Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů

1. Neuroinformatika – metoda evokovaných potenciálů Zpracování záznamu, extrakce a zobrazení ERP vln, aplikační oblasti ERP

3. Encefalograf (EEG) - vzniká součinností neuronů thalamu a kortexu (mozkové kůry). • Hlavním zdrojem EEG je elektrická aktivita synapto-dendrických membrán v povrchových vrstvách kortexu. • EEG - většinou rytmické a má sinusoidní tvar. Skládá se z aktivity pozadí a tzv. evokovaných potenciálů (ERP) • Měření EEG • na povrchu hlavy • systém elektrod, které se lepí, nebo speciální EEG čepice

4. Rozložení elektrod – systém 10-20

5. Aktivita pozadí Alfa aktivita • měřitelná převážně v zadní části hlavy • frekvence 8-13 Hz • produkována mozkem, který je: • zdravý (alfa se mění se nebo ztrácí s výskytem tumorů, traumat, encefalitidy apod.) • bdělý (ve spánku a v bezvědomí se rozpadá) • zralý (zhruba od 8 let pravidelná) • při zavřených očích (při otevřených očích se blokuje) • amplituda 30-80 µV

6. Beta aktivita • frekvence 14-40Hz (nejčastěji 15-25Hz), někdo udává > 12Hz • amplituda 10-20 µV, někdy 20-30 µV • obvykle tvar sinusoidy • nemusí být synchronní nad oběma hemisférami • výskyt: • - nejčastěji frontálně (25-30Hz), • - centrálně (14-22Hz) • - týlně jako tzv. rychlá alfa varianta • amplituda může být zvýšena při ospalosti, NREM-I, II, REM, • farmakologickém ovlivnění – barbituráty, benzodiazepiny, u žen • může být častější výskyt než u mužů

7. Delta aktivita • frekvence < 4Hz (0.1-3 Hz) • amplituda 10-300 µV • výskyt - oboustranný, obvykle elektrody F3,C3 • u dětí do 1 roku je výskyt normální • u dospělého pouze u NREM III a IV fázi spánku, v bdělém stavu signalizuje poruchy (u lidí s poruchou pozornosti roste amplituda, pokud se snaží soustředit se)

8. Theta aktivita • frekvence 4-7 Hz • amplituda <30 µV • mezistav mezi spánkem a bdělostí • může se objevit při: • vnitřním soustředění, • meditaci, • motlitbách • má souvislost s kreativitou, intuicí, denním sněním, • fantazií, vzpomínkami • Výskyt: většinou v oblasti spánkových laloků, amplituda • může být vyšší v levé hemisféře • je běžnou součástí normálního záznamu (častěji se vyskytuje u • dětí a adolescentů než u dospělých) • nemá převyšovat týlní alfa aktivitu o více než 50 %

9. Gama vlny • frekvence >30 Hz, obvykle se udává 36-44 Hz (v některých • publikacích 30-60 Hz) • výskyt po celém povrchu hlavy, mají nízkou amplitudu ( 10 µV) • odráží stav aktivního zpracování informací v kortexu (pokud • mozek zpracovává informace z různých oblastí, mají gama vlny • obvykle frekvenci 40 Hz, pokud 40Hz chybí neschopnost učit se) • vyskytují se např. při pohybu prstů, mohou souviset se stresem Lambda vlny • doba trvání 100-200ms • amplituda obvykle <20 µV, zřídka >50µV • mají tvar písmene lambda • výskyt v týlní oblasti (O1, O2 elektrody) při sledování ostře • osvětleného předmětu v zorném poli (barevné vzory), často jim • předcházejí artefakty pohybu očí • vrchol výskytu ve věku 2-15 let

10. Vývoj EEG aktivity • od narození do 1. roku dítěte – málo pravidelná delta aktivita (1- • 3Hz), obvykle vysoké amplitudy, netlumí se otevřením očí • od jednoho do tří let – dominantní je theta rytmus (4-7Hz), vysoké • amplitudy (ale nižší než předchozí delta), tlumení otevřením očí • nedokonalé, ale může být částečně patné • 3.- 6. rok věku – tzv. prealfa (6-8Hz, typicky 7Hz) - vysoká • amplituda, blokuje se otevřením očí, začíná být symetrická • v obou hemisférách, je měřitelná v temenní a týlní oblasti • 5.-7. rok – začíná se objevovat pravidelná alfa aktivita (rytmus), • amplituda 30-60µV, alfa rytmus je nepřímo úměrný pozornosti (s • rostoucí pozorností klesá alfa) • Beta aktivita se objevuje společně s alfou a je měřitelná převážně v čelních oblastech.

11. Artefakty • V EEG záznamu se kromě zmiňovaných vln objevují i tzv. artefakty, které nesouvisí s činností mozku. Nejčastěji se dělí podle původu na artefakty: • od pacienta, což jsou encefalografické záznamy biologického signálu • jiného než EEG: • artefakty z mrkání a jiných pohybů očí • svalové a pohybové artefakty • artefakty ze srdeční činnosti, tepové a z pocení • artefakty z pohybů jazyka • artefakty dentální • tzv. interferenční artefakty, které vliv elektrické elektromagnetického • pole od okolních přístrojů, např. síťový kmitočet 50Hz, zvonění • mobilního telefonu, vypnutí/zapnutí osvětlení, ventilačního systému, • klimatizace apod.

12. Evokované Potenciály (ERP – Event-related potentials) • elektrická odezva mozku nebo mozkového kmene na rozdílné • typy stimulací (vizuální, audio, senzorické stimulace) • jsou zaznamenávány podobným způsobem jako EEG (tj. • elektrody umístěné na hlavě) • ERP mají tvar krátkodobých vln velmi nízké amplitudy, jejichž • morfologie (tvar, latence, doba trvání) závisí na síle stimulu a na • mentálním stavu měřeného subjektu (např. na únavě, pozornosti • apod.) • v porovnání s EEG jsou to vlny relativně nízké, které vznikají na • pozadí běžné EEG aktivity - EEG se v toto případě chová jako • šum a je potřeba ho vhodným způsobem odstranit (např. • průměrováním), • k určení ERP je nutné subjekt opakovaně stimulovat stejným • podnětem a přesně synchronizovat okamžik stimulu s EEG • záznamem

14. ERP lze rozdělit na • exogenní - odezva na fyzikální stimul (odezva senzorů) – • nízká doba latence • endogenní – souvisí s kognitivním procesem – mají delší dobu • latence ( > 300 ms) • podle druhu stimulace se ERP rozdělují na: • sluchové (auditory ERP) - stimuluje se obvykle krátkým • pípnutím o určité frekvenci – odezvou je série vln, která určuje • jakým způsobem se neuro informace šíří od sluchového nervu • v uchu do mozkové kůry – elektrody se umísťují za levé a • pravé ucho na vrchol hlavy

15. zrakové (visual ERP) - stimuluje se obrazem ve tvaru • šachovnice, kde políčka střídavě mění barvu, blikajícím obrazem • apod. Sleduje se šíření informace očním nervem. Elektrody se • umísťují v týlní oblasti hlavy. • somatosenzorické – reakce na různé proudové impulsy, pohyb • apod.

16. Průběh EEG signálu a synchronizační značky

17. ERP záznam • normální EEG záznam + synchronizační značky, odpovídající výskytům jednotlivých událostí (stimulům) • ERP vlny jsou v porovnání s EEG pozadím nízké (5μV u audio ERP, 20 μV u vizuálních ERP) • k zobrazení ERP vlny je nutné potlačit základní EEG aktivitu obvykle složenou z α,β,γ vln

18. Potlačení základní EEG aktivity : • průměrováním jednotlivých epoch. • EEG signál je nejprve segmentován do tzv. epoch, což je oblast v okolí synchronizační značky reprezentující výskyt události (např. 0.5 s před značkou a 1s po výskytu značky). • Jednotlivé epochy se průměrují potlačuje se základní EEG aktivita, která se v jednotlivých epochách chová jako náhodný signál • metody tzv. „single-trial“ analýzy - jsou založeny dekompozici signálu (waveletová transformace, matching pursuit apod.) a nalezení koeficientů reprezentující ERP komponenty

19. Průměrování epoch Průměrování jednotlivých epoch ERP experiment a segmentace EEG na jednotlivé epochy

20. Single-trial analýza (Matching pursuit – princip) • adaptivní metoda dekompozice signálu • signál je dekomponován na jednotlivé atomy, které jsou vyhledávány • ve slovníku funkcí (často se využívá slovnít tzv. Gaborových funkcí

21. Vstupní signál Gaborův atom

22. Single-trial analýza ERP (Matchingpursuit) Atom odpovídající komponentě P3

23. Aplikační oblasti ERP • Klinická praxe • vyšetřování základních funkcí vizuálního, sluchového , somato-senzorického systému • intraoperační monitorování (neurochirurgie) • základní vyšetření u komatózních pacientů

24. Kriminalistika – „detektor lži“ • Brain-computer interface • umožňuje lidem komunikovat a ovládat vnější svět bez cesty prostřednictvím mozku a periferních nervů a svalů - vhodné pro jedince, kterým vlivem poruchy nervového systému (svalové ochrnutí, ztráta řeči apod.) není umožněn jiný způsob komunikace.

25. BCI systémy, které využívají ERP lze např. psát zprávy, řešit rozhodovací úlohy typu ano/ne apod. 6 Hz 15 Hz ano ne

26. Nejčastěji používané ERP komponenty • Vlna P3 (P300) • 3. pozitivní vlna v ERP záznamu s latencí přibližně 300 ms (latence se může měnit v rozmezí 300-500ms v závislosti na experimentu). Maximální amplitudy dosahuje P3 vlna je na elektrodě Pz.

27. Vznik P3 vlny – několik teorií • aktualizace pracovní paměti - vlna vzniká v okamžiku, kdy je • potřeba aktualizovat pracovní paměť. • překvapení nad výskytem méně frekventovaného stimulu • výskyt očekávaného stimulu.

28. Ustálené zrakové evokované odezvy (steady state visual evoked potential) 6 Hz 15 Hz ano ne

29. Příklad jednoduchého ERP experimentu –evokace vizuálního P300 potenciálu • měřená osoba osoba sleduje monitor, kde jsou zobrazovány dva znaky O a Q • znak je zobrazován po dobu 800ms, 200 ms je zobrazováno pouze černé pozadí • Znak O se zobrazuje přibližně 4x časteji (tzv. non-target stimul) než znak Q (target stimul) • Při zobrazení znaku Q dochází k evokaci vlny s latencí cca 300 ms - P3 komponenta O Q

30. Průběh EEG signálu a synchronizační značky

31. Segmentovaná EEG data pro znak O (nontarget) pro znak Q (target)

32. Průměrovaná data pro znak O (nontarget) pro znak Q (target)

33. Single-trial analýza ERP (Matchingpursuit) Atom odpovídající komponentě P3

34. Výzkum v oblasti ERP na KIV • výzkum v oblasti ERP a BCI ve spolupráci s neurochirurgií FN Plzeň, KTV FPE ZČU, Dopravní fakultou ČVUT Praha bude zaměřen na: • návrh jednoduchého BCI pro komunikaci s komatózními pacienty, • npodprahové vnímání • motorické testy u dětí a souvislost s mozkovou aktivitou • monitorování pozornosti řidičů, reakce na náhlé změny v zorném • poli • využití ERP v kriminalistice (detektor lži).