Condicionamento clássico curto-atraso Eyeblink em crianças de um ano de idade
Summary
Este protocolo descreve um eyeblink condicionado paradigma adequada para experiências com crianças de um ano de idade. Equipamento comercial ou feitos sob medido pode ser usado para entregar os estímulos, e análise e coleta de dados devem ser realizadas sobre as gravações de vídeo.
Abstract
Eyeblink clássico condicionamento (EBC) refere-se à associação entre um estímulo condicionado (um sinal auditivo) e um estímulo unconditioned (um sopro de ar para a córnea) aprendeu. Eyeblink condicionado é frequentemente utilizado experimentalmente para detectar anormalidades na cerebelar dependentes de aprendizagem e memória subjacente a este tipo de aprendizagem associativa. Enquanto as experiências em adultos e crianças mais velhas são relativamente simples de administrar usando equipamento comercial, eyeblink condicionado em lactentes é mais desafiador devido à sua conformidade pobre, que faz o correto posicionamento do equipamento difícil. Para atingir o condicionamento em bebês de um ano de idade, uma medida e um sistema comercial adaptado pode ser usado para entregar o ar sopro córnea da criança. O principal desafio reside na detecção e classificando as respostas comportamentais com êxito. Nós relatamos que métodos de deteção de piscar automatizados não são confiáveis nessa população, e que o experimentos de condicionamento deve ser analisado usando análise de frame-por-frame de gravações de câmera de vídeo suplementar. Esse método pode ser aplicado para estudar alterações do desenvolvimento em eyeblink condicionado e examinar se esse paradigma pode detectar as crianças com distúrbios neurológicos.
Introduction
EBC é uma forma de condicionamento clássico que é comumente usado para avaliar a aprendizagem e a memória em humanos e outros animais. O paradigma convencional do EBC refere-se a uma sábio associação entre um estímulo inócuo ‘condicionado’ (um sinal auditivo), com o estímulo ‘incondicionado’ (um sopro de ar da córnea que induz uma eyeblink reflexiva, a resposta de unconditioned). Aprendizagem associativa é avaliada por apresentar o estímulo condicionado e classificando eyeblinks como condicionado e unconditioned respostas, um aumento do número de respostas condicionados ao longo do tempo, ou mais mais do que uma sessão, pode indicar associativa aprendizagem está ocorrendo.
O eyeblink paradigma de condicionamento pode ser usado para identificar indivíduos com deficiências de aprendizagem associativa. Atraso condicionado-onde o estímulo condicionado (CS) começa antes mas se sobrepõe o estímulo unconditioned (EUA)-é controlada pelo circuito cerebelar1,2e é interrompida em adultos e crianças com distúrbios neurológicos, incluindo a esquizofrenia3, autismo4,5e76,transtorno do espectro álcool fetal. Do ponto de vista clínica, examinar o eyeblink condicionado nos infantes pode oferecer suporte anterior detecção e tratamento destes transtornos neurológicos. No entanto, enquanto as crianças mais velhas podem tolerar um ar corneal sopro6,7,8 e podem manter uma posição estável cabeça/olho para a duração do experimento, crianças são menos complacente e convencional software e equipamento de detecção de eyeblink não é suficiente.
Aqui descrevemos um protocolo simples para examinar curto-atraso eyeblink condicionado em crianças de um ano de idade, que foi adaptado da protocolos descrito anteriormente em outro lugar9,10,11. Este protocolo pode ser administrado utilizando qualquer sistema comercial ou feitos sob medido, capaz de entregar um sopro controlado de ar para a córnea. No entanto, no lugar de software de detecção de eyeblink comerciais (por exemplo, sistema de detecção de EyeBlink do instrumento de San Diego, que processa os sinais de uma câmera infravermelha), nós e os outros9,10,11, recomendo usar o quadro-a-quadro análise de gravações de câmera de vídeo para detectar e classificar eyeblink respostas em bebês de um ano de idade.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modificações e solução de problemas:
Eyeblink comercial ou feitos sob medida, sistemas de condicionamento deve apresentar o assunto de uma forma controlada experimentalmente os estímulos e ser capaz de detectar as respostas comportamentais. Embora este seja um procedimento não-invasivo, os requisitos técnicos para a realização dessas experiências em populações menos compatíveis (por exemplo, crianças) é um desafio. Fisicamente, anexar o cabeça-mount para o olho é possível para experiências em animais, tais como condicionamento experimentos em ovelhas12,13. Crianças mais velhas podem tolerar usando um headband com um ar anexada puff entrega unidade6,7,8 e podem ser incentivadas a manter uma posição constante olho usando a televisão como uma distração. Apesar de conformidade em bebês muito jovens pode ser alcançada pelo condicionamento durante sono14, lactentes mais velhos, aproximando-se um ano de idade geralmente são facilmente distraídos, tornando-os uma população excepcionalmente desafiador. Apesar dos desafios, eyeblink condicionado experiências são possíveis para algumas crianças acordadas, um ano de idade. Nossas taxas de sucesso são semelhantes aos anteriormente relatados na literatura (~ 40% – 50% de conformidade)9, com a probabilidade de sucesso provavelmente refletida pelo temperamento da criança no dia do experimento.
Passos críticos dentro do protocolo:
Recomendamos adaptar um set-up EBC comercialmente disponíveis, ou usando um gerador de pressão de ar Custom-Built como descrito anteriormente, para crianças mais jovens9,10,11. O desafio inicial é manter a unidade de entrega de sopro de ar na posição correta durante todo o experimento, o que exige uma menor, modificado de capacete. Olho a segurança é uma preocupação particular para lactentes não conformes que tentam remover o capacete se. Portanto, lactentes devem ser monitorados de perto em todos os momentos. Uma proporção de crianças não tolerará usando a bandana ou receber o sopro de ar para o olho (aqui, ~ 35%), embora isto possa ser melhorado por distracção suavemente o Infante se o protocolo experimental permite isso e se isso não interfere abertamente com a criança comportamento. Para as crianças que tenham concluído o experimento, ar-sopro somente ensaios são essenciais para confirmar que o capacete foi posicionado corretamente, como falta ou inversão de condicionamento de respostas pode ser causada por pobre entrega do sopro de ar durante todo o experimento.
Enquanto a análise de vídeo manual é demorado, medidas automatizadas de respostas eyeblink infantil são atualmente difícil de alcançar. Sensores infravermelhos fornecidos com afinações EBC comerciais (posicionadas na bandelete da cabeça adjacente à unidade de sopro de ar) gravar a reflectância de momento a momento da córnea com uma taxa de amostragem de 1 kHz, e pisca pode ser detectada medindo-se a mudança de reflectância após o aparecimento do estímulo. Alterações significativas de reflectância de base indicam que uma eyeblink ocorreu, e análise automatizada pode ser usado para detectar e classificar as respostas de piscar. No entanto, nós e os outros9,10,11 sugerem que os pesquisadores não devem confiar em medições de reflectância corneal infravermelho fornecidas com set-ups EBC comerciais para detectar pisca em crianças de um ano de idade. Enquanto este método pode ser adequado para participantes adultos ou mais velhos crianças6,7, fomos capazes de detectar confiavelmente pisca em um ano de idade usando esse método. Aqui, observa-se insignificante mudança na reflexão de base ao longo do comprimento da época do julgamento, indicando que o eyeblink não é detectado pelo sensor de infravermelho. Além disso, picos de positivos falsos são comumente observados, que são causadas por movimentos da cabeça da criança que alterar o posicionamento do sensor. Piloto de testes em adultos sugere que o participante deve centrar-se na ou ligeiramente acima de sua linha de visão horizontal, com a unidade de sopro ar posicionada dentro de 1 a 2 cm da córnea, para detectar com sucesso as eyeblinks-condições que não podem ser mantidas consistentemente com uma criança. Além disso, o tamanho da pequena fissura hiperemia em lactentes pode reduzir a reflectância da córnea, tornando a detecção de piscar mais difícil do que em adultos ou mais velhas, crianças.
Importância no que diz respeito a métodos existentes:
Apesar da necessidade de análise manual de câmera de vídeo e a menor resolução temporal de um vídeo de 60 Hz, em comparação com medições de reflectância 1 kHz, as taxas de sucesso melhorada de gravações em vídeo dificulte um método superior para o sensor infravermelho. Embora o sopro de ar da córnea também é entregue pelo mesmo acessório capacete como um sensor infravermelho comercial, entrega de estímulo parece ser mais resistente ao posicionamento do que o sensor de infravermelhos, como a força do sopro de ar pode ser ajustada conforme necessário. Isso evita o ajuste excessivo da bandelete da cabeça, o que tende a reduzir a conformidade infantil. Pesquisadores que podem atingir maiores taxas de sucesso usando o sensor de infravermelhos podem exigir ainda apoiar a análise de câmera de vídeo. Para os ensaios onde não há nenhuma resposta detectável eyeblink gravada pelo sensor infravermelho, gravações de vídeo podem distinguir entre o verdadeiras respostas ou ensaios inválidos (isto é, se a criança estava usando a unidade de sopro de ar na posição correta, Se eles não pisque, ou se o sensor infravermelho não conseguiu detectar a piscar). Igualmente, gravações de vídeo são necessárias para confirmar os resultados falso-positivos, como movimentos durante o julgamento também podem produzir artefactos mascarada pisca. Olho de monitoramento aparelho15,16 e eletromiografia9,10,14 do músculo orbicularis oculi são outro automatizado métodos de detecção de piscar de olhos que estão além do escopo deste artigo, embora sem confirmação visual da unidade de sopro de ar de posicionamento para cada julgamento, esses métodos são propensos a sofrer os mesmos inconvenientes como o software de detecção de infravermelho eyeblink descrito aqui.
Anteriormente trabalho publicado no piscar de olhos condicionado centrou-se em crianças mais jovens, normalmente de 4-5 meses de idade; Este trabalho acrescenta a este corpo de literatura descrevendo técnicas para o uso com crianças mais velhas (12 ± 1 mês de idade) e os desafios únicos que nessa faixa etária apresenta. Outros autores também têm usado análise de vídeo (sozinho ou em combinação com eletromiografia) com crianças9,10,11,14. Os resultados apresentados aqui são consistentes com esses achados anteriores que sugerem quadro-a-quadro análise de vídeo é o melhor método de detecção de eyeblinks em lactentes, como ambos eletromiografia e monitoramento infravermelho podem ser problemáticos devido facial e cabeça movimentos em crianças de tenra idade. Este trabalho também suporta a constatação de que crianças podem desenvolver respostas condicionados mesmo em idades muito jovens, pelo menos por um de intervalo de atraso de 650-ms9.
Aplicações futuras:
Como um número limitado de estudos tentaram eyeblink condicionado experiências em bebês humanos, os parâmetros do estímulo devem ser cuidadosamente ponderados no futuro as experiências. Observou-se logo em 10 dias de idade17 condicionado e pelo menos no primeiro mês de vida14, apesar de um intervalo de tempo entre estímulo (por exemplo, 1.500 ms) parece ser mais bem sucedido nestas fases muito iniciais da infância18 . Em comparação, crianças, aproximando-se seis meses de idade podem ser mais confiantemente condicionadas com um intervalo mais curto10, apesar de menos sucesso do que em adultos19. O intervalo de 650-ms entre o Tom e o sopro de ar sugerido para crianças de um ano de idade neste protocolo com êxito podem induzir condicionado em 4 ou 5-meses lactentes9,10,11, bem como em mais velho crianças de6,7. Isto sugere que eyeblink condicionado desenvolvente é regulamentado, com o atraso ideal entre o Tom e o sopro de ar diminuindo com idade infantil10, embora experimentos adicionais adaptando este protocolo são obrigados a investigar estas parâmetros adicionais.
Limitações desta técnica:
EBC pode ser um desafio para configurar e pode exigir a solução de problemas em cada situação individual. Determinar quando ocorreu o condicionado é difícil definir e é melhor observado ao longo de vários ensaios ou sessões. Por exemplo, outros estudos têm utilizado uma taxa de condicionamento arbitrário de 40% em cada bloco de 10 ensaios para definir condicionado e comparado quaisquer alterações entre sucessivas sessões experimentais6,9,10, 11. Concluir com sucesso o número necessário de ensaios para observar o condicionamento pode, portanto, ser difícil de alcançar em crianças pequenas.
No que diz respeito à análise de dados, dentre os desafios específicos é separa evocada por estímulo pisca pisca (endógena) espontânea9. A taxa de eyeblinks espontânea é diferente entre indivíduos, mas pode ser influenciada por fatores ambientais como umidade da sala, bem como Estados comportamentais. Pisca dupla ocorre quando existem duas tampas de pálpebra completa em um curto espaço de tempo (por exemplo, 400 ms)20, e é possível que estes reflictam pisca espontânea ocorrendo ao mesmo tempo como uma reflexiva (condicionada ou incondicionada) eyeblink. Observamos ocasionalmente dupla pisca em nosso conjunto de dados e, usando este protocolo, gravamos a latência para piscar primeiro apenas. No entanto, descartar estes ensaios pode aumentar a certeza que a análise está capturando evocada por estímulo apenas pisca.
Os pesquisadores também precisará tomar decisões sobre a janela de latência no qual deseja definir um condicionado ou unconditioned resposta, bem como se deve definir a latência para o aparecimento de piscar ou o pico de piscar (fechamento das pálpebras). Aqui nós definimos conservadoramente uma resposta condicionada como um piscar de olhos que picos antes ms 650 em ensaios ou emparelhados ou não pareados, para proporcionar segurança que piscar é iniciada antes do início do sopro de ar, em vez de resposta para o sopro de ar. No entanto, esta janela de latência pode ser estendida para ensaios não pareados onde nenhum sopro de ar é apresentado, particularmente se usando piscar pico para definir a latência da resposta. O princípio importante aqui é que todas as instâncias são tratadas da mesma forma, por todos os examinadores, e que este critério é determinado antes de iniciar qualquer análise de dados.
Em resumo, a análise de vídeo frame-por-frame pode fornecer um método confiável e reprodutível de avaliação clássicas respostas EBC em lactentes jovens. Estas medidas fornecem uma medida de comportamento, de aprendizagem, apesar de uma avaliação abrangente do desenvolvimento é necessário para caracterizar totalmente neurodesenvolvimento na infância.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi suportado pela Nova Zelândia optométrica Vision Research Foundation, a agência de promoção de saúde, fundo de desenvolvimento pesquisa da faculdade da Universidade de Auckland, e financiar a Universidade de Auckland da faculdade de medicina de pensamentos.
Somos gratos aos dois estudantes de optometria da Universidade de Auckland (Shannon Boy e Julia Singh) que concluiu a análise de vídeo manual para examinar o acordo nas medidas de resposta de piscar.
Materials
| 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 |
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