Αποτίμηση δυναμικών αλληλεπίδρασης νευρώνων κατά την διάρκεια ψυχοακουστικής δοκιμασίας με την χρήση του Συνεχούς Μετασχηματισμού Κυματιδίου

Abstract

Ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η συσχέτιση των παραμέτρων που προκύπτουν από την ψηφιακή επεξεργασία σημάτων Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος(ΗΕΓ), με αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ψυχοφυσική επεξεργασία της αντίδρασης 10 εθελοντών σε δεδομένο ψυχοακουστικό ερέθισμα. Η μεθοδολογία επεξεργασίας των δεδομένων, που θα περιγραφεί στη συνέχεια, αναπτύχθηκε στο πλαίσιο τρέχουσας ερευνητικής δραστηριότητας που διεξάγεται από κοινού από το Εργαστήριο Βιοϊατρικών Προσο- μοιώσεων και Απεικονιστικής Τεχνολογίας του E.M.Π. και το Εργαστήριο Ψυχοφυσιολογίας του Ερευνητικού Πανεπιστημιακού Ινστιτούτου Ψυχικής Υγιεινής-ΕΠΙΨΥ. O κύριος σκοπός της δραστηριότητας αυτής είναι η διαφορική εκτίμηση πιθανών αλλαγών, που σχετίζονται με την ηλεκτρομαγνητική έκθεση, σε α)σήματα ηλεκτροεγκεφαλογράφηματος, β)σήματα προκλητών δυναμικών και γ)ψυχοακουστικών παραμέτρων κατά τη διάρκεια ψυχοακουστικών πειραμάτων. Το ψυχοακουστικό ερέθισμα, που οδηγείται στον εθελοντή, χαρακτηρίζεται από δύο παλμούς, ο πρώτος εκ των οποίων έωει σταθερή διάρκεια 500ms, ενώ η διάρκεια του δεύτερου μεταβάλλεται από 420ms μέχρι 620ms. Με τη χρήση των πειραματικών δεδομένων, υπολογίζονται οι μετρικοί δείκτες που βασίζονται στο Συνεχή Μετασχηματισμό Κυματιδίου. Οι δείκτες αυτοί περιλαμβάνουν τη Συνάφεια Κυματιδίου, τον Τοπικό Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου, και τη Συνάρτηση Ετερο-συσχέτισης Κυματιδίου. Η ερεύνα στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας, ξεκίνησε με την ανάπτυξη του προγραμματιστικού εργαλείου, σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB, με σκοπό την ανάγνωση και επεξεργασία των καταγρα- φόμενων σημάτων ΗΕΓ, που προέκυψαν από την πειραματική διαδικασία. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μια αναζήτηση στην παγκόσμια βιβλιογραφία, της σημασίας κάθε μετρικού δείκτη για την υποκείμενη εγκε- φαλική λειτουργία, και έπειτα ερμηνεύθηκαν κάποια από τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των σημάτων ΗΕΓ. Τέλος, έγινε μια προσπάθεια για τη συσχέτιση των παραπάνω αποτελεσμάτων, με αντίστοιχα αποτε- λέσματα, που προέκυψαν από την ψυχοακουστική επεξεργασία των απαντήσεων του εθελοντή σε δεδομένη ερώτηση. Σύμφωνα με την Κυματιδιακή Ανάλυση σημάτων ΗΕΓ, όταν η διάρκεια του δεύτερου παλμού είναι ίση με 560ms, εμφανίζεται μια απότομη πτώση στη μέση Συνάφεια Κυματιδίου, στον μέσο Τοπικό Συντελεστή Συσχέτισης Κυματιδίου και στη μέση Συνάρτηση Ετερο-συσχέτισης Κυματιδίου. Το φαινόμενο αυτό σχετί- ζεται με διάφορα στάδια μείωσης της συσχέτισης φάσης και πλάτους μεταξύ των διάφορων περιοχών του εγκεφάλου. Οι αλλαγές αυτές ανιχνεύονται στους ρυθμούς δέλτα, θήτα, άλφα και βήτα, σε όλα σχεδόν τα ηλεκτρόδια. Ο ρυθμός γάμμα φαίνεται να επηρεάζεται σε λιγότερο βαθμό από τη χρονική διάρκεια του δεύτερου παλμού. Τελικός σκοπός είναι μέσα από τη συσχέτιση των δεδομένων που προκύπτουν από τους δύο αυτούς επιστημονικούς τομείς (δηλ. Κυματιδιακή Ανάλυση και Ψυχοακουστική), να πραγματοποιηθεί μια ανίχνευση ηλεκτροδίων που αντιστοιχούν σε περιοχές του εγκεφάλου που ενεργοποιούνται κάτω από την επίδραση συγκεκριμένων ψυχοακουστικών ερεθισμάτων και η μελέτη της αλληλεπίδρασης τους. Τα αποτελέσματα της παραπάνω μελέτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση των πολύπλοκων μηχανισμών του ανθρώπινου εγκεφάλου, που σχετίζονται με τη λήψη και την επεξεργασία της ακουστικής πληροφορίας.

The aim of the thesis is to assess the potential correlation between Encephalogram(EEG) features which are computed using digital signal analysis techniques in conjunction with corresponding parameters that are obtained using psychophysical analysis of 10 subjects’ response to a predefined psychoacoustic stimuli. The data processing methodology which will be described, is developed in the frame of ongoing research work being conducted by Biomedical Simulations and Imaging Laboratory, NTUA and the University Mental Health Research Institute. The main scope of the research workflow will be the differential assessment of potential alternations, related to electromagnetic exposure, in a)electroencephalogram, b)event related potentials recordings and c)psychoacoustics parameters during peri-limen acoustic human study. The psychoacoustic stimulus which triggers the subject’s brain, is characterized by two pulses, the first one has a constant duration of 500ms, when the duration of the second one, varies from 420ms to 620ms. The metric indexes which are estimated from the experimental data, are based on the Continuous Wavelet Transform(CWT). These include the Wavelet Coherence, the Wavelet Local Correlation Coefficient and the Cross Wavelet Correlation Function. The research in the frame of the thesis, began with the development of the MATLAB based tool, which reads and processes the recorded EEG signals. Following, a search in the international literature was conducted, in order to reveal the relationship between the computed metric indexes and the brain function, and then the corresponding results were interpreted. A potential correlation between these results and the results which were obtained from the psychoacoustic processing of the subjects’ response to the predefined question related to the stimulus was finally described. According to the wavelet based EEG analysis, when the duration of the second pulse is 560ms, there is a sharp drop in the mean Wavelet Coherence, Wavelet Local Correlation Coefficient and Cross Wavelet Correlation Function. This fact is associated with decreasing stages of amplitude and phase correlation among different regions of the brain. Changes are detected on delta, theta, alpha and beta rhythm, in almost all electrodes. The gamma rhythm seems to be less affected by the second’s pulse duration. The final scope is, by using the data that are obtained by this interdisciplinary analysis (i.e. Wavelet Analysis and Psychoacoustics), to track electrodes which are related to human brain’s functional regions that are being triggered under this specific psychoacoustic stimulation and also to investigate the interaction between them. These results can be quite useful to deeply understand the complex mechanisms of human brain which participate in the reception and processing of the acoustic information.