Denne protokollen beskriver en eyeblink condition paradigme passer for eksperimenter med ett år gamle spedbarn. Kommersielle eller skreddersydd utstyr kan brukes til å levere stimuli, og datainnsamling, analyse skal utføres på video-opptak.
Klassisk eyeblink condition (EBC) refererer til lært tilknytningen mellom en betinget stimulans (en auditory tone) og en unconditioned stimulans (en blåse luft til hornhinnen). Eyeblink condition er ofte brukt eksperimentelt å oppdage avvik i lillehjernen-avhengige læring og hukommelse som ligger under denne typen associative læring. Mens eksperimenter i voksne og eldre barn er relativt enkle å administrere bruk kommersielle, er eyeblink condition hos spedbarn mer utfordrende på grunn av deres lav compliance, som gjør riktig posisjonering utstyret vanskelig. For å oppnå condition i ett år gamle barn, kan en skreddersydd eller en tilpasset kommersielle systemet brukes til å levere luften puff til spedbarnets hornhinnen. Den største utfordringen ligger i å kunne oppdage og klassifisere atferdsdata svar. Vi rapporterer at automatiserte blink gjenkjenningsmetoder er upålitelige i befolkningen, og at condition eksperimenter bør analyseres frame-by-frame analyse av supplerende videokamera opptak. Denne metoden kan brukes til å studere utviklingsmessige endringer i eyeblink condition og undersøke om dette paradigmet finner barn med nevrologiske lidelser.
EBC er en form for klassisk betinging som vanligvis brukes til å vurdere læring og hukommelse hos mennesker og andre dyr. Konvensjonelle EBC paradigmet refererer til en lært tilknytning mellom en ufarlige “betinget” stimulans (en auditory tone) med ‘unconditioned’ stimulans (en hornhinnen luft puff som induserer en refleksiv eyeblink, unconditioned svaret). Associative læring vurderes ved å presentere den betinget stimulans og klassifisere eyeblinks som aircondition og unconditioned svar-en økning i antall betinget svar over tid, eller over mer enn én økt, kan tyde assosiativ læring skjer.
Eyeblink condition paradigme kan brukes til å identifisere personer med associative læring impairments. Forsinkelse condition-der betinget stimulans (CS) begynner før men overlapper unconditioned stimulans (USA)-styres av lillehjernen krets1,2, og avbrytes i voksne og barn med nevrologiske lidelser, inkludert schizofreni3, autisme4,5og fetal alkohol spektrum lidelse6,7. Fra en klinisk perspektiv, kan undersøker eyeblink condition hos spedbarn støtte tidligere oppdagelse og behandling av disse nevrologiske lidelser. Men mens ungdommer kan tolerere hornhinnen luft puff6,7,8 og kan opprettholde en stabil hodet/øye posisjon for varigheten av forsøket, er spedbarn mindre kompatibel og konvensjonelle eyeblink oppdagelsen utstyr og programvare er ikke tilstrekkelig.
Her beskriver vi en enkel protokoll for å undersøke kort forsinket eyeblink condition i ett år gamle barn, som er tilpasset fra protokoller tidligere beskrevet andre steder9,10,11. Denne protokollen kan administreres ved hjelp av noen kommersielle eller skreddersydde system som kan levere en kontrollert blåse luft til hornhinnen. Men i stedet for kommersiell eyeblink programvare (f.eksSan Diego instrumentets EyeBlink Detection System, som behandler signaler fra infrarødt kamera), vi, og andre9,10,11, anbefale å bruke frame-by-frame analyse av video kameraet opptakene å detektere og klassifisere eyeblink svar i ett år gamle spedbarn.
Endringer og feilsøking:
Kommersielle eller skreddersydde eyeblink condition systemer skal presentere stimuli til emnet i et eksperimentelt kontrollert måte og oppdage de atferdsdata svarene. Selv om dette er en ikke-invasiv prosedyre, de tekniske kravene for å gjennomføre disse eksperimentene mindre kompatibel bestander (f.eks, spedbarn) er utfordrende. Fysisk feste hode-montere til øyet er mulig for dyreforsøk, som condition eksperimenter i sau12,13. Ungdommer kan tolerere iført et hodebånd med en vedlagt luft blåse levering enhet6,7,8 , og kan bli oppmuntret til å opprettholde en kontinuerlig posisjon med TV som en distraksjon. Selv om samsvar i svært små spedbarn kan oppnås ved condition under søvn14, eldre spedbarn nærmer ett års alder er lett distrahert, noe som gjør dem en unik utfordrende befolkning. Til tross for utfordringer er eyeblink condition eksperimenter mulig for noen våken, ett år gamle spedbarn. Vår suksessrate er lik de rapporterte tidligere i den litteratur (~ 40% – 50% samsvar)9sannsynligheten for suksess sannsynligvis reflektert av spedbarnets temperament på dagen for eksperimentet.
Avgjørende skritt i protokollen:
Vi anbefaler tilpasse et kommersielt tilgjengelig EBC oppsett eller bruke en spesialbygd luften trykk generator som beskrevet tidligere, for yngre spedbarn9,10,11. Den første utfordringen er å opprettholde luft blåse levering enheten i riktig posisjon gjennom hele eksperimentet, som krever en mindre, endret headpiece. Øye sikkerhet er en spesiell bekymring for ikke-kompatible spedbarn som forsøker å fjerne headpiece seg. Derfor må spedbarn nøye overvåket hele tiden. En andel av barn vil ikke tolerere iført pannebåndet eller mottar luft puff for øyet (her, ~ 35%), selv om dette kan forbedres ved forsiktig distraherende barnet hvis eksperimentelle protokollen tillater dette, og hvis dette åpenlyst ikke forstyrrer spedbarn oppførsel. For barn som fullfører eksperimentet, er air-puff-bare prøveversjoner avgjørende for å bekrefte at headpiece var plassert riktig, som mangel eller reversering av condition svar kan være forårsaket av dårlig levering av luft puff gjennom hele eksperimentet.
Manuell videoanalyse er tidkrevende, er automatisert infant eyeblink svar foreløpig vanskelig å oppnå. Infrarøde sensorer med kommersielle EBC set-ups (plassert på pannebåndet tilstøtende til luft puff enhet) registrerer øyeblikk til øyeblikk refleksjon fra hornhinnen på en 1 kHz samplingsfrekvens, og blinker kan oppdages av måler endringen i refleksjon følgende stimulus utbruddet. Betydelige endringer fra planlagte refleksjon viser at en eyeblink har oppstått, og automatisk analyse kan brukes til å oppdage og klassifisere blink svar. Men vi og andre9,10,11 foreslår at forskere ikke bør stole på infrarød hornhinnen refleksjon målinger med kommersielle EBC set-ups å oppdage blinker i ett år gamle barn. Mens denne metoden kan være egnet for voksne deltakere eller eldre barn6,7, kunne vi ikke oppdage blinker i ett-åringer med denne metoden. Her er ubetydelig endringer i den opprinnelige refleksjon observert over lengden på prøveperioden epoke, som angir at eyeblink ikke oppdages av sensoren. I tillegg er falske positive topper vanligvis observert, som skyldes spedbarnets hodet bevegelser som endrer plasseringen av sensoren. Pilottest i voksne tyder på at deltakeren må fokusere på eller over deres vannrett linje av syne, med luft puff enheten plassert innenfor 1-2 cm hornhinnen, å oppdage eyeblinks-betingelsene ikke kan brukes konsekvent med spedbarn. I tillegg kan liten interpalpebral sprekk størrelse hos spedbarn redusere hornhinnen refleksjon, gjør glimtet oppdagelsen mer vanskelig enn hos voksne eller eldre barn.
Betydning når det gjelder eksisterende metoder:
Til tross for behovet for manuell videokamera analyse og lavere timelige oppløsningen av en 60 Hz video i forhold 1 kHz refleksjon målinger gjør de bedre suksessrate på videoopptak dette til en overordnet metode til sensoren. Selv om hornhinnen luft puff er også levert av samme headpiece vedlegget som en kommersiell infrarød sensor, vises stimulans levering å være mer motstandsdyktige mot plassering enn sensoren, som luft puff styrken kan justeres som kreves. Dette unngår overdreven justering av pannebåndet, som pleier å redusere spedbarn samsvar. Forskere som kan oppnå høyere suksessrate med sensoren krever fortsatt støtte videokamera analyse. For forsøkene der det er ingen synlig eyeblink respons av sensoren, videoopptak kan skille mellom sant svar eller ugyldig forsøk (dvs.om barnet hadde luft puff enheten i riktig posisjon, om de gjorde ikke blinke eller om sensoren kunne oppdage blink). Like, videoopptak er nødvendig for å bekrefte falske positive resultater, som bevegelser under rettssaken kan også produsere gjenstander masquerading som blinker. Øye-sporing apparater15,16 og Elektromyografi9,10,14 temporaria oculi muskelen er andre automatiserte metoder av glimtet oppdagelsen som er utenfor omfanget av dette papiret, men uten visuell bekreftelse av luft puff posisjonering for hvert forsøk, er disse metodene sannsynligvis vil lide samme ulempene som infrarød eyeblink gjenkjenning programvare beskrevet her.
Tidligere er publiserte arbeid på øye-blink condition fokusert på yngre spedbarn, vanligvis 4-5 måneder av alderen; Dette arbeidet legges til denne mengde litteratur ved å beskrive teknikker for bruk med eldre barn (12 ± 1 måned gammel) og de unike utfordringene denne aldersgruppen presenterer. Andre forfattere har også brukt videoanalyse (alene eller i kombinasjon med Elektromyografi) med spedbarn9,10,11,14. Resultatene presenteres her er i samsvar med disse tidligere funn som tyder frame-by-frame videoanalyse er den beste metoden for å oppdage eyeblinks hos spedbarn, som både Elektromyografi og Infrarød overvåking kan være problematisk ansikts og hodet bevegelser i svært små barn. Dette arbeidet støtter også funnet at spedbarn kan utvikle betinget respons selv i svært ung alder, minst for en 650-ms forsinkelse intervall9.
Fremtidige programmer:
Som et begrenset antall studier har forsøkt eyeblink condition eksperimenter i menneskelige spedbarn, bør parameterne stimulans nøye vurderes i fremtiden eksperimenter. Condition er observert så tidlig som 10 dager etter alder17 og minst innen den første måneden av livet14, selv om en lenge mellom stimulans intervall (f.eks1500 ms) synes å være mer vellykket i disse tidlige stadier av barndom18 . Sammenligning barn nærmer seks måneders alder kan mer pålitelig betinget med et kortere intervall10, men mindre vellykket enn i voksne19. 650-ms intervallet mellom tonen og luft puff antydet for ett år gamle barn i denne protokollen kan med hell indusere condition i 4 eller 5-måneder gamle spedbarn9,10,11, så vel som i eldre barn6,7. Dette tyder på at eyeblink condition er developmentally regulert, med optimale forsinkelse mellom tonen og luft puff redusere med spedbarn alder10, selv om flere eksperimenter tilpasse denne protokollen er nødvendig for å undersøke dette parametere videre.
Begrensninger av denne teknikken:
EBC kan være utfordrende for å sette opp og kan kreve feilsøking i hver enkelt situasjon. Bestemme når det oppstod condition er vanskelig å definere og er best observert over flere forsøk eller økter. For eksempel har andre studier brukt en vilkårlig condition rate på 40% i hver blokk 10 forsøk for å definere condition og sammenlignet endringer mellom etterfølgende eksperimentelle økter6,9,10, 11. Å fullføre det nødvendige antallet forsøk å observere condition kan derfor være vanskelig å oppnå i små barn.
I forhold til dataanalyse, er en av de spesielle utfordringene skille stimulans-utløste blinker spontan (endogene) blinker9. Frekvensen av spontan eyeblinks er forskjellige mellom individer, men kan påvirkes av miljømessige faktorer som rommet luftfuktighet, samt atferdsmessige stater. Dobbel blinker oppstå når det finnes to komplette øyelokket nedleggelser på en svært kort tid (f.eks, 400 ms)20, og det er mulig at dette gjenspeiler spontan blinker på samme tid som en refleksiv (betinget eller unconditioned) eyeblink. Vi noen ganger observert dobbel blinker i våre datasett, og bruker denne protokollen, vi registrerte ventetiden til første blink bare. Men øker forkaster disse vissheten om at analysen er å fange stimulans-utløste blinker bare.
Forskere må også ta avgjørelser i vinduet ventetid i å definere et betinget eller unconditioned respons, samt om å definere ventetid blink utbruddet eller glimtet toppen (øyelokket nedleggelse). Her har vi konservativt definert en betinget respons som et øyeblikk som topper før 650 ms i sammenkoblede eller kortet forsøk, å gi sikkerhet at blink startes før air puff utbruddet ikke svar på luften puff. Imidlertid kan ventetid vinduet utvides for kortet studier der ingen air puff presenteres, spesielt hvis bruker blinke peak som definerer ventetiden på svaret. Viktig prinsippet her er at alle forekomster behandles på samme måte, av alle sensorer, og at dette vilkåret bestemmes før noen data analyse begynner.
I sammendraget, kan frame-by-frame videoanalyse gi en pålitelig og reproduserbar metode for å vurdere klassisk EBC svar inne ung barn. Disse tiltakene gir et mål på læring atferd, selv om en omfattende utviklingen vurdering er nødvendig for fullt karakterisere neurodevelopment i barndom.
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble støttet av New Zealand Optometric visjon Research Foundation, Health Promotion byrået, The University of Auckland fakultet forskning Development Fund, og The University of Auckland School of Medicine PBRF penger.
Vi er takknemlige til to Optometry studenter fra The University of Auckland (Shannon Boy og Harpreet Singh) som fullført den manuelle video analysen for å undersøke avtalen i blink svar målinger.
Eyeblink conditioning system | San Diego Instruments | Model #2325-0145-W | includes portable airpuff unit and infrared emitter/receiver mounted to adjustable headband; eyeblink stimulus and response detection software; PC interface |
4K Ultra HD action camera | RV77 | Model SJ9000 | micro SD/TF card recording 90fps at 720p |