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.
Processamento auditivo rápida e capacidades de detecção de mudança acústica desempenhar um papel crítico em permitir que bebês humanos para processar com eficiência espectral fina e mudanças temporais que são característicos da linguagem humana. Essas habilidades estabelecer as bases para a aquisição da linguagem eficaz; permitindo que as crianças para aprimorar em os sons de sua língua nativa. Procedimentos invasivos em animais e potenciais gravada em couro cabeludo de adultos humanos sugerem que simultânea, atividade rítmica (oscilações) entre e dentro das regiões do cérebro são fundamentais para o desenvolvimento sensorial; determinar a resolução com a qual os estímulos de entrada são analisados. Neste momento, pouco se sabe sobre a dinâmica oscilatórios em desenvolvimento infantil humano. No entanto, os dados dos animais neurofisiologia e adulto EEG fornecer a base para uma hipótese forte que o processamento auditivo rápida em lactentes é mediada pela sincronia oscilatório em bandas discretas de frequência. Para investigar isto, 128 de canal, de alta Densirespostas ty EEG de bebês de 4 meses de idade a mudança de frequência em pares de tons, apresentados em duas condições de taxa (Rapid: 70 ms ISI e de controle: 300 ms ISI) foram examinados. Para determinar a faixa de freqüência e magnitude da atividade, evocados auditivos médias de resposta foram primeiro co-registradas com modelos cerebrais adequadas à idade. Em seguida, os principais componentes da resposta foram identificados e localizada usando um modelo de dois dipolo da actividade cerebral. Análise de um único ensaio do poder oscilatório mostrou um índice de processamento robusto de mudança de frequência em explosões de Theta banda – atividade (3 8 Hz) em ambos os córtices auditivos direita e esquerda, com a ativação de esquerda mais proeminente na condição rápida. Estes métodos produziram dados que não são apenas alguns dos primeiros relatado evocados oscilações análises em lactentes, mas são também, de forma importante, o produto de um método bem estabelecido de registo e análise limpo, meticulosamente recolhidos, infante EEG e ERP. Neste artigo, descrevemos o nosso método para infant aplicação EEG net, gravação, análise de resposta dinâmica do cérebro, e os resultados representativos.
Através de um amplo espectro de distúrbios do desenvolvimento, está se tornando cada vez mais claro que a chave para a identificação precoce e, finalmente, remediação consiste em compreender os primeiros mecanismos que entram em jogo como o cérebro em desenvolvimento monta redes funcionais. Assim, existe um interesse crescente em compreender a dinâmica temporal de padrões neurais que cognição impacto. Em particular, as funções cognitivas específicas para ser diferencialmente correlacionada com a actividade em bandas de frequência de oscilação específicos (por exemplo, flutuações cíclicas de uma única célula ou população potenciais de membrana 1). Estudos anteriores estabeleceram que a dinâmica oscilatórios desempenham um papel crucial na auto-organização de redes em desenvolvimento 2-4 dependente de atividade, controlar a excitabilidade neuronal 5,6 e integrar insumos sensoriais 7,8. Atividade cerebral oscilatório é pensado para ser metabolicamente benéfico 9,10, aumentando a eficiência da avariety de funções de processamento sensorial e coordenação das funções de nível superior, como a cognição e linguagem. No entanto, a investigação sistemática do papel da sincronia neural através da idade e as ligações com os resultados comportamentais em crianças humanas ainda não foi realizado. Um passo importante em direção a esse objetivo é conseguir uma compreensão mais profunda da emergência e maturação da dinâmica temporal e mecanismos oscilatórios que suportam o desenvolvimento de processos cognitivos incluindo precoce de línguas.
Um componente crucial do desenvolvimento da linguagem é a capacidade de processar com precisão e categorizar sinais acústicos que mudam rapidamente: muitas vezes da ordem de tão pouco como dezenas de milissegundos. Por exemplo, a dinâmica acústicas do palavras "pai" e "ruim" diferem acusticamente somente sobre os primeiros 40 ms da sílaba, mas os dois têm muito diferentes significados e associações. Estudos anteriores mostram uma trajetória de amadurecimento de receptive capacidade para diferenças acústicas e lingüísticas. Logo aos dois meses de idade, as crianças mostram a capacidade de discriminar alterações de frequência rápidas (por exemplo, <100 ms); sugerindo que o "hardware" para detectar a diferença entre duas sílabas acusticamente semelhantes está no lugar. Ao longo dos próximos meses, os bebês podem discriminar diferenças cada vez menores, desenvolver a percepção categórica, e apresentam especialização cortical para sons das sílabas língua nativa 11-14. Porque a percepção do som complexo conta com a função dos mecanismos básicos de processamento, é pensado que déficits na habilidade de perceber diferenças acústicas em rápida mudança – mesmo para sons simples, tais como tons – pode ser indicadores precoces 15 de distúrbios de linguagem mais tarde.
Trabalhos anteriores de Choudhury e Benasich neste laboratório apoia fortemente esta hipótese, mostrando que a capacidade de uma criança para processar muitomudanças rápidas na sons simples (por exemplo, tons) pode prever de 3 e 4 anos de linguagem e habilidades cognitivas 16,17. Estes dados verificar se as respostas do cérebro de bebês pré-lingual pode fornecer um indicador quantificável de processamento auditivo e progresso do desenvolvimento. O estudo e métodos apresentados aqui sondar os principais aspectos do mecanismo subjacente a esta relação. Várias linhas de pesquisa indicam agora que o pico de latência e amplitude das ondas ERP surgem a partir da soma de dinâmica spectrotemporal em oscilações de EEG de múltiplos geradores 18-23. Análise espectro também permite a separação da informação de fase e de energia. Actividade de bloqueio de fase reflecte a parte da resposta neuronal que é evocada por estímulo. Este tipo de informação é similar ao que pode ser extraído a partir do ERP, uma vez que as respostas são calculados em relação a um acontecimento de bloqueio de tempo. No entanto, o momento de alguma atividade neuronal pode variar de julgamento para julgamento. Na análise de ERP, this atividade é "média out"; no entanto, na análise das mudanças de poder de julgamento para julgamento, esta informação pode ser recuperada e analisada. Portanto, análise espectro de fase e poder podem dar informações adicionais sobre a resposta neuronal, em relação ao ERP convencional. Em relação ao desenvolvimento infantil, existem evidências consideráveis de que as oscilações contribuir para o desenvolvimento de circuitos neurais em modelos animais 2,3 mas estes mecanismos só agora começam a ser investigado na população humana. Trabalho a este laboratório tem mostrado theta e gama oscilatório correlaciona de especialização língua nativa em 6 meses 24. Isso destaca a funcionalidade de hierarquias oscilatórios na infância.
A hipótese global, com base nas provas apresentadas acima, é que a sincronia de oscilações evocados auditivos corticais em suporta o desenvolvimento do cérebro infantil. Como um primeiro passo para testar esta hipótese, uma "linha de base221; de processamento na primeira infância foi obtida; ou seja, de 4 meses-de-idade, que atualmente é pensado para preceder "estreitamento perceptivo" para a especialização língua nativa 25,26. Assim, foi realizada análise de freqüência single-julgamento em dados de EEG infantis registrados durante a audição passiva para lançar-variante e pitch-invariante pares de tons apresentados em um "paradigma oddball" que consiste em duas condições de taxa (condição de controle: 300 ms intervalo inter-estímulo; Rápido condição: 70 ms inter-estímulo-intervalo).
Aqui nós ilustrar este método utilizando estímulos de estudos com foco em processamento auditivo rápido. Nestes estudos, um "paradigma excêntrico", foi utilizado para avaliar a actividade neuronal imprevisível, mas eventos reconhecíveis. Neste paradigma, a resposta do cérebro para as respostas "desviantes" imprevisíveis ou estímulos "estranhas" são muitas vezes chamados, ao passo que a resposta para o estímulo previsível, apresentou most do tempo, é geralmente chamado de "Standard" resposta do cérebro. As respostas a estímulos apresentados num paradigma oddball podem ser automaticamente suscitou sem atenção focada, tornando este paradigma fácil de usar com crianças muito pequenas. Todos os estímulos auditivos são apresentados por meio de alto-falantes sem campo em intervalos, que variam de acordo com o estudo. Como mencionado anteriormente, no estudo atual sons que foram utilizados índices rápidos de processamento auditivo (RAP) habilidades: ou seja, sons que contém dezenas de milissegundos de mudança acústica 16,17,27,28. Pode-se notar que muitos outros tipos de estímulo são úteis para testar a discriminação neurofisiológica, incluindo consoante-vogal (CV) soa bem como desviantes que refletem mudanças na frequência ou duração, com um Gap interposta, e / ou ascendente ou descendente varreduras de freqüência. Finalmente, recomendamos também a gravação de EEG espontâneo durante o "jogo tranquilo" em que nenhum estímulo auditivo é apresentado. Estes dados podem então serutilizado para medir acoplamento oscilatório e coerência na ausência de estimulação repetida.
Gravação de atividade EEG de uma população infantil apresenta um conjunto de desafios únicos. Por exemplo, a cooperação com a colocação dos eletrodos e deixá-los no lugar para a duração do experimento, minimizando o movimento para evitar artefatos de EEG, e manter o bebê envolvidos e distraídos com brinquedos silenciosos todos representam desafios. Além disso, os dados infantis não facilmente se prestam a aplicações diretas de protocolos desenvolvidos com adultos / crianças mais velhas dados. Em muitos casos, a relação entre os componentes observados na criança EEG e potenciais relacionados a eventos (ERPs) não é tão clara nem sempre são mapeados para o que é aceito no adulto. Embora a pesquisa de desenvolvimento tem um potencial poderosa para entender a gênese da função típica e desordenado cérebro, gravando as respostas do cérebro confiáveis e interpretáveis de bebês humanos requer ahigh nível de proficiência em ambas as esferas técnicas e interpessoais. Estes desafios, no entanto, pode ser superado e os dados de EEG e de ERP pode ser gravado fiáveis desde crianças de idades diferentes, utilizando uma variedade de paradigmas. Aqui nós descrevemos um método geral de análise utilizando comercialmente disponível de gravação ERP e software de análise em combinação com um, open-source pacote gratuito de análise de ERP que funciona no ambiente MATLAB 29.
A aplicação de métodos de análise oscilatórios para gravações de resposta do cérebro infantis permite a exploração de questões mais mecanicistas de desenvolvimento sincronia neuronal em relação à aquisição da linguagem e mecanismos subjacentes quando putativos que a sincronia seja comprometida. Esforços relacionados utilizando outros estímulos, como a fala sílabas 24, e análise de espontâneos ou "descansando" oscilações 1 em análises longitudinais ou em combinação com paradigmas de formação iniciais, oferecem janelas para o temporal, espacial e dinâmica espectral de trajetórias de desenvolvimento típicos e desordenados. Espera-se que estes esforços irão aumentar a nossa compreensão das bases do desenvolvimento auditivo e plasticidade, e auxiliar nas estratégias de identificação e remediação para os transtornos de desenvolvimento de linguagem.
O método de pesquisa descrita aqui descreve como para facilitar um entendimento mais profundo da dinâmica spectrotemporal e localização anatômica do evocados auditivos de EEG e ERP respostas cerebrais de alta densidade em recém-nascidos. Há quatro etapas críticas dentro deste protocolo que facilitem uma análise. Em primeiro lugar, a aplicação líquida adequada e posicionamento com cuidador mínima e angústia infantil é a base para a gravação de EEG limpo em paradigmas não sedado. Medição de cabeça adequada e seleção de tamanho de rede, bem como o uso de um assistente de rede e entertainer durante o processo de candidatura é a chave para realizar esta etapa. Em segundo lugar, é importante estabelecer um ambiente calmo, tranquilo e brincalhão para a família durante a sessão de testes, uma condição facilitada pelo testador principal, assistente líquida eo entertainer, que envolve a criança em jogo tranquilo. Em terceiro lugar, para análise dos dados, é fundamental que os modelos de cabeça MRI-idade apropriada ser utilizado para localização de fontes. O tamanho da cabeça, bone espaço e pele e cefalorraquidiano devem ser exactos para a idade testada a fim de obter os resultados mais precisos de localização. Finalmente, para as respostas corticais em geral, também é crítico que uma rede de alta densidade ser utilizada (por exemplo., Pelo menos, 64 canais de dados) de modo a optimizar as condições de obtenção de gravações de baixo artefato.
Uma limitação desta técnica é que a localização fonte de dados EEG não é o padrão ouro para o site de testes de actividade. É preciso ter em mente que o modelo anterior da localização mesmo com os melhores modelos de cabeça e medições são ainda estima da localização atividade. Portanto, é essencial para a concepção da experiência, de tal maneira que a informação sobre a actividade de origem pode ser comparada entre as condições experimentais ou grupos. Além disso, testes infantil em geral e, em especial, estudo, longitudinal pode ser repleta de conjuntos de dados incompletos ou ausentes. As soluções para este problema são a) manter relações com as famílias participantes; b) otimizar, uma atmosfera calma tranquila gravação para a criança eo cuidador; e c) superestimar a piscina assunto. Em nossas mãos, com uma equipe pediátrica experiente, temos alcançado baixo abandono e as taxas de perda de dados mínima. Em uma amostra longitudinal de 211 sessões de gravação infantis com 57 participantes que mostram 98,6% de retenção de dados (por exemplo., 208 sessões que resultaram em dados utilizáveis) e um índice de desistência de 10% (por exemplo., 6 participantes foram incapazes de continuar após o início do experiência). Uma vantagem do EEG sobre outras técnicas, tais como o MEG e NIRS, é que a actividade subcorticalmente tendenciosa é acessível, com diferentes bandas de filtro. Além disso, é mais fácil controlar o movimento como os eléctrodos de viagens com a cabeça.
Uma vez que este protocolo é dominado, as aplicações experimentais de EEG e oscilatórias dinâmicas infantis são abundantes. É claro que devemos primeiro entender desenvolvimento típico netwo corticalrks, a fim de identificar aqueles que são atipicamente organizado. Isto sugere a necessidade para a criação de um modelo em que a integridade dos mecanismos de processamento auditivo precoces (incluindo as oscilações) desempenha um papel importante na geração e plasticidade de representação de som como experiências auditivas são incorporados e, idealmente, aprendido. De acordo com este modelo, os défices de processamento nonlinguistic pode ser associada com sintomas anos, ou em alguns casos, décadas, antes de ocorrer diagnóstico formal.
Futuras investigações são necessárias para entender mais detalhes, incluindo a função da dinâmica oscilatória frequência específica de banda, acoplamento de fase cross-frequência e padrões inibitórios / excitatório regionais em todo o desenvolvimento precoce. Além disso, a atividade subcortical e testes em diferentes estados, como o sono, são necessários para dar uma imagem mais completa do desenvolvimento típico. Acreditamos que pesquisas com esta técnica irá fornecer informação importante sobre o processo pelo whicdinâmica 'neurotypical "e oscilatórios atípica h organizar e interagir com habilidades cognitivas e de linguagem emergentes.
The authors have nothing to disclose.
Os autores agradecem o apoio para esta pesquisa pelo Elizabeth H. Solomon Centro de Investigação e desenvolvimento neurológico concessão NSF # SMA-1041755 para os temporais Dinâmica do Learning Center, uma ciência NSF of Learning Center. Agradecimentos especiais também são devidos às famílias que participaram, bem como aos membros do Laboratório de Estudos da Infância por suas contribuições práticas e intelectuais. Um agradecimento especial a Jarmo Hämäläinen para o desenvolvimento do protocolo fonte de localização e para Naseem Choudhury para ela entrada intelectual.
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 |