Измерение Neuromagnetic функции мозга в Дети дошкольного возраста с настраиваемыми Sized MEG

Здравствуйте, я Стивен Крейн, содиректор лаборатории исследований мозга KIT Macquarie. Лаборатория входит в состав Центра когнитивных наук Университета Маккуори в Сиднее, Австралия.

Здравствуйте, меня зовут Илла Дессан, я работаю в Центре когнитивных наук при Университете Маккуори. Здравствуйте, я Мелани Рид, я также работаю в Центре когнитивных наук при Университете Маккуори. В Университете Маккуори мы используем магнитоэнцефалографию или МЭГ для изучения мозговых механизмов, лежащих в основе быстрого усвоения языка детьми в возрасте от двух до шести лет.

МЭГ измеряет магнитные поля, создаваемые корой головного мозга. С помощью МЭГ мы можем наблюдать, какие области мозга активны во время обработки языка и как эти различные области взаимодействуют друг с другом. Существует две сложности при работе с маленькими детьми с использованием любой системы визуализации мозга.

Во-первых, типичная лабораторная обстановка не приспособлена для детей. Во-вторых, для участия в МЭГ-исследовании детям необходимо дать инструкцию максимально ограничить движения, а также требуется, чтобы они были сосредоточены на задании в течение длительного времени. Поэтому для нас было важно разработать протокол, который позволил бы использовать МЭГ и при этом был бы интересным для детей.

Тем не менее, преимущества МЭГ значительно перевешивают сложности. МЭГ является ценным инструментом для измерения функций мозга у детей благодаря чрезвычайно высокому временному и хорошему пространственному разрешению; кроме того, поскольку этот метод полностью неинвазивен, он не представляет никакого предполагаемого риска для нейронных тканей детей. В отличие от МЭГ, другие методы нейровизуализации используют сильные магнитные поля и радиофармпрепараты, которые могут представлять риск для детей младшего возраста.

Одной из ключевых особенностей нашей системы МЭГ для детей является то, что она была разработана специально для использования с детьми младшего возраста. Система индивидуального размера была создана в сотрудничестве с Технологическим институтом Канава и корпорацией Yokogawa Electric. В следующем видео мы объясним, почему возникла необходимость в разработке специализированной системы МЭГ для детей, и покажем, как мы подготавливаем детей к исследованию в системе МЭГ.

Присоединяйтесь к нам в ближайшие несколько минут, и мы познакомим вас с нашей лабораторией. Мы расскажем о мерах, которые мы предприняли, чтобы детям было приятно участвовать в наших исследованиях. В лаборатории установлены две системы МЭГ, расположенные в одном помещении с магнитным экранированием.

Система для взрослых состоит из 160 датчиков, равномерно распределенных внутри шлема МЭГ, который обеспечивает охват всей головы. Система МЭГ для детей имеет аналогичную конфигурацию, но оснащена 64 датчиками, что делает шлем меньше и полностью подходящим для дошкольников и младенцев. Магнитоэнцефалография или визуализация представляет собой метод нейровизуализации, который позволяет напрямую измерять нейронную активность.

МЭГ позволяет обнаруживать и усиливать слабые магнитные поля, создаваемые тысячами активных нейронов в коре головного мозга. Регистрация этих слабых магнитных полей легко осуществляется с помощью специальных датчиков, известных как SQUIDs, или сверхпроводящих квантовых интерферометров. Для работы систем МЭГ требуются сверхпроводниковые технологии.

Датчики требуют охлаждения жидким гелием при температуре минус 270 °C. В следующей последовательности показан процесс заправки систем жидким гелием, который необходимо проводить еженедельно. Жидкий гелий составляет основную часть эксплуатационных расходов системы МЭГ.

Магнитные поля мозга чрезвычайно малы по сравнению с магнитными полями, создаваемыми всем оборудованием в современной лаборатории. Это означает, что системы МЭГ должны размещаться в магнитоэкранированном помещении. Экранированная комната в нашей лаборатории constructed из трех слоев перло и одного слоя меди.

Вес комнаты составляет около 8,5 тонн, поэтому пол лаборатории пришлось специально укрепить, чтобы он мог выдержать такой вес. Стоимость магнитно-экранированной комнаты составляет от одной трети до половины капитальных затрат на систему МЭГ. В стенках комнаты имеется несколько портов, чтобы в помещение можно было проецировать визуальные стимулы и управлять другим оборудованием с помощью оптоволоконных кабелей.

МЭГ измеряет магнитные поля, создаваемые активными клетками мозга. Схожий метод, электроэнцефалография, измеряет электрический компонент этих полей. ЭЭГ представляет собой гораздо более простую и менее дорогую технологию, однако она не обладает способностью МЭГ локализовать активность в головном мозге.

При проведении исследований с участием детей старшего возраста и взрослых мы часто регистрируем ЭЭГ и МЭГ одновременно. Однако в случае с дошкольниками это обычно непрактично из-за длительного времени, требуемого для подготовки к ЭЭГ. Поскольку в МЭГ используются датчики, погруженные в жидкий гелий, они расположены в фиксированных позициях внутри вакуумного изолирующего шлема.

Шлем стандартной МЭГ-системы для взрослых рассчитан примерно на 95% взрослых голов. Это означает, что головы самого большого и самого маленького размера плохо помещаются в такой шлем. Это представляет особую проблему для детей дошкольного возраста, поскольку радиус их головы может быть на два-три сантиметра меньше, чем у взрослых.

Это связано с тем, что сигналы МЭГ очень быстро затухают с увеличением расстояния. Следовательно, многие датчики в шлеме для взрослых будут неэффективны при измерении сигналов мозга детей. Другая проблема заключается в том, что дети чаще двигают головой в больших шлемах во время сеансов измерения.

Это приводит к деградации МЭГ-сигналов. В данном клипе показаны МЭГ-датчики в системе для взрослых. По сравнению с головой ребенка видно, что многие датчики находятся довольно далеко от поверхности головы.

Именно поэтому важно изготовить шлем для МЭГ индивидуального размера, подходящий под размер головы детей дошкольного возраста. В этом ролике видно, что все датчики нашей детской системы МЭГ расположены очень близко к поверхности головы. Перед началом эксперимента необходимо выполнить несколько подготовительных этапов.

Внутри MSR мы проверяем, нет ли у ребенка предметов из ферромагнитного материала. У тебя что-нибудь есть в карманах? Нет. И у второго тоже.

Мы надеваем на голову ребенка колпак, содержащий пять маркерных катушек. Затем мы оцифруем форму головы ребенка или, как мы это называем, создаем «рисунок» его головы. После этого мы размещаем ребенка внутри MSR или «космического корабля», чтобы он был готов к игре, пока мы подготавливаем крепление.

Внутри MSR на экране сверху запускается выбранный ими фильм. Как только испытуемые удобно улягутся, мы закрываем дверь и начинаем сбор данных. Эксперимент обычно длится около 20 минут.

Мы предлагаем ребенку поиграть в игру внутри космического корабля, пока он смотрит фильм без звука. В нашем случае дети внимательно слушают серию предложений и повторяют слово «cheese» (сыр), как только слышат его. Cheese smell from the monkeys backpack (Запах сыра из рюкзака обезьяны).

Отличная работа. Сырная морковь, прекрасная работа. Акустические стимулы, такие как речь, подаются в уши ребенка через пластиковые трубки, которые вы видите на груди ребенка. Мы используем пенные вкладыши в уши детского размера, чтобы зафиксировать трубки внутри ушных раковин.

Во время сбора данных за ребенком ведется непрерывное наблюдение через систему видеонаблюдения с замкнутым контуром, а экспериментаторы могут общаться с ребенком с помощью микрофона. Перед началом МЭГ-измерений на купальную шапочку устанавливаются пять маркерных катушек, после чего шапочка надевается на голову ребенка. Во время МЭГ-измерений они используются для определения и контроля положения и движения головы на протяжении всего процесса сбора данных.

Исследователь и родитель, если они того пожелают, постоянно находятся с ребенком в экранированной комнате. Это необходимо для того, чтобы ребенок чувствовал себя комфортно и чтобы свести движения к минимуму. По завершении эксперимента дети получают приз в качестве награды за правильное выполнение задания.

Итак, какую наклейку вы хотите выбрать? Вот одна здесь, а вот та — там. Те из вас, кто знаком с детьми дошкольного возраста, знают, что их первым желанием вряд ли будет неподвижно лежать в комнате с магнитным экранированием.

Мы используем ряд методов, чтобы сделать как обстановку, так и сам процесс подходящими для детей. Лаборатория украшена детскими наклейками и мягкими игрушками. Тестирование проводится в течение трех-пяти визитов в лабораторию.

Первая встреча обычно используется для того, чтобы познакомить ребенка с исследователями и с условиями проведения МЭГ. Ребенок наблюдает за игрушкой, например, за медведем или лягушонком Кермитом. Пройдите вместе с ребенком через все этапы, которые ему предстоит пройти.

Мы вводим определенную тему для сеансов тестирования. Система МЭГ представляется космическим кораблем, который ждет детей, чтобы отправить их в космическое приключение. У нас есть рабочие тетради, основанные на этой теме, в которых объясняются этапы, через которые мы пройдем, а затем ребенок обводит их цветным карандашом.

Это похоже на то, как если бы мы рисовали портрет вашей головы. Крайне важно, чтобы дети могли оставаться неподвижными как во время оцифровки, так и во время тестирования. Итак, теперь нам нужно замереть.

Вы можете так замереть? Мы объясняем это, прося детей показать нам, как они замирают. Молодец.

Довольно хорошо. Замораживание. Важность умения замораживать подтверждается при каждом посещении лаборатории. Также важно убедиться, что дети понимают каждый этап эксперимента.

Мы объясняем этапы работы детям, используя доступный им язык. Например, мы называем колпачок с катушками маркера «шлемом астронавта». Чувствуете ли вы себя уже астронавтом?

Процесс оцифровки мы описываем как «рисование снимка» головы ребенка. Если ребенок кажется застенчивым или тревожным, мы часто используем кукол, чтобы наглядно объяснить суть эксперимента. Мы также просим детей помочь нам, чтобы они лучше понимали, что именно мы собираемся делать.

Дети обычно с радостью помогают кукле зайти в комнату с магнитным экранированием. Если ребенок всё еще не хочет заходить в комнату с магнитным экранированием, мы просто устраиваем перерывы на игры, пока он не почувствует себя комфортнее. Когда дети привыкают ко всем этапам нашего протокола, мы представляем экспериментальную задачу, которую необходимо выполнить внутри MSR.

М-м. Итак, ты помнишь, какое магическое слово нужно было повторять? Я его не слышал. Можно еще раз?

Можете повторить? Да. Сыр. Итак, например, если я скажу что-то вроде: на днях я пошел в парк и увидел кусочек сыра. Что вы сделаете?

Как видно, проведение исследований мозга у детей требует специализированных технологий и применения процедур, выходящих за рамки тех, которые обычно используются в исследованиях со взрослыми. Во-первых, мы разработали шлем для МЭГ индивидуального размера, предназначенный для соответствия размеру детской головы и ограничения ее движений. Во-вторых, мы сделали лабораторию дружелюбной для детей, используя настенные картины и мягкие игрушки.

Мы применяем методы, адаптированные к потребностям и мотивации детей младшего возраста. Наша лаборатория предназначена для измерения когнитивных функций мозга у здоровых детей младшего возраста в состоянии бодрствования. Таким образом, требования здесь несколько отличаются от тех, с которыми можно столкнуться в других исследованиях по нейровизуализации в педиатрии.

Появление систем МЭГ для детей является важным достижением для когнитивной нейробиологии. Это позволит нам получать данные о функциях мозга в возрастном диапазоне, в котором происходит захватывающее и стремительное структурирование мозговых функций. В настоящее время об этих процессах развития известно очень мало.

Мы надеемся восполнить этот пробел, изучая функции мозга детей с помощью МЭГ.