Meting van Neuromagnetic hersenfuncties bij Pre-school voor kinderen met op maat gemaakte MEG

Hallo, ik ben Steven Crane. Ik ben co-directeur van het KIT Macquarie Brain Research Lab. Het lab is onderdeel van het Macquarie Center for Cognitive Science aan de Macquarie University in Sydney, Australië.

Hallo, ik ben Illa Dessan en ik werk bij het Macquarie Center for Cognitive Science aan de Macquarie University. Hallo, ik ben Melanie Reed en ik werk bij het Macquarie Center for Cognitive Science. Aan de Macquarie University gebruiken we magnetoencefalografie of MEG om de hersenmechanismen te bestuderen die ten grond liggen aan de snelle taalverwerving bij kinderen in de leeftijd van twee tot zes jaar.

MEG meet de magnetische velden die door de hersenschors worden geproduceerd. Met MEG kunnen we observeren welke hersengebieden actief zijn tijdens taalverwerking en hoe deze verschillende gebieden met elkaar interacteren. Er zijn twee uitdagingen bij het werken met jonge kinderen bij het gebruik van elk hersenbeeldingssysteem.

Ten eerste is de typische laboratoriumomgeving niet kindvriendelijk. Ten tweede moeten kinderen bij deelname aan een MEG-studie worden geïnstrueerd om bewegingen tot een minimum te beperken, en is het vereist dat zij gedurende een langere periode gefocust blijven op een taak. Daarom was het voor ons belangrijk om een protocol te ontwikkelen dat het gebruik van MEG mogelijk maakt en tegelijkertijd plezierig is voor kinderen.

Dat gezegd hebbende, wegen de voordelen van MEG ruimschoots op tegen de uitdagingen. MEG is een waardevolle tool voor het meten van de hersenfunctie bij kinderen vanwege de extreem hoge temporele resolutie en de goede ruimtelijke resolutie, en omdat het volledig non-invasief is, vormt het geen denkbaar risico voor het neurale weefsel van kinderen. In tegenstelling tot MEG maken andere neuro-imagingtechnieken gebruik van sterke magnetische velden en radioactieve farmaceutica die een risico kunnen vormen voor jonge kinderen.

Een van de belangrijkste kenmerken van ons MEG-systeem voor kinderen is dat het specifiek is ontworpen voor gebruik bij jonge kinderen. Dit systeem met aangepaste afmetingen is ontwikkeld in samenwerking met het Kanawa Institute of Technology en de Yokogawa Electric Corporation. In de volgende video leggen we uit waarom het noodzakelijk was om een aangepast MEG-systeem voor kinderen te ontwikkelen, en we laten zien hoe we kinderen voorbereiden op onderzoek in het MEG-systeem.

Kijk de komende minuten met ons mee terwijl we u door het laboratorium leiden. We leggen de stappen uit die we hebben ondernomen om ervoor te zorgen dat kinderen met plezier deelnemen aan onze studies. Het laboratorium beschikt over twee MEG-systemen die zijn ondergebracht in dezelfde magnetisch afgeschermde ruimte.

Het systeem voor volwassenen bestaat uit 160 sensoren die gelijkmatig over de MEG-helm zijn verdeeld, wat een volledige dekking van het hoofd biedt. Het MEG-systeem voor kinderen heeft een vergelijkbare indeling, maar beschikt over 64 sensoren, waardoor de helm kleiner is en perfect geschikt voor peuters en baby's. Magneto-encefalografie of beeldvorming is een neuro-imagingtechniek die neuronale activiteit direct meet.

MEG kan de zwakke magnetische velden detecteren en versterken die worden gegenereerd door duizenden actieve neuronen in de hersenschors. De detectie van deze zwakke magnetische velden wordt eenvoudig gerealiseerd door speciale sensoren, bekend als SQUIDs of superconductieve quantum-interferentie-apparaten. Voor het gebruik van MEG-systemen is supergeleidende technologie vereist.

De sensoren moeten worden gekoeld met vloeibaar helium bij minus 270 graden Celsius. De volgende reeks toont het bijvullen van de systemen met vloeibaar helium, wat wekelijks moet gebeuren. Vloeibaar helium vormt het grootste deel van de operationele kosten van een MEG-systeem.

Magnetische velden van de hersenen zijn extreem zwak in vergelijking met de magnetische velden die worden gegenereerd door alle apparatuur in een modern laboratorium. Dit betekent dat MEG-systemen ondergebracht moeten worden in een magnetisch afgeschermde ruimte. De afgeschermde ruimte in ons laboratorium is opgebouwd uit drie lagen perlo en één laag koper.

De kamer weegt ongeveer 8,5 ton en de vloer van het laboratorium moest speciaal worden versterkt om dit gewicht te kunnen dragen. De kosten van de magnetisch afgeschermde kamer vormen een derde tot de helft van de kapitaalkosten van een MEG-systeem. De kamer is aan de zijkant voorzien van een aantal poorten, zodat visuele stimuli in de kamer geprojecteerd kunnen worden en andere soorten apparatuur via glasvezelkabels kunnen worden bediend.

MEG meet magnetische velden die worden opgewekt door actieve cellen in de hersenen. Een gerelateerde techniek, elektroencefalografie, meet de elektrische component van deze velden. EEG is een veel eenvoudigere en goedkopere technologie, maar beschikt niet over het vermogen van MEG om activiteit in de hersenen te lokaliseren.

Voor studies met oudere kinderen en volwassenen registreren we vaak EEG en MEG gelijktijdig. Dit is echter meestal niet praktisch bij kleuters vanwege de lange tijd die nodig is voor de EEG-opstelling. Omdat MEG gebruikmaakt van sensoren die in vloeibaar helium zijn ondergedompeld, bevinden de sensoren zich op vaste posities binnen een vacuümsegelde isolerende helmdeur.

De helm van een standaard MEG-systeem voor volwassenen is ontworpen om ongeveer 95% van de hoofden van volwassenen te accommoderen. Dit betekent dat de grootste en kleinste hoofden niet goed in de helm voor volwassenen passen. Dit is een specifiek probleem voor kinderen in de voorschoolse leeftijd, omdat hun hoofden qua straal wel twee tot drie centimeter kleiner zijn dan die van volwassenen.

Omdat MEG-signalen zeer snel afnemen met de afstand. Dit betekent dat veel van de sensoren in een helm voor volwassenen niet effectief zullen zijn voor het meten van signalen uit de hersenen van kinderen. Een ander probleem is dat kinderen vaker met hun hoofd bewegen in de grote helmen tijdens meetsessies.

Dit veroorzaakt een degradatie van de MEG-signalen. Dit fragment toont de MEG-sensoren in een systeem voor volwassenen. In verhouding tot het hoofd van een kind is te zien dat veel van de sensoren vrij ver van het huidoppervlak van het hoofd verwijderd zijn.

Daarom is het waardevol om een MEG-helmhouder te produceren die op maat is gemaakt voor de hoofden van kinderen in de voorschoolse leeftijd. In dit fragment is te zien dat de sensoren van ons MEG-systeem voor kinderen zich allemaal zeer dicht bij het oppervlak van het hoofd bevinden. Er moeten verschillende stappen worden voltooid voordat we met het experiment kunnen beginnen.

Binnen in de MSR controleren we of het kind voorwerpen van ferromagnetisch materiaal bij zich heeft. Heb je iets in je zakken? Nee. En ze hebben second.

We voorzien het kind van een kap die vijf marker-spoelen bevat. Vervolgens digitaliseren we de hoofdvorm van het kind of maken we een tekening van hun hoofd, zoals we dat noemen. Daarna plaatsen we het kind in de MSR of het ruimteschip om het spel klaar te maken, terwijl we de stropdas klaarleggen.

Binnen in de MSR wordt op het scherm hierboven een film naar keuze afgespeeld. Zodra ze comfortabel liggen, sluiten we de deur en begint de acquisitie. Het experiment duurt doorgaans ongeveer 20 minuten.

We nodigen het kind uit om een spelletje in het ruimteschip te spelen terwijl ze naar een film zonder geluid kijken. In ons geval luisteren de kinderen aandachtig naar een reeks zinnen en herhalen ze het woord kaas zodra ze het horen. De kaasgeur uit de rugzak van de apen.

Goed gedaan. De wortelkaas, uitstekend werk. Akoestische stimuli, zoals spraak, worden via de plastic slang die op de borst van het kind te zien is, naar de oren van het kind geleid. We gebruiken schuimrubberen oortjes in kindermaat om de slangetjes in hun oren te passen.

Tijdens de gegevensverzameling wordt het kind continu gemonitord via een gesloten videokring, en kunnen de experimentatoren via een microfoon met het kind communiceren. Voorafgaand aan de MEG-meting bevestigen we vijf markerspoelen op een badmuts, die vervolgens op het hoofd van het kind wordt geplaatst. Tijdens de MEG-metingen worden deze gebruikt om de hoofdpositie en beweging gedurende de gehele gegevensverzameling te meten en te monitoren.

De onderzoeker en de ouder, indien gewenst, blijven te allen tijde bij het kind in de afgeschermde ruimte. Dit is om ervoor te zorgen dat het kind zich op zijn gemak voelt en dat beweging tot een minimum wordt beperkt. Aan het einde van het experiment krijgen de kinderen een prijs als beloning voor het correct uitvoeren van de taak.

Welke sticker zou u dan willen kiezen? Het is één hier op daar. Wie bekend is met peuters en kleuters, zal weten dat hun eerste keuze niet zou zijn om stil te blijven liggen in een magnetisch afgeschermde kamer.

We gebruiken verschillende technieken om zowel de omgeving als het proces kindvriendelijk te maken. Het laboratorium is voorzien van kindvriendelijke stickers en knuffels. Het onderzoek wordt uitgevoerd over drie tot vijf bezoeken aan het laboratorium.

De eerste ontmoeting wordt gewoonlijk gebruikt om het kind kennis te laten maken met de onderzoekers en de MEG-omgeving. Het kind kijkt naar een speelgoedobject, een dier, een beer of Kermit de kikker. Loop alle stappen door die zij zullen doorlopen.

We introduceren een thema voor de testsessies. Het MEG-systeem is een ruimteschip dat klaarstaat om de kinderen mee te nemen op een ruimtereis. We hebben werkboekjes die gebaseerd zijn op dit thema waarin de stappen die we gaan doorlopen worden uitgelegd, waarna ze er met het krijtje omheen mogen tekenen.

Net zoals we een tekening van je hoofd maken. Het is van essentieel belang dat kinderen stil kunnen blijven zitten, zowel tijdens de digitalisering als tijdens het testen. Oké, nu moeten we bevriezen.

Kunnen jullie zo bevriezen? We communiceren dit door de kinderen te vragen te laten zien hoe ze bevriezen. Goed gedaan.

Best goed. Invriezen. Het belang van het kunnen invriezen wordt bij elk labbezoek benadrukt. Het is daarnaast belangrijk om ervoor te zorgen dat kinderen begrip hebben van elke stap van het experiment.

We leggen de stappen aan de kinderen uit in taal die zij kunnen begrijpen. Zo noemen we de dop met de marker-spoelen bijvoorbeeld een astronautenhelm. Voel je je nu al een astronaut?

En we beschrijven het digitaliseren als het maken van een foto van hun hoofd. Als een kind verlegen of angstig overkomt, gebruiken we vaak poppen om te illustreren waar het experiment over gaat. We vragen de kinderen ook om hun hulp, zodat ze een beter begrip krijgen van wat we gaan doen.

Kinderen helpen meestal graag een pop de magnetisch afgeschermde kamer in. Als het kind nog steeds niet naar de magnetisch afgeschermde kamer wil gaan, nemen we simpelweg periodes van speeltijd tot ze zich comfortabeler voelen. Wanneer de kinderen gewend zijn aan alle stappen in ons protocol, introduceren we de experimentele taak die in de MSR moet worden uitgevoerd.

Mm. Dus weet je nog wat het toverwoord was dat je moest herhalen? Kan ik? Ik heb het niet gehoord. Kan ik?

Kunt u dat herhalen? Ja. Kaas. Stel dat ik bijvoorbeeld zeg: de andere dag ging ik naar het park en ik zag een stuk kaas. Wat doe je dan?

Zoals u kunt zien, vereist het uitvoeren van hersenbeeldstudies bij kinderen gespecialiseerde technologie en procedures die verder gaan dan die welke gewoonlijk worden gebruikt in studies met volwassenen. Ten eerste hebben we een op maat gemaakte MEG-helm ontwikkeld, die is ontworpen om op de hoofden van kinderen te passen en hun hoofdbewegingen te beperken. Ten tweede hebben we het laboratorium kindvriendelijk gemaakt met muurdecoraties en knuffels.

Wij maken gebruik van methoden die zijn aangepast aan de behoeften en motivatie van jonge kinderen. Ons laboratorium is ontworpen voor het meten van cognitieve hersenfuncties bij gezonde en wakkere jonge kinderen. De vereisten wijken daarom enigszins af van die welke men elders in de pediatrische neuro-imaging tegenkomt.

De komst van MEG-systemen voor kinderen is een belangrijke vooruitgang voor de cognitieve neurowetenschappen. Hiermee kunnen we metingen van de hersenfunctie verkrijgen in een leeftijdsgroep waarin een fascinerende en dramatische structurering van de hersenfunctie plaatsvindt. Momenteel weten we nog zeer weinig over deze ontwikkelingsprocessen.

We hopen dit gat te vullen door de hersenfunctie van kinderen te bestuderen met behulp van MEG.