Measurement Of neuromagnetischen Hirnfunktionen Kinder im Vorschulalter mit benutzerdefinierten Sized MEG

Hallo, ich bin Steven Crane. Ich bin Co-Leiter des KIT Macquarie Brain Research Lab. Das Labor ist Teil des Macquarie Centers für Kognitionswissenschaften an der Macquarie University in Sydney, Australien.

Hallo, ich bin Illa Dessan und arbeite am Macquarie Center for Cognitive Science der Macquarie University. Hallo, ich bin Melanie Reed und arbeite am Macquarie Center for Cognitive Science. An der Macquarie University nutzen wir die Magnetoenzephalographie (MEG), um die Gehirnmechanismen zu untersuchen, die der schnellen Spracherwerbung bei Kindern im Alter von zwei bis sechs Jahren zugrunde liegen.

MEG misst die magnetischen Felder, die vom Großhirnkortex erzeugt werden. Mithilfe von MEG können wir beobachten, welche Hirnareale während der Sprachverarbeitung aktiv sind und wie diese verschiedenen Areale miteinander interagieren. Bei der Arbeit mit kleinen Kindern unter Verwendung beliebiger bildgebender Verfahren des Gehirns ergeben sich zwei Herausforderungen.

Zunächst ist die typische Laborumgebung nicht kinderfreundlich. Zweitens müssen Kinder, die an einer MEG-Studie teilnehmen, angewiesen werden, ihre Bewegungen auf ein Minimum zu beschränken, und sie müssen über einen längeren Zeitraum hinweg eine Aufgabe konzentriert bearbeiten. Daher war es wichtig für uns, ein Protokoll zu entwickeln, das es uns ermöglicht, MEG zu verwenden und gleichzeitig für Kinder ansprechend ist.

Trotzdem überwiegen die Vorteile der MEG deutlich die Herausforderungen. MEG ist aufgrund ihrer extrem hohen zeitlichen Auflösung, ihrer guten räumlichen Auflösung und der vollständig nichtinvasiven Natur ein wertvolles Werkzeug zur Messung der Gehirnfunktion bei Kindern und birgt keine denkbare Gefahr für das neuronale Gewebe von Kindern. Im Gegensatz zur MEG verwenden andere neurobildgebende Verfahren starke Magnetfelder und radioaktive Pharmazeutika, die für kleine Kinder ein Risiko darstellen können.

Eines der Hauptmerkmale unseres kinderspezifischen MEG-Systems ist, dass es speziell für die Anwendung bei kleinen Kindern konzipiert wurde. Das maßgeschneiderte System wurde in Zusammenarbeit mit dem Kanawa-Institut für Technologie und dem Yokogawa Electric Corporation entwickelt. In dem folgenden Video werden wir erläutern, warum die Entwicklung eines angepassten MEG-Systems für Kinder notwendig war, und Ihnen zeigen, wie wir Kinder auf die Untersuchung im MEG-System vorbereiten.

Begleiten Sie uns also in den nächsten Minuten und wir zeigen Ihnen das Labor. Wir erläutern die Schritte, die wir unternommen haben, damit Kinder Freude daran haben, an unseren Studien teilzunehmen. Ein Labor beherbergt zwei MEG-Systeme in einem gemeinsamen magnetisch abgeschirmten Raum.

Das erwachsene System besteht aus 160 Sensoren, die gleichmäßig innerhalb des MEG-Helms verteilt sind und eine vollständige Abdeckung des gesamten Kopfes ermöglichen. Das kindliche MEG-System weist eine ähnliche Anordnung auf, verfügt jedoch über 64 Sensoren, wodurch der Helm kleiner ist und sich ideal für Vorschulkinder und Säuglinge eignet. Die Magnetoenzephalographie oder Bildgebung ist eine neurobildgebende Technik, die neuronale Aktivität direkt misst.

MEG kann die schwachen magnetischen Felder erfassen und verstärken, die von Tausenden aktiver Neuronen in der Hirnrinde erzeugt werden. Die Erfassung dieser schwachen magnetischen Felder erfolgt mithilfe spezieller Sensoren, die als SQUIDs oder supraleitende Quanteninterferenzgeräte bekannt sind. Zur Betreibung der MEG-Systeme ist supraleitende Technologie erforderlich.

Die Sensoren erfordern eine Kühlung mit flüssigem Helium bei minus 270 Grad Celsius. Die folgende Abfolge zeigt die Nachfüllung der Systeme mit flüssigem Helium, die wöchentlich durchgeführt werden muss. Flüssiges Helium macht den größten Teil der Betriebskosten eines MEG-Systems aus.

Die magnetischen Felder des Gehirns sind im Vergleich zu den magnetischen Feldern, die von sämtlicher Ausrüstung in einem modernen Labor erzeugt werden, äußerst gering. Dies bedeutet, dass MEG-Systeme in einem magnetisch abgeschirmten Raum untergebracht werden müssen. Der abgeschirmte Raum in unserem Labor besteht aus drei Schichten Perlo und einer Schicht Kupfer.

Der Raum wiegt etwa 8,5 Tonnen, und der Boden des Labors musste speziell verstärkt werden, um sein Gewicht tragen zu können. Die Kosten für den magnetisch abgeschirmten Raum machen ein Drittel bis die Hälfte der Anschaffungskosten eines MEG-Systems aus. Der Raum verfügt über mehrere Anschlüsse an der Seite, über die visuelle Reize in den Raum projiziert werden können und über die andere Arten von Geräten über Glasfaserkabel bedient werden können.

MEG misst die magnetischen Felder, die von aktiven Zellen des Gehirns erzeugt werden. Eine verwandte Technik, die Elektroenzephalographie, misst die elektrische Komponente dieser Felder. EEG ist eine wesentlich einfachere und kostengünstigere Technologie, besitzt jedoch nicht die Fähigkeit von MEG, Aktivitäten im Gehirn zu lokalisieren.

Für Studien mit älteren Kindern und Erwachsenen nehmen wir häufig gleichzeitig EEG und MEG auf. Dies ist jedoch bei Vorschulkindern normalerweise nicht praktikabel, da die Vorbereitung für das EEG zu lange dauert. Da die MEG-Sensoren in flüssigem Helium getaucht sind, befinden sie sich an festen Positionen innerhalb eines vakuumisolierten, geschlossenen Helms.

Der Helm eines Standard-MEG-Systems für Erwachsene ist so konzipiert, dass er etwa 95 % der erwachsenen Kopfformen aufnehmen kann. Das bedeutet, dass die größten und kleinsten Köpfe nicht gut in den Helm für Erwachsene passen. Dies stellt insbesondere ein Problem für Kinder im Vorschulalter dar, da deren Köpfe im Radius um bis zu zwei bis drei Zentimeter kleiner sind als die Köpfe von Erwachsenen.

Da MEG-Signale mit zunehmendem Abstand sehr schnell abnehmen. Dies bedeutet, dass viele der Sensoren in einem für Erwachsene konzipierten Helm nicht effektiv zur Messung von Signalen aus Kindergehirnen geeignet sind. Ein weiteres Problem ist, dass Kinder während der Messungen ihre Köpfe in den großen Helmen eher bewegen.

Dies führt zu einer Degradation der MEG-Signale. Dieses Video zeigt die MEG-Sensoren in einem Erwachsenensystem. Im Vergleich zum Kopf eines Kindes sieht man, dass viele der Sensoren ziemlich weit von der Kopfoberfläche entfernt sind.

Deshalb ist es wichtig, einen MEG-Helm zu entwickeln, der individuell auf die Kopfgröße von Kindern im Vorschulalter zugeschnitten ist. In diesem Clip sehen Sie, dass sich die Sensoren unseres MEG-Systems für Kinder sehr nah an der Kopfoberfläche befinden. Bevor wir mit dem Experiment beginnen können, müssen mehrere Schritte abgeschlossen werden.

Im MSR prüfen wir, ob das Kind Gegenstände aus ferrithaltigem Material bei sich trägt. Haben Sie etwas in Ihren Taschen? Nein. Und sie haben eine zweite Untersuchung erhalten.

Wir setzen dem Kind eine Kappe mit fünf Markerspulen auf. Anschließend digitalisieren wir die Kopfform des Kindes oder erstellen eine Zeichnung ihres Kopfes, wie wir es nennen. Danach bringen wir das Kind in den MSR oder das Raumschiff, um das Spiel zu beginnen, während wir den Gurt fertig vorbereiten.

Im MSR wird ein Film ihrer Wahl auf dem Bildschirm darüber abgespielt. Sobald sie bequem liegen, schließen wir die Tür und die Aufnahme beginnt. Das Experiment dauert in der Regel etwa 20 Minuten.

Wir laden das Kind dazu ein, ein Spiel im Inneren des Raumschiffs zu spielen, während es sich einen stummgeschalteten Film ansieht. In unserem Fall hören die Kinder aufmerksam einer Reihe von Sätzen zu und wiederholen das Wort cheese, sobald sie es hören. Der Käsegeruch aus dem Rucksack der Affen.

Gut gemacht. Der Karottenkäse, ausgezeichnete Arbeit. Akustische Reize, wie Sprache, werden über den Plastikschlauch, den Sie auf der Brust des Kindes sehen, an die Ohren des Kindes weitergeleitet. Wir verwenden schaumstoffbezogene Ohrstücke in Kinderausführung, um die Schläuche in ihren Ohren zu befestigen.

Während der Datenaufnahme wird das Kind kontinuierlich über ein geschlossenes Videosystem überwacht, und die Versuchsleiter können über ein Mikrofon mit dem Kind kommunizieren. Vor der MEG-Messung befestigen wir fünf Markerspulen an einer Badekappe, die anschließend auf dem Kopf des Kindes platziert wird. Während der MEG-Messungen dienen diese zur Erfassung und Überwachung der Kopfposition und -bewegung während der gesamten Datenaufnahme.

Der Forscher und das Elternteil, falls gewünscht, bleiben während des gesamten Aufenthalts im abgeschirmten Raum bei dem Kind. Dies dient dazu, das Wohlbefinden des Kindes sicherzustellen und Bewegungen auf ein Minimum zu reduzieren. Am Ende des Experiments erhält jedes Kind als Belohnung einen Preis, wenn es die Aufgabe korrekt durchgeführt hat.

Welchen Aufkleber möchten Sie auswählen? Es ist Eins Hier, Eins Dort. Wer mit kleinen Kindern im Vorschulalter vertraut ist, weiß, dass ihre erste Wahl nicht darin bestehen würde, still in einem magnetisch abgeschirmten Raum zu liegen.

Wir verwenden eine Reihe von Methoden, um sowohl die Umgebung als auch den Ablauf kinderfreundlich zu gestalten. Das Labor ist mit kinderfreundlichen Aufklebern und weichen Spielzeugen ausgestattet. Die Untersuchung erfolgt über drei bis fünf Besuche im Labor.

Das erste Treffen wird gewöhnlich genutzt, um das Kind den Forschern und der MEG-Umgebung vorzustellen. Das Kind schaut sich ein Spielzeug, ein Tier, einen Bären, oder Kermit den Frosch an. Gehen Sie alle Schritte durch, die das Kind durchlaufen wird.

Wir führen ein Thema für die Testphasen ein. Das MEG-System ist ein Raumschiff, das darauf wartet, die Kinder auf ein Weltraumabenteuer mitzunehmen. Dazu gibt es Arbeitshefte, die auf diesem Thema basieren und die Schritte erklären, die wir durchlaufen werden. Anschließend zeichnen die Kinder mit einem Buntstift die Umrisse nach.

Genauso wie wir eine Zeichnung von Ihrem Kopf anfertigen. Es ist äußerst wichtig, dass Kinder während der Digitalisierung und der Durchführung der Tests vollständig stillhalten können. Okay, jetzt müssen wir uns bewegungslos verhalten.

Können Sie so einfrieren? Wir vermitteln dies, indem wir die Kinder auffordern, uns zu zeigen, wie sie einfrieren. Gute Arbeit.

Ziemlich gut. Einfrieren. Die Bedeutung der Fähigkeit zum Einfrieren wird bei jedem Besuch im Labor betont. Es ist außerdem wichtig sicherzustellen, dass Kinder jeden Schritt des Experiments verstehen.

Wir erklären den Kindern die Schritte in einer Sprache, die sie verstehen können. Zum Beispiel bezeichnen wir die Kappe mit den Markerspulen als Astronautenhelm. Fühlen Sie sich bereits wie ein Astronaut?

Und wir beschreiben das Digitalisieren als das Zeichnen eines Bildes ihres Kopfes. Wenn ein Kind schüchtern oder ängstlich wirkt, verwenden wir oft Puppen, um zu veranschaulichen, worum es in dem Experiment geht. Außerdem bitten wir die Kinder um ihre Hilfe, um ihnen ein besseres Verständnis dafür zu vermitteln, was wir tun werden.

Kinder helfen in der Regel gerne einem Handpuppen dabei, in den magnetisch abgeschirmten Raum zu gehen. Falls das Kind immer noch nicht in den magnetisch abgeschirmten Raum möchte, lassen wir einfach Phasen der Spielzeit folgen, bis es sich wohler fühlt. Wenn die Kinder mit allen Schritten in unserem Protokoll vertraut sind, führen wir die experimentelle Aufgabe ein, die im Inneren des MSR durchgeführt werden soll.

Mm. Erinnern Sie sich noch an das Zauberwort, das Sie wiederholen mussten? Ich habe es nicht gehört. Kann ich?

Können Sie das noch einmal sagen? Ja. Käse. Wenn ich also beispielsweise sage: Neulich ging ich in den Park und sah ein Stück Käse. Was tun Sie dann?

Wie Sie sehen, erfordert die Durchführung von bildgebenden Gehirnuntersuchungen an Kindern spezielle Technologien und Verfahren, die über die hinausgehen, die typischerweise in Studien mit Erwachsenen verwendet werden. Erstens haben wir einen maßgeschneiderten MEG-Helm entwickelt, der speziell für die Köpfe von Kindern konzipiert ist und deren Kopfbewegungen begrenzen soll. Zweitens haben wir das Labor kinderfreundlich gestaltet, indem wir Wandbilder und Stofftiere verwendet haben.

Wir verwenden Methoden, die an die Bedürfnisse und Motivation von kleinen Kindern angepasst wurden. Unser Labor ist darauf ausgelegt, kognitive Gehirnfunktionen bei gesunden und wachen kleinen Kindern zu messen. Daher unterscheiden sich die Anforderungen etwas von denen, die sonst in der pädiatrischen Neurobildgebung anzutreffen sind.

Die Einführung von MEG-Systemen für Kinder stellt einen wichtigen Fortschritt für die kognitive Neurowissenschaft dar. Sie ermöglicht es uns, Messungen der Gehirnfunktion in einem Altersbereich zu erhalten, in dem faszinierende und dramatische Umstrukturierungen der Gehirnfunktion stattfinden. Derzeit wissen wir sehr wenig über diese Entwicklungsprozesse.

Wir hoffen, diese Lücke zu schließen, indem wir die Gehirnfunktion von Kindern mittels MEG untersuchen.