High-density electroencephalography (dEEG) is being used increasingly to study brain development and plasticity in the early years of life. Here we present an application of sophisticated analysis techniques that builds on traditional EEG recording to understand the oscillatory dynamics of rapid auditory processing in the infant brain.
快速听觉处理和声学变化检测能力在使人类婴儿有效处理细光谱和属于人类语言的特征的时间变化中起关键作用。这些能力奠定了有效的语言习得的基础;让婴儿磨练他们的母语的声音。在动物和头皮记录的潜力,从人类的成年人有创操作建议之间和大脑区域内同时进行,有节奏的活动(振荡)是基本的感官发展;确定与传入刺激被解析的分辨率。这时,鲜为人知的是,在人类婴儿发育振荡力度。然而,动物神经生理学和成人脑电图数据提供了基础,在婴儿快速听觉处理由振荡同步离散频带介导强烈的假说。为了研究这个,128路,高DENSI4个月大的婴儿TY脑电反应频率变化的语气对,两率的条件(快速:70毫秒ISI和控制:300毫秒ISI)提交了审查。要确定的频带和活动幅度,听觉诱发响应的平均值分别为第一共登记年龄适当的脑的模板。接着,将反应的主要成分进行鉴定,并使用脑活动的两偶极子模型本地化。振荡功率审单分析显示频率变化处理的稳健指数的Theta带连发(3 – 8赫兹)活动在左右两个听觉皮层,左激活快速状态更为突出。这些方法已经产生了不仅一些首次报道的诱发振荡分析在婴儿,但也可以是以数据,重要的是,一个完善的记录和分析干净,精心收集,婴儿EEG和事件相关电位的方法的产物。在这篇文章中,我们描述了我们的方法我nfant脑电图网应用,录音,动态大脑反应分析,和有代表性的成果。
在广泛发育障碍的频谱,它正变得越来越明显,关键在于早期识别和修复,最终在于理解是发挥作用,如发育中的大脑功能汇聚网络的早期机制。因此,有兴趣增加在了解神经模式的时间动态变化的影响的认识。特别是,特定的认知功能进行差分相关与振荡活性在特定频带( 例如,环状的波动的单细胞或细胞群的膜电位)1。先前的研究已经证实,振荡动力学起到活性依赖性自组织发展网络2-4的至关重要的作用,控制神经元兴奋性5,6-和整合感觉输入7,8。振荡大脑活动被认为是代谢有益9,10,增加的av的效率ariety感觉处理功能和协调的更高级别的功能,如认知和语言。然而,在年龄与行为结果在人类婴儿链接神经同步的作用的系统的调查尚未完成。实现这一目标的一个重要步骤,是实现时间动态和支持发展的认知过程,包括早期语言振荡机制的出现和成熟更深入的了解。
语言发展的重要组成部分,是准确地处理和分类 的快速变化的声学信号的能力:经常在尽可能少的顺序为几十毫秒 。例如,将“爸爸”和“坏”的声音动态声学不同只在最初的40毫秒的音节,但两国有非常不同的含义和协会。以往的研究表明recepti的轨迹的成熟已经声学和语言差异的能力。早在2个月的年龄,婴儿显示区分快速频率变化的能力( 例如,<100毫秒);这表明“硬件”两个声学相似音节之间检测差异到位。在接下来的几个月里,婴儿可以区分越来越小的差异,制定明确的看法,并表现出对母语的音节11-14声音皮质专业化。因为复杂的声音感知依赖于基本处理机构的功能,它被认为是在能力赤字察觉快速变化的声学差异-即使对于简单的声音,如音-可能是早期指标15的后语言障碍。
在这个实验室以前的工作从乔杜里和Benasich坚决支持这一假说,显示出婴儿的能力非常处理在简单的声音( 如音)的快速变化可以预测3,4年的语言和认知能力16,17。这些数据证明了语前婴幼儿的大脑反应可以提供听觉处理和发展进步的量化指标。研究和这里介绍的方法探讨这种关系的基本机制的重要方面。研究几行现在表明,潜伏期和ERP波的振幅从多个发电机18-23脑电图振荡spectrotemporal动力学的总和产生。 Spectrotemporal分析还允许相位和功率信息的分离。锁相活性反映是受刺激诱发的神经反应的一部分。这种类型的信息是类似于可以从ERP中提取的,因为反应进行平均相对于时间锁定事件。然而,一些神经元活动的时间可能有所不同,从审判审判。在ERP的分析,THI的活动是“被平均”;然而,在从试验,以试验功率变化的分析,该信息可以被回收和分析。因此,相位和功率spectrotemporal分析可以给出有关神经反应的其他信息,相对于常规的ERP。对于婴幼儿的发展,有大量证据表明,振荡有助于神经回路的发展在动物模型2,3但这些机制才刚刚开始在人群中进行调查。从本实验室工作表明theta和伽马振荡关联的母语专业化在6个月的24。这凸显了在婴儿期振荡层次的功能。
全局假设的基础上,上述提出的证据是,在听觉皮层诱发振荡的同步支持婴儿的大脑发育。如在测试这个假设的第一步骤,一个“基准221;在婴儿早期处理得到; ,这是目前认为先于“感性缩小”为母语的专业化25,26 4个月,年龄的,即。因此,我们进行了审单频分析中被动侦听记录到球场变和音高不变的一个“古怪”范式提出了音调对包括两个速率条件下的婴儿脑电数据(控制条件:300毫秒间刺激间隔;快速条件:70毫秒刺激间间隔)。
在这里,我们说明利用研究侧重于快速听觉处理刺激这种方法。在这些研究中,一个“古怪范例”,被用来评估神经元活动,以不可预测的,但可识别的事件。在这个范例中,大脑响应于不可预知的或“奇”的刺激通常被称为“越轨”反应,而为预测的刺激的反应,提出了金属氧化物半导体时间t,通常被称为“标准”的大脑反应。反应在一个古怪的模式呈现的刺激可以引起自动不集中注意力,使得这种模式很容易非常婴幼儿使用。所有的听觉刺激的是通过自由场扬声器间隔,这取决于该研究中提出。如前面提到的,在目前的研究声音,指数快速听觉处理(RAP)的能力,使用:即,声音含声学变化16,17,27,28几十到的毫秒。可注意到,许多其它的刺激类型是用于测试神经生理学歧视,包括辅音 – 元音(CV)的有用的声音以及离经叛道反射变化频率或持续时间,与插入的间隙,和/或上升或下降频率扫描。最后,我们还建议在录制过程中“静游戏”中,没有听觉刺激呈现自发脑电图。然后这些数据可以是用来衡量在没有反复刺激的振荡耦合和连贯性。
从婴儿的人口记录脑电活动带来了一系列独特的挑战。例如,与电极的放置和让他们在实验期间的合作,尽量减少运动,以防止文物脑电图,并保持经营和分心沉默玩具宝宝都代表着挑战。此外,婴幼儿的数据不容易进行与成人/年龄较大的儿童数据开发的协议的简单应用。在许多情况下,组件在婴儿的脑电图观察和事件相关电位(有效保护率)之间的关系并不明确的,也不总是映射到什么是接受成人。虽然发展研究拥有强大的潜力,了解典型和无序大脑功能的起源,人类的婴儿记录可靠,可解释的大脑反应需要啊既精通技术和人际关系领域IGH水平。这些挑战,但是,可以克服和可靠EEG和ERP的数据可从不同年龄的婴儿使用各种范例予以记录。在这里,我们将介绍利用分析市售ERP记录和分析软件结合一个自由的,开放源码的ERP分析软件包,在MATLAB环境下工作29的一般方法。
的振动分析方法,以婴幼儿的大脑反应记录该应用程序允许的神经元同步发展语言习得更多的机械问题有关,并推测作用机制的探索时同步就会大打折扣。有关的努力使用其他刺激,如语音音节24,以及在纵向分析或与早期训练范式自发或“静止”振荡1分析,提供窗口到吨emporal,空间,和典型的和无序的发展轨迹光谱动力学。人们希望,这些努力将增加我们的听觉发育和可塑性的基础的理解,并有助于为发展语言障碍识别和修正策略。
这里所描述的研究方法描述了如何促进spectrotemporal动态和高密度听觉诱发脑电图和ERP在婴儿大脑的反应解剖位置有更深的了解。有此协议中的四个关键步骤,便于分析。首先,适当的网络应用和定位以最小的照顾者和婴儿窘迫是在非镇静范式记录脑电图干净的基础。正确的测量头和净尺寸选择以及在申请过程中使用的净助理,艺人的关键是实现这一步。二,对测试环节,由初级测试仪,网络助手和艺人,谁从事安静发挥促进婴幼儿的条件中建立一个平静,安静和俏皮的氛围,为家庭是很重要的。第三,进行数据分析,至关重要的是,用于源定位年龄相符的MRI头部模型。头围,博ね和皮肤和脑脊髓空间必须准确的年龄,以获得最精确的定位结果进行测试。最后,对于在一般皮质反应,它是同样重要的是可用于高密度网( 例如 ,至少64个通道的数据),以优化得到的低工件记录的机会。
这种技术的一个限制是,脑电图数据源定位不是金标准网站的活性测试。我们必须牢记,本地化的模式向前即使有最好的头部模型和测量的仍然是估计的活动地点。因此,有必要设计该实验以这样的方式关于源活动的信息可以在整个实验条件或组进行比较。另外,在一般和特别是纵向研究婴儿测试可以是充满了不完整的或丢失的数据集。解决这一问题是一个)维持řelationships与参与的家庭;二)优化婴儿和照顾者一个安静,沉稳大气的记录;和c)高估标的池。在我们的手中,拥有一支经验丰富的儿科团队,我们已经达到低压差和最小的数据损失率。在与57参与者211婴儿的记录会话的纵向样本,我们表明98.6%的数据保留( 例如 ,208会话,导致可用数据)和10%的退出率( 例如 ,6参与者无法开始后继续实验)。脑电图超过其它技术,如乙二醇和近红外光谱的优点是,subcortically偏压活动是与不同滤波器频带访问。此外,它更容易控制用于移动作为电极用头行进。
一旦该协议被掌握,婴儿的脑电图和动态振荡的实验应用丰富。很显然,我们必须先了解一般开发皮层网络及通讯系统为了RKS识别那些非典型组织。这表明,需要建立一个模型,其中早期听觉处理机制(包括振荡)的完整性起着产生和声音表示的可塑性的作用听觉体验被并入,并且理想的,教训。根据这个模型,非语言处理缺陷可能与症状几年有关,或在某些情况下数十年,正式诊断发生之前。
需要将来的调查,以了解进一步的细节,其中包括频带特定振荡动力学,交叉频率相耦合并横跨早期发展的区域抑制/兴奋性图案的功能。此外,皮质活性和测试不同状态,如睡眠,需要得到典型的开发的更全面的了解。我们相信,随着这一技术的研究将提供重要的洞察过程WHICH'neurotypical'和非典型振荡动力学组织和新兴的认知和语言能力进行交互。
The authors have nothing to disclose.
作者非常感谢该研究由伊丽莎白H.所罗门中心神经发育研究和NSF资助#SMA-1041755学习中心,学习中心的NSF科学的时空动态支持。特别感谢也因参加谁的家属,并到婴儿期研究实验室的成员,他们的实际和智力贡献。特别感谢亚尔莫Hämäläinen为源定位协议的发展,纳西姆·乔杜里对她的智力投入。
EEG Amplifiers | EGI | 1301281 | |
Sensor Nets | EGI | C-GSN-128-1011-110 | Sizes of nets vary with age, by month |
EEG Recording Software | Net Station | 4604200 | |
Presentation Computer | Dell | 4608161 | |
Presentation Software | Eprime | 13102456-50 | |
Baby bottle warmer | Avent | Target or any baby store | |
Electrolyte solutuion (Potassium Chloride dry) | EGI | A-A-CC-KLL-1000-000 | |
Coban self-adherent wrap tape | Coban | 595573 | |
Measuring tape | Target or any baby store | ||
Washable Markers | Target or any baby store | ||
Pipettes | Comes with EGI amplifier setup | ||
Analysis Computer | Dell | ||
Analysis Software I | BESA | 3955054 | v5.3 |
Analysis Software II | Brain Voyager | 3955054 | |
Analysis Software III | EEGLAB/ERPLAB/ MassUnivariate Toolbox | Freeware MatLAB v2007b | |
Analysis Software IV | BESA Statistics | 3956341 |