Beurteilung der zerebralen Lateralisation bei Kindern mit Hilfe der funktionellen transkraniellen Doppler-Sonographie (fTCD)

Funktionelle transkranielle Doppler-Sonographie (fTCD) ist eine einfache und nicht-invasive Ultraschall-Technik, die verwendet werden, um die Lateralisierung der kognitiven Funktionen, insbesondere Sprache beurteilen kann, und ist geeignet für den Einsatz mit Kindern.

Es gibt viele unbeantwortete Fragen über zerebrale Lateralisierung. Insbesondere bleibt unklar, welche Aspekte der Sprache und nonverbale Fähigkeiten lateralisiert sind, ob es irgendwelche Nachteile, die mit atypischen Muster der zerebralen Lateralisation verbunden sind, und ob zerebrale Lateralisierung entwickelt mit dem Alter. In der Vergangenheit waren Forscher in diesen Fragen interessiert, die Händigkeit als Indikator für die zerebrale Lateralisierung benutzen, aber dies ist unbefriedigend, weil die Händigkeit ist nur ein schwacher und indirekter Indikator für Lateralität der kognitiven Funktionen ^1. Andere Methoden, wie fMRI, sind teuer für eine groß angelegte Studien, und nicht immer möglich mit den Kindern ^2.

Hier beschreiben wir die Verwendung von funktionellen transkraniellen Doppler-Sonographie (fTCD) als kostengünstige, nicht-invasive und sichere Methode zur Beurteilung der zerebralen Lateralisation. Das Verfahren beinhaltet die Messung des Blutflusses in der A. cerebri media über eine Ultraschallsonde direkt vor dem Ohr. Unsere Arbeit baut auf der Arbeit von Rune Aaslid, der TCD 1982 in Zusammenarbeit eingeführt, und Stefan Knecht, Michael Deppe und ihre Kollegen an der Universität Münster, der die Verwendung von gleichzeitigen Messungen der linken und der rechten mittleren Hirnarterie Blutfluss Pionierarbeit geleistet, und entwickelte ein Verfahren zur Korrektur des Herzschlages Aktivität. Dies machte es möglich, eine deutliche Zunahme der linksseitigen Blutflusses während Sprache Generation zu sehen, mit Lateralisierung Einigung auch mit, dass unter Verwendung anderer Methoden ^3.

Die A. cerebri media hat ein sehr breites Gefäßregion (siehe Abbildung 1) und die Methode nicht bieten nützliche Informationen über die Lokalisierung innerhalb einer Hemisphäre. Unsere Erfahrung zeigt, ist es besonders empfindlich auf Aufgaben, die explizit oder implizit Sprachproduktion beteiligt. Der "Goldstandard" Aufgabe ist es, ein Wort Generation Aufgabe (zB denken an so viele Wörter wie Sie die mit dem Buchstaben 'B' beginnen können) ^4, aber das ist nicht geeignet für kleine Kinder und andere mit geringen Lese-und Schreibfähigkeiten. Im Vergleich mit anderen bildgebenden Methoden ist fTCD relativ unbeeindruckt von Bewegungsartefakten zu sprechen, und so sind wir in der Lage, ein zuverlässiges Ergebnis von Aufgaben, die beschreiben, Bilder beinhalten laut ^5,6 erhalten. Dementsprechend haben wir eine kinderfreundliche Aufgabe, die uns bei Video-Clips, die eine Geschichte erzählen, und dann beschreiben, was gesehen wurde beinhaltet entwickelt.

1. Mit fTCD zu Sprache Lateralisation in Kinder zu bewerten

1. Wo möglich, machen wir das Kind mit Bildern, die Zeichen aus dem Video-Geschichten in einer separaten Sitzung, bevor Sie sie auf Doppler-System.
2. Es ist wichtig, dass dieses Verfahren eine ausreichende Studien umfasst, um eine zuverlässige Messung zu erhalten: im Idealfall 20 oder mehr, obwohl wir haben nützliche Daten mit nur 10 bis 15 Studien erhalten. Jeder Versuch wird mit einer Frist von Entspannung, um als Grundlage verwendet werden, durch die Sprache Aktivierung gefolgt. Blutflussgeschwindigkeit während der Dauer der Aktivierung ist von der Baseline verglichen. Wir haben festgestellt, dass es möglich ist, die Zeit nutzen, während das Kind passiv beobachtet ein 12 Sekunden Video-Clip als Ausgangswert. Dies hilft zu vermeiden Langeweile. Die Grundlinie wird durch ein 10 Sekunden Reaktionszeit Zeitraum, in dem das Kind gebeten, zu beschreiben, was passiert ist, gefolgt. Dies wird durch eine 16 Sekunden Ruhezeit gefolgt.
3. Der Zeitpunkt des Verfahrens ist wichtig, um Veränderungen in Blutflussgeschwindigkeit durch metabolischen Anforderungen, die dauern kann bis 7 Sekunden zu erkennen. Wir verwenden EDV Aufgaben, in der Aufmachung oder Matlab geschrieben, die das Timing der einzelnen Studien zu kontrollieren. Entscheidend ist, diese Programme auch senden Impulse an die Hardware, die eine Markierung von Datensätzen in die Doppler-Daten-Datei zu Beginn der Aktivierung Zeitraum anzuzeigen. Diese sind in der Datenanalyse verwendet werden, um Perioden der Baseline und Aktivierung der Blutfluss zu bestimmen.
4. Wir verwenden eine Multi-Dop-System, die Ultraschall-Aufnahme ermöglicht vom linken und rechten Seite gleichzeitig. Am besten ist es die Multi-Dop-System aufgebaut und bereit zu gehen, bevor die Teilnehmer ankommt. Sicherstellen, dass die Sonden an den Multi-Dop-System sind vor dem Einschalten angeschlossen. Prüfen Sie, ob der Reiz Computer angeschlossen ist, über die parallele Schnittstelle, um die Multi-Dop-Computer und Impulse von einem auf den anderen zu sehen sind. Sicherstellen, dass die Hochpassfilter bis 300 Hz ist für beide Seiten festlegen und überprüfen Sie die Tiefe der Beschallungswinkel (45-55 mm) und die Leistung des Signals. Das System hat Grenzen für die verschiedenen Parameter einstellen, um sicherzustellen, dass nur sichere Werte verwendet werden können.
5. Ein Teilnehmer-Code sollte in den Multi-Dop-Dateien aufgezeichnet werden, um für die Bedingung, eine Gruppe oder demografische Daten Matching.
6. Das System sollte dann angehalten, während der Vorbereitung der Sonden werden. Jeder Ultraschall-Sonde ist mit Gel, das ein Kontakt zwischen der Sonde und der Haut bietet abgedeckt. Verwenden Sie eine großzügige Menge des Gels zu erhalten die besten Kontakt möglich.
7. Nun ist es Zeit, um die Sitzung zu starten. Prüfen Sie, ob das Kind auf die Toilette vor dem Start gehen muss! Wir zeigen das Headset mit Stofftiere, und stellen Sie sicher, dass das Kind über das, was passieren wird und was sie werden gebeten, nicht versteht. Es ist besonders wichtig, dass sie die Notwendigkeit zu halten nach der Aktivierung Zeitraum still zu verstehen, so dass das Signal auf den Ausgangswert zurück. Kinder sollten bequem sitzen wie eine vollständige Aufgabe zwischen 20 und 30 Minuten dauern kann und eine Menge grober Körperbewegungen können mit dem Doppler-Signal stören.
8. Der schwierigste Teil des Verfahrens ist die Positionierung der Gel-beschichteten Sonden. Neue Benutzer sollten sich bewusst sein, dass sie die Praxis braucht, um Experte zu werden in diesem Teil des Prozesses. Es ist eine nützliche Computer-Simulation von Rune Aaslid, dass mit der Ausbildung helfen können
   ( http://www.transcranial.com/ ), aber der beste Weg zu lernen, ist durch das Praktizieren von Freunden und Kollegen. Haben Sie etwa 10 Personen beurteilt, werden Sie anfangen zu finden es viel einfacher. Eine gute Sache über die Arbeit mit Kindern ist, dass es in der Regel einfacher, ein Signal von einem Kind als ein Erwachsener zu finden, weil sie dünnere Schädel haben.
9. Jede Sonde wird auf die zeitliche Fenster des Schädels auf jeder Seite des Kopfes platziert. Dies ist die dünnste Teil des Knochens in den Kopf und bietet die beste Gegend, durch welche ein Signal aus der Mitte Hirnarterien gewonnen werden können. Diese Fenster können nur vor jedem Ohr zu finden. Bei der Arbeit mit Kindern kann es helfen, die Rüstzeit, wenn Sie zwei Experimentatoren, einer Einstellung der einzelnen Sonde. Die meisten Kinder sind glücklich, eine DVD in diesem Teil des Verfahrens, zu sehen, aber es ist wichtig, das Verhalten des Kindes zu überwachen und sicherzustellen, dass sie bequem und entspannt. Beenden Sie die Sitzung, wenn das Kind dies beantragt oder wenn es irgendwelche Zeichen der Verzweiflung.
10. Die Position der Sonden wird dann so eingestellt, um die mittlere Hirnarterie insonate. Es kann einige Minuten dauern, bevor ein zufriedenstellendes Signal gefunden. Dieses Signal hat einen charakteristischen Sound sowie visuelle Muster, das aus dem Multi-Dop-Computer überwacht werden sollen.
11. Der charakteristische Sound ist eine niedrige Rauschen Rauschen der Rate der Teilnehmer höher schlagen. Der charakteristische visuelle Muster ist ein starker Anstieg von einem exponentiellen Abfall fallen, die auch wiederholt mit der Rate des Herzschlags gefolgt. Sie können abholen Aktivität von anderen Blutgefäßen, je nach die Tiefe der Beschallungswinkel und Richtung der Sonde. Eine Tiefe von etwa 45 bis 50 mm in der Regel gut funktioniert bei Kindern. Sobald ein starkes Signal gefunden worden ist, reduzieren Sie die Leistung so weit wie möglich unter Beibehaltung ein gutes Signal. Die Verstärkung kann auch erhöht werden, um ein schwaches Signal zu verstärken.
12. Sobald die Signale für jeden mittleren Hirnarterie zufriedenstellend ausfallen, sind die auditiven Darstellungen des Multi-Dop-Signal nach unten gedreht werden, und die Prozedur kann beginnen. Der Versuchsleiter erklärt dem Kind, dass sie gehen, um einen Videoclip ruhig zusehen. Wenn sie sehen, das Fragezeichen auf dem Computer kommen, die sie benötigen, zu sagen, der Experimentator so viel wie sie können, was passiert ist in dem Video. Als sie das Bild des Jungen los "shhh" sehen, müssen sie aufhören zu reden und sofort still sitzen, um für das nächste Video warten, um zu starten (siehe Abbildung 2 und. Avi Beispiele).
13. Recording Geräte werden dann gestartet, dh, ein Voice Recorder für auditive Antworten; zusammen mit dem Multi-Dop-System der Aufnahme und der Computer die Steuerung Stimulus-Präsentation.
14. Der Versuchsleiter hat die Aufgabe dann für das Kind und Doppler-Signal zu überwachen a) stellen Sie sicher, das Kind ist bequem und die Teilnahme an der Aufgabe und b) sicherstellen, dass ein entsprechendes Signal erhalten bleibt. Die Doppler-Signal ist weit weniger empfindlich auf Bewegung als eine fMRI-Signal, aber es kann immer noch durch grobe Körperbewegungen gestört werden, oder wenn die Sonde bewegt. Wenn das Signal zu stark gestört, sollte die Anzeige Computer angehalten und die Sonden entsprechend zurückgesetzt. Manchmal kann es notwendig sein, mehr Gel anzuwenden, um wieder eine zufriedenstellende Signalverstärkung. Wir finden, dass das Testen von Kindern am besten funktioniert, wenn man Experimentator ist dafür verantwortlich, dass das Kind bei der Sache und aufnehmen, was sie sagen, und die anderen Monitore der Doppler-Signal.
15. Wenn die experimentellen Verfahren abgeschlossen ist, kann der Multi-Dop Aufnahme gestoppt und die Proben entnommen. Es ist nützlich, einige Gewebe zur Verfügung haben, um überschüssiges Gel zu entfernen.
16. Die Rohdaten-Dateien verarbeitet werden, um die linke und rechte Doppler-Signale zu vergleichen. Wir haben unsere eigene Matlab-Software auf die Methoden, mit Deppe ⁷ entwickelt entwickelt. Diese Verarbeitung beinhaltet Downsampling der Daten und Korrektur von Schwankungen aufgrund von Herz höher schlagen. Einzelne Studien werden aus der Analyse ausgeschlossen, wenn der linke oder rechte Aktivierung ist außerhalb eines bestimmten Bereichs, häufig 70 bis 130% des Ausgangswertes Blutflussgeschwindigkeit. Die Aktivierung in diesen Studien wird wahrscheinlich durch problematische Aufsetzen der Sonde beeinflusst werden. Abbildung 3 zeigt die Aktivierung bezogen auf Signale für ein gutes Signal-Sonde, während Abbildung 4 zeigt einen Fall, wo das Signal in regelmäßigen Abständen verloren geht.
17. Im Vergleich zum Ausgangswert Blutflussgeschwindigkeit, ist die Aktivierung in den rechten Kanal vom linken abgezogen, um den Unterschied Aktivierung (siehe Abbildung 5) zu berechnen. Die Lateralisierung Index ist definiert als der Durchschnitt der Differenz Aktivierung für 1 Sekunde beiden Seiten die maximale Differenz innerhalb einer vordefinierten Periode der Zinsen berechnet. Dieser Zeitraum von Interesse ist von 7 bis 17 Sekunden nach dem Start der 'sprechen' Befehl, durch den Marker aus der Anzeige Computer mit dem Multi-Dop-Datei gesendet angezeigt. Da der Unterschied Aktivierung ist die linke minus rechte Kanäle spiegeln positive Lateralisierung Indizes links Lateralisierung und negative reflektieren rechts.

2. Repräsentative Ergebnisse

Abbildung 1:. Außenfläche der Hemisphäre, welche Bereiche von Hirnarterien versorgt Pink ist Region mittleren Hirnarterie versorgt. (Aus: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png )

Abbildung 2:. Schematische Darstellung des experimentellen Studie mit 12 Sekunden Baseline Video, 10 Sekunden Reaktionszeit Intervall und 16 Sekunden Ruhephase Zeitraum von Interesse für die Lateralität Berechnung wird ebenfalls dargestellt.

Abbildung 3. Saubere Daten Aufzeichnung von Roh-Doppler Geschwindigkeit (cm / sec) für die Linke (blau) und rechts (rot) Dopplerkanälen 130 bis 150 Sekunden, während einer einzigen experimentellen Sitzung. Jedes sichtbare Impuls entspricht einem Herzschlag. Event-Marker zeigt Beginn des Stimulus in grün dargestellt.

Abbildung 4. Disrupted Datenaufzeichnung von Roh-Doppler Geschwindigkeit (cm / sec) für die Linke (blau) und rechts (rot) Dopplerkanälen 400 bis 450 Sekunden, während einer einzigen experimentellen Sitzung. Ereignismarker Angabe Beginn des Stimulus in grün dargestellt. Deutliche Hinweise auf Dropout sichtbar ist für beide Kanäle.

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Abbildung 5. Left (blau) und rechts (rot) Kanal (Panel A) und links minus rechts Unterschied (Panel B) Doppler Velocity (cm / sec), gemittelt über alle akzeptable Studien für eine Gruppe von Teilnehmern. Teilnehmer cued wurden auf "Diskussion" bei 12 Sekunden und die Zeit von Interesse für die Lateralität Berechnung ist auch in grün dargestellt. Die grauen Fehlerbalken um den Unterschied Geschwindigkeit in Panel B stellen den Standardfehler des Mittelwerts.

Avi Beispiele: Die Video-Sequenzen, die "Freezefoot" Geschichte zu erzählen heruntergeladen werden kann: http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm

Neben der Untersuchung der normalen Entwicklung haben wir mit fTCD zur Sprache Lateralisierung bei Erwachsenen und Kindern mit Entwicklungsstörungen der Sprache und Alphabetisierung ^{8, 9} zu studieren. Wir sind auch daran interessiert, die Entwicklung von Methoden der Verwendung von für die Beurteilung der Lateralisierung der visuell-räumliche Fähigkeiten ^{10, 11} fTCD.

Wir danken Hubertus Lohmann für die gemeinsame Nutzung seiner Expertise in fTCD Techniken. Diese Arbeit wurde vom Wellcome Trust-Zuschüssen finanziert Nr. 082498/Z/07/2.