EEG Mu Rytm i typisk och atypisk utveckling
Summary
Bedömning av EEG mu rytm ger en unik metod för att undersöka hjärnaktivitet och i kombination med beteendemässigt baserade analyser, kan vara ett kraftfullt verktyg för att belysa aspekter av social kognition, såsom imitation, i kliniska populationer.
Abstract
Elektroencefalografi (EEG) är en effektiv, effektiv och icke-invasiv metod för att bedöma och registrera hjärnaktivitet. Med tanke på den utmärkta tidsupplösning, kan EEG användas för att undersöka neurala svar relaterade till specifika beteenden, stater eller yttre stimuli. Ett exempel på detta verktyg är bedömningen av spegelneuron-systemet (MNS) hos människor genom undersökning av EEG mu rytm. EEG-mu rytm, oscillerande aktivitet i 8-12 Hz frekvensområdet registreras från centralt placerade elektroder, undertrycks när en individ exekverar, eller bara observerar, riktade mål åtgärder. Som sådan, har det föreslagits att reflektera aktiviteten av MNS. Det har teorin att dysfunktion i spegelneuron-systemet (MNS) spelar en bidragande roll i de sociala underskott i autism (ASD). De MNS kan sedan noninvasively undersökts i kliniska populationer med hjälp av EEG mu rytm dämpning som ett index för sin verksamhet. Den beskrivna protocol ger en väg för att undersöka sociala kognitiva funktioner teoretiskt kopplade till MNS hos personer med typisk och atypisk utveckling, t.ex. ASD.
Introduction
Elektroencefalografi (EEG) är en effektiv, effektiv och icke-invasiv metod för att bedöma och registrera hjärnaktivitet. Som nervceller brand i hjärnan, kan den resulterande spänningen förstärkas, registreras, och grafiskt. Den temporala upplösningen av EEG tillåter för analys av även korta förändringar i svängningsmönster i hjärnan, såväl som analys av hjärnans svar på specifika stimuli.
Trots att den äldsta hjärnavbildningsteknik, som går tillbaka till slutet av 19-talet, fortfarande har EEG omfattande tillämplighet. Medan funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) har utmärkt rumslig upplösning, den har relativt dålig tidsupplösning. Detta innebär en stor begränsning av fMRI bedömning med tanke på den otroliga hastighet med vilken processer sker i hjärnan. EEG har förmågan att bedöma elektrisk hjärnaktivitet på millisekund-nivå, vilket ger potential iNsight in faserna hos hjärnans bearbetning.
Utvecklingen av ny teknik har också utvidgat tillämpningen av EEG. En ökning av tätheten av inspelningssystem har möjliggjort utvecklingen av källlokaliseringstekniker, mildra några av EEG begränsningar beträffande rumslig upplösning. Dessutom har moderna system minskat den enskilde deltagaren ställtid avsevärt, vilket möjliggör en bedömning av tidigare otillgängliga populationer, till exempel spädbarn och kliniska prover 1-3,28-30.
Med tanke på den utmärkta tidsupplösning, kan EEG användas för att undersöka neurala svar relaterade till specifika beteenden, stater eller yttre stimuli. Ett exempel på detta verktyg är bedömningen av spegelneuron-systemet (MNS) hos människor. Spegelneuroner ursprungligen identifierades i apor med hjälp enda neuron inspelning 4, som visar en grupp avnervceller som svarade på både projektering och observation av motoriska handlingar. Denna direkt inspelning metod för att placera elektroder i hjärnan är sällan utnyttjas i människor, och endast i svåra kliniska fall. EEG har gett en metod för att bedöma MNS genom att övervaka EEG mu rytm. Denna svängning mönster i 8-12 Hz har visat sig dämpa EEG kraft som svar på utförandet och observation av motoriska handlingar, liknande aktiveringsmönster observerats hos apor 5-7. På samma sätt, stimulering av förmodade MNS hjärnregioner genom transkraniell magnetisk stimulering (t.ex. sämre frontal gyrus) upphäver EEG mu rytm 8 och EEG mu rytm undertryckande korrelerar med BOLD signaler från fMRI i förmodade spegel neuron regioner inom ämnen 9, ger ytterligare stöd att denna rytm index, åtminstone delvis, MNS aktivitet. Bedömning av EEG mu rytmen har tillåtet för en icke-invasiv bedömning av spegelneuron ageraivity hos människor.
EEG ger en unik metod för att undersöka hjärnaktivitet och i kombination med beteendemässigt baserade analyser, kan det vara ett kraftfullt verktyg för att belysa aspekter av social kognition, såsom imitation, i kliniska populationer. Vidare, tillämpligheten av EEG för användning med befolkningar med kognitiva eller språksvårigheter möjliggör insikt i förmågor hos personer för vilka andra avbildningstekniker eller beteende paradigm kan vara mindre framgångsrikt använda. Den beskrivna protokollet ger en väg för att undersöka sociala kognitiva funktioner teoretiskt kopplade till spegelneuron-systemet hos personer med typisk och atypisk utveckling, till exempel autism.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den framgångsrika förvärv, förädling och analys av elektrofysiologiska data om mu rytm och ansökan till kliniska populationer kräver 1) tillämpningen av EEG metodverktyg, 2) noggrann artefakt upptäckt och datareduktion, 3) exakt identifiering av mu rytm, och 4) korrekt karakterisering av den kliniska populationen och identifiering av lämpliga kontrollgrupper.
Lämplig EEG metodik kräver väl fungerande och integrerad utrustning, lämplig mössa val och …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av ett bidrag från Simons Foundation (sfari # 89.638 till RB).
Materials
| Geodesic EEG System | EGI | N/A | Any EEG system, not only EGI based systems, is applicable for the described study |
| MATLAB software | MATLAB | N/A | Any mathematical, statistical software that can work with matrices is applicable |
| Netstation software | EGI | N/A | Any EEG acquisition software is applicable for the described study |
| Manipulandum | custom | N/A | Any object that is co-registered with data acquisition software to signal a successful grasp |
References
- Kuhl, P. K., Coffey-Corina, S., Padden, D., Dawson, G. Links between social and linguistic processing of speech in preschool children with autism: behavioral and electrophysiological. 8, (2005).
- McPartland, J., Dawson, G., Webb, S. J., Panagiotides, H., Carver, L. J. Event-related brain potentials reveal anomalies in temporal processing of faces in autism spectrum disorder. J. Child Psychol. Psychiatry. 45, 1235-1245 (2004).
- Bernier, R., Dawson, G., Webb, S., Murias, M. EEG mu rhythm and imitation impairments in individuals with autism spectrum disorder. Brain Cogn. 64, 228-237 .
- Rizzolatti, G., Fadiga, L., Gallese, V., Fogassi, L. Premotor cortex and the recognition of motor actions. Brain Res. Cogn. Brain. 3, 131-141 (1996).
- Muthukumaraswamy, S. D., Johnson, B. W., McNair, N. A. Mu rhythm modulation during observation of an object-directed grasp. Brain Res. Cogn. Brain Res. 19, 195-201 .
- Pineda, J. A. The functional significance of mu rhythms: translating "seeing" and "hearing" into "doing". Brain Res. Brain Res. Rev. 50, 57-68 (2005).
- Vanderwert, R. E., Fox, N. A., Ferrari, P. F. The mirror mechanism and mu rhythm in social development. Neurosci. Lett. 540, 15-20 (2013).
- Keuken, M. C., et al. The role of the left inferior frontal gyrus in social perception: an rTMS study. Brain Res. , 1383-13196 (2011).
- Braadbaart, L., Williams, J. H., Waiter, G. D. Do mirror neuron areas mediate mu rhythm suppression during imitation and action observation. Int. J. Psychophysiol. , 99-105 (2013).
- Rogers, S., Cook, I., Greiss-Hess, L. . Mature Imitation Task. Unpublished coding manual. , .
- Lord, C., Rutter, M., Le Couteur, A. Autism Diagnostic Interview-Revised: a revised version of a diagnostic interview for caregivers of individuals with possible pervasive developmental disorders. J. Autism Disord. 24, 659-685 (1994).
- Lord, C., et al. The autism diagnostic observation schedule-generic: a standard measure of social and communication deficits associated with the spectrum of autism. J. Autism Dev. Disord. 30, 205-223 (2000).
- . American Psychiatric Association (APA). Diagnostic and statistical manual of mental. disorders, Edition. , .
- Gastaut, H. J., Bert, J. EEG changes during cinematographic presentation; moving picture activation. of the EEG. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 6, 433-444 (1954).
- Muthukumaraswamy, S. D., Johnson, B. W. Changes in rolandic mu rhythm during observation of a precision grip. Psychophysiology. 41, 152-156 (2004).
- Chatrian, G. E., Petersen, M. C., Lazarte, J. A. The blocking of the rolandic wicket rhythm and some central changes related to movement. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 11, 497-510 (1959).
- Pfurtscheller, G., Neuper, C., Andrew, C., Edlinger, G. Foot and hand area mu rhythms. Int. J. Psychophysiol. 26, 121-135 (1997).
- Arroyo, S., et al. Functional significance of the mu rhythm of human cortex: an electrophysiologic study with subdural electrodes. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 87, 76-87 (1993).
- Babiloni, C., et al. Human cortical electroencephalography (EEG) rhythms during the observation of simple aimless movements: a high-resolution EEG study. Neuroimage. 17, 559-572 (2002).
- Babiloni, C., et al. Human movement-related potentials vs desynchronization of EEG alpha rhythm: a high-resolution EEG study. Neuroimage. 10, 658-665 (1999).
- Babiloni, C., et al. Transient human cortical responses during the observation of simple finger movements: a high-resolution EEG study. Hum. Brain. 20, 148-157 (2003).
- Cochin, S., Barthelemy, C., Lejeune, B., Roux, S., Martineau, J. Perception of motion and qEEG activity in human adults. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 107, 287-295 (1998).
- Cochin, S., Barthelemy, C., Roux, S., Martineau, J. Observation and execution of movement: similarities demonstrated by quantified electroencephalography. Eur. J. Neurosci. 11, 1839-1842 (1999).
- Cochin, S., Barthelemy, C., Roux, S., Martineau, J. Electroencephalographic activity during perception of motion in childhood. Eur. J. Neurosci. 13, 1791-1796 (2001).
- Martineau, J., Cochin, S. Visual perception in children: human, animal and virtual movement activates different cortical areas. Int. J. Psychophysiol. 51, 37-44 (2003).
- Lepage, J. F., Theoret, H. EEG evidence for the presence of an action observation-execution matching system in children. Eur. J. Neurosci. 23, 2505-2510 (2006).
- Marshall, P. J., Bar-Haim, Y., Fox, N. A. Development of the EEG from 5 months to 4 years of age. Clin. Neurophysiol. 113, 1199-1208 (2002).
- Southgate, V., Johnson, M. H., El Karoui, I., Csibra, G. Motor system activation reveals infants’ on-line prediction of others’ goals. Psychol. Sci. 21, 355-359 (2010).
- Nystrom, P., Ljunghammar, T., Rosander, K., von Hofsten, C. Using mu rhythm desynchronization to measure mirror neuron activity in infants. Dev. Sci. 14, 327-335 (2011).
- Southgate, V., Johnson, M. H., Osborne, T., Csibra, G. Predictive motor activation during action observation in human infants. Biol. , 769-772 (2009).
- Oberman, L. M., et al. EEG evidence for mirror neuron dysfunction in autism spectrum disorders. Brain Res. Cogn. Brain Res. 24, 190-198 (2005).
- Martineau, J., Cochin, S., Magne, R., Barthelemy, C. Impaired cortical activation in autistic children: is the mirror neuron system involved. Int. J. Psychophysiol. 68, 35-40 (2008).
- Oberman, L. M., Ramachandran, V. S., Pineda, J. A. Modulation of mu suppression in children with autism spectrum disorders in response to familiar or unfamiliar stimuli: the mirror neuron hypothesis. Neuropsychologia. 46, 1558-1565 (2008).
- Raymaekers, R., Wiersema, J. R., Roeyers, H. . EEG Study of the Mirror Neuron System in Children with High Functioning Autism. Brain Res. , 113-121 (2009).
- Fan, Y. T., Decety, J., Yang, C. Y., Liu, J. L., Cheng, Y. Unbroken mirror neurons in autism spectrum disorders. J. Child Psychol. Psychiatry. 51, 981-988 (2010).
- Bernier, R., Aaronson, B., McPartland, J. The role of imitation in the observed heterogeneity in EEG mu rhythm in autism and typical development. Brain Cogn. 82, 69-75 (2013).
- Pfurtscheller, G., Lopesda Silva, ., H, F. Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles. Clin. Neurophysiol. 110, 1842-1857 (1999).
- Marshall, P. J., Young, T., Meltzoff, A. N. Neural correlates of action observation and execution in 14‐month‐old infants: An event‐related EEG desynchronization study. Dev. Sci. , 474-480 (2011).
- Marshall, P. J., Meltzoff, A. N. Neural mirroring systems: Exploring the EEG mu rhythm in human infancy. Dev. Cogn. Neurosci. , 110-123 (2011).
- Oberman, L., McCleery, J., Hubbard, E., Bernier, R., Pineda, J. Developmental changes in mu suppression to observed actions in individuals with autism spectrum disorders. Soc. Cogn. Affective Neurosci. 8, 300-304 .
