Pomiar neuromagnetycznych funkcji mózgu u dzieci w wieku przedszkolnym z użyciem MEG o dostosowanym rozmiarze

Witam, nazywam się Steven Crane. Jestem współdyrektorem KIT Macquarie Brain Research Lab. Laboratorium to jest częścią Macquarie Center for Cognitive Science na Uniwersytecie Macquarie w Sydney w Australii.

Witajcie, nazywam się Illa Dessan i pracuję w Centrum Nauk Poznawczych na Uniwersytecie Macquarie. Cześć, jestem Melanie Reed i również pracuję w Centrum Nauk Poznawczych na Uniwersytecie Macquarie. Na Uniwersytecie Macquarie wykorzystujemy magnetoencefalografię, czyli MEG, do badania mechanizmów mózgowych leżących u podstaw szybkiego przyswajania języka przez dzieci w wieku od dwóch do sześciu lat.

MEG mierzy pola magnetyczne generowane przez korę mózgową. Dzięki MEG możemy obserwować, które obszary mózgu są aktywne podczas przetwarzania języka oraz w jaki sposób te różne obszary ze sobą oddziałują. Praca z małymi dziećmi przy użyciu dowolnego systemu obrazowania mózgu wiąże się z dwoma wyzwaniami.

Po pierwsze, typowe środowisko laboratoryjne nie jest przyjazne dzieciom. Po drugie, aby wziąć udział w badaniu MEG, dzieci muszą otrzymać instrukcję minimalizowania ruchów oraz są wymagane do skupienia uwagi na zadaniu przez dłuższy czas. Dlatego ważne było dla nas opracowanie protokołu, który umożliwia wykorzystanie MEG, a jednocześnie jest przyjemny dla dzieci.

Mimo to korzyści płynące z MEG znacznie przewyższają wyzwania. MEG jest cennym narzędziem do pomiaru funkcji mózgu u dzieci ze względu na niezwykle wysoką rozdzielczość czasową i dobrą rozdzielczość przestrzenną, a ponieważ jest całkowicie nieinwazyjne, nie stwarza żadnego przewidywanego ryzyka dla tkanki nerwowej dzieci. W przeciwieństwie do MEG, inne techniki obrazowania neurologicznego wykorzystują silne pola magnetyczne i radiofarmaceutyki, które mogą stanowić zagrożenie dla małych dzieci.

Jedną z kluczowych cech naszego systemu MEG dla dzieci jest to, że został on zaprojektowany specjalnie do użytku u małych dzieci. System o niestandardowym rozmiarze opracowano we współpracy z Kanawa Institute of Technology oraz Yokogawa Electric Corporation. W poniższym filmie wyjaśnimy, dlaczego konieczne było opracowanie dostosowanego systemu MEG dla dzieci, oraz pokażemy, w jaki sposób przygotowujemy dzieci do badania w systemie MEG.

Zapraszamy do obejrzenia naszego laboratorium w ciągu najbliższych kilku minut. Wyjaśnimy kroki, jakie podjęliśmy, aby dzieci z przyjemnością uczestniczyły w naszych badaniach. Laboratorium dysponuje dwoma systemami MEG umieszczonymi w tym samym pomieszczeniu o specjalnej konfiguracji magnetycznej.

System dla dorosłych składa się ze 160 czujników równomiernie rozmieszczonych wewnątrz kasku MEG, co zapewnia pokrycie całej głowy. System MEG dla dzieci ma podobną budowę, ale posiada 64 czujniki, dzięki czemu kask jest mniejszy i idealnie dopasowany do przedszkolaków oraz niemowląt. Magnetoencefalografia lub obrazowanie MEG to technika neuroobrazowania służąca do bezpośredniego pomiaru aktywności neuronalnej.

MEG potrafi wykrywać i wzmacniać słabe pola magnetyczne generowane przez tysiące aktywnych neuronów w korze mózgowej. Wykrywanie tych słabych pól magnetycznych jest łatwo osiągalne dzięki specjalnym czujnikom znanym jako SQUIDy lub nadprzewodzące kwantowe urządzenia interferencyjne. Do funkcjonowania systemów MEG niezbędna jest technologia nadprzewodnictwa.

Czujniki wymagają chłodzenia ciekłym helem w temperaturze minus 270 °C. Poniższa sekwencja przedstawia proces uzupełniania systemów ciekłym helem, który musi być przeprowadzany raz w tygodniu. Ciekły hel generuje największą część kosztów eksploatacyjnych systemu MEG.

Pola magnetyczne generowane przez mózg są niezwykle słabe w porównaniu z polami magnetycznymi wytwarzanymi przez całą aparaturę w nowoczesnym laboratorium. Oznacza to, że systemy MEG muszą znajdować się w pomieszczeniu ekranowanym magnetycznie. Pomieszczenie ekranowane w naszym laboratorium składa się z trzech warstw perlo i jednej warstwy miedzi.

Pomieszczenie waży około 8,5 tony, a podłoga laboratorium musiała zostać specjalnie wzmocniona, aby wytrzymać ten ciężar. Koszt pomieszczenia z ekranowaniem magnetycznym stanowi od jednej trzeciej do połowy kosztów kapitałowych systemu MEG. W ścianach pomieszczenia znajduje się szereg portów, które umożliwiają projekcję bodźców wzrokowych do wnętrza oraz obsługę innych rodzajów sprzętu za pomocą kabli światłowodowych.

MEG mierzy pola magnetyczne wytwarzane przez aktywne komórki mózgu. Powiązana z tą metodą elektroencefalografia mierzy elektryczny komponent tych pól. EEG jest technologią znacznie prostszą i tańszą, lecz nie posiada zdolności MEG do lokalizowania aktywności w mózgu.

W badaniach z udziałem starszych dzieci i dorosłych często rejestrujemy jednocześnie sygnały EEG i MEG. Jednak w przypadku dzieci w wieku przedszkolnym nie jest to zazwyczaj praktyczne ze względu na długi czas wymaganą do przygotowania aparatury EEG. Ponieważ MEG wykorzystuje czujniki zanurzone w ciekłym helu, znajdują się one w stałych pozycjach wewnątrz próżniowo szczelnego hełmu izolacyjnego.

Kask standardowego systemu MEG dla dorosłych jest zaprojektowany tak, aby pasował do około 95% głów osób dorosłych. Oznacza to, że głowy największe i najmniejsze nie przylegają odpowiednio do kasku dla dorosłych. Jest to szczególny problem w przypadku dzieci w wieku przedszkolnym, ponieważ ich głowy mają promień mniejszy od głów dorosłych nawet o dwa do trzech centymetrów.

Wynika to z faktu, że sygnały MEG bardzo szybko zanikają wraz z odległością. Oznacza to, że wiele czujników w kasku dla dorosłych nie będzie skutecznych w pomiarze sygnałów z mózgów dzieci. Kolejnym problemem jest to, że dzieci częściej poruszają głową w dużych kaskach podczas sesji pomiarowych.

Powoduje to degradację sygnałów MEG. Ten klip przedstawia czujniki MEG w systemie dla osób dorosłych. W odniesieniu do głowy dziecka widać, że wiele czujników znajduje się w znacznej odległości od powierzchni głowy.

Dlatego też cenne jest wykonanie kasku MEG o rozmiarze dostosowanym do głów dzieci w wieku przedszkolnym. W tym klipie widać, że sensory naszego systemu MEG dla dzieci znajdują się bardzo blisko powierzchni głowy. Przed rozpoczęciem eksperymentu należy wykonać kilka etapów przygotowawczych.

Wewnątrz MSR sprawdzamy, czy dziecko ma przy sobie przedmioty wykonane z materiałów ferromagnetycznych. Czy masz coś w kieszeniach? Nie. I sprawdzamy drugą kieszeń.

Na głowie dziecka umieszczamy czepek zawierający pięć cewek znacznikowych. Następnie digitalizujemy kształt głowy dziecka lub, jak to nazywamy, wykonujemy rysunek ich głowy. Potem wprowadzamy dziecko do MSR lub „statku kosmicznego”, przygotowując je do gry, podczas gdy my przygotowujemy krawat.

Wewnątrz MSR na ekranie powyżej wyświetlany jest wybrany przez nich film. Gdy już wygodnie się położą, zamykamy drzwi i rozpoczyna się akwizycja. Eksperyment zazwyczaj trwa około 20 minut.

Zapraszamy dziecko do gry wewnątrz statku kosmicznego podczas oglądania filmu z wyciszonym dźwiękiem. W naszym przypadku dzieci uważnie słuchają serii zdań i powtarzają słowo ser, gdy tylko je usłyszą. Zapach sera z plecaka małpy.

Dobra robota. Ser z marchewką, doskonała robota. Bodźce akustyczne, takie jak mowa, są dostarczane do uszu dziecka za pomocą plastikowych rurek, które widać na klatce piersiowej dziecka. Używamy piankowych wkładek do uszu w rozmiarze dziecięcym, aby dopasować rurki do wnętrza ich uszu.

Podczas akwizycji danych dziecko jest stale monitorowane za pomocą wideo w obiegu zamkniętym, a eksperymentatorzy mogą komunikować się z dzieckiem przez mikrofon. Przed pomiarem MEG mocujemy pięć cewek markerowych na czepce pływackiej, którą następnie nakładamy na głowę dziecka. Podczas pomiarów MEG służą one do pomiaru i monitorowania pozycji oraz ruchów głowy w trakcie akwizycji danych.

Badacz oraz rodzic, jeśli wyrazi taką chęć, pozostają z dzieckiem w ekranowanej komorze przez cały czas trwania badania. Ma to na celu zapewnienie dziecku komfortu oraz zminimalizowanie ruchów. Po zakończeniu eksperymentu dzieci otrzymują nagrodę za prawidłowe wykonanie zadania.

Zatem którą naklejkę chcielibyście wybrać? Jest „Jedna Tutaj” i „Jedna Tam”. Ci z Państwa, którzy znają dzieci w wieku przedszkolnym, wiedzą, że ich pierwszym wyborem nie byłoby nieruchome leżenie w pomieszczeniu ekranowanym magnetycznie.

Stosujemy szereg technik, aby zarówno otoczenie, jak i cały proces były przyjazne dla dzieci. Laboratorium jest wypełnione kolorowymi naklejkami i pluszakami. Badania są przeprowadzane podczas trzech do pięciu wizyt w laboratorium.

Pierwsze spotkanie służy zazwyczaj zapoznaniu dziecka z badaczami oraz środowiskiem MEG. Dziecko obserwuje zabawkę, zwierzę (np. misia) lub żabkę Kermita. Należy przejść przez wszystkie etapy, które będą towarzyszyć dziecku podczas badania.

Wprowadzamy motyw przewodni sesji badawczych. System MEG jest statkiem kosmicznym, który czeka, aby zabrać dzieci w kosmiczną przygodę. Dysponujemy zeszytami ćwiczeń opartymi na tym motywie, które wyjaśniają kolejne etapy procedury, a następnie kolorujemy je kredkami.

Dokładnie tak, jakbyśmy rysowali obraz Twojej głowy. Jest niezwykle ważne, aby dzieci potrafiły pozostać w bezruchu zarówno podczas digitalizacji, jak i podczas przeprowadzania testów. Dobrze, a teraz musimy zastygnąć w bezruchu.

Czy potraficie tak zamarznąć? Przekazujemy to, prosząc dzieci, aby pokazały nam, jak zamierają w bezruchu. Dobrze wykonana praca.

Całkiem dobrze. Zamrażanie. Znaczenie możliwości zamrażania jest podkreślane podczas każdej wizyty w laboratorium. Ważne jest również upewnienie się, że dzieci rozumieją każdy etap eksperymentu.

Kroki wyjaśniamy dzieciom w sposób dla nich zrozumiały. Na przykład nakrętkę zawierającą cewki markerów nazywamy kaskiem astronauty. Czy czujesz się już jak astronauta?

Digitalizację opisujemy jako rysowanie obrazu ich głowy. Jeśli dziecko wydaje się nieśmiałe lub lękowe, często używamy marionetek, aby zilustrować, na czym polega eksperyment. Prosimy również dzieci o pomoc, aby lepiej zrozumiały, co będziemy robić.

Dzieci zazwyczaj chętnie pomagają pacynce wejść do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie. Jeśli dziecko nadal nie chce wejść do pomieszczenia ekranowanego magnetycznie, po prostu przeznaczamy czas na zabawę, dopóki nie poczuje się swobodniej. Gdy dzieci oswoją się ze wszystkimi krokami naszego protokołu, wprowadzamy zadanie eksperymentalne, które ma zostać wykonane wewnątrz MSR.

Hmm. Więc czy pamiętasz, jakie było to magiczne słowo, które musiałeś powtarzać? Czy mogę to usłyszeć? Mogę?

Czy możesz powtórzyć? Tak. Ser. Więc na przykład, jeśli powiem coś takiego, że ostatnio poszedłem do parku i zobaczyłem kawałek sera. Co robisz?

Jak widać, przeprowadzanie badań obrazowania mózgu u dzieci wymaga zastosowania specjalistycznej technologii oraz procedur wykraczających poza te, które są zazwyczaj stosowane w badaniach z udziałem dorosłych. Po pierwsze, opracowaliśmy kask MEG o niestandardowym rozmiarze, zaprojektowany tak, aby pasował do głów dzieci i ograniczał ruchy ich głowy. Po drugie, dostosowaliśmy laboratorium do potrzeb dzieci, wykorzystując dekoracje ścienne oraz pluszowe zabawki.

Stosujemy metody, które zostały dostosowane do potrzeb i motywacji małych dzieci. Nasze laboratorium jest zaprojektowane do pomiaru funkcji poznawczych mózgu u zdrowych i czuwających małych dzieci. W związku z tym wymagania są nieco inne niż te, z którymi można spotkać się w innych badaniach neuroobrazowych u dzieci.

Wprowadzenie systemów MEG dla dzieci stanowi istotny postęp w neuronauce poznawczej. Pozwoli to na uzyskanie pomiarów funkcji mózgu w przedziale wiekowym, w którym zachodzi fascynujące i gwałtowne kształtowanie się tych funkcji. Obecnie nasza wiedza na temat tych procesów rozwojowych jest bardzo ograniczona.

Mamy nadzieję wypełnić tę lukę, badając funkcje mózgu dzieci przy użyciu MEG.