間隔の連続的な波によって定義され)、その場合参加者が眠っているではないことを確認 (それは彼らが目を覚ましているかどうかは走行を継続する);閉じ込められた磁束 (図 1F);その場合センサーのロックを解除し、5 分間コイル ヒーターをオンに。その後自動チューニング後フラックスが解決しない場合は、以降のデータ分析からの除去の影響を受けるチャンネルをマークします。

データ集録中に頭部運動
小児の MEG データ ReTHM 補正の前後には、図 2に表示されます。受動的聴覚トーンを聞いて 15 分データは重複ノイズを含む¹⁰3 歳の少年から収集されたデータは、帯域通過フィルター¹¹ (1-15 Hz)、ベースラインを修正し、平均します。根二乗平均平方根 (RMS) 磁界波形 (右の列) では、すべてのセンサーから計算されました。平均のスキャナーで頭の動きは、44.3 mm でした。示すように、ReTHM が (; RMS 波形のピークの詳細焦点 isofield 等高線図の結果モーション関連工芸品の補償(A)、少ない歪んだ RMS 磁界波形 (B) と (C) 両側の聴覚の葉にわかりやすいソース再建。

図 1: MEG 信号の一般的な例。(A) 通常の MEG 信号。(B F)(B) 金属参加者 (具体的には、一重項のストラップに小さな金属バックルによるノイズ)、(C) (F) (E) アルファ波、(D)、食いしばって顎電子デバイスから干渉による MEG 信号ノイズ磁束トラップ。パネル C、E、および F、x 軸の時間単位は、10 秒間隔で、y 軸が振幅のスケールは 32768 A/d.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2.小児 meg 実時間頭部運動 (ReTHM) 補正の前後に。受動的聴覚トーンを聞いて 15 分平均でスキャナー ヘッド動きが 44.3 mm (A) 重点を二乗平均平方根 (RMS) の波形のピーク時に isofield 等高線図 3 歳の少年から収集されたデータ。(B) 以下の RMS 磁気波形、(C) 両側の聴覚の葉でわかりやすいソース復興 ReTHM 補正後明らかにされています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

補足図 1: ストーリー ボード、「宇宙飛行士の訓練」(すなわち、MEG 実験) を完了するためのアウトライン 10 単純な手順。これは、集録セッションの子供たちの期待を導くためにし、「宇宙飛行士トレーニング」を見越して興奮を構築する MEG の研究室を訪問する前に家族に送信されます。データ取得日、子どもたちは実験が進むにつれて話に従うし、各ステップを完了した後スタンプを収集します。写真で再現は書面による保護者の同意を通知しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

補足図 2:親や介護者メグ、MSR を説明するためメグ情報シート データ取得日に期待するものと何着て。写真で再現は書面による保護者の同意を通知しました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

ディスカッション

近年、脳開発¹を支える神経機構を調査するための貴重な非侵襲的イメージング手法としてメグを設置します。ただし、スキャナーで頭の動きは、小児集団を評価するときに特に良質 MEG データの入手に悪名高いバリアをもたらします。この問題を克服するためには、この記事は小児脳磁図研究プロトコル キット マッコーリー ・脳研究所⁴から前記事で概説した手順に基づいて構築を発表しました。

重要な手順は、(1) MEG システムを説明する子供向け研究資料⁷を含む習熟リソースからラボを訪問する前に MEG 実験について学べますメグとの子供を提供し、磁気シールド ルーム (MSR)、ストーリー ボードの親や介護者 (補足図 2); の MEG 実験 (補足図 1) とメグ情報シートを完了するための 10 の簡単な手順を概説(2) 習熟セッション、前記子供メグの手順を熟知しているし、メグのシミュレータ; 内に横たわっている間にまだ頭を維持する訓練を受けていますとメグ集録セッションの前(3) 退屈および情動不安のためのヘッドの動きを最小限にパッシブまたは"gamified"の実験パラダイムを使用してください。(4) オンライン データ集録中に継続的な頭部運動追跡して実時間頭部運動 (ReTHM) システム⁹。MEG データの事前処理時頭部運動の工芸品のオフラインの補正を行うことは、ReTHM から取得したデータを使用できます。

高品質 MEG データの取得は、批判的に新奇メグ環境の容易さで感じ子供によって異なります。この安心感を促進するには、研究者がメグ環境とデータ集録を開始する前に手順で子どもとその家族を習熟に時間を割くことをお勧めします。これは、提供する子供と両親の単純なアクセス可能な言語でメグのプロシージャを説明するメグ リソースを通じて実現できます。さらに、研究者を満たすために、メグのテスト手順を実践データ集録セッション前に MEG の研究室を訪問する家族を招待することができます。メグ シミュレータ訓練を通じて子供たちは暗黙的に MEG で横になっている間にまだ彼らの頭を維持することの重要性を学ぶ。メグの習熟は、研究者と家族の両方がデータ コレクションに追加時間を割く必要がありますが処理、MEG データ品質の向上だけでなく、後続の MEG データを行うことのコストと時間を最小限に抑える利点集録セッションは、間違いなくこの欠点を上回る。さらに、パフォーマンスと習熟セッション中にコンプライアンスは、子、または適していない実際の MEG データ集録セッションに招待することを示すため使用できます。

落ち着きのなさが原因でスキャナー ヘッドの移動を最小化、指示、顕在的注意や積極的な参加を必要としない受動的な実験パラダイムを使用することをお勧めします。たとえば、信頼性の高い誘発反応、聴覚オドボール パラダイム¹²、という参加者は、受動的サイレント ビデオを楽しまながら聴覚の音のシーケンスに耳を傾けると得られます。あからさまな応答を必要とする研究、研究者は、魅力的なゲーム スタイル パラダイム¹¹に実験的タスクを埋め込むには目指すべきであります。これは協力を向上し、タスク中に落ち着きのなさを最小限に抑えられます。視覚的な実験、メグと互換性のある視線トラッカーの使用は少し付加的な組み立てに時間がかかりますが、子供が視覚刺激の¹³の位置に釘付けになったことを確保するために必要です。

任意の残留の頭の動きの工芸品は、実時間頭部運動追跡を使用して修正できます。ReTHM から取得したデータのメグの記録ファイルに格納されている方法や頭にセンサーのような方法でデータ集録中に頭の動きを補うためなどのローカリゼーションは最適なソースのために事前運動レベルに復元することができます後続のソース ・ レベル ・ データのために不可欠である再建は、¹⁴を分析します。

小児の MEG データの品質を向上させる、縦断研究の参加者の離職率を最小限に抑えるため、家族に包括的な目標での MEG 研究参加の楽しい経験があることを確認しようとするこの議定書の実施典型的な非定型の集団で初期の脳の発達の理解を向上させる。

資料

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