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.
Hızlı işitsel işleme ve akustik değişim algılama yetenekleri, insan bebekler verimli ince spektral ve insan dilinin karakteristik zamansal değişikliklerin işleme izin kritik bir rol oynamaktadır. Bu özellikler etkili dil edinimi için zemin hazırlamaya; izin bebekler kendi dillerinde sesleri üzerinde bilemek için. İnsan yetişkinlerden hayvanlar ve kafa derisi kaydedilmiş potansiyeller invaziv prosedürler arasında beyin bölgeleri içinde eşzamanlı, ritmik aktivite (salınım) duyusal gelişimine temel olduğunu göstermektedir; Gelen uyarılar ayrıştırıldı hangi çözünürlüğü belirleme. Bu zamanda, küçük insan bebek gelişiminde osilatör dinamiklerinin bilinmektedir. Ancak, hayvan nörofizyoloji ve yetişkin EEG verileri bebeklerde hızlı işitsel işleme ayrık frekans bantlarında salınım senkronize aracılık güçlü bir hipotez temelini oluşturmaktadır. Bu, 128 kanalı, yüksek densi araştırmak içinİki oran koşullarında (70 msn ISI ve Kontrol: Rapid 300 milisaniye ISI) sunulan ton çiftleri frekans değişikliği ile 4 aylık bebeklerin ty EEG yanıtları incelendi. Frekans bandının ve faaliyet büyüklüğünü belirlemek için, işitsel tepki ortalamaları birinci yaşa uygun beyin şablonları ile birlikte tescil edildi uyarılmış. Sonra, yanıtın temel bileşenleri tespit ve beyin aktivitesinin iki dipol modeli kullanılarak lokalize edildi. Hızlı durumda daha belirgin sol aktivasyon ile, sağ ve sol işitsel korteks hem de – (8 Hz 3) faaliyet salınım gücün Tek deneme analiz Teta bant patlamaları frekans değişikliği işleme sağlam endeksi gösterdi. Bu yöntemler bildirilen ilk bazı salınımların uyarılmış bebeklerde analizleri, ama aynı zamanda vardır, sadece veri üretmişlerdir da önemlisi, kayıt ve temiz, titizlikle toplanmış, bebek EEG ve ERPs analiz köklü bir yöntemin ürünü. Bu yazıda, i için yöntemi tarifnfant EEG net uygulama, kayıt, dinamik beyin tepki analizi ve temsili sonuçları.
Gelişimsel bozukluklar, geniş bir yelpazede, erken belirlenmesi ve sonuçta iyileştirme anahtarı gelişen beyin fonksiyonel ağları bir araya olarak devreye girer erken mekanizmaların anlaşılmasında yattığını giderek daha açık hale gelmektedir. Böylece, nöral desen zamansal dinamiklerini etkileyen biliş anlamakta ilgi var artar. Özellikle, özel bilişsel işlevler farklı olarak belirli frekans bantlarında (örneğin, döngüsel dalgalanmalar tek hücreli ya da nüfus zarı potansiyeli) 1 osilatör aktivite ile ilişkili olduğu. Önceki çalışmalar salınım dinamikleri, gelişmekte olan ağların 2-4 aktivite bağımlı öz-örgütlenme çok önemli bir rol oynamaktadır nöronal uyarılabilirliği 5,6 kontrol ve duyusal girdilerin 7,8 entegre olduğunu kurduk. Titreşim beyin aktivitesi av verimliliğini artırarak, 9,10 metabolik yararlı olacağı düşünülmektedirduyusal işleme fonksiyonları ve biliş ve dil gibi üst düzey fonksiyonlarının koordinasyonu ariety. Ancak, yaş ve insan bebeklerde davranış sonuçları ile bağlantıları arasında nöral senkronize rolü sistematik soruşturma henüz başarılı olmak için vardır. Bu amaca yönelik önemli bir adım zamansal dinamikleri ve erken dil dahil olmak üzere bilişsel süreçlerin geliştirilmesi destekleyen salınım mekanizmalarının ortaya çıkması ve olgunlaşması daha derin bir anlayış elde etmektir.
Dil gelişiminin çok önemli bir bileşeni doğru işlemek ve hızla değiştiği akustik sinyalleri kategorize yeteneği: genellikle milisaniye onlarca gibi küçük sırasına. Örneğin, sözcükleri "baba" ve "kötü" akustik dinamikleri sadece hece ilk 40 milisaniye boyunca akustik farklılık, henüz iki çok farklı anlamlar ve dernekler var. Önceki çalışmalar recepti bir olgunlaşma yörüngesini gösteriyorAkustik ve dilsel farklılıklara yeteneği ettik. Yaş gibi erken 2 ay gibi, bebeklerin hızlı frekans değişimleri ayırt etmek yeteneğini göstermek (örneğin, <100 msn); İki akustik benzer heceler arasındaki farkı tespit etmek için "donanım" yerinde olduğunu düşündürmektedir. Önümüzdeki birkaç ay içinde, bebekler, giderek daha küçük farklılıkları ayırt kategorik algı geliştirmek ve anadil hece 11-14 sesler için kortikal uzmanlık sergileyebilir. Hatta basit sesler için bu tür sesleri gibi – – erken göstergeleri sonra dil bozukluğu 15 olabilir karmaşık ses algısı, temel işleme mekanizmalarının işlevi dayandığından, bu yeteneği açıkları akustik farklılıkları hızla değişen algılamaya düşünülmektedir.
Bu laboratuvarda Choudhury ve Benasich önceki çalışma kuvvetle bir bebeğin yeteneği çok işlemek için olduğunu gösteren, bu hipotezi desteklerBasit sesler (örneğin, ton) hızlı değişimler 3 ve 4 yıllık dil ve bilişsel yeteneklerini 16,17 tahmin edebilirsiniz. Bu veriler önceden dilli bebeklerin beyin yanıtları işitsel işleme ve gelişimsel ilerlemenin bir göstergesi ölçülebilir sağlayabilir doğrulayın. Çalışma ve burada sunulan yöntemler bu ilişkinin altında yatan mekanizmanın temel yönlerini prob. Araştırmanın birkaç satır artık zirve gecikme ve ERP dalgaların genlik birden jeneratörler 18-23 EEG salınımlarının içinde spectrotemporal dinamikleri toplamı ortaya çıktığını göstermektedir. Spectrotemporal analiz de faz ve güç bilgilerinin ayırımını sağlar. Faz kilitli aktivite uyaran tarafından uyarılmış olan nöronal cevabın bir kısmını yansıtıyor. Tepkiler bir zaman kilitli olay göreli ortalama beri Bu tür bilgiler, ERP elde edilebilir ne benzer. Ancak, bazı nöronal aktivitenin zamanlaması deneme yargılanma değişebilir. ERP analizinde, tis etkinliği "dışarı ortalama" dir; Ancak deneme yargılanma güç değişiklikleri analizinde, bu bilgiler kurtarılamaz ve analiz edilebilir. Bu nedenle, faz ve güç spectrotemporal analizi, geleneksel ERP göre nöronal yanıt hakkında ek bilgiler verebilir. Bebek gelişimi ile ilgili olarak, salınımlar hayvan modellerinde 2,3 nöral devrelerin gelişmesine katkıda ancak bu mekanizmaların sadece insan popülasyonunda araştırılması başlamış olması önemli kanıtlar vardır. Bu laboratuvardan Çalışma teta göstermiştir ve gama salınım 6 aylık 24 de anadil uzmanlık ilişkilidir. Bu bebeklikte salınım hiyerarşilerin işlevselliğini vurgular.
Küresel hipotez, yukarıda sunulan kanıtlara dayanarak, işitsel korteks uyarılmış salınımlar senkron bebek beyin gelişimini destekler olmasıdır. Bu hipotezi test etmek de bir ilk adım, bir "temel olarak221; Erken bebeklik döneminde işleme elde edildi; yani, 4 aylık-yaş halen anadil uzmanlaşma 25,26 için "algısal daralma" önce düşünülmektedir. Buna göre, biz (Kontrol koşulu Saha-varyant bir "acayip paradigması" olarak sunulan ses çiftleri ve zift değişmeyen iki oran koşulları oluşan pasif dinleme sırasında kaydedilmiş bebek EEG verilerini tek deneme frekans analizi gerçekleştirilmiştir: 300 msn arası uyaran aralığı; Hızlı durum: 70 msn arası uyaran-aralık).
Burada hızlı bir işitsel işleme odaklanan çalışmalardan uyaranlara kullanarak bu yöntemi göstermektedir. Bu çalışmalar, bir "tuhaf paradigması" olarak, öngörülemeyen nöronal aktiviteyi, ama tanınabilir olayları değerlendirmek için kullanıldı. Bu paradigmada, öngörülemeyen ya da "garip" uyaranlara genellikle denir "Sapkın" yanıtlara beyin yanıtı, öngörülebilir uyaran için tepki ise, mos sunduZaman t genellikle "Standart" beyin yanıtı denir. Bir acayip paradigma sunulan uyaranlara verilen yanıtlar otomatik çok genç bebekler ile kullanmak için bu paradigma kolay hale odaklanmış dikkat olmadan elde edebilir. Işitsel uyaranların Tüm çalışmaya bağlı olarak değişir aralıklarla serbest alan hoparlörleri aracılığıyla sunulmaktadır. Daha önce belirtildiği gibi, bu çalışmada endeks hızlı işitsel işleme (RAP) yeteneklerini kullanıldığı sesler: yani, on-of-milisaniye akustik değişim 16,17,27,28 içeren duyulur. Bu diğer birçok uyaran türleri sesler yanı sıra enterfazla Gap ile Frekans veya Süre değişiklikleri yansıtan deviants ünsüz-sesli harf (CV) olmak üzere nörofizyolojik ayrımcılık, test için yararlıdır, ve / veya artan veya azalan frekans Sweeps kaydetti olabilir. Son olarak, biz de hiçbir uyaranın sunulduğu "sessiz oyun sırasında" kendiliğinden EEG kaydı öneririz. Bu veriler daha sonra olabilirtekrar stimülasyon yokluğunda titreşimli kaplin ve tutarlılığı ölçmek için kullanılır.
Bir bebek nüfus EEG aktivitesini kayıt benzersiz zorluklar bir dizi oluşturmaktadır. Örneğin, elektrotların yerleştirilmesi ve deney süresi boyunca bir yerde bırakarak işbirliği, sessiz oyuncaklar ile uğraşan ve deli bebek EEG eserler önlemek için hareketi en aza indirerek ve tutmak tüm zorlukları temsil etmektedir. Ayrıca, bebek verileri kolayca yetişkin / büyük çocuk verileri ile geliştirilen protokoller basit uygulamalar kendilerini ödünç yok. Birçok durumda bebek EEG gözlenen bileşenleri ve olaya ilişkin potansiyeller (OİP) arasındaki ilişki olarak değil kesin ne de her zaman yetişkin kabul ne için harita yok. Gelişimsel araştırmalar tipik ve düzensiz beyin fonksiyonlarının oluşumunu anlamak için güçlü bir potansiyele sahip olmakla birlikte, insan bebeklerin kayıt güvenilir ve yorumlanabilir beyin yanıtları ah gerektirirteknik ve kişilerarası alemlerde yeterlilik igh seviyesi. Bu sorunlar, ancak aşılabilir ve güvenilir EEG ve ERP veri paradigmalar kullanarak çeşitli farklı yaşlardaki bebeklerden kaydedilebilir. Burada analiz MATLAB ortamında 29 çalışan bir ücretsiz, açık kaynak kodlu ERP analiz paketi ile birlikte ERP kayıt ve analiz yazılımı piyasada mevcut kullanan genel bir yöntem tarif etmektedir.
Bu senkronizasyonu tehlikeye edildiğinde bebek beyin yanıtı kayıtları salınım analiz yöntemlerinin uygulama dil edinimi ile ilgili nöronal senkron gelişme daha mekanik sorular ve varsayılan altında yatan mekanizmaların incelenmesini sağlar. Böyle konuşma 24 heceler ve erken eğitim paradigmaları ile uzunlamasına analizlerde ya da bir arada kendiliğinden ya da "dinlenme" salınımlar 1 analizi gibi diğer uyaranlara kullanarak İlgili çabalar, t içine pencereler teklifemporal, mekansal ve tipik ve düzensiz gelişme yörüngeleri spektral dinamikleri. Bu çabalar işitsel gelişim ve plastisite üsleri anlayışımızı arttırmak ve gelişimsel dil bozuklukları için tanımlama ve iyileştirme stratejileri yardımcı olacağı umulmaktadır.
Burada anlatılan araştırma yöntemi spectrotemporal dinamikleri ve bebeklerde yüksek yoğunluklu işitsel uyarılmış EEG ve ERP beyin tepkilerinin anatomik konumu daha derin bir anlayış kolaylaştırmak açıklamaktadır. Analizi kolaylaştırmak, bu protokol kapsamında dört kritik adımlar vardır. İlk olarak, asgari bakıcı ve bebek sıkıntı ile uygun net uygulama ve konumlandırma olmayan sedasyon paradigmalara temiz EEG kaydı için temeldir. Uygun kafa ölçümü ve net boyutu seçimi yanı sıra başvuru sürecinde net yardımcısı ve şovmen kullanımı bu adımı gerçekleştirmek için anahtardır. İkincisi, bu test oturumu, sessiz oyun bebeği yürütmektedir birincil test, net asistanı ve şovmen, tarafından kolaylaştırdı bir durum sırasında ailesi için sakin, sessiz ve eğlenceli bir atmosfer oluşturulması önem taşımaktadır. Üçüncüsü, veri analizi için, bu yaşa uygun MR kafa modelleri kaynak lokalizasyonu için kullanılması önemlidir. kafa boyutu, bone ve cilt ve beyin omurilik alan en hassas yerelleştirme sonuçları elde etmek için test yaşa doğru olmalıdır. Son olarak, genel olarak, kortikal yanıtlar için, bu yüksek yoğunluklu ağ kullanılması da önemlidir (ör., Verilerin en azından 64 kanal) düşük artefakt kayıtları elde etmek şansını optimize etmek için.
Bu tekniğin bir sınırlama EEG veri kaynağı lokalizasyonu aktivitesi testleri site için altın standardı olmadığıdır. En iyi kafa modelleri ve ölçümler hala bile lokalizasyon ileri modeli aktivitesi konumu tahmin ediyor biri akılda tutmak gerekir. Bu nedenle, kaynak etkinliğine ilişkin bu bilgi deney koşulları ya da gruplar arasında karşılaştırılabilir bir şekilde deney tasarımı için gereklidir. Buna ek olarak, genel olarak, özellikle, uzunlamasına bir çalışmada, bebek testi eksik ya da eksik veri setleri ile dolu olabilir. Bu soruna getirilen çözümler a) r korumak için olankatılan aileleriyle elationships; b) bebek ve bakıcı için sessiz, sakin bir kayıt ortamı optimize; ve c) söz konusu havuzu abartma. Bizim ellerde, deneyimli bir pediatrik ekibi ile, biz düşük okul terk ve en az veri kaybı oranları elde var. 57 katılımcı ile 211 bebek kayıt oturumları uzunlamasına örneğinde biz% 98.6 veri saklama gösterir (örn., 208 kullanılabilir veri sonuçlandı oturumları) ve% 10 bırakma oranı (örn., 6 katılımcı başladıktan sonra devam koyamadık Deney). Böyle MEG ve NIRS gibi diğer teknikler üzerinde EEG bir avantajı, Subkortikal önyargılı etkinlik, farklı filtre bantları ile erişilebilir olmasıdır. Buna ek olarak, elektrot kafası ile giderken hareket için kontrol etmek daha kolaydır.
Bu protokol hakim sonra, bebek EEG ve osilatör dinamikleri deneysel uygulamalar bol miktarda bulunmaktadır. Biz ilk kortikal netwo gelişen tipik anlamak gerekir açıktırsırayla rks atipik organize olanlar tanımlamak için. Bu (salınımlar dahil) erken işitsel işleme mekanizmalarının bütünlüğü ideal işitsel deneyimler dahil olarak üretimi ve ses temsil plastisite bir rol oynar ve hangi model oluşturulması ihtiyacını göstermektedir, öğrendim. Resmi tanı meydana gelmeden önce bu modele göre, dil dışı işlem açıkları, belirtiler yıllar ile ilişkili ya da bazı durumlarda yıllarda edilebilir.
Gelecekteki araştırmalar frekans bandı özgü salınım dinamikleri, çapraz frekans faz bağlantı ve erken gelişme karşısında bölgesel eksitatör / inhibitör desen fonksiyonu dahil diğer ayrıntıları anlamak için gereklidir. Uyku gibi farklı durumları, içinde ek olarak, subkortikal aktivite ve testlerde, tipik bir gelişme daha eksiksiz bir resim vermek için gereklidir. Biz bu teknikle araştırma yüklenebileceğini tarafından sürecine önemli fikir verecektir inanıyorumh 'neurotypical' ve atipik salınım dinamikleri düzenlemek ve gelişmekte olan bilişsel ve dil becerileri ile etkileşim.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar minnetle Nörogelişimsel Araştırma ve NSF hibe # SMA-1041755 Learning Center, Öğrenme Merkezi bir NSF Bilim Zamansal Dynamics için Elizabeth H. Solomon Merkezi tarafından bu araştırma için destek kabul etmiş sayılırsınız. Özel teşekkür de katıldığı ailelere nedeniyle, ve bunların pratik ve entellektüel katkılarından dolayı Bebeklik Çalışmaları Laboratuvarı üyelerine. Kaynak yerelleştirme protokolünün geliştirilmesi için ve onun entelektüel giriş için Naseem Choudhury için Jarmo Hämäläinen Special thanks.
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 |