قياس وظائف المخ Neuromagnetic في مرحلة ما قبل المدرسة والأطفال MEG الحجم مخصص

مرحباً، أنا ستيفن كرين، المدير المشارك لمختبر KIT Macquarie لأبحاث الدماغ. ويُعد هذا المختبر جزءاً من مركز ماكواري للعلوم المعرفية في جامعة ماكواري في سيدني، أستراليا.

مرحباً، أنا إيلا ديسان وأعمل في مركز ماكواري للعلوم المعرفية بجامعة ماكواري. ومرحباً، أنا ميلاني ريد وأعمل في مركز ماكواري للعلوم المعرفية. في جامعة ماكواري، نستخدم تخطيط الدماغ المغناطيسي أو MEG لدراسة الآليات الدماغية التي تكمن وراء الاكتساب السريع للغة لدى الأطفال من سن الثانية إلى السادسة.

يقيس تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) المجالات المغناطيسية التي تنتجها القشرة الدماغية. وباستخدام MEG، يمكننا ملاحظة مناطق الدماغ النشطة أثناء معالجة اللغة وكيفية تفاعل هذه المناطق المختلفة. وهناك تحديان يواجهان العمل مع الأطفال الصغار عند استخدام أي نظام لتصوير الدماغ.

أولاً، لا تعتبر البيئة المختبرية النموذجية ملائمة للأطفال. ثانياً، للمشاركة في دراسة تخطيط المغناطيسية الدماغية (MEG)، يجب توجيه الأطفال لتقليل الحركة إلى أدنى حد، كما يُطلب منهم التركيز في مهمة معينة لفترة زمنية طويلة. لذا، كان من المهم بالنسبة لنا تطوير بروتوكول يمكننا من استخدام MEG وفي الوقت ذاته يكون ممتعاً للأطفال.

ومع ذلك، فإن فوائد تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) تفوق بكثير التحديات المرتبطة به. ويعد تخطيط الدماغ المغناطيسي أداة قيمة لقياس وظائف الدماغ لدى الأطفال بفضل دقته الزمنية العالية للغاية ودقته المكانية الجيدة، وبما أنه غير باضع تماماً، فهو لا يشكل أي خطر متصور على الأنسجة العصبية للأطفال. وعلى النقيض من تخطيط الدماغ المغناطيسي، تستخدم تقنيات التصوير العصبي الأخرى مجالات مغناطيسية قوية ومواد صيدلانية مشعة قد تشكل خطراً على الأطفال الصغار.

تتمثل إحدى الميزات الرئيسية لنظام MEG الخاص بالأطفال لدينا في أنه صُمم خصيصاً للاستخدام مع الأطفال الصغار. وقد تم تطوير هذا النظام ذي الحجم المخصص بالتعاون مع معهد كاناوا للتكنولوجيا ومؤسسة يوكوجاوا إلكتريك. سنوضح في الفيديو التالي سبب ضرورة تطوير نظام MEG مخصص للأطفال، وسنبين لكم كيفية تحضير الأطفال لإخضاعهم للدراسة باستخدام نظام MEG.

انضموا إلينا خلال الدقائق القليلة القادمة وسنأخذكم في جولة داخل المختبر. سنشرح الخطوات التي اتخذناها لجعل الأطفال يستمتعون بالمشاركة في دراساتنا. يحتوي المختبر على نظامين MEG موجودين في نفس الغرفة المصممة مغناطيسياً.

يتكون نظام البالغين من 160 مستشعراً موزعة بالتساوي داخل خوذة MEG، مما يوفر تغطية كاملة للرأس. ويتميز نظام MEG الخاص بالأطفال بتصميم مماثل، إلا أنه يحتوي على 64 مستشعراً، مما يجعل الخوذة أصغر حجماً وملائمة تماماً للأطفال في سن ما قبل المدرسة والرضع. ويُعد تخطيط الدماغ المغناطيسي أو التصوير المغناطيسي للدماغ تقنية للتصوير العصبي تقوم بقياس النشاط العصبي بشكل مباشر.

يمكن لتخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) اكتشاف وتضخيم المجالات المغناطيسية الضعيفة الناتجة عن آلاف الخلايا العصبية النشطة في قشرة الدماغ. ويتم اكتشاف هذه المجالات المغناطيسية الضعيفة بسهولة بواسطة مستشعرات خاصة تُعرف باسم squids أو أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل. وتعد تقنية الموصلية الفائقة ضرورية لتشغيل أنظمة MEG.

تتطلب المستشعرات تبريداً باستخدام الهيليوم السائل عند درجة حرارة 270- درجة مئوية. يوضح التسلسل التالي عملية إعادة ملء الأنظمة بالهيليوم السائل، وهي عملية يجب القيام بها بشكل أسبوعي. ويشكل الهيليوم السائل الجزء الأكبر من تكاليف تشغيل نظام MEG.

تُعد المجالات المغناطيسية المنبعثة من الدماغ صغيرة للغاية مقارنة بالمجالات المغناطيسية التي تنتجها جميع الأجهزة الموجودة في المختبرات الحديثة. وهذا يعني ضرورة وضع أنظمة MEG في غرفة معزولة مغناطيسيًا. وتتكون الغرفة المعزولة في مختبرنا من ثلاث طبقات من الـ perlo وطبقة واحدة من النحاس.

يزن الغرفة حوالي 8.5 tons، وكان لابد من تدعيم أرضية المختبر بشكل خاص لتحمل وزنها. تبلغ تكلفة الغرفة المعزولة مغناطيسياً ما بين ثلث إلى نصف التكلفة الرأسمالية لنظام MEG. وتحتوي الغرفة على عدد من المنافذ الجانبية بحيث يمكن عرض المحفزات البصرية داخل الغرفة وتشغيل أنواع أخرى من المعدات عبر كابلات الألياف الضوئية.

يقيس تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) المجالات المغناطيسية التي تنتجها خلايا الدماغ النشطة. وهناك تقنية ذات صلة وهي تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) التي تقيس المكون الكهربائي لهذه المجالات. ويُعد تخطيط كهربائية الدماغ تكنولوجيا أبسط بكثير وأقل تكلفة، ولكنها لا تملك قدرة تخطيط الدماغ المغناطيسي على تحديد موقع النشاط في الدماغ بدقة.

بالنسبة للدراسات التي تشمل الأطفال الأكبر سنًا والبالغين، غالبًا ما نقوم بتسجيل كل من EEG وMEG في الوقت ذاته. ومع ذلك، لا يكون هذا الأمر عمليًا عادةً مع أطفال مرحلة ما قبل المدرسة بسبب الوقت الطويل المطلوب لإعداد EEG. ونظرًا لأن MEG يستخدم مستشعرات مغمورة في الهيليوم السائل، فإن هذه المستشعرات تكون في مواضع ثابتة داخل غطاء خوذة عازل ومغلق بالتفريغ.

تم تصميم خوذة نظام MEG القياسي للبالغين لتناسب حوالي 95% من رؤوس البالغين. وهذا يعني أن الرؤوس الأكبر والأصغر حجماً لا تتناسب بشكل جيد مع خوذة البالغين. ويمثل هذا مشكلة خاصة للأطفال في سن ما قبل المدرسة لأن أنصاف أقطار رؤوسهم أصغر بنحو سنتيمترين إلى ثلاثة سنتيمترات مقارنة برؤوس البالغين.

نظراً لأن إشارات تخطيط مغناطيسية الدماغ (MEG) تتلاشى بسرعة كبيرة مع زيادة المسافة، فإن هذا يعني أن العديد من المستشعرات الموجودة في الخوذة المصممة للبالغين لن تكون فعالة في قياس الإشارات الصادرة من أدمغة الأطفال. وهناك مشكلة أخرى تتمثل في أن الأطفال أكثر عرضة لتحريك رؤوسهم داخل الخوذات الكبيرة أثناء جلسات القياس.

يتسبب هذا في تدهور إشارات MEG. يوضح هذا المقطع مستشعرات MEG في نظام مخصص للبالغين. وبالنسبة لرأس الطفل، يمكنك أن ترى أن العديد من المستشعرات بعيدة تماماً عن سطح الرأس.

ولهذا السبب تبرز أهمية إنتاج خوذة MEG مصممة بمقاسات مخصصة لتناسب رؤوس الأطفال في سن ما قبل المدرسة. في هذا المقطع، يمكنك ملاحظة أن مستشعرات نظام MEG المخصص للأطفال لدينا تقع جميعها على مسافة قريبة جداً من سطح الرأس. وهناك عدة خطوات يجب إتمامها قبل أن نتمكن من بدء التجربة.

داخل غرفة الرنين المغناطيسي (MSR)، نتحقق مما إذا كان الطفل يحمل أي شيء مصنوع من مواد حديدية. هل لديك أي شيء في جيوبك؟ لا. لقد انتهيا من الفحص الثاني.

نقوم بتجهيز الطفل بقبعة تحتوي على خمس ملفات علامة. بعد ذلك، نقوم برقمنة شكل رأس الطفل أو رسم تخطيطي لرأس الطفل كما نسميه. ثم نضع الطفل داخل جهاز MSR أو "سفينة الفضاء" ليكون مستعداً للعب اللعبة بينما نقوم بتجهيز الرابط.

داخل غرفة الرنين المغناطيسي (MSR)، يتم عرض فيلم من اختيارهم على الشاشة الموجودة في الأعلى. وبمجرد استلقائهم بشكل مريح، نغلق الباب وتبدأ عملية الحصول على البيانات. تستغرق التجربة عادةً حوالي 20 دقيقة.

ندعو الطفل للعب لعبة داخل سفينة فضائية أثناء مشاهدته لفيلم صامت. وفي حالتنا هذه، يستمع الأطفال إلى سلسلة من الجمل بانتباه ويكررون كلمة cheese بمجرد سماعها. رائحة cheese تنبعث من حقيبة ظهر القرد.

عمل جيد. الجبن بالجزر، عمل ممتاز. يتم تقديم المحفزات الصوتية، مثل الكلام، إلى أذني الطفل عبر الأنابيب البلاستيكية التي تراها على صدر الطفل. ونستخدم قطع أذن رغوية بمقاسات مناسبة للأطفال لتثبيت الأنابيب داخل آذانهم.

خلال عملية الحصول على البيانات، تتم مراقبة الطفل باستمرار عبر دائرة فيديو مغلقة، ويمكن للمجربين التواصل مع الطفل من خلال ميكروفون. وقبل قياس MEG، نقوم بتثبيت خمس ملفات علامة على قبعة سباحة، والتي توضع بعد ذلك على رأس الطفل. وخلال قياسات MEG، تُستخدم هذه الملفات لقياس ومراقبة وضعية الرأس وحركته طوال فترة الحصول على البيانات.

يبقى الباحث وولي الأمر، إذا رغبوا في ذلك، مع الطفل في الغرفة المعزولة طوال الوقت؛ وذلك لضمان شعور الطفل بالراحة وتقليل الحركة إلى أدنى حد. وفي نهاية التجربة، يُكافأ الأطفال بجائزة مقابل أداء المهمة بشكل صحيح.

إذًا، أي ملصق تود اختياره؟ إنه "واحد هنا" و"واحد هناك". ومن يتعامل مع الأطفال في سن ما قبل المدرسة سيعلم أن خيارهم الأول لن يكون الاستلقاء بهدوء في غرفة معزولة مغناطيسيًا.

نستخدم عدداً من التقنيات لجعل كل من البيئة والعملية ملائمتين للأطفال. فالمختبر مليء بالملصقات والألعاب الناعمة المخصصة للأطفال. وتجرى الاختبارات على مدار ثلاث إلى خمس زيارات للمختبر.

عادةً ما يُخصص الاجتماع الأول لتعريف الطفل بالباحثين وببيئة جهاز تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG). يشاهد الطفل لعبة، أو حيواناً مثل الدب، أو الضفدع كيرميت. يتم شرح كافة الخطوات التي سيمر بها الطفل خلال التجربة.

نقوم بتقديم موضوع محفز لجلسات الاختبار؛ حيث يتم تصوير نظام MEG على أنه سفينة فضائية تستعد لأخذ الأطفال في مغامرة فضائية. ولدينا كتيبات عمل تعتمد على هذا الموضوع تشرح الخطوات التي سنقوم بها، ثم يقوم الطفل بالرسم حولها باستخدام أقلام التلوين الشمعية.

تماماً مثلما نرسم صورة لرأسك. من الأهمية بمكان أن يتمكن الأطفال من البقاء ساكنين أثناء عمليتي الرقمنة والاختبار. حسناً، الآن يجب أن نتجمد في مكاننا.

هل يمكنك التجمد بهذا الشكل؟ ننقل هذه الفكرة من خلال الطلب من الأطفال أن يوضحوا لنا كيف يتجمدون. أحسنت.

جيد جداً. التجميد. يتم التأكيد على أهمية القدرة على التجميد في كل زيارة للمختبر. ومن المهم أيضاً التأكد من استيعاب الأطفال لكل خطوة من خطوات التجربة.

نشرح الخطوات للأطفال باستخدام لغة يمكنهم فهمها. على سبيل المثال، نشير إلى الغطاء الذي يحتوي على ملفات العلامة باسم خوذة رائد الفضاء. هل تشعر الآن أنك رائد فضاء؟

ونحن نصف عملية الرقمية بأنها رسم لصورة لرؤوسهم. وإذا بدا الطفل خجولاً أو قلقاً، فإننا غالباً ما نستخدم الدمى لتوضيح ماهية التجربة. كما نطلب من الأطفال مساعدتنا لكي نمنحهم فهماً أفضل لما سنقوم به.

عادةً ما يسعد الأطفال بمساعدة دمية على الدخول إلى الغرفة المحجوبة مغناطيسياً. وإذا كان الطفل لا يزال غير راغب في الدخول إلى الغرفة المحجوبة مغناطيسياً، فإننا نخصص ببساطة فترات من وقت اللعب حتى يشعر براحة أكبر. وعندما يصبح الأطفال على دراية بجميع الخطوات الواردة في البروتوكول الخاص بنا، نقوم بتقديم المهمة التجريبية التي سيتم تنفيذها داخل الغرفة المحجوبة مغناطيسياً (MSR).

مم. هل تتذكر ما هي الكلمة السحرية التي كان عليك تكرارها؟ هل يمكنني سماع ذلك؟ هل يمكنني؟

هل يمكنك قول ذلك مرة أخرى؟ نعم. جبن. لذا، على سبيل المثال، إذا قلت شيئاً مثل: ذهبتُ إلى الحديقة في اليوم الآخر ورأيتُ قطعة من الجبن. ماذا تفعل؟

كما تلاحظون، فإن إجراء دراسات تصوير الدماغ مع الأطفال يتطلب تقنيات متخصصة، وإجراءات تتجاوز تلك المستخدمة عادةً في الدراسات التي تُجرى على البالغين. أولاً، قمنا بتطوير خوذة MEG ذات مقاس مخصص، مصممة لتناسب رؤوس الأطفال وللحد من حركة الرأس لديهم. ثانياً، جعلنا المختبر ملائماً للأطفال باستخدام لوحات فنية على الجدران وألعاب محشوة.

نحن نستخدم طرقاً تم تكييفها لتناسب احتياجات ودوافع الأطفال الصغار. وقد صُمم مختبرنا لقياس الوظائف المعرفية للدماغ لدى الأطفال الصغار الأصحاء واليقظين؛ لذا، فإن المتطلبات تختلف إلى حد ما عن تلك التي قد يتم مواجهتها في مجالات التصوير العصبي للأطفال بشكل عام.

يُعد ظهور أنظمة تخطيط المغناطيسية الدماغية (MEG) المخصصة للأطفال تقدماً هاماً في مجال العلوم العصبية المعرفية. سيتيح لنا ذلك الحصول على قياسات لوظائف الدماغ في مرحلة عمرية تشهد عمليات تشكيل مذهلة وجوهرية لوظائف الدماغ. وفي الوقت الحالي، لا نعرف سوى القليل عن هذه العمليات النمائية.

نأمل في سد هذه الفجوة من خلال دراسة وظائف دماغ الأطفال باستخدام MEG.