Denne protokol beskriver en eyeblink conditioning paradigme egnet til eksperimenter med ét-årige spædbørn. Kommercielle eller specialfremstillet udstyr kan bruges til at levere stimuli, og indsamling af data og analyse bør udføres på video-optagelser.
Klassisk eyeblink conditioning (EBC) refererer til den lærde association mellem en betinget stimulus (en auditiv tone) og en unconditioned stimulus (et pust af luft til hornhinden). Eyeblink conditioning bruges ofte eksperimentelt til at opdage abnormiteter i cerebellare-afhængige indlæring og hukommelse, der ligger til grund for denne type af associative læring. Mens eksperimenter i voksne og ældre børn er forholdsvis enkel at administrere ved hjælp af kommercielle udstyr, er eyeblink condition hos spædbørn mere udfordrende på grund af deres ringe overholdelse, hvilket gør korrekt placering af det udstyr, der er svært. For at opnå conditioning i et-årige spædbørn, kan en skræddersyet eller en tilpasset kommercielle system bruges til at levere luften pust til barnets hornhinden. Den største udfordring ligger i med succes afsløre og klassificere de adfærdsmæssige reaktioner. Vi rapporterer at automatiseret blink påvisningsmetoderne er upålidelige i denne befolkning, og at conditioning eksperimenter skal analyseres, ved hjælp af frame-by-frame analyse af supplerende videokamera optagelser. Denne metode kan anvendes til at studere udviklingsmæssige ændringer i eyeblink conditioning og undersøge, om dette paradigme kan registrere børn med neurologiske lidelser.
EBC er en form for klassisk konditionering, der er almindeligt anvendt til at vurdere læring og hukommelse hos mennesker og andre dyr. Den konventionelle EBC paradigme refererer til en lærd association mellem en uskadelige ‘aircondition’ stimulus (en auditiv tone) med den ‘ubetingede’ stimulus (en hornhinde luft pust, der inducerer en refleksiv eyeblink, unconditioned svar). Associative læring er vurderet ved at præsentere konditioneret stimulus og klassificere eyeblinks som aircondition og unconditioned svar-en stigning i antallet af konditioneret svar over tid, eller over mere end én session, kan indikere associative læring foregår.
Eyeblink conditioning paradigme kan bruges til at identificere personer med associative læring funktionshæmninger. Forsinkelse conditioning-hvor konditioneret stimulus (CS) begynder før men overlapper unconditioned stimulus (US)-styres af cerebellare kredsløb1,2, og er forstyrret hos voksne og børn med neurologiske lidelser, herunder skizofreni3, autisme4,5og føtale alkohol spektrum disorder6,7. Fra et klinisk perspektiv, kan undersøge eyeblink condition hos spædbørn støtte tidligere påvisning og behandling af disse neurologiske lidelser. Men, mens større børn kan tåle en hornhinde luft pust6,7,8 og kan fastholde en stabil hoved/øje position for varigheden af forsøget, spædbørn er mindre kompatible, og konventionelle eyeblink opdagelse udstyr og software er ikke tilstrækkelig.
Her beskriver vi en enkel protokol for at undersøge kort-forsinkelse eyeblink conditioning i 1-årige børn, der er blevet tilpasset fra protokoller tidligere beskrevet andetsteds9,10,11. Denne protokol kan administreres ved hjælp af enhver kommerciel eller skræddersyet system i stand til at levere en kontrolleret pust af luft til hornhinden. Men i stedet for kommercielle eyeblink afsløring software (fx, San Diego Instrument EyeBlink Detection System, som behandler signaler fra en infrarød kamera), vi, og andre9,10,11, anbefale at bruge frame-by-frame analyse af video kamera optagelser til at registrere og klassificere eyeblink svar i et-årige spædbørn.
Ændringer og fejlfinding:
Kommercielle eller skræddersyede eyeblink conditioning systemer bør præsentere stimuli til emnet på en eksperimentelt kontrolleret måde og være i stand til at opdage de adfærdsmæssige reaktioner. Selv om dette er en non-invasiv procedure, udfordrende de tekniske forskrifter for udførelse af disse eksperimenter i mindre kompatible populationer (fx, spædbørn). Fysisk montering hoved-mount for øjet er muligt for dyreforsøg, såsom conditioning eksperimenter i får12,13. Ældre børn kan tåle iført en hovedbøjle med en vedhæftet luft-puff levering enhed6,7,8 og kan tilskyndes til at fastholde en konstant øje med fjernsyn som en distraktion. Selv om compliance hos meget unge spædbørn kan opnås ved conditioning under søvn14, ældre spædbørn nærmer sig et år er generelt let distraheret, hvilket gør dem et unikt udfordrende befolkning. Trods udfordringerne er eyeblink conditioning eksperimenter muligt for nogle vågen, et-årige spædbørn. Vores succesrate er magen til dem, der rapporterede tidligere i litteratur (~ 40% – 50% overholdelse)9, med sandsynligheden for succes nok afspejles af barnets temperament på dagen af forsøget.
Kritiske trin i protokollen:
Vi anbefaler tilpasse et kommercielt tilgængelige EBC set-up, eller ved hjælp af en specialbygget luft pres generator som tidligere beskrevet, for yngre spædbørn9,10,11. Den første udfordring er at bevare luft-puff levering enheden i den korrekte position i hele det eksperiment, som kræver en mindre, ændret medaljon. Eye sikkerhed er en særlig bekymring for ikke-overensstemmende spædbørn, der forsøger at fjerne medaljon sig selv. Derfor, spædbørn skal overvåges nøje på alle tidspunkter. En del af børnene vil ikke tolerere iført hovedbøjlen eller modtager luft pust til øjet (her, ~ 35%), selv om dette kan forbedres ved forsigtigt distraherende barnet hvis det forsøgsplan tillader dette, og hvis dette ikke åbenlyst forstyrrer spædbarn adfærd. For de børn, der udfylder eksperimentet, er luft pust kun forsøg afgørende for at bekræfte, at medaljon blev placeret korrekt, som mangler eller tilbageførsel af conditioning svar kan være forårsaget af dårlig levering af luft pust gennem hele eksperimentet.
Mens manuel video analyse er tidskrævende, er automatiseret foranstaltninger af spædbarn eyeblink svar i øjeblikket vanskeligt at opnå. Infrarøde sensorer leveres med kommercielle EBC set-ups (placeret på hovedbøjlen støder op til luft pust enhed) optage øjeblik til øjeblik reflektionsgrad fra hornhinden på et 1-kHz samplingfrekvens, og blinker kan påvises ved at måle ændringen i Reflektionsgraden efter stimulus debut. Væsentlige ændringer fra baseline Reflektionsgraden angive, at en eyeblink er opstået, og automatiseret analyse kan bruges til at registrere og klassificere blink svar. Men vi og andre9,10,11 tyder på, at forskere ikke bør stole på infrarød hornhinde Reflektionsgraden målinger med kommercielle EBC set-ups at opdage blinker i 1-årige børn. Selv om denne metode kan være egnet til deltagere, voksne eller ældre børn6,7, var vi ude af stand til pålideligt registrere blinker i et-årige ved hjælp af denne metode. Her, er ubetydelig ændring i baseline reflektionsgrad observeret over længden af den retssag epoke, der angiver, at eyeblink ikke er opdaget af den infrarøde sensor. Desuden, er falsk positive toppe almindeligt observeret, som er forårsaget af barnets hoved bevægelser, der ændrer placeringen af sensoren. Pilot forsøg hos voksne tyder på, at deltageren skal fokusere på eller lidt over deres vandrette linje af syne, med luft pust enheden placeret inden for 1-2 cm af hornhinden, til med succes afsløre eyeblinks-betingelser, der ikke kan opretholdes konsekvent med et spædbarn. Derudover kan små interpalpebral revne størrelse hos spædbørn reducere hornhindens reflektionsgrad gør blink detection mere vanskeligt end hos voksne eller ældre børn.
Betydning med hensyn til eksisterende metoder:
Trods behovet for manuel videokamera analyse og den lavere tidsmæssige opløsning af en 60-Hz video i forhold til 1-kHz Reflektionsgraden målinger gøre den bedre succesrate på video-optagelser dette en overlegen metode til infrarød sensor. Selvom hornhinde luft pust er også leveret af den samme medaljon vedhæftet som en kommerciel infrarød sensor, vises stimulus levering at være mere modstandsdygtige over for positionering end den infrarøde sensor, som luft pust styrken kan justeres som krævet. Dette undgår overdreven regulering af pandebånd, som har tendens til at reducere spædbarn overholdelse. Forskere, der kan opnå højere succesrate ved hjælp af infrarød sensor kan stadig kræve støtte video kamera analyse. For prøver er der ingen påviselig eyeblink respons registreres af den infrarøde sensor, videooptagelser kan skelne mellem sande svar eller ugyldigt forsøg (dvs., om barnet var iført luft pust enhed i den korrekte position, om de ikke blinker, eller om den infrarøde sensor undladt at registrere blink). Video-optagelser er ligeledes nødvendigt at bekræfte falsk-positive resultater, som bevægelser under retssagen kan også producere artefakter maskeret som blinker. Eye-tracking apparater15,16 og Elektromyografi9,10,14 af orbicularis oculi musklen er andre automatiserede metoder til registrering af blink, der ligger uden for denne hvidbogs anvendelsesområde selv om uden visuel bekræftelse af luft pust enhed positionering for hvert forsøg, er disse metoder tilbøjelige til at lide de samme ulemper som de infrarøde eyeblink afsløring software beskrevet her.
Tidligere har offentliggjorte arbejde på eye-blink conditioning fokuseret på yngre spædbørn, typisk 4-5 måneder i alder; Dette arbejde giver dette organ af litteratur ved beskriver teknikker til brug med ældre spædbørn (12 ± 1 måned gammel) og de unikke udfordringer denne aldersgruppe præsenterer. Andre forfattere har også brugt video analyse (enten alene eller i kombination med Elektromyografi) med spædbørn9,10,11,14. Resultaterne præsenteres her er i overensstemmelse med disse tidligere resultater, som tyder på, indramme-af-indramme video analyse er den bedste metode til påvisning af eyeblinks hos spædbørn, som både Elektromyografi og infrarød overvågning kan være problematisk på grund af ansigtet og hovedet bevægelser i meget små børn. Dette arbejde understøtter også den konstatering, at spædbørn kan udvikle konditioneret svar selv i en meget ung alder, i det mindste for en 650-ms forsinkelse interval9.
Fremtidige ansøgninger:
Som et begrænset antal studier har forsøgt eyeblink conditioning eksperimenter i menneskelige spædbørn, bør stimulus parametre overvejes nøje i fremtidige eksperimenter. Condition er blevet observeret så tidligt som 10 dage af alder17 og mindst inden for den første måned af livet14, selv om en længe mellem stimulus interval (f.eks.1.500 ms) synes at være mere succesfuld i disse meget tidlige stadier af vorden18 . I sammenligning, børn nærmer sig seks måneder kan mere pålideligt konditioneres med et kortere interval10, selv om mindre succesfuldt end voksne19. 650-ms interval mellem tonen og luft pust foreslog for et-årige børn i denne protokol kan med held fremkalde konditionering i 4 – eller 5-måned-forhenværende spædbørn9,10,11, såvel som i ældre børn6,7. Dette tyder på, at eyeblink conditioning er udviklingshæmmede regulerede, med den optimale forsinkelse mellem tonen og luft pust faldende med spædbarn alder10, selv om yderligere eksperimenter tilpasse denne protokol er forpligtet til at undersøge disse yderligere parametre.
Begrænsninger af denne teknik:
EBC kan være en udfordring for at sætte op og kan kræve fejlfinding i hver enkelt situation. Bestemme, hvornår conditioning er sket er svært at definere og observeres bedst over flere forsøg eller sessioner. For eksempel, har andre undersøgelser brugt en vilkårlig conditioning sats på 40% inden for hver blok af 10 forsøg for at definere conditioning og sammenlignet ændringer mellem successive eksperimentelle sessioner6,9,10, 11. Endt det nødvendige antal forsøg at observere conditioning kan derfor være vanskeligt at nå hos ung børn.
Med hensyn til dataanalyse, en af de særlige udfordringer adskille stimulus-fremkaldte blinker fra spontane (endogene) blinker9. Satsen for spontan eyeblinks er forskellige mellem individer men kan påvirkes af miljømæssige faktorer såsom værelse fugtighed samt adfærdsmæssige stater. Dobbelt blinker forekomme når der er to komplette øjenlåg lukninger inden for meget kort tid (fx, 400 ms)20, og det er muligt, at disse afspejler spontan blinker forekommer på samme tid som et refleksivt (betingede eller ubetingede) eyeblink. Vi observeret lejlighedsvis dobbelt blinker i vores data sæt, og bruger denne protokol, vi indspillede ventetid til den første glimt kun. Men, kassere disse forsøg kan øge sikkerhed at analysen er at indfange stimulus-fremkaldte blinker kun.
Forskere vil også nødt til at træffe beslutninger på vinduet ventetid i til at definere en aircondition eller unconditioned reaktion, samt om at definere ventetid til blink debut eller blink peak (øjenlåg lukning). Her har vi konservativt defineret en konditioneret svar som et blink, der topper før 650 ms i enten parvis eller uparret forsøg, at give sikkerhed at blinke er indledt før luft pust indsættende og ikke som reaktion på luft pust. Dog kunne latency vinduet udvides til uparret forsøg hvor ingen luft pust præsenteres, især hvis bruge blink peak for at definere latency svar. Det vigtige princip her er at alle tilfælde behandles på samme måde, af alle eksaminatorer, og at dette kriterium bestemmes forud for enhver data analyse påbegyndes.
I Resumé, kan indramme-af-indramme video analyse give en pålidelig og reproducerbar metode til vurdering af klassisk EBC svar i unge spædbørn. Disse foranstaltninger giver et mål for læring adfærd, selvom en omfattende udviklingsmæssige vurdering kræves til fuldt ud at beskrive nervesystemets udvikling i vorden.
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev støttet af den newzealandske Optometric Vision Research Foundation, Health Promotion Agency, The University of Auckland Fakultet forskning Udviklingsfond, og The University of Auckland School of Medicine PBRF fond.
Vi er taknemmelige for de to Optometry studerende fra The University of Auckland (Shannon dreng og Harpreet Singh) der har udfyldt den manuelle video analyse for at undersøge aftalen i blink reaktion 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 |