在学前儿童Neuromagnetic的脑功能自定义尺寸的MEG测量

Summary

脑磁图系统大小为幼儿的出现打开了重要的新机会，以研究大脑发育。新的系统，连同一个协议，将儿童的能力，实验要求，可用于研究在三至六岁的健康，清醒的儿童的认知和语言的过程。

Abstract

脑磁图是一种技术，检测与皮层的活动[1]相关的磁场。大脑电活动产生电场 – 使用脑电图（EEG） – 和其相应的磁场，可以记录 – 脑磁图检测。 MEG的信号是由专门的传感器被称为超导量子干涉器件（鱿鱼）检测。超导传感器需要冷却的液态氦在-270 ° C。它们都包含在一个vacumm绝缘头盔称为杜瓦，这是充满液体。被放置在固定的位置，在氦冷却剂杜瓦内的头盔，鱿鱼和脑磁图测量主体的头放在头盔杜瓦内。头盔杜瓦的大小必须满足反对约束。显然，它必须足够大，以适应大部分或全部人口将要研究的元首。然而，头盔，还必须足够小，保持最微小的，它们是衡量脑领域范围内的鱿鱼传感器。传统的全头MEG系统的设计，以容纳超过90％的成人头。但是成人的系统并不适合测量脑功能的头半径比成年人更小的数厘米在学前教育chidren。 KIT的麦格理Macquarie大学脑研究实验室使用一个MEG系统自定义大小以适合学龄前儿童元首。这孩子系统有64个一阶轴向梯度计50毫米基线[2]，内磁屏蔽室（MSR）与传统的成人大小的MEG系统中[3,4]。主要有三个子女就读定制头盔杜瓦的优势。首先，儿童的头neuromagnetic信号范围半径较小的传感器配置带入鱿鱼传感器。第二，规模较小的头盔让孩子的头完全插入到杜瓦。完全插入是防止成人杜瓦头盔，因为较小的冠，肩儿童的距离。这两个因素是使用的MEG记录大脑活动的基础，因为neuromagnetic信号随距离迅速衰减。三，定制的儿童的头部对称定位头盔艾滋病和限制孩子的头部运动杜瓦内的自由。当一个协议，将数据收集的要求与儿童的动机和行为能力，这些功能大大方便安装，定位，和脑磁图信号的测量。

Protocol

这些准则描述测量利用脑磁图（MEG）学龄前儿童的认知脑功能的设备和程序。首先，我们讨论的一般准则和携带儿童的认知功能的实验测试时必须考虑的问题。其次，我们描述了开发一个协议，以配合4岁儿童的动机和行为能力的脑磁图数据收集的要求。 1。研究与MEG的幼童的一般注意事项清醒的健康儿童工作时，MEG的研究人员面临着一些独特的挑战。首先，一个鲜明和功能的实验室环境是可能的威胁或恐吓幼童。其次，一个实验性的MEG研究的基本要求，包括限制行动，并积极参加长时间任务创造条件，很多成年人觉得乏味和不舒服。子女就读时，就成了当务之急，以适应孩子们的能力和局限性的实验程序。在本节中，我们描述了在准备参加在数据采集会议的主题涉及的初始步骤。 1.1熟悉/培训会议：对于学前儿童，了解/培训会议定于之前的实际数据采集会话。这次会议让孩子熟悉的环境和自己的步调，研究人员。我们的儿童及家长介绍，研究人员和他们熟悉实验室的环境和套路。通过介绍会议结束时，家长和孩子明白在参与涉及的所有步骤，并了解他们应该期望在数据记录。如果首次访问期间，孩子出现害羞或焦虑，我们有一段时间的玩耍，直到他们感觉更舒服。然后，我们引进的所有步骤进行。 1.2环境的解释 ：为了解释梅格环境对孩子，我们采用一个主题，提供了一个儿童友好的理由，对周围环境。例如，MEG系统是飞船等待空间冒险的孩子，其中可能会出现一些不熟悉的事件。实验室也被装饰墙贴和玩具（图1），它有一个专门的的游戏室。孩子说话时，我们使用的语言，孩​​子们可以很容易理解，如'冻结'，而不是“最大限度地减少运动”，“宇航员头盔”，而不是“标记线圈帽”。 1.3解释的程序，给孩子和家长：我们展示的儿童及家长前儿童的内磁屏蔽室（MSR）所采取的步骤。的首要步骤之一是适合主体的头部第一个5个标记线圈，这些线圈表明主体的内部梅格头盔的头的位置。与孩子的帮助下，我们数字化的一个傀儡的头部形状，然后我们邀请孩子和家长陪MSR /飞船的傀儡。一旦内的MSR，我们将木偶的头部，头盔内看电影。然后，我们问孩子，如果他们想观看电影与傀儡。如果孩子是舒适和轻松的和他们的父母是与我们的协议感到满意，我们邀请他们玩一个游戏内的飞船，下一次他们参观我们的实验室。 1.4工作簿：我们有基于太空探险主题，显示儿童测试会议期间将采取的步骤的工作簿。孩子们接受这些worksbooks带回家，并与他们的父母通过他们准备在下次访问。工作簿的目的是强调测试的重要性的三大要求：一）避免任何内MSR有色金属材料，B）放置标记线圈帽，以确保准确的数据共同登记和C）和其余仍然在数字化和数据采集的重要性。 2。一个用于测量岁儿童学前教育的MEG信号的协议 2.1设备的数据采集和实验任务期间使用 标记线圈第：为了配合主体的结构信息（如MRI或数字化的头部形状），一套五线圈MEG的数据被放置在一个孩子穿的MEG头盔内的泳帽。这些线圈作为参考点，之前和之后的多少来衡量主体的头采集过程中提出的任务相比，他们的立场。 数字转换器：数据采集，前五个标记线圈和头部形状的主体地位是数字化，使用Polhemus Fastrak ®数字化仪（科​​尔切斯特，VT）。数字化仪由一支笔数字化仪，3个接收器，发射机和运动跟踪单位。这个过程的措施，线圈的位置。后来，这些位置是相匹配的MEG获得调整所收购的磁性数据和头部形状的位置信息。 儿童脑磁图系统 ：数据采集是使用整个头部的孩子脑磁图系统（KIT，日本金泽）[2] 。数据是不断收购在1000Hz的采样率，与网上的带通滤波器0.03赫兹和200Hz之间。标记线圈位置获得之前和之后的录音测量头部运动。数据都将被拒绝，如果头部运动大于5mm。 脑磁图系统外设：使用演示的PC控制实验刺激®（神经行为系统，奥尔巴尼，CA） 。提供可视化的投入是一台投影仪，坐在外面的MSR和体现到MSR屏幕。提供听觉刺激，音特美研究模型ER – 30插入耳机配备了婴儿大小的泡沫耳塞（音特美研究公司的Elk Grove Village的，白细胞介素）。孩子是不断闭路摄像头和监控实验者通过麦克风的孩子通信。 2.2数据采集：数据记录会涉及到以下几个阶段： 第一阶段：在此之前孩子的到来 重要的是要尽快到达孩子准备开始实验的所有计算机，软件和设备。作为一般建议，两位经验丰富的研究人员应该存在的，而孩子和家长都在实验室。清除研究员，父母和子女之间的通信实验成功的关键。 第二阶段：孩子到达后 签署同意书，和实验者检查，如果家长有疑问。 实验者检查，如果孩子记得第一次会议期间或在小册子介绍的所有步骤，并再次引入任何不记得。强调的是数字化和数据采集期间冻结或减少运动的重要性。这可以证明使用一个傀儡。 然后，实验者检查，如果孩子携带任何有色金属材料（服装，首饰闪闪发亮的补丁，里面的口袋被遗忘的玩具，发夹等）。如果他们携带了一件衣服，其中包含有色金属材料，我们提供与MEG的安全服。如果家长想陪孩子在实验过程中，我们保证，他们也解除他们的有色金属材料。 第三阶段：获得孩子准备执行任务里面的MSR 实验者适合帽，拥有5个标记线圈。 实验者数字化标记线圈的位置和孩子的头部形状。为了保持在一个固定的位置首脑，我们已与3个接收器安装使用颈箍。重要的是要加强，减少运动或“冻结”定期获得了一个好头形状的想法。孩子可能会奖励贴纸做一个'冻结'做好。 孩子被邀请进入MSR。耳机插入和孩子是在仰卧位定位梅格杜瓦头盔。 一旦孩子与他们的MEG头盔内元首舒适躺下，标志线圈连接到自己的动力装置，MSR门是关闭的。实验者之一仍然是在整个会议期间的房间（和也父母，如果需要的话）。 在安装过程中收集数据块之间的娱乐，电影或卡通可投射到MSR背投影屏幕。 第四阶段：运行实验 一旦MSR门是关闭的，鱿鱼从事数据采集开始。 随着孩子看一部电影，一个coregistration测试前进行，以确保脑磁图信号可以数字化的头部形状配准。这个预测试包括匹配梅格系统所示的位置，在数字化过程中获得的标记线圈的位置。 一旦在第一次测试，孩子的头是正确的头盔内的位置显示，研究人员可以开始实验：（一）电影是静音;（二）研究人员询问孩子是否准备好，以“玩游戏”; （c）一旦比赛开始，实验者定期提供反馈的孩子。例如，一个孩子可能会被要求听一系列的句子，重复一个目标词，如“奶酪”，只要他们听到它。这些目标的话，嵌入式赶上三集ALS探头持续注意力的任务，但不包括在最后的分析。 任务完成后，另一个标志线圈进行测量监控头的位置和运动。 鱿鱼是脱离后，MSR的门被打开，孩子被邀请到游戏室，在那里他们可以选择一个良好的工作为他们的奖金。 3。代表性的成果在我们实验室的一个具有代表性的研究使用此协议来研究儿童语言发展的逻辑。参加二十六个孩子年龄在3-4岁（平均4岁和5个月）中至少有一个收购会话。这些儿童中有17返回第二个测试会话和5个第三个测试会话。平均头部运动，小于3.7毫米（SD 3.1毫米），以及5mm的阈值内，。发生变动大于5mm的变化范围从5.5毫米到15毫米（平均=8.6毫米，SD = 2.5毫米），4.5％的会议。 图1：MSR和MEG头盔装饰贴纸和毛绒玩具。 图2 4岁女孩在成人大小的MEG（左）。注意她的头顶部填充，以尽量减少运动和头部和头盔之间的距离。右图显示了同一个女孩在孩子的MEG。

Discussion

此协议旨在促进健康和清醒的4岁儿童的认知脑功能的测量。我们使用自定义尺寸的MEG的系统设计，以适应岁儿童学前教育的主管。有了这个系统，一个儿童友好的实验室环境，和适应儿童的能力和动机的协议，我们能够在一个年龄范围，其中有目前非常少的数据来衡量认知脑功能。

配套麦格理系统是第一个完整的头的系统自定义大小与学前教育岁以下的儿童使用。主要有三个子女就读定制头盔杜瓦的优势。首先，儿童小号头neuromagnetic信号范围半径较小的传感器配置带入鱿鱼传感器。第二，规模较小的头盔让孩子的头完全插入到杜瓦。完全插入是防止成人杜瓦头盔，因为较小的冠承担儿童的距离（见图2）。这两个因素是使用的MEG记录大脑活动的基础，因为neuromagnetic信号随距离迅速衰减。三，定制的儿童的头部对称定位头盔艾滋病和限制孩子的头部运动杜瓦内的自由。这些功能大大方便了从儿童的脑磁图信号的设置，定位和测量。

自定义大小的孩子脑磁图系统的问世，是认知神经科学的一个重要进展。替代性脑功能成像技术，聘请放射性药物或强磁场可能不适合年纪较小的儿童的日常使用。由于MEG的是一个完全被动的测量技术，有发展组织无法想象的风险。目前还很少的MEG的健康学龄前儿童岁以下儿童的数据，因为传统的成人MEG系统不太适合与儿童使用。儿童脑磁图系统将让我们研究大脑功能的大脑活动的一个戏剧性的结构正在发生的年龄，认知功能正常和病理发展提供了新的见解。

Materials

Material Name	Tipo	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