Étudier le fonctionnement du cerveau chez les enfants à l’aide de magnétoencéphalographie

Résumé

Cet article présente un protocole de recherche respectueux de l’enfant visant à améliorer la qualité des données en réduisant les mouvements de la tête pendant pédiatrique magnétoencéphalographie (MEG). Nous familiariser avec l’environnement de MEG les familles, former les enfants à rester toujours à l’aide d’un simulateur de MEG et corriger pour les artefacts de mouvement résiduel de la tête à l’aide d’un système de détection de mouvement en temps réel de la tête.

Résumé

Magnétoencéphalographie (MEG) est une technique d’imagerie cérébrale non invasive qui mesure directement les champs magnétiques produits par l’activité électrique du cerveau humain. MEG est calme et moins susceptibles d’induire la claustrophobie par rapport à l’imagerie par résonance magnétique (IRM). C’est donc un outil prometteur pour enquêter sur le fonctionnement du cerveau chez les jeunes enfants. Cependant, analyse des données de MEG de populations pédiatriques est souvent compliquée par des artefacts de mouvement de tête qui surviennent en raison de l’exigence d’un tableau de capteur dans l’espace-correction qui n’est pas fixé à la tête de l’enfant. Minimiser les mouvements de la tête au cours de séances de MEG peut être particulièrement difficile car les jeunes enfants sont souvent incapables de rester toujours au cours de tâches expérimentales. Le protocole présenté ici vise à réduire les artefacts de mouvement de la tête au cours de la MEG pédiatrique de numérisation. Avant de visiter le laboratoire de MEG, familles reçoivent des ressources qui expliquent le système et les procédures expérimentales dans un langage simple et accessible. Une séance de familiarisation de MEG est menée au cours de laquelle les enfants connaissent aussi bien les chercheurs et les procédures de MEG. Ils sont ensuite formés pour garder leur tête toujours tout en se trouvant à l’intérieur d’un simulateur de MEG. Pour aider les enfants à se sentir à l’aise dans le roman environnement MEG, toutes les procédures sont expliquées à travers le récit d’une mission spatiale. Pour minimiser le mouvement de la tête en raison de l’agitation, les enfants sont formés et évalués à l’aide des paradigmes expérimentaux amusants et fascinants. En outre, artefacts de mouvement résiduel de la tête de l’enfant sont compensées au cours de la session d’acquisition de données à l’aide d’un mouvement de tête en temps réel, système de suivi. Mise en œuvre de ces procédures adaptés aux enfants est important pour améliorer la qualité des données, réduisant au minimum le taux d’attrition participant à des études longitudinales et veiller à ce que les familles ont une expérience de recherche positive.

Introduction

Magnétoencéphalographie (MEG) est une technique non invasive de neuro-imagerie fonctionnelle qui mesure les champs magnétiques produits par l’activité électrique du cerveau humain^1,2. MEG offre excellente résolution temporelle et une résolution spatiale supérieure par rapport à l’électroencéphalographie (EEG) en raison de l’absence de signal de bavures des tissus biologiques entre les sources de cerveau et les capteurs. En outre, MEG n’implique pas d’exposition à des bruits forts, la radiothérapie ou champs magnétiques. Temps d’installation est rapide et les participants peuvent être accompagnées d’un parent ou un soignant tout au long des essais. Pris ensemble, ces caractéristiques font de MEG un outil prometteur pour étudier le développement des fonctions cérébrales typiques et atypiques chez les jeunes enfants².

Pour mesurer les réponses cérébrales à l’aide de MEG, participants à la recherche doivent insérer leur tête dans un casque abritant un tableau fixe de capteurs supraconducteurs. Il est crucial que les participants garde la tête encore tout au long de la MEG enregistrement, comme des variations de la position de la tête par rapport à des capteurs dégrader la distribution des signaux neuromagnetic et entraver l’estimation de source précise. Estimation de source inexactes conduit inévitablement à des inférences statistiques inexactes dans la puissance de la source, connectivité fonctionnelle et analyses au réseau³.

Réduire au minimum les mouvements de la tête peut être particulièrement difficile au cours de l’évaluation de MEG pédiatrique pour un certain nombre de raisons. Tout d’abord, évaluer les enfants en bas âge dans un système de MEG adulte est problématique lorsque les têtes des enfants sont beaucoup plus petites que celles des adultes, et l’espace accru entre le casque et le cuir chevelu de l’enfant permet pour les mouvements de la tête sans contrainte. Deuxièmement, l’environnement de MEG roman — une grosse machine enfermé dans une pièce sans fenêtre de blindage magnétique — peut être intimidant pour les jeunes enfants, et le mouvement de la tête peut être une conséquence de l’anxiété. En troisième lieu, sans formation, enfants ne peuvent pas entièrement comprendre ou se conformer à l’obligation de rester encore pendant la durée de l’expérience. Enfin, les enfants qui ont une capacité limitée à tolérer l’ennui peuvent trouver que certaines expériences de MEG prennent trop de temps ou sont fastidieux, résultant dans l’agitation et la tête artefacts de mouvement.

Pour relever le défi de longue date du mouvement de la tête dans pediatric research de MEG, cet article présente les matériels récents et des avancées méthodologiques qui sont mis en place dans le protocole de MEG enfants utilisé dans le laboratoire de recherche de cerveau KIT-Macquarie ( Université de Macquarie, Sydney, Australie). Comme indiqué dans un précédent document de ce laboratoire⁴, les problèmes liés à l’utilisation d’un casque de taille adulte ample dewar ont été abordées en installant une première mondiale, système de MEG pédiatrique tête entière avec un casque sur mesure dewar pour mieux s’adapter les têtes des jeunes enfants âgés de trois à six ans environ. Cette adaptation de matériel améliore le rapport signal-bruit, comme les capteurs sont physiquement plus près, en moyenne, pour cuir chevelu^{5,6 l’enfant}. Plus récemment, le laboratoire de recherche de cerveau de KIT-Macquarie a développé plusieurs de nouvelles procédures pour surmonter les antécédents susmentionnées du mouvement de la tête et donc d’améliorer la qualité des données.

Toutes les procédures dans le présent protocole sont expliquées à travers un récit dans lequel le participant de l’enfant s’engage activement dans une « mission d’espace astronaute ». Ce récit fait en sorte que l’expérience de recherche de l’enfant MEG est non seulement moins intimidant, mais aussi passionnant. Mise en œuvre de ces procédures dans un protocole de MEG respectueux de l’enfant est important pour améliorer la qualité des données, réduisant au minimum le taux d’attrition participant à des études longitudinales et que les familles aient une expérience positive dans leur participation de recherche.

Protocole

Ce protocole de recherche a été approuvé par la Macquarie University Human Research Ethics Committee.

1. MEG familiarisation ressources

1. Fournir aux familles ressources pour en savoir plus sur MEG avant de visiter le laboratoire de MEG, par exemple un article scientifique adaptée aux enfants de⁷ expliquant MEG et le MSR, un story-board, détaillant les étapes à compléter l’expérience de MEG (p. ex., Supplémentaire Figure 1 et une fiche d’information de MEG pour parents ou aidants naturels (p. ex. supplémentaires Figure 2).

2. séance de familiarisation MEG

Remarque : La séance de familiarisation s’exécute généralement pendant 30 min, y compris une introduction à la MSR (5minutes) numérisation pratique (5 min) et une formation sur simulateur MEG, y compris la pratique sur la tâche expérimentale (20 min). Procéder à la séance de familiarisation entre un à sept jours avant l’acquisition de données.

1. Introduction de MSR
   1. Emmener l’enfant pour une visite de la MSR (« vaisseau spatial ») qui est décorée en sticker spatiales pour renforcer le thème de mission spatiale.
   2. Demandez à l’enfant de pratiquer couché dos avec leur tête dans le casque dewar.
   3. Dites à l’enfant de mentir aussi immobile que possible pour que le vaisseau spatial reste le cap et peut atteindre sa destination finale.
2. Numérisation :
   1. Asseoir l’enfant sur une chaise haute et fixez-les avec un bonnet de natation polyester (« casque d’astronaute ») contenant cinq bobines de marqueur. Adapter ample casquettes en pliant les côtés. Remarque : Les bobines envoient des données vers une unité de suivi de mouvement continu.
   2. Placez un transmetteur et trois récepteurs autour du cou de l’enfant.
   3. Demandez à l’enfant à démontrer leur meilleure pose « statue » et offrent un renforcement positif fréquent quand ils restent toujours.
      Remarque : Cela permet de minimiser les mouvements de la tête au cours de la numérisation qui peut-être compromettre l’exactitude de l’enregistrement subséquent co avec le MEG capteurs⁸.
   4. Utiliser un numériseur de stylo (voir Table des matières) pour enregistrer la position des trois points de repères (la nasion et gauche et droite préauriculaire) et les bobines de cinq repère, ainsi que la forme de la surface de la tête. NOTE : Ces données sont utilisées pour déterminer plus tard la position de la tête de l’enfant en ce qui concerne les capteurs MEG.
   5. Enlever le capuchon, émetteur et trois récepteurs du cou de l’enfant.
3. Simulateur de MEG :
   1. Prendre l’enfant à la salle abritant le simulateur de MEG (voir Table des matières et des étapes 9 et 10 en supplémentaire Figure 1), une réplique grandeur nature d’un système de MEG. Le simulateur de MEG est décoré avec des autocollants sur le thème de l’espace et est équipé d’un simulacre casque dewar, un lit, une boîte de bouton et, pour écrans de visualisation, un écran situé au-dessus de la maquette dewar
   2. Décrire brièvement le MEG numérisation des procédures (immobile et participant à la tâche expérimentale de pratique) à travers le récit d’une mission spatiale de pratique.
   3. Taille de l’enfant avec un « casque d’astronaute » — un bonnet de natation polyester qui a un détecteur de mouvement attaché à l’avant (voir la Table des matières).
   4. Inviter l’enfant à mentir dans le simulateur et regarder une vidéo de leur choix. Si l’enfant semble nerveux, d’abord démontrer les procédures expérimentales avec un jouet.
      Remarque : Chaque fois que le mouvement de la tête de l’enfant dépasse un seuil prédéterminé (par exemple, 5 mm), le système de suivi de mouvement (voir Table des matières) automatiquement mettre la vidéo en pause et attendez que l’expérimentateur redémarrer la vidéo et restaurer manuellement la référence de mouvement.
   5. Lorsque l’enfant termine cette partie de la formation sur simulateur, fournir à l’enfant une formation sur la tâche expérimentale à l’aide d’un ensemble distinct de stimuli uniques.
   6. À la fin de la formation aux tâches, offrir à l’enfant un certificat de formation d’astronaute.

3. Session d’Acquisition de données de la MEG

Remarque : La session d’acquisition de données s’exécute généralement pendant environ 30 min, y compris la numérisation (5 min), mise en place le participant à l’intérieur de la MSR (5 min) et d’acquisition de données (environ 20 min, selon la longueur du paradigme expérimental).

1. Procédures préliminaires
   1. Procéder à une salle vide de 30 à 60 s, enregistrement environ 15 min avant que l’enfant arrive pour identifier n’importe quel bruit externe important qui est détecté par le système de MEG⁸.
   2. Quand l’enfant arrive, confirment qu’ils ne sont pas porter n’importe quel matériau magnétique sur leurs vêtements ou transportant une dans leur corps, étant donné que les matériaux magnétiques peuvent déformer le signal de MEG (voir Figure 1B pour obtenir un exemple de signal bruit en raison de métal sur le participant).
      Remarque : Si les parents ou responsables souhaite accompagner leur enfant à l’intérieur de l’IPM, l’enlèvement des matériaux magnétiques s’applique à eux aussi.
2. Numérisation
   1. Vérifier si l’enfant a besoin d’aller aux toilettes avant de commencer la numérisation, car une fois l’étape de numérisation est terminée, la PAC ne peut être retirée jusqu'à la fin de la session d’acquisition de MEG.
   2. Répétez la procédure de numérisation décrite dans la section « Séance de familiarisation MEG » ci-dessus.
      Remarque : Si la PAC déplace à plus de 5 mm au cours de l’expérience, effectuez une numérisation deuxième à la fin de l’expérience
3. Installation MSR
   1. Emmener l’enfant pour le MSR (« le vaisseau spatial »).
      Remarque : Deux chercheurs sont nécessaires pour cette procédure — une pour accompagner l’enfant à l’intérieur de la MSR comme le « assistant chercheur » (avec les parents ou les responsables, si vous le souhaitez) et l’autre pour exécuter d’acquisition de données MEG en dehors de la MSR comme le « chercheur principal ». La mise en place MSR prend généralement 5 min.
   2. Mettre en place l’équipement à l’intérieur de la MSR (assistant chercheur)
      1. Demandez à l’enfant de placer leur tête dans le casque dewar.
      2. Vérifier que la tête de l’enfant est alignée au centre tel que le sommet de la tête est aussi proche que possible de l’arrière du casque dewar sans toucher.
      3. S’assurer que l’enfant est à l’aise, détendu et reste aussi immobile que possible au cours de l’enregistrement de MEG.
      4. Au cours de la mise en place, divertir l’enfant en jouant une vidéo de leur choix sur un écran au-dessus du dewar.
   3. Mettre en place des équipements à l’extérieur de la MSR (chercheur principal)
      1. Effectuer une mesure de bobine de pre-experiment/baseline marqueur pour enregistrer la position initiale de la tête en ce qui concerne le casque dewar.
      2. Procéder à une inscription conjointe entre la tête de l’enfant et les capteurs utilisant la mesure de bobine de marqueur initial et les données de forme de la tête de la numérisation.
         Remarque : Ces mesures préparatoires permettent une inspection visuelle de la position de la tête à l’intérieur de la dewar pour s’assurer que la tête de l’enfant est correctement positionnée. Si ces conditions ne sont pas remplies, re-positionner l’enfant et effectuer un autre co-enregistrement avant de commencer l’acquisition de données.
4. Acquisition de données
   1. Une fois satisfait de la position de la tête en ce qui concerne le casque dewar, démarrer le MEG d’enregistrement et le travail expérimental.
   2. Des mouvements de tête en cours records avec un système de logiciel MEG pédiatrique appelé mouvement de tête en temps réel (ReTHM)⁹.
5. Mettre fin à l’expérience
   1. Lorsque la tâche expérimentale est terminée, éteignez ReTHM et finir le MEG enregistrement. Effectuer une mesure de bobine post-d’expérience marqueur pour mesurer la position finale de la tête en ce qui concerne le casque dewar.
      Remarque : Cette mesure fournit une simple inspection visuelle des mouvements de la tête dans l’ensemble, au cours de l’expérience.
   2. Offrir à l’enfant un sac-cadeau (« kit astronaute ») pour leur participation et rémunérer la famille pour leur temps et les frais de voyage.

Résultats

Signaux de magnétoencéphalographie communs
MEG commune des signaux sont affichés dans la Figure 1, y compris un signal normal de MEG (Figure 1A), ainsi que les bruits de signal MEG en raison de métal sur le participant (Figure 1B), auquel cas les capteurs de déblocage, ouvrez la porte MSR et demander au participant de supprimer n’importe quel métal de leur corps, puis prenez l’objet métallique sur le MSR et effectuer une auto-tune avant de répéter la procédure décrite dans la section 3.5 ; interférence d’un dispositif électronique (Figure 1C, le plus souvent d’un téléphone portable), à quel cas tour hors des appareils électroniques ou les éloigner de la MSR ; une mâchoire fermée (Figure 1D), auquel cas rappeler aux participants de se détendre leur mâchoire pendant la durée de la MEG enregistrement ; ondes Alpha (Figure 1E; celles-ci sont définies par des vagues de huit à 12 continues dans un intervalle de s 1), auquel cas vérifier que le participant n’est pas endormi (c’est très bien continuer si ils sont éveillés) ; et pris au piège flux magnétique (Figure 1F) ; dans ce cas, débloquer les capteurs et allumer sur la bobine de chauffage pendant 5 min. Si le flux persiste après un autoréglage ultérieur, marque touchés canal pour soustraire de l’analyse ultérieure des données.

Mouvement de la tête au cours de l’acquisition de données
Données pédiatriques de MEG avant et après correction ReTHM sont affichées à la Figure 2. Données ont été recueillies par un garçon de trois ans qui ont écouté passivement aux tons auditifs pour 15 min. données était hors bruitées¹⁰, passe-bande filtré¹¹ (1-15 Hz), corrigée en base et en moyenne. Signaux magnétiques de root-mean-square (RMS) (dans la colonne de droite) ont été calculées à partir de tous les capteurs. Des mouvements de tête en-scanner en moyenne étaient 44,3 mm. Comme l’a démontré, ReTHM compensée pour les artefacts liés au mouvement, ayant pour résultat plus cartes de contour isofield focal (au sommet de l’onde de RMS ; (A), moins déformée des formes d’ondes magnétiques RMS (B) et la reconstruction de source plus significative (C) dans les lobes auditives bilatérales.

Figure 1 : Exemples du common MEG signaux. (A) une MEG normale signal. (B.-f.) MEG signal bruit en raison de métal (B) sur le participant (spécifiquement, le bruit causé par une petite boucle en métal sur bracelet singulet), (C) interférences provenant d’un appareil électronique, (D) un le mors, ondes alpha (E) et (F) pris au piège des flux magnétique. Pour les panneaux, C, E et F, l’échelle de temps sur l’axe des abscisses est à intervalles de 10 secondes et échelle d’amplitude sur l’axe des ordonnées est 32768 A/d. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2 . Données de MEG pédiatriques avant et après correction de mouvement de tête en temps réel (ReTHM). Données ont été recueillies par un garçon de trois ans qui ont écouté passivement aux tons auditifs pour 15 min. moyenne en scanner-mouvements de tête étaient 44,3 mm. (A) plus axé sur les cartes de contour isofield au pic de l’onde moyenne quadratique (RMS) ; (B) moins déformées signaux magnétiques de RMS et (C) reconstruction de source plus significative dans les lobes auditives bilatérales sont révélées après correction ReTHM. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Supplémentaire Figure 1: une histoire du Conseil décrivant 10 étapes simples pour l’achèvement de la « formation d’astronaute » (c'est-à-dire, l’expérience de MEG). Il est envoyé aux familles avant de visiter le laboratoire de MEG afin de guider les attentes de l’enfant pour la session d’acquisition, mais aussi à susciter l’enthousiasme en prévision de la « formation d’astronaute ». Jour d’acquisition de données, les enfants suivent l’histoire en cours de l’expérience et collectionne les timbres après exécution de chaque étape. Photos reproduites avec informé une autorisation parentale écrite. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Supplémentaires Figure 2 : Une fiche d’information de MEG pour les parents ou soignants expliquant le MEG, le MSR, à quoi s’attendre sur la journée d’acquisition de données et comment s’habiller. Photographie reproduite avec informé une autorisation parentale écrite. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

Ces dernières années, MEG a été établie comme une technique de neuro-imagerie non invasive précieuse pour étudier les mécanismes neurones qui sous-tendent le développement de cerveau¹. Toutefois, des mouvements de tête en-scanner constituent un obstacle notoire à l’obtention de bonne qualité données MEG, particulièrement lors de l’évaluation des populations pédiatriques. Pour contourner ce problème, cet article a présenté un protocole de recherche pédiatrique MEG qui s’appuie sur des procédures décrites dans le document précédent du KIT-Macquarie Brain Research Laboratory ⁴.

Les procédures critiques incluent (1) qu’ils apportaient enfants avec MEG familiarisation d'où ils peuvent apprendre de l’expérience de MEG avant de visiter le laboratoire, qui comprennent un article de recherche adaptée aux enfants⁷ expliquant le système de MEG et le blindage magnétique salle (MSR), un story-board, décrivant les 10 étapes simples pour compléter l’expérience de MEG (supplémentaire Figure 1) et une fiche d’information de MEG des parents et des soignantssupplémentaires Figure 2; (2) précédant la session d’acquisition de MEG avec une séance de familiarisation, dans lequel les enfants sont familiarisés avec les procédures de MEG et sont formés de garder la tête encore tout en se trouvant à l’intérieur d’un simulateur de MEG ; (3) à l’aide de paradigmes expérimentaux passives ou « gamified » afin de minimiser les mouvements de la tête à cause de l’ennui et l’agitation ; et (4) suivi des mouvements de tête en cours lors de l’acquisition de données en ligne en utilisant un système de mouvement de tête en temps réel (ReTHM)⁹. Données obtenues à partir de ReTHM permet d’effectuer en mode hors connexion correction des artefacts de mouvement de la tête lorsque les données de MEG de pré-traitement.

L’acquisition de données de grande qualité MEG critique dépend de l’enfant de se sentir à l’aise dans l’environnement roman de MEG. Pour favoriser ce sentiment de facilité, les chercheurs sont invités à consacrer du temps à familiariser les enfants et leurs familles avec l’environnement de MEG et procédures avant de commencer l’acquisition de données. Ceci peut être réalisé à travers l’offre enfants et leurs parents des ressources de MEG qui expliquent les procédures de MEG dans un langage simple et accessible. En outre, les familles peuvent être invités à visiter le laboratoire de MEG avant la session d’acquisition de données pour rencontrer les chercheurs et les procédures d’essai MEG la pratique. Grâce à une formation sur simulateur de MEG, les enfants apprennent implicitement l’importance de garder la tête encore tout en se trouvant dans les lignes directrices. Tandis que la familiarisation de MEG exige aussi bien les chercheurs et les familles de consacrer davantage de temps pour le processus de collecte de données, les avantages de l’amélioration de la qualité des données MEG, mais aussi de réduire au minimum le temps et le coût de la conduite ultérieure des données de MEG séances d’acquisition, sans aucun doute l’emporte sur cet inconvénient. En outre, performance et conformité au cours de la séance de familiarisation peuvent servir à indiquer si l’enfant est ou n’est pas approprié d’inviter pour une séance d’acquisition de données MEG réelle.

Pour minimiser le mouvement de la tête au scanner en raison de l’agitation, il est préférable d’utiliser un modèle expérimental passif qui ne nécessite pas d’instructions, attention manifeste ou une participation active. Par exemple, une réponse évoquée fiable peut être obtenue avec un excentrique auditif paradigme¹², auquel cas le participant écoute passivement à une séquence de sons auditifs tandis que divertir par une vidéo silencieuse. Pour les études exigeant une intervention flagrante, le chercheur devrait viser à incorporer la tâche expérimentale dans un attrayant jeu style paradigme¹¹. Cela améliore la coopération et minimise l’agitation au cours de la tâche. Dans les expériences visuelles, l’utilisation d’un eye-tracker MEG-compatible entraîne peu de temps supplémentaire mise en place mais est nécessaire pour s’assurer que les enfants ont fixé sur la position du stimulus visuel¹³.

Tout objets de mouvements résiduels de la tête peuvent être corrigées pour le suivi des mouvements de la tête en temps réel. Par exemple, les données obtenues à partir de ReTHM peuvent être stockées dans le fichier d’enregistrement de MEG et permettant de compenser pour les mouvements de la tête lors d’acquisition de données de telle sorte que le tête-à-capteur localisation peut être restaurée au niveau préalable au mouvement afin de permettre une source optimale reconstruction, ce qui est essentielle pour les niveau données sources ultérieures analyse¹⁴.

La mise en œuvre du présent protocole vise à améliorer la qualité des données pédiatriques de MEG, minimiser le taux d’attrition participant à des études longitudinales et faire en sorte que les familles ont une agréable expérience de MEG recherche participation, avec l’objectif global d’améliorer notre compréhension du développement du cerveau chez les populations typiques et atypiques.

matériels

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