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.
Быстрая обработка слуховой и способности обнаружения акустических изменение сыграть решающую роль в разрешении человека детей, чтобы эффективно обрабатывать тонкие спектральные и временные изменения, которые характерны для человеческого языка. Эти способности закладывают основу для эффективного овладения языком; позволяющие детей, чтобы отточить в на звуки родного языка. Инвазивные процедуры на животных и кожи головы записанные потенциалов от взрослых человека предполагают, что одновременное, ритмической активности (колебания) между и внутри регионов мозга являются основой для сенсорного развития; определения разрешение, с которым поступающие стимулы обрабатываются. В это время мало что известно о колебательной динамики в развитии человеческого младенца. Тем не менее, данные животное нейрофизиологии и взрослых ЭЭГ обеспечивают основу для сильной гипотезы, что быстрое слуховой обработки у младенцев опосредуется колебательной синхронности в дискретных частотных диапазонах. Для того, чтобы расследовать это, 128-канальный, с высоким Densiответы ти ЭЭГ 4-месячных младенцев к изменению частоты в пар тонов, представленной в двух состояниях ставки (быстрое: 70 мсек ISI и управления: 300 мс ISI) были рассмотрены. Чтобы определить диапазон частот и величины активности, слуховые вызванные средние реагирования были впервые совмещались с учетом возрастных шаблонов мозга. Далее, основные компоненты реакции были идентифицированы и локализованы с помощью двух дипольной модели мозговой активности. Одноместный суда анализ колебательной мощности показали надежную индекс обработки изменения частоты вспышками Theta группы (3 – 8 Гц) активности в правой и левой слуховой коре, с левой активации более заметным в Rapid состоянии. Эти методы были получены данные, которые не только одними из первых сообщили, навеянные колебания анализов у новорожденных, но и, что немаловажно, продукт хорошо, установленном способа записи и анализа чистый, тщательно собраны, младенческой ЭЭГ и ССП. В этой статье мы опишем наш метод Infant ЭЭГ чистая приложение, запись, динамический анализ ответа мозга и показательные результаты.
По широкому спектру нарушений развития, становится все более и более ясно, что ключ к раннему выявлению и в конечном счете восстановления заключается в понимании ранних механизмы, которые вступают в игру, как развивающийся мозг собирает функциональные сети. Таким образом, существует повышенный интерес в понимании временной динамики нейронных моделей, которые влияют познания. В частности, конкретные когнитивные функции, которые будут по-разному соотносится с колебательной активности в определенных полосах частот (например, циклические колебания одноклеточные или мембранные населения потенциалов) 1. Предыдущие исследования установили, что колебательные динамика играют решающую роль в деятельности зависит от самоорганизации развивающихся сетей 2-4, контролировать возбудимость нейронов 5,6 и интегрировать сенсорные входы 7,8. Колебательная активность мозга считается метаболически полезным 9,10, повышения эффективности прАриети сенсорных функций обработки и координации функций более высокого уровня, таких как познания и языка. Тем не менее, систематическое исследование роли нервной синхронии через возраста и связей с поведенческими последствиями в человеческих младенцев до сих пор не достигнуто. Важным шагом к этой цели, чтобы достичь более глубокого понимания возникновения и созревания временной динамики и механизмов, которые поддерживают колебательных развития познавательных процессов, включая раннего языка.
Важнейшим компонентом развития языковой способности точно обрабатывать и классифицировать акустические сигналы, которые быстро изменяются: часто на порядок, как мало, как десятки миллисекунд. Например, акустические динамики слов "папа" и "плохо" акустически отличаются только в течение первых 40 мс слога, но два очень разных смыслов и ассоциаций. Предыдущие исследования показывают созревания траекторию receptiве способность к акустической и языковых различий. Уже в возрасте 2 месяцев, младенцы показать способность различать быстрые изменения частоты (например, <100 мс); предполагая, что "железо" для обнаружения разницы между двумя акустически подобных слогов на месте. В течение следующих нескольких месяцев, младенцы могут различать более мелкие различия, развивать восприятие категорическое, и проявляют корковой специализацию звуков родного языка слогов 11-14. Потому что комплекс восприятие звука зависит от функции основных механизмов обработки, он думал, что дефицит в способности быстро воспринимать изменения акустических различий – даже для простых звуков, таких как тонах – может быть ранние признаки 15 позднего обесценение языка.
Предыдущая работа с Чоудхури и Benasich в этой лаборатории решительно поддерживает эту гипотезу, показывая, что способность младенца обрабатывать оченьбыстрые изменения в простых звуков (например, тонов) может предсказать 3- и 4-летний язык и познавательные способности 16,17. Эти данные убедитесь, что ответы мозга на предварительно языковых детей может обеспечить количественно показатель слуховой обработки и прогресса в развитии. Изучение и методы, представленные здесь исследовать ключевые аспекты основной механизм этой взаимосвязи. Несколько направлений исследований в настоящее время показывают, что пик задержки и амплитуда волн ERP возникают из суммирования spectrotemporal динамики ЭЭГ колебаний нескольких генераторов 18-23. Spectrotemporal анализ также позволяет разделение фазовой информации и сила. Фазовой автоподстройки активность отражает часть нейронов ответ, который вызванной стимул. Этот тип информации подобно тому, что может быть извлечено из ERP, так отклики по отношению к усредненной по времени автоподстройки случае. Тем не менее, сроки некоторых нейронной активности может отличаться от испытания к испытанию. В ERP анализа, Тхис деятельность "усредняется"; Однако при анализе изменений мощности от опыта к опыту, эта информация может быть восстановлена и проанализированы. Таким образом, spectrotemporal анализ фазы и мощности может дать дополнительную информацию о нейронной ответ, по отношению к обычным ERP. Что касается развития ребенка, есть немало свидетельств, что колебания способствуют развитию нейронных цепей в моделях на животных, но 2,3 эти механизмы только начинают исследовать в человеческой популяции. Работа с этой лаборатории показали, тета и гамма колебательный коррелирует специализации родного языка в 6 месяцев 24. Это подчеркивает функциональность колебательных иерархий в зачаточном состоянии.
Глобальный гипотеза, основанная на доказательствах, представленных выше, является то, что синхронность вызванных колебаниями в слуховой коре поддерживает развитие мозга младенца. Как первый шаг в тестировании этой гипотезы, в "базовой221; обработки в раннем детстве был получен; а именно, 4-месяцев от возраста, который в настоящее время считается, предшествовать "восприятия сужение» для родного языка специализации 25,26. Соответственно, мы провели один следственный анализ частоты на ЭЭГ младенцев данных, записанных во время пассивного прослушивания, чтобы передать-вариант и шаг-инвариантной тон пары, представленные в «чудака парадигмы", состоящий из двух условий ставок (состояние управления: 300 мс интервал между стимулом; Быстрое Состояние: 70 мс между стимулом интервал).
Здесь мы проиллюстрируем этот метод, используя стимулы из исследований, посвященных быстрой слуховой обработки. В этих исследованиях, в "чудаком" парадигмы, был использован для оценки активности нейронов к непредсказуемым, но узнаваемые события. В этой парадигме, ответ мозга к непредсказуемым или "нечетные" стимулы часто называемых «Deviant" ответов, в то время как ответ на предсказуемой стимула, представлены MOSт время, как правило, называется "Стандартный" ответ мозга. Ответы на раздражители, представленных в чудаком парадигмы могут быть автоматически вызвало без целенаправленного внимания, делая это парадигма проста в использовании с очень маленьких детей. Все звуковые раздражители представлены с помощью свободного поля выступающих на интервалы, которые варьируются в зависимости от исследования. Как упоминалось ранее, в настоящем исследовании звуков, которые были использованы индекс быстрого слухового обработки (РПД) способности: то есть, звучит, содержащих десятки-о-миллисекунд акустического изменения 16,17,27,28. Следует отметить, что многие другие виды стимулирования полезны для тестирования нейрофизиологические дискриминации, в том числе согласного-гласного (CV) звуки, а также извращенцы, отражающие изменения в частоте или длительности, используя в качестве Gap, и / или по возрастанию или убыванию частоты Лапы. Наконец, мы также рекомендуем записи спонтанной ЭЭГ во время "тихого игры", в которой нет звуковой раздражитель не представлена. Затем эти данные могут бытьиспользуется для измерения колебательный муфту и согласованности в отсутствие повторной стимуляции.
Запись ЭЭГ от населения младенческой представляет набор уникальных вызовов. Например, сотрудничество с размещением электродов и оставив их на месте в течение всего срока эксперимента, минимизируя движение, чтобы предотвратить артефакты ЭЭГ, и держать ребенка заниматься и отвлекаться тихими игрушки все представляют проблемы. Кроме того, детские данные не легко поддаются простых приложений протоколов, разработанных с взрослой / старых данных детей. Во многих случаях отношения между компонентами, наблюдаемых в детской ЭЭГ и связанных с событиями потенциалов (ССП) не так ясна и не всегда карту на то, что принято у взрослых. Хотя исследования развития имеет мощный потенциал для понимания генезиса типичных и неупорядоченной функции мозга, запись надежные и интерпретируемые ответы мозга от человеческих младенцев требуется ахкайф уровень владения техническим и межличностных сферах. Эти проблемы, однако, могут быть преодолены и надежные ЭЭГ и ERP данные могут быть записаны от младенцев различных возрастов, используя различные парадигмы. Здесь мы опишем общий метод анализа использования в продаже ERP-записи и программное обеспечение для анализа в сочетании со свободным, открытым исходным кодом пакета ERP анализа, который работает в среде MATLAB 29.
Применение методов анализа колебательных младенческой записей реагирования мозга позволяет разведку более механистических вопросам развития нейронов синхронности в отношении овладения языком и предполагаемых механизмов, лежащих в основе, когда, что синхронность нарушена. Связанные усилия, использующие другие стимулы, такие как речь слоги 24 и анализа спонтанных или "отдыхает" колебаний 1 в продольном анализов или в сочетании с ранних учебных парадигм, предлагают окна в тemporal, пространственные и спектральные динамика типичных и неупорядоченных траекторий развития. Он надеется, что эти усилия будут увеличить наше понимание основ развития слухового и пластичности, и помочь в идентификации и реабилитации стратегий нарушениями развития языка.
Метод исследования описан здесь описывается, как способствовать более глубокому пониманию динамики и spectrotemporal анатомического расположения высокой плотности слуховых вызванных ЭЭГ-и ERP ответов мозга у детей. Есть четыре важных шагов в рамках этого протокола, которые облегчают анализ. Во-первых, собственно чистая приложений и позиционирования с минимальным воспитателя и младенческой бедствия является основой для записи ЭЭГ чистый в не-седативные парадигм. Правильное измерение головы и чистая Выбор размера, а также использование чистой помощника и искусств в процессе приложения является ключом к реализации этого шага. Во-вторых, важно, чтобы создать спокойную, тихую и игривый атмосферу для семьи во время сессии тестирования, условия способствовали первичной тестер, чистой помощником и конферансье, который входит в зацепление с младенцем в тихом игры. В-третьих, для анализа данных, важно, что модели соответствующие возрасту МРТ головы можно использовать для локализации источника. Размер головы, бопе и кожи и цереброспинальной пространство должно быть точным для своего возраста тестируемого, чтобы получить наиболее точные результаты локализации. Наконец, для корковых ответов в целом, это также важно, что высокой плотности чистой использоваться (например., По крайней мере, 64 каналов данных) в целях оптимизации шансы на получение низкого артефактов записи.
Одним из ограничений этого метода является то, что источником локализация данных ЭЭГ не золотой стандарт для сайта тестов деятельности. Следует иметь в виду, что вперед модель локализации, даже с лучшими моделями головы и измерения все еще оценивает местоположения деятельности. Таким образом, важно разработать эксперимент таким образом, что информация, касающаяся активности источника может быть сопоставлены между экспериментальных условиях или групп. Кроме того, тестирование младенец в целом и, в частности, продольного исследования может быть чревато неполных или отсутствующих наборов данных. Пути решения этой проблемы являются) поддерживать гelationships с участвующими семей; б) оптимизировать тихий, спокойный атмосферу записи для ребенка и воспитателя; и в) при условии переоценить бассейн. В наших руках, с опытным детской команде, мы добились с малым падением напряжения и минимальные ставки потери данных. В продольном образце 211 детских сеансов записи с 57 участниками мы показываем хранения данных 98,6% (например., 208 сессий, которые привели к пригодных данных) и 10% отсева (например., 6 участников были не в состоянии продолжать после начала Эксперимент). Преимущество ЭЭГ сравнению с другими способами, такими как МЭГ и НИРС, что подкорково предвзятым активность доступен с различными полосами с фильтром. Кроме того, это легче контролировать для движения в качестве электродов путешествовать с головой.
После того, как этот протокол освоено, экспериментальные приложения младенческой ЭЭГ и динамики колебательных изобилии. Понятно, что мы должны сначала понять, как правило, развивается корковой netwoРКС с целью выявления лиц, которые организовали нетипично. Это указывает на необходимость создания модели, в которой целостность начале слуховых механизмов обработки (в том числе колебаний) играет роль в генерации и пластичности звука представления, как слуховые впечатления включены и, в идеале, узнал. Согласно этой модели, нелингвистические дефициты обработки могут быть связаны с симптомами лет, а в некоторых случаях десятилетий, прежде чем произойдет формальный диагноз.
Будущие исследования необходимы, чтобы понять дальнейшие подробности, в том числе функции колебательной динамики частоты диапазона конкретных, фазовой связи кросс-частоты и региональных тормозных / возбуждающим моделей по всей раннего развития. Кроме того, подкорковой деятельности и испытаний в различных состояниях, таких как сон, необходимо дать более полную картину типичного развития. Мы считаем, исследования в этой технике обеспечит важное понимание процесса по whicДинамика "neurotypical" и атипичные колебательные H организовать и взаимодействовать с новыми когнитивных и языковых способностей.
The authors have nothing to disclose.
Авторы выражают благодарность поддержку этого исследования по Соломона центра Элизабет Х. для развития нервной системы исследований и NSF гранта # SMA-1041755 с временной динамики Learning Center, в NSF науки Learning Center. Особая благодарность также за счет семей, которые принимали участие, и членов исследований лаборатории младенчества для практических и интеллектуальных взносов. Особая благодарность Ярмо Hämäläinen для разработки протокола локализации источника и к Назим Чоудхури за ее интеллектуального вклада.
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 |