カスタムサイズのMEGと就学前のお子様でNeuromagnetic脳機能の計測

Summary

幼児用サイズのMEGシステムの出現は、脳の発達を研究するために重要な新しい機会を開きます。新システムは、一緒に子供たちの能力で実験的な要件を揃えプロトコルと3〜6歳の健康、目を覚まし子どもの認知と言語のプロセスを研究するために使用することができます。

Abstract

脳磁図は、皮質の活動[1]に関連する磁場を検出する技術です。脳の電気生理学的活性は、電界を生成する – とその付随する磁場 – – 脳波を脳波（EEG）を使用して記録することができるMEGで検出された。 MEGの信号は、量子干渉素子（SQUIDのを）超伝導と呼ばれる特殊なセンサーによって検出されています。超電導センサーは-270で液体ヘリウムで冷却℃を必要とする彼らは、液体で満たされているデュワーと呼ばれるvacumm絶縁ヘルメット、内部に含まれています。 SQUIDのは、ヘリウム冷却材中のヘルメットデュワー内の固定位置に配置され、被験者の頭部は、MEGの測定のためにヘルメットデュワー内に配置されます。ヘルメットデュワーは反対の制約を満たすサイズにする必要があります。明らかに、それは、ほとんどまたはすべての調査される人口の頭のに合わせて十分な大きさでなければなりません。しかし、ヘルメットはまた、測定するためであることが小さな脳分野の範囲内にSQUIDセンサのほとんどを保つために十分に小さくなければならない。従来の全頭MEGシステムは、成人の頭の90％以上を収容するように設計されています。しかし、成人のシステムはよくその頭大人より数cm小さい半径を有する就学前童車での脳機能を測定するには適していません。マッコーリー大学のKIT -マッコーリー脳研究所では、就学前の子どもたちの頭に合わせてサイズMEGシステムのカスタムを使用しています。この子システムが50mmのベースラインを持つ64の一次軸勾配計を持っている[2]と、従来の成人サイズのMEGシステムと一緒に磁気シールドルーム（MSR）の中に含まれている[3,4]。子どもたちを研究するためのカスタマイズされたヘルメットデュワーの3つの主要な利点があります。最初に、センサーの設定の半径は、子どもたちの頭のneuromagnetic信号の範囲にSQUIDセンサをもたらします。第二に、小さなヘルメットはデュワーに子供の頭を完全に挿入することができます。完全な挿入は、お子様をお連れの肩の距離に小さい王冠の成人デュワーのヘルメットに阻止される。 neuromagnetic信号は距離と共に急速に減衰するため、これら二つの要因は、脳磁図を用いた脳活動を記録するの基本です。第三に、カスタマイズされた子のヘルメットのヘッドの左右対称の位置に補助とは、デュワー内で子供の頭の動きの自由度を制限。子どもたちの動機や行動能力とデータ収集の要件を整列プロトコルで使用する場合、これらの機能は大幅にセットアップ、ポジショニング、およびMEG信号の測定を容易にします。

Protocol

これらのガイドラインは、脳磁図（MEG）を使用して、未就学児の認知脳機能を測定するための装置と手順を説明します。最初に、私たちは子どもたちの認知機能の実験的なテストを実行する際に考慮しなければならない一般的なガイドラインと問題点を話し合う。第二に、我々は、4歳児の動機づけと行動の容量を持つMEGデータ収集の要件を調整するために開発されたプロトコルについて説明します。 1。 MEG幼い子供を研究するための一般的な考慮事項目を覚まし健康な子供を扱うときMEGの研究者が固有の課題の数に直面している。最初に、荒涼と機能的な実験室環境では、若い子供たちを威嚇または怖がらせる可能性があります。第二に、実験的脳研究の基本的な要件は、動きの制限を含め、積極的に、長時間の作業に多くの大人は、退屈、不快見つけることが条件に参加。子供を勉強するときに、それは子どもの能力や限界に実験手順を適応させることが不可欠となる。このセクションでは、我々は、データ収集のセッションに参加する被験者の準備に関与する最初の手順を説明します。 1.1ゼーション/研修会：就学前児童のための習熟/トレーニングセッションが前に実際のデータ収集のセッションが予定されている。このセッションでは、子どもが自分のペースで環境や研究者に精通することができます。我々は研究者に子と親を紹介し、ラボ環境とルーチンでそれらを理解。入門セッションの終わりまでに親と子は、参加に関わるすべての手順を理解し、彼らはデータの記録時に期待すべきかを理解する。最初の訪問の間に、子供は恥ずかしがり屋や不安が表示される場合、それらをより快適に感じるまで、我々は再生時間の周期を持っている。その後、我々はすべてのステップの導入を進める。 1.2環境を説明：子にMEGの環境を説明するために、我々は周囲のための子供向けの正当化を提供するテーマを採用しています。例えば、MEGシステムは、いくつかのなじみのないイベントが発生する可能性のある宇宙の冒険に子供を取るのを待っている宇宙船です。研究室では、壁のステッカーやおもちゃ（図1）で飾られている、そしてそれは、専用のプレイルームを持っています。子供に話すとき、私たちは子どもたちが容易にそのような代わりに"マーカーコイルキャップ"の代わりに"最小限の動き"の"凍結"、そして"宇宙飛行士のヘルメット"として理解できる言語を使用してください。 1.3子どもへ、両親への手順を説明する：私たちは、子と親の子は磁気シールドルーム（MSR）の内部に入る前に取られるステップを示しています。最初のステップの一つは、被験者の頭の上の5つのマーカーコイルキャップを取付けてであり、これらのコイルは、MEGのヘルメットの中に被写体の頭の位置を示します。子供の助けを借りて、我々デジタル化する人形の頭部の形状、そしてその後、我々は、子供とMSR /宇宙船に人形を伴うために親を招待。一度MSRの内側、我々は映画を鑑賞するためにヘルメットの内部に人形の頭を置く。彼らは人形と一緒に映画を鑑賞する場合に我々は、その子を求める。子供は快適でリラックスであり、彼らの親が私達のプロトコルに満足している場合、我々は彼らが宇宙船の内部に、私たちの研究室を訪問、次回のゲームをプレイするために招待。 1.4ワークブック：私たちは、子どもたちは、テストセッション中に行われる手順を示して宇宙の冒険のテーマに基づいて、ワークブックを持っている。子どもたちは家庭を取ると次の訪問の準備のために両親とそれらを介して動作するようにこれらのworksbooksを与えられている。ワークブックの目的は、テストするには、3つの主要な要件の重要性を強調するためである。a）MSR内の任意の鉄系材料の回避、b）の正確なデータの共同登録とcを確保するためのマーカーのコイルキャップの配置）とデジタル化とデータ収集中にまだ残っていることの重要性。 2。就学前年齢の子どもからMEG信号を測定するためのプロトコル データ収集と実験的なタスクの実行中に使用される2.1機器 マーカーコイルキャップ：主題の構造情報（例えばMRIまたはデジタル化された頭部の形状）、五コイルのセットでMEGのデータを整列するためには、子供がMEGヘルメットの内部に身に着けている水泳キャップに配置されます。これらのコイルは基準点として機能し、その位置は、被験者の頭部は、買収時に移動しているどの程度を測定するタスクの前後に比較されます。 デジタイザ：データ収集に先立ち、五マーカーのコイルと被験者の頭部の形状の位置は、Polhemus社のFを使用してデジタル化されるastrak ®デジタイザ（コルチェスター、バーモント州）。デジタイザは、ペンデジタイザ、3つのレシーバ、トランスミッタ、モーショントラッキングのユニットで構成されています。このプロセスは、コイルの位置を測定します。後でこれらの場所は、取得した磁気データとヘッドの形状を揃えるためにMEGで得られる位置情報と照合されます。 子MEGシステム ：データ収集は全頭子MEGシステム（KIT、金沢、日本）[2]を使用して行われます。データは0.03 Hzから200Hzの間でオンラインのバンドパスフィルタと、1000Hzのサンプリングレートで連続的に取得されます。マーカのコイルの位置は、ヘッドの移動を測定するための録音の前後に取得されます。ヘッドの移動は5mmより大きい場合、データは拒否されます。 MEGシステム周辺機器：実験刺激は、プレゼンテーション®（神経行動学的システム、バニー、CA）を使用してPCで制御されます。視覚的な入力は、MSRの外に座っているとMSRの画面上に反映されているプロジェクターによって配信されます。聴覚刺激は、赤ちゃんサイズの泡のイヤホン（Etymotic Research社、エルクグローブヴィレッジ、イリノイ州）を装着したEtymotic研究モデルER – 30インサートイヤホンによって配信されます。子は常に閉じた回路のカメラによって監視され、実験者がマイクを使って子供と連通している。 2.2データ収集：データのレコーディングセッションでは、次の段階を伴います。 ステージI：前の子供の到着に 早く子供が到着する実験を開始する準備がすべてのコンピュータ、ソフトウェアや機器を持つことが重要です。子と親が研究室にいる間一般的な推奨事項として、2つの経験豊富な研究者が存在する必要があります。研究者、親と子の間に明確なコミュニケーションは、実験の成功にとってきわめて重要である。 ステージII：子どもが到着した後、 同意書に署名し、親が質問がある場合は、実験者はチェックされています。 子供が最初の会議中、または小冊子で導入されたすべての手順を記憶し、記憶されているものを再導入した場合実験者がチェックします。デジタル化とデータ収集中に動きを凍結または最小化の重要性が強調されている。これは、人形を使って実証することができます。 子供が（グリッターパッチ付き衣類、ジュエリー、ポケット内部に忘れおもちゃ、ヘアピンなど）を、鉄系材料を運んでいるならば、、実験者がチェックします。彼らは鉄系材料を含んでいる衣類の一部を実行する場合、我々は、MEG安全な衣類を提供してください。親が実験中に子どもを同行することを望む場合、我々は、彼らがまた、鉄鋼材料を除去することを確認してください。 ステージIII：MSR内のタスクを実行するために子供が準備 実験者は、5マーカーコイルを保持するキャップに適合します。 実験者は、マーカーのコイルの位置と子供の頭部の形状をデジタル化。固定位置で頭を維持するために、我々は3つのレシーバを装着されている首の支柱を使用してください。良好なヘッド形状を得るために定期的に運動や"凍結"を最小限にするという考えを補強することが重要です。子は"凍結"で良い仕事を行うためのステッカーで報われることがあります。 子は、MSRを入力するように招待されている。イヤホンが挿入され、子は、仰臥位でMEGデュワーのヘルメットに配置される。 子供がMEGヘルメット内部の頭で快適に横になってされると、マーカのコイルは、その電源ユニットに接続され、MSRのドアが閉じている。一つの実験は、全体のセッションの間にお部屋で（必要に応じても、親、）のまま。 セットアップ中およびデータ収集のブロック間の娯楽のために、映画や漫画は、MSRの逆投影スクリーン上に投影することができます。 ステージIV：実験の実行 MSRのドアが閉じられると、イカが従事し、データ収集が開始されています。 子供が映画を観るように、coregistrationの事前テストは、MEGの信号がデジタル化された頭部の形状にcoregisteredできることを確認するために行われている。このプレテストは、MEGのシステムで示す位置にデジタル化の間に得られたマーカのコイルの位置と一致するで構成されています。 いったん最初のテストでは、子供の頭が正しくヘルメットの内側に配置され、研究者が実験を開始できることを示しています：（a）の映画がミュートされ、彼らは"ゲームをプレイ"する準備ができている場合（b）の研究者は、子を要求します。ゲームが開始されると（c）に、実験者は、定期的にフィードバックを持つ子を提供します。例えば、子供は文のシリーズに耳を傾け、そしてできるだけ早く彼らはそれを聞くと、"チーズ"などのターゲットの単語を繰り返すよう求められる場合があります。これらのターゲットの単語がキャッチトリのサブセットに埋め込まれていますALSは、そのプローブは、タスクへの気配りを続けたが、最終的な分析に含まれていません。 タスクが完了すると、別のマーカーのコイルの測定は、頭の位置と動きを監視するために実行されます。 SQUIDのが外れると、MSRの扉が開かれ、子供は彼らが良い仕事のための賞を選ぶことができるプレイルームに招待されている。 3。代表的な結果我々の研究室における代表的な研究は、子どもの言語のロジックの開発を研究するためにこのプロトコルを使用していました。 3-4年熟成二十六の子供（4歳と5ヶ月の平均では）少なくとも一つの取得のセッションに参加した。これらの子供たちのうち17秒のテストセッションに返され、5人が第三のテストセッションのために来た。平均的なヘッドの動きがよく5ミリメートルしきい値内未満3.7ミリメートル（SD 3.1ミリメートル）であった。 5mm以上大きな動きは、5.5ミリメートルから15ミリメートル（= 8.6ミリメートル、SD = 2.5 mmの平均）に至るまで変化して、セッションの4.5％に発生しました。 図1：MSRとMEGのヘルメットは、ステッカーやぬいぐるみで飾られています。 図2。成人サイズのMEG（左）の四歳の少女。運動と頭部とヘルメットの間の距離を最小限に抑えるために彼女の頭の上部にあるパディングに注意してください。右の画像は、子のMEGで同じ女の子を示しています。

Discussion

このプロトコルは、健康と目を覚まし4歳の子供の認知脳機能の測定を容易にするために設計されています。我々は、就学年齢の子どもの頭に合うように設計されたカスタムサイズのMEGシステムを使用してください。このシステムでは、子供向けの実験室の環境、および機能と子どもたちの動機に適応protocolは、我々は非常に少ないデータが現在存在するする年齢層に認知の脳機能を測定することができます。

KIT -マッコーリーシステムは、就学前年齢の子どもで使用するためのサイズの第一全体のヘッド方式のカスタムです。子どもたちを研究するためのカスタマイズされたヘルメットデュワーの3つの主要な利点があります。最初に、センサーの設定の半径は、子供の頭のneuromagnetic信号の範囲にSQUIDセンサをもたらします。第二に、小さなヘルメットはデュワーに子供の頭を完全に挿入することができます。完全な挿入は、お子様をお連れの肩の距離（図2参照）に小さい王冠の成人デュワーのヘルメットに阻止される。 neuromagnetic信号は距離と共に急速に減衰するため、これら二つの要因は、脳磁図を用いた脳活動を記録するの基本です。第三に、カスタマイズされた子のヘルメットのヘッドの左右対称の位置に補助とは、デュワー内で子供の頭の動きの自由度を制限。これらの機能は大幅にセットアップ、ポジショニング、そして子供からのMEG信号の測定を容易にします。

カスタムサイズの子MEGシステムの出現は、認知神経科学のための重要な前進です。放射性医薬品や強い磁場を用いる代替機能的神経イメージング技術は、小さなお子様連れルーチンの使用に適しているとは限りません。 MEGは、完全に受動的な計測手法であるため、組織を開発するためには、考えられる危険性はありません。従来の大人のMEGシステムは、子どもたちと一緒に使用するのに適していないので、健康な就学前の年齢の子供たちからは非常に少ないMEGのデータは、現在ありません。子MEGシステムは、認知機能の正常と病理学的発展に新たな洞察を提供し、私たちは脳の活動の劇的な構造が発生している年齢でで脳機能を研究することができます。

Materials

Material Name	Type	Company	Catalogue Number	Comment
Whole head child MEG		Kanazawa Institute of Technology (Kanazawa) and Yokogawa Electric Corporation (Tokyo)	Model PQ1064R-N2m
Magnetically shielded room		Fujihara Co. Ltd., (Tokyo)
Digitiser		Polhemus (Colchester, VT)	Fastrack
Experimental control software		Neurobehavioral Systems (Albany, CA)	Presentation
Earphones		Etymotic Research Inc. (Elk Grove Village, IL)	ER-30