Det här protokollet beskriver en Blink luftkonditionering paradigm lämplig för experiment med ett-åriga spädbarn. Kommersiella eller skräddarsydda utrustning kan användas för att leverera stimuli och datainsamling och analys bör utföras på videoinspelningarna.
Klassiskt Blink luftkonditionering (EBC) refererar till lärda associationen mellan ett betingat stimulus (en auditiv ton) och ett obetingat stimulus (en puff av luft på hornhinnan). Blink luftkonditionering används ofta experimentellt att upptäcka avvikelser i lillhjärnan beroende av inlärning och minne som ligger bakom denna typ av associativ inlärning. Medan experiment hos vuxna och äldre barn är relativt enkel att administrera med kommersiell utrustning, är Blink luftkonditionering hos spädbarn mer utmanande på grund av deras bristande efterlevnad, vilket gör rätt placering av utrustningen svårt. För att uppnå luftkonditionering i ett-åriga spädbarn, kan en specialanpassade eller ett anpassat kommersiella system användas att leverera luft puff till barnets hornhinnan. Den största utmaningen ligger i framgångsrikt att upptäcka och klassificera de beteendemässiga svar. Vi rapportera att automatiserade blink upptäckt metoder är opålitliga i denna population, och att den luftkonditionering experiment bör analyseras med hjälp av bildruta-för-bildruta analys av kompletterande videokamera inspelningar. Denna metod kan tillämpas att studera utvecklingsmässiga förändringar i Blink luftkonditionering och att undersöka huruvida detta paradigm kan upptäcka barn med neurologiska sjukdomar.
EBC är en form av klassiskt villkora som vanligen används för att bedöma lärande och minne hos människor och andra djur. Konventionella EBC paradigm refererar till en lärd association mellan ett innocuous ‘luftkonditionerade’ stimulus (en auditiv ton) med ‘obetingade’ stimulans (en hornhinnan luft puff som inducerar en reflexiv blink, obetingat svaret). Associativ inlärning bedöms genom att presentera de betingat stimulus och klassificera ögonblink som luftkonditionering och obetingat Svaren-en ökning i antalet konditionerat svar över tid, eller över mer än en session, kan indikera associativa lärande sker.
Den Blink luftkonditionering paradigm kan användas för att identifiera individer med associativ inlärning funktionsnedsättningar. Dröjsmål luftkonditionering-var betingad stimulus (CS) börjar innan men överlappar den obetingat stimulansen (US)-styrs av cerebellär kretsar1,2, och är störd hos vuxna och barn med neurologiska sjukdomar, inklusive schizofreni3, autism4,5och fetala alkohol spectrum disorder6,7. Ur ett kliniskt perspektiv, kan att undersöka Blink luftkonditionering hos spädbarn stödja tidigare upptäckt och behandling av dessa neurologiska sjukdomar. Men även äldre barn kan tolerera en hornhinnan luft puff6,7,8 och kan bibehålla en stabil huvud/öga position under experimentet, är spädbarn mindre kompatibel och konventionella Blink detection utrustning och programvara är inte tillräckligt.
Här beskriver vi ett enkelt protokoll för att undersöka kort fördröjning Blink konditionering i ett-åriga barn, som har anpassats från protokoll tidigare beskrivits någon annanstans9,10,11. Detta protokoll kan ges med någon kommersiell eller skräddarsydda system som kan leverera en kontrollerad puff av luft till hornhinnan. Men i stället för kommersiella Blink upptäckt programvara (t.ex., San Diego instrumentets Blink Detection System, som bearbetar signaler från en infraröd kamera), vi, och andra9,10,11, rekommendera att du använder bildruta-för-bildruta analys av videokamera inspelningar att upptäcka och klassificera Blink svaren i ett-åriga spädbarn.
Modifieringar och felsökning:
Kommersiella eller skräddarsydda Blink luftkonditioneringssystem ska presentera stimuli till ämnet i ett experimentellt kontrollerade sätt och kunna upptäcka beteendemässiga svaren. Men detta är en icke-invasiv förfarande, de tekniska kraven för att genomföra dessa experiment i mindre kompatibel populationer (t.ex., spädbarn) är utmanande. Fysiskt fästa huvud-fästet för ögat är möjligt för djurförsök, såsom luftkonditionering experiment i fåren12,13. Äldre barn kan tolerera bär ett pannband med en bifogad luft-puff leverans enhet6,7,8 och kan uppmuntras att upprätthålla en konstant öga position med TV som en distraktion. Även om efterlevnad i mycket små spädbarn kan uppnås genom luftkonditionering under sömn14, äldre spädbarn närmar sig ett års ålder är i allmänhet lätt distraherad, vilket gör dem ett unikt utmanande befolkningen. Trots utmaningarna är Blink luftkonditionering experiment möjligt för vissa vaken, ett-årig spädbarn. Vår framgång priser är liknande dem som tidigare rapporterats i litteraturen (~ 40% – 50% överensstämmelse)9, med sannolikheten för framgång förmodligen reflekteras av barnets temperament på dagen för experimentet.
Kritiska steg i protokollet:
Vi rekommenderar att anpassa en kommersiellt tillgänglig EBC set-up, eller använda en specialbyggd luft tryckgenerator som tidigare beskrivits, för yngre spädbarn9,10,11. Första utmaning är att bibehålla air-puff leverans enhet i rätt position under hela experimentet, vilket kräver en mindre, modified pannsmycke. Öga säkerhet är en särskild oro för icke-kompatibla spädbarn som försöker ta bort pannsmycke själva. Spädbarn måste därför noggrant övervakas hela tiden. En del barn kommer inte att tolerera bär bygeln eller tar emot den luft puff för ögat (här, ~ 35%), även om detta kan förbättras genom att försiktigt distrahera barnet om det experimentellt protokollet tillåter detta och om detta inte påverkar öppet med spädbarn beteende. För de barn som utför experimentet, är air-puff-bara prövningar avgörande för att bekräfta att pannsmycke var felplacerad, som brist eller återföring av konditionering Svaren kan orsakas av dålig leverans av den luft puff hela experimentet.
Även manuell video analys är tidskrävande, är automatiserade åtgärder av spädbarn Blink Svaren för närvarande svårt att uppnå. Infraröda sensorer levereras med kommersiella EBC uppställningar (placerat på huvudbandet intill puff aggregat) registrerar ögonblick till ögonblick reflektansen från hornhinnan på en 1-kHz samplingsfrekvens och blinkar kan upptäckas genom att mäta förändringen i reflektans efter stimulans uppkomsten. Betydande förändringar från baslinjen reflektans indikerar att en Blink har inträffat, och automatiserad analys kan användas för att identifiera och klassificera blink svaren. Dock vi och andra9,10,11 föreslår att forskare inte bör lita på infraröd korneal reflektans mätningar med kommersiella EBC uppställningar att upptäcka blinkar i ett-åriga barn. Denna metod kan vara lämplig för vuxna deltagare eller äldre barn6,7, kunde vi inte tillförlitligt upptäcka blinkar i ett-åringar använder denna metod. Här observeras försumbar förändring baseline reflektansen över längden av rättegång epoken, som anger att Blink inte identifieras av den infraröda sensorn. Dessutom är falskt positiva toppar vanligt förekommande, som orsakas av barnets huvudrörelser som ändrar placeringen av sensorn. Pilot testning hos vuxna antyder att deltagaren måste fokusera på eller något över deras horisontella siktlinje, med puff aggregat placerade inom 1-2 cm från hornhinnan, identifiera de ögonblink-villkor som inte kan upprätthållas konsekvent med ett spädbarn. Små interpalpebral spricka storlek hos spädbarn kan dessutom minska korneal reflektans, gör Glimten upptäckten mer svårt än hos vuxna eller äldre barn.
Betydelse med avseende på befintliga metoder:
Trots behovet av manuell video kamera analys och med lägre temporal upplösning av en 60-Hz video jämfört med 1 kHz reflektans mätningar gör de förbättra framgångsrika videoinspelningar detta till en överlägsen metod att den infraröda sensorn. Även om den hornhinnan luft puff levereras också av samma pannsmycke tillbehöret som en kommersiell infraröd sensor, visas stimulans leverans vara mer motståndskraftiga mot positionering än den infraröda sensorn, som luft puff styrka kan justeras som krävs. Detta undviker överdriven justering av pannbandet, som tenderar att minska spädbarn efterlevnad. Forskare som kan uppnå högre framgångsrika med den infraröda sensorn kan fortfarande kräva stödjande videokamera analysen. För försök där det finns inga påvisbara Blink svar registreras av den infraröda sensorn, videoinspelningar kan skilja mellan sant svar eller ogiltig prövningar (dvsom barnet var klädd enheten luft puff i rätt position, om de blinkar inte, eller huruvida den infraröda sensorn underlåtit att upptäcka blink). Videoinspelningar är likaså nödvändigt att bekräfta falska positiva resultat, som rörelser under rättegången kan också ge upphov till artefakter maskerad som blinkar. Eye-tracking apparater15,16 och Elektromyografi9,10,14 i orbikularis okuli muskeln är andra automatiserade metoder för Glimten upptäckten som är utanför ramen för denna uppsats, Trots utan visuell bekräftelse av puff aggregatet positionering för varje prövning, dessa metoder kommer sannolikt att drabbas av samma nackdelar som den infraröda Blink Upptäck programvara som beskrivs här.
Tidigare har publicerade arbete på öga-blink luftkonditionering fokuserat på yngre spädbarn, normalt 4-5 månaders ålder. Detta arbete utökas denna mängd litteratur som beskriver tekniker för användning med äldre spädbarn (12 ± 1 månads ålder) och de unika utmaningar som denna åldersgrupp presenterar. Andra författare har också använt videoanalys (antingen ensamt eller i kombination med elektromyografi) med spädbarn9,10,11,14. De resultat som presenteras här är förenliga med dessa tidigare fynd som tyder på bildruta-för-bildruta video analys är det bästa sättet att upptäcka ögonblink hos spädbarn, eftersom både Elektromyografi och infraröd övervakning kan vara problematisk på grund av ansikts- och huvud rörelser hos mycket små barn. Detta arbete stöder också konstaterandet att spädbarn kan utveckla konditionerat svar även på mycket unga åldrar, åtminstone för en 650-ms fördröjning intervall9.
Framtida tillämpningar:
Eftersom ett begränsat antal studier har försökt Blink luftkonditionering experiment i mänskliga spädbarn, bör parametrarna stimulans övervägas noggrant i framtiden experiment. Luftkonditionering har observerats så tidigt som 10 dagar av ålder17 och minst inom den första månaden av liv14, även om en lång mellan stimulus-intervallet (t.ex., 1 500 ms) verkar vara mer framgångsrika i dessa mycket tidiga stadier av Linda18 . I jämförelse, barn närmar sig sex månaders ålder kan mer tillförlitligt konditioneras med ett kortare intervall10, även om mindre framgångsrikt än vuxna19. 650-ms intervallet mellan tonen och den luft puff föreslog för ett-åriga barn i detta protokoll kan framgångsrikt inducera konditionering 4 – eller 5-månad-gammal spädbarn9,10,11, såväl som i äldre barn6,7. Detta tyder på att Blink luftkonditionering regleras på ett godtagbart sätt, med optimal fördröjningen mellan tonen och den luft puff minskar med begynna åldern10, även om ytterligare experiment anpassa detta protokoll krävs att undersöka dessa utvecklingsmässigt ytterligare parametrar.
Begränsningar av denna teknik:
EBC kan vara svårt för att ställa in och kan kräva felsökning i varje enskild situation. Fastställa när luftkonditionering har ägt rum är svårt att definiera och observeras bäst över flera prövningar eller sessioner. Exempelvis har andra studier använt en godtycklig luftkonditionering andelen 40% inom varje block av 10 försök för att definiera luftkonditionering och jämfört ändringar mellan successiva experimentella sessions6,9,10, 11. Framgångsrikt slutföra det nödvändiga antalet prövningar att iaktta luftkonditionering kan därför vara svårt att uppnå i små barn.
När det gäller dataanalys, en av de särskilda utmaningarna separera stimulus-framkallat blinkar från spontana (endogen) blinkar9. Frekvensen av spontana ögonblink är olika mellan individer men kan påverkas av miljöfaktorer såsom luftfuktighet, samt beteendemässiga stater. Dubbelrum blinkar uppstå när det finns två kompletta ögonlocket nedläggningar på mycket kort tid (t.ex., 400 ms)20, och det är möjligt att dessa återspeglar spontana blinkar inträffar vid samma tidpunkt som en reflexiv (betingad eller obetingade) Blink. Vi observerade ibland dubbel blinkar i våra data och använder det här protokollet, vi spelade in latensen till det första blink bara. Dock kan kasta dessa prövningar öka rättssäkerheten att analysen är att fånga stimulus-framkallat blinkar bara.
Forskare måste också fatta beslut om fönstret latens i som att definiera en betingad eller obetingat svar, samt om du vill definiera latens till blink uppkomsten eller blink peak (ögonlocket stängning). Vi har här konservativt definierat en betingad respons som en blinkning som toppar före 650 ms i antingen Parade eller oparade prövningar, för att ge säkerhet att blinkar initieras innan luft puff i stället för att bemöta den luft puff. Dock kunde denna latens fönster förlängas oparade prövningar där ingen luft puff presenteras, särskilt om använda blink topp för att definiera fördröjning av svaret. Den viktiga principen här är att alla instanser behandlas på samma sätt, av alla granskare, och att detta kriterium bestäms innan någon data analys.
Sammanfattningsvis, kan bildruta-för-bildruta video analys ge en tillförlitliga och reproducerbara metod för bedömning av klassiskt EBC svaren i unga spädbarn. Dessa åtgärder ger ett mått på lärande beteende, även om en omfattande utvecklingsmässig bedömning krävs för att fullständigt karakterisera neuroutvecklingssjukdomar i Linda.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av den nya Zeeland Optometric Vision Research Foundation, den Health Promotion Agency, The University of Auckland fakulteten forskning utvecklingsfonden, och The University of Auckland School of Medicine PBRF fond.
Vi är tacksamma att de två optometri-studenterna från The University of Auckland (Shannon Boy och Harpreet Singh) som avslutat den manuell video analysen för att undersöka avtalet i blink svar mätningar.
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 |