自由に振る舞うヒト乳児における社会的相互作用の間に意思のマルチモーダル神経デコーディングするための新規の実験と解析手法

以下のプロトコルを調べ、ヒューストン大学の施設内倫理委員会によって承認されました。すべての乳児の被験者の親や保護者が読み、受信、および参加の前に同意書に署名しました。幼児は年齢に応じたおもちゃを選んだのに対し、親は無料駐車場、研究への参加の対価として$ 20のギフトカードを受けました。 6と24ヶ月の間1）年齢：募集乳児の被験者は、以下の基準を満たしました。 2）幼児は、健康だった正常な成長と発展を持っていて、出生の問題、脳震盪、発作、脳卒中、または学習障害の既往歴がなかったです。テストから幼児を除外するいくつかの一般的な発達障害の例としては、成長障害、栄養不足、および妊娠中の母親がアルコールや薬物の使用です。 頭皮脳波を介したマルチモーダル神経活動の同時記録のために簡略化フロー図と自由に振る舞う乳児のIMUは、図1に示されています。 1.インフォームドコンセント両親に実験室を表示し、簡単に彼らに実験の目的を説明します。 2.頭皮脳波の準備注：（ 表1）を使用したEEGシステムは、取り外し可能な電極を有する活性電極システムで構成されています。インピーダンスレベルがLEDを使用して電極上に示されています。 CMで乳児の頭部の円周を測定します。頭の後ろに眉の上や後頭部隆起のまわりでそれを渡して、ヘッドの最も広い部分の周りに巻尺を置きます。 注意：頭囲を測定することは適切なサイズの脳波キャップを選択する必要があります。 表1に記載の乳児の集団のための特別なサイズがあります。 によって指定されるように適切な大きさのEEGキャップ（ 表1）の上に置いて電極10-20国際システム。キャップは、頭皮上の電極の適切な配置を確実にします。 注：これは、幼児が研究の場所に到着した時点でキャップの準備ができていることが好ましいです。ヘッドサイズに関する情報は、時間の前に両親から得られた、あるいはオンラインで利用可能[http://www.cdc.gov/growthcharts/html_charts/hcageinf.htm]テーブルを用いて近似することができます。ヘッドの測定は研究者の近似値に対応していない場合は、新しいキャップを用意する必要があります。複数のキャップと電極が使用可能な場合は、複数のキャップは、準備時間を最小限に抑えるために、事前に設定することができます。 親にゲル化の手順を説明します。それらを各電極にゲルを適用し、彼らの皮膚に針を感じさせるために使用される鈍針と注射器を表示します。ゲル化手順の上に行くためにデモEEG電極と頭皮のキャップを使用してください。 頭皮の表面の正中矢状面に沿ってイニオンにナジオンからの距離を測定します。年度に合わせて進んでください幼児の後ろからPキャップ。 頭の頂点にはCz電極の位置を合わせます。約額にナジオンとイニオン間の距離の10％をFP1とFp2では、電極の位置を合わせ、中央に進みます。頭の正中矢状面に沿って対称的に頭皮キャップを合わせます。 【AFZ、Fzは、FCZ、Czは、にCPz、装甲、POZ、オズ]ミッド電極を確認してくださいは、ナジオンとイニオンと整列しています。完了したら、あごの下にストラップによりキャップを固定します。 注：彼/彼女は脳波キャップを装着している間に幼児をそらします。年齢に適したビデオは、一般的に、セットアップ中に乳児の注意をそらすために使用されます。 コントロールボックスへの参照、地面、および記録電極を接続します。コントロールボックスからのインピーダンス指標をオンにします。 地面と参照電極から出発し、60kΩの下の各電極のインピーダンスを測定するまで、頭皮と電極との間の空間に電解質ゲルを注入するために、小さな注射器を使用しています。これはINDです電極上に黄色や緑色の光によってicated。 EEG電極の準備に関する詳細は、4でご利用いただけます。 注：ゲル化手順の間、幼児は様々な理由（好奇心、恐怖、転用注意）のために彼/彼女の頭を移動することがあります。したがって、第二の実験者や親が乳児をそらすし続けることをお勧めします。被写体の予想外の動きに起因する針で乳児の顔に直面するリスクを回避するために、乳児の頭の後ろから注射器を使用してください。 USB変換器への光ファイバを使用して、USBポート経由でホストPCにアンプを接続します。 注： 図2Aは、EEGキャップとIMUの配置と幼児対象のセットアップを示しています。対象に負荷のないモビリティを提供し、電極ケーブルとコントロールボックスが持ちこたえていることに注意してください。 図2Bは、10-20ラベリングシステム次の脳波キャップの電極位置の地形ビューが表示されます。 3.のIMUの準備 IMUソフトウェアを開きます。グラフィカルインタフェースの「新規」をクリックします。 その後のIMUを設定するには、ダイアログボックスで「設定」をクリックします。 128 Hzにサンプリング周波数を設定します。 頭部、胸部、および幼児の左右の手首にのIMUを固定します。 注： 図2Aを参照してください 。並行して、のIMUを用いた実験の手首にフィット。ていることを確認のIMUは、慣性測定誤差を最小化するために身体によく固定されています。 ストラップを使用して、手首の背側の手首のIMUを配置します。ハーネスを使用して、胸の中央付近に腹面に胸のIMUを配置します。 それは顎の左側付近にあるように、頭皮キャップのあごのストラップにヘッドIMUを取り付けます。彼らが指向LEDライトで、外側に向くようにのIMUを配置します。 注：のIMUは、それぞれ約22グラムの重さ、その小型軽量をmを妨げる可能性が低いですovement。追加の実験は、ステップ2.8で説明した理由のために幼児をそらすために必要とすることができます。 4.ビデオキャプチャやデータストリームの同期場所のビデオカメラ（18）乳児（12）、俳優（14）、及びLEDトリガー（13）が全てはっきりと見えるようにします。 図4を参照してください 。 注：ビデオ録画を視覚注釈や実験者によってトリガ行動のセグメント化と同様に、記録セッションの開始と終了の確認を可能にするために使用されています。 EEG（5）とのIMU（4）〜（7）トリガ入力/出力エンクロージャを接続します。 図3を参照してください 。 注：カスタムの入力/出力エンクロージャ（7）、 図3に示すように、記録されたすべてのデータストリーム（EEG、のIMU、およびビデオ）を整列させるために設計されたので、（ビデオなど）一つの記録からイベントマーカーを使用するか、分析を支援他の記録の（例えば脳波や加速度など）。これを使用することによって達成されます、落ち込んで、（DB-25パラレルポート経由）脳波に（グランドに+ V）トリガパルスをアクティブローを送信する単一の瞬間的なプッシュボタン、およびビデオ（ミニDIN-6コネクタを介して）IMU（でビデオカメラのビュー）を同時に記録に位置する発光ダイオード（LED）を照明します。 7404 ICの論理インバータチップは、LEDに電力を供給するのに必要な電位を提供し、ハイ状態（+ V）パルスを低状態（アース）を形質転換しました。 トリガープッシュボタンとデータ収集コンピュータの近くで実験を持っています。実験者は、トリガーを作動させる実験を通してデータの品質を監視し、データの保存を担当します。 テスト環境の準備5。 図4を参照してください。 6.データ収集 「インピーダンスを選択することによって、制御ソフトウェアを使用して、EEG電極の初期インピーダンス値を記録インピーダンスに "ラジオボタンをクリックし、タブを「チェック」（安定化させるために電極インピーダンス値の約5秒を待つ）、およびクリック"インピーダンスを保存するには、[保存インピーダンス」のラジオボタンをクリックします。 図5を参照してください 。 いいえフィルターはEEGデータ収集時に適用されません。 脳波レコーダープログラムでは、EEGデータを再符号化を開始するために「再生」「モニター」をクリックしてください。 図6を参照してください 。 IMUソフトウェアでは、IMUデータの記録を開始するためのダイアログボックスで「ストリーム」とし、「録音」をクリックします。 図7を参照してください 。 入力/出力エンクロージャ（7）上の押しボタンを使用して、実験の開始を通知するために、3つのトリガー（III）を適用します。記録しながら1分間幼児残りをしましょう​​。これは、初期のベースラインデータを提供します。 実験を行い、必要に応じて幼児対象が休憩を取ることができます。各実験の試験では、ターンの撮影タスクで構成されてどこに俳優ショーオブジェクト（通常は、常にではないが、おもち​​ゃ）を使用して幼児の行動は、模造応答を開始するための努力で幼児にそれを渡し、最終的に戻って乳児からオブジェクトを取得します。 注：この交換は、一般的に4-5試験のためまたは幼児がオブジェクトにはさらに関心を示さないまで繰り返されます。 セッションの環境を考えると、ビデオ録画を使用して、データ収集後、各行動の全てのタイミングに注釈を付けます。 EEG電極の最終的なインピーダンス値を記録します。ステップ6.1を参照してください 。 EEG電極の3Dスキャナとソフトウェアとそれに対応するソフトウェアを使用してEEG電極の3次元空間座標をデジタル化します。 3Dスキャンソフトウェアを起動します。 「ファイル」に移動し、「新規ワークスペース」を選択します。ワークスペースの最初のタブにある電極位置ファイルをロードし、保存]タブで、必要な情報を提供します。 スキャンツールバーで、星」をクリックしてくださいTスキャン」。キャップに変更する光パターンに従うことによって、電極の位置をスキャンするために、で30cm程度、乳児の頭から、3Dスキャナーを使用してください。スキャンが完了すると、ソフトウェアが自動的に結果を保存します。 注意：頭の後ろでは、ケーブルは、乳児の頭部の小さなサイズのため、電極上のLEDをブロックすることがあります。ソフトウェアは、ユーザーが結果を損なうことなく、スキャンからいくつかの電極を削除することができます。必要に応じてスキャンから後頭部の電極を削除します。 7.行動セグメンテーション実験セッションの録画を点検し、トリガーLEDが点滅して時間をマーク（ すなわち、実験が開始され、終了時）、およびときステップ6.6開始と終了で前述の動作のいずれか。 8.ソースイメージング注：ソースの画像を正確に発電機を識別することができます脳内の脳波電位が、通常、順方向および逆問題を解く5で構成されています。 そのような人生6,7の最初の2年間（ヶ月で）、年齢の関数としての平均MRIテンプレートが含まれている神経発達のMRIデータベースとして、パブリックドメインデータベースから高解像度T1強調磁気共鳴画像（MRI）データを取得します。 注：この研究では、幼児の唯一の年齢に応じた前方のヘッドモデルを使用し、MRIテンプレートを選択するとき、したがって性別情報が考慮されていません）。 神経発達のMRIデータベース8からのMRIボリュームとして（ すなわち、灰白質、白質、頭皮、内側又は外側頭蓋骨）ヘッドの区画を含む境界要素モデル（BEM）のソース・ボリュームを獲得。 カレー7、または類似の脳イメージングソフトウェアパッケージ中脳と頭部のコンパートメントの表面を抽出することにより、現実的な頭部モデルを得るための前処理BEM MRI容積。 T1強調MRIをインポートします。手動で、脳イメージングソフトウェア、または同様のパッケージ内に、左/右前耳点とナジオンなどの3つの基準点を特定します。 MRIと脳イメージングソフトウェアまたは同様のパッケージを使用して、手順6.9から6.11で3Dスキャナを用いて得られた基準点に表示されている基準点を当てはめることによって、MRIの空間と​​被験者の空間との間の剛性の幾何学変換を得るために、脳波やMRIスペースを共同登録。 フォワードモデルを解決します。 注：前方に問題が頭のとヘッド体積9,10の電気伝導特性の形状を表す頭部モデルの定義が含まれます。 逆問題を解きます注：逆問題は、位置、強度及び信号処理技術11を用いて頭皮EEG信号から脳内の元の時間経過を推測しようとします。 連続セグメントタスク発症周り試験にEEGデータ（ 例えば 、模造、観測セグメント）2秒長の前後のタスク発症セグメントを有します。各試行では「不良チャンネル」やその他の人為的試験などの高インピーダンスのチャンネルを特定します。 ICAを使用してアーティファクト除去のための前処理EEGデータと隣接アーチファクトのないチャンネルの平均で不良チャンネルを再構築する。12,13,14。 可能な限り最高のソースの場所を識別するために、脳全体にわたって検索し、自動最適化アルゴリズムへの入力としてフォワードモデルを使用してください。 視覚的に推定原因を分析し、最も実験の性質から事前知識に基づいて、あなたの期待と一致し、慎重に解釈するソリューションを拾います。 注：このステップは原因逆問題の不良設定性のために1最もバイアスされ、つまり、ソースの異なる構成は、同一の表面電位になることがあります。したがって、、それは与えられた頭部モデルと逆の方法がうまく動作することを確認するために妥当性検査を実行するために役立つかもしれません。 知られているシミュレートされた双極子をローカライズ健全性チェックを実行します。すなわち、与えられた頭部モデルのために、既知の構成でダイポールを配置し、この双極子のためにシミュレートされた電圧を得るための順問題を解決します。 それがシミュレートされた双極子を返すことを確認する、同じ頭部モデルにこれらの電圧と逆問題を解決します。 注：これらの妥当性検査は、最初に高精度に配置された双極子を返す必要があります。