This protocol presents a novel methodology for the neural decoding of intent from freely-behaving infants during unscripted social interaction with an actor. Neural activity is acquired using non-invasive high-density active scalp electroencephalography (EEG). Kinematic data is collected with inertial measurement units and supplemented with synchronized video recording.
Understanding typical and atypical development remains one of the fundamental questions in developmental human neuroscience. Traditionally, experimental paradigms and analysis tools have been limited to constrained laboratory tasks and contexts due to technical limitations imposed by the available set of measuring and analysis techniques and the age of the subjects. These limitations severely limit the study of developmental neural dynamics and associated neural networks engaged in cognition, perception and action in infants performing “in action and in context”. This protocol presents a novel approach to study infants and young children as they freely organize their own behavior, and its consequences in a complex, partly unpredictable and highly dynamic environment. The proposed methodology integrates synchronized high-density active scalp electroencephalography (EEG), inertial measurement units (IMUs), video recording and behavioral analysis to capture brain activity and movement non-invasively in freely-behaving infants. This setup allows for the study of neural network dynamics in the developing brain, in action and context, as these networks are recruited during goal-oriented, exploration and social interaction tasks.
기본적인 인간의 기능 중 하나는 전략적 목표와 보상의 서비스에 학습과 행동 (액션 생산)를 배포 할 수있는 기능이며, 적절한 사회적 반응을 생산하기 위해 사회적 파트너 (액션 이해)의 목표를 체포 할 수있는 능력, 그리고 능력 관찰과 모방 (1)을 통해 다른 사람으로부터 배울 수 있습니다. 이러한인지 기능 모터의 신경 기초 소위 거울 신경 세포 시스템에 적어도 부분적으로 기인 된; 하나의 동작을 수행하는 사람이 볼 때 하나의 액션을 수행 할 때 고려되는 시스템을 결합한다. 그러나, 거울 신경 세포 시스템과 동작 이해 전위 사이의 링크는 아직 잘 이해되지 1된다. 인간 유아에서이 거울 신경 세포 시스템의 출현과 발전을 연구하는 의도와 세밀한 움직임 데이터와 상관 뇌 활동의 멀티 모달 데이터 수집의 기술적 한계)에 의해 방해되어, b) 비 천연 (예를 들면, 비디오 테이프에 도시 화제와 사회적 상호 작용, 뇌파 동안에 아티팩트를 최소화하기 위해 정지 자세를 유지하기위한 요구 (EEG) 녹음 등) 아르 실험 프로토콜에 의해 부과 된 제약 조건, 및 c) 통신 / 언어 장벽은 젊은 유아 / 크게 지시를하고 행동을 검증하기 위해 연구자의 능력을 제한하는 유아를 테스트 할 때.
다양한 신경과 자연의 행동에 행동 역학의 더 나은 이해를 위해, 우리는 어린 아이에서 목표 지향적, 사회적 행동을 신흥의 신경 기판의 시간 해결 연구를 할 수있는 새로운 실험 및 분석 방법을 개발했다. 특히, 우리는 실험과의 상호 작용 동안 자유롭게 행동 유아에서 기록 두뇌 활동과 운동 EEG 기반의 모바일 뇌 영상 (MOBI) 방법 2를 배치했다. 관성 측정 단위 (의 IMU)은 월 사용되었다당사 홈페이지에서 제목과 실험자의 운동.
뇌파 기술과 관성 센서는 실험 / 배우와 즉흥적 인 상호 작용에 유아 '액션 모방과 목표 지향적 행동에 관련된 신경 패턴과 활성화를 연구하는 데 사용되었다. 이러한 범위-파악 등의 작업은,-제공에 도달, 나머지를 관찰하고 탐구하는 것은 모방에 관련된인지 모터 과정의 일부입니다. 또한, 우리는 이에 따라 뇌 전체에 신경 전류의 시공간 역학을 공부하고, 행동 작업하는 동안 뇌 내에서 전위의 발전기 국산화 소스 추정을 사용합니다. 마찬가지로 우리는 평가하고 센서 (EEG) 및 / 또는 소스 공간에서 신경 활동에 작업 관련 시공간 패턴을 식별하여 이러한 행동 행동의 예측 가능성을 측정하는 기계 학습 알고리즘을 배포합니다. 통합은 전통적인 ERD / ERS는, 소스 및 복호화 분석은보다 포괄적 developmen는 제공이러한 행동의 신경 기초의 탈 설명.
이 설정은 우리가 MOBI 접근 2,3의 장점을 악용 유아 그들은 자연적으로 제한없이 발생하는 실험 사이의 사회적 상호 작용을 연구 할 수 있었다.
프로토콜은, 시간에서 피사체가 그 / 그녀가 잎, 완성하는데 약 1 시간 소요 시간에 도착한다. 헤어 길이와 피사체의 협력 등의 요인에 따라 25 분 – IMU / EEG 설치 시간 및 전극 위치 인수 (15)에 따라 다릅니다. 장치의 초기화 및 구성은 10 분까지 추가하고, 테스트 세션은 약 15 분 동안 지속된다. 알레르기 젤에서 유아의 머리를 청소 포함의 IMU와 뇌파 캡의 제거는, 5 ~ 10 분 소요됩니다.
기술 된 프로토콜은 실시간 실험자와 상호 작용하면서 자유롭게 행동 유아로부터 데이터를 수집하는 방법을 제공한다. 그것은 동시에 전략적 신체 위치에의 IMU와 운동 데이터를 기록하는 동안 신경 활동을 캡처하는 모바일 뇌 영상 기술 (두피 뇌파)를 사용한다. 실험 세션은 또한 비디오 카메라에 의해 기록된다. 세 개의 데이터 기록 시스템은 사용자 트리거 시스템을 이용하여 동기화된다.
그 / 그녀가 자유롭게 실험 세션 동안 이동으로 EEG와 IMU 시스템은 피사체에 묶여있다. 정확하게 운동을 캡처 할 수의 IMU는 안전하게 묶여 될 필요가있다. 피사체의 전체 미 제약 이동성을 보장하기 위해, 장치는 가능한 한 최소한으로 방해이어야; 따라서, 홀더의 사용은 EEG 전극의 케이블 및 EEG 컨트롤 박스를 지원한다. 실험은 약 15 분 동안 유아와 상호 작용합니다. INFANT는 상호 작용하는 동안 행동의 시대에 의존하는 레퍼토리를 이끌어내는 것입니다. 이러한 관찰, 탐구, 휴식, 도달-이해에 도달-서비스를 포함하고, 모방. 그러나 일부 유아 인해 피로, 편안함, 또는 스트레스의 부족으로 세션에 협력하지 않으려 할 것이다. 아이가 그 / 그녀의에서 부정적인 응답의 선두로부터 방지하기 위해 가장 역동적이고 활성화 된 경우 실험을 예약해야합니다.
실험의 성질은 세션에 걸쳐 기록 된 데이터의 품질에 대한 위험을 제공한다. 따라서, 기록 세션을 시작하기 전에 모든 연결 및 데이터 품질을 테스트하기 위해, 그리고 세션 동안 연속적으로 그것들을 모니터하는 것이 중요하다. EEG 데이터 시스템이 품질 데이터를 기록되지 않은 경우, 소프트웨어를 중단하고 모든 연결을 분리. 소프트웨어를 다시 시작하거나 노트북에 다시 장비를 연결하기 전에, 기록 하드웨어의 근접에서 가능한 모든 노이즈 소스 (즉, 전원 공급 장치)를 제거합니다. EEG 하드웨어는 전기 노이즈 소스에 가깝게 배치하면 환경 소음을 선택할 수 있습니다 신호 증폭기가 포함되어 있습니다. IMU 수신기, 수신기와 실험과 유아 사이의 시선에서 간섭이없는 것을 확인합니다.
이 실험 장치는 두피의 표면에 전기적 활성도를 측정함으로써 높은 시간적 해상도 신경 데이터를 제공한다. 최근 연구에서 제안 된 데이터 수집 방식은 신경의 더 나은 이해가 발생할 수 있음을 시사 표현의 움직임 (20)에 대한 분류 정보를 식별하기 위해, 전신 운동과 함께 이들 신호를 이용하는 가능성 및 기능 동작 (21, 22)을 보여 주었다 유아 모방의 기초.
뇌 역학 13,20,21를 적용 강력한 기계 학습 알고리즘을 특징으로 최근의 기여는 자연 그 자체의 표면 전위를 연구하기 위해 성장 툴킷을 구축하고있다ttings. 이 제안 된 설정은 연구 질문에 대한 가능성의 스펙트럼이 2,22를 해결해야합니다. 특히, 피사체의 많은 인구에 기초 유아인지 모터 개발 신경 기초 이해)에 집중 조사에 적용될 수있다; b)는 들어오는 행동 행동의 예측해야한다 '행동과 상황'에있는 아기의 의도의 신경 기초를 이해; C) 개발 뇌의 개성과 다양성을 특징 짓는 것이 일반적인 독특한 신경 패턴을 정량화; 및 d) 모방하고 학습 과정의 출현을 연구. 이러한 목표는 정보를 뇌 유래 전위 운동 또는 근육 유물 12,20,23 모두에서 통계적으로 풍부한 데이터를 처리 할 수 있습니다 기계 학습 알고리즘의 배포를 수반한다.
본 연구는 유아 EEG 데이터를 이용하여 피질 소스 및 전계 전위를 추정하려고 시도. 으로 인해이러한 유아 헤드 전도도 값 및 피질 두께의 물질 기술의 부족 등의 기술적 인 문제는, 헤드 모델의 정확한 모델링은 어려운 작업이다. 추가 연구는 유아 24 비침 지역 조직 도전 추정치가 필요하다. 유아 MRI 데이터의 두피 표면 분할로 인해 개발 인간의 뇌 (25)의 이미지에서 볼 수있는 가난한 대비에 추가로 도전을 선물한다. 미래 연구는 이러한 어려움을 해결하기 위해 필요와 유아 발달과 행동의 다양한 신경 생리 학적 상관 관계를 추정한다.
마지막으로, 제안 된 실험 프로토콜 및 방법 등의 가능성이 자폐증 스펙트럼 장애 (ASD)와 유아로 발달 장애를 가진 사람들의 연구에 배치 될 수있다. 이러한 애플리케이션에서는, 두 그룹 (제어 및 ASD)을 특성화하기 대조군과 적절한 발달 평가를 포함하는 것이 바람직 할 것이다. 시험을위한PLE, 연구 그룹은 자폐증 진단 관찰 스케줄 (26) 평가 유아 형제 (ASD에 대한) 모든 위험이 높은 구성 될 수있다, 증상의 심각도 (27)와 조기 교육 (28)의 현상금 저울은 일반적인인지 능력을 특성화한다. 가능한, 확산 강조 MRI 검사는 29 매우 바람직 할 것이다 경우.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 아동 건강 및 인간 개발 (NICHD) 상 # 1 P01의 HD064653-01의 유니스 케네디 슈라이버 국립 연구소에 의해 지원되었다. 내용은 전적으로 저자의 책임이며 반드시 NICHD 또는 국립 보건원의 공식 견해를 대변하지 않습니다.
BrainAmp Amplifier | Brain Products, Gmbh | ||||
actiCAP EEG cap- 64 electrodes* | Brain Products, Gmbh | ||||
actiCAP Control Box | Brain Products, Gmbh | ||||
Brain Vision Recorder software v1.20.0601 | Brain Products, Gmbh | ||||
actiCAP Control Box software v1.2.5.2 | Brain Products, Gmbh | ||||
CapTrak | Brain Products, Gmbh | ||||
CapTrak software v1.0.0 | Brain Products, Gmbh | ||||
Opal movement monitor | APDM, Inc | ||||
Opal docking station | APDM, Inc | ||||
Opal wireless access point | APDM, Inc | ||||
Motion Studio software v1.0.0.201503302222 | APDM, Inc | ||||
Trigger box | Custom | ||||
Video camera | HC-W850M, Panasonic Co. | ||||
*The EEG caps come in the following head circumference sizes for infants: 42, 44, 46, 48, 50cm. For this protocol, a stock of 2 caps of each size is recommended. |