Υπολογιστική ανάλυση της δυναμικής ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων (ΗΕΓ) με χρονοσυγχοτικούς μετασχηματισμούς

Abstract

Ο Hλεκτροεγκεφαλογράφος αποτελεί έναν τρόπο διερεύνησης και σύνδεσης του μικρόκοσμου των νευρώνων (δομικά στοιχεία του εγκεφάλου) και του μακρόκοσμου στον οποίο ζούμε και μπορούμε να παρατηρήσουμε τα αποτελέσματα λειτουργίας του εγκεφάλου σε κάποιο εξωτερικό ερέθισμα. Η μελέτη ηλεκτροεγκεφαλογραφικών δεδομένων απαιτεί τη χρήση πολύπλοκων μαθηματικών εργαλείων ώστε να καταφέρουμε να αποκαλύψουμε όλες τις πληροφορίες που κρύβουν τα σήματα που καταγράφονται. Οι χρονοσυχνοτικοί μετασχηματισμοί μαζί με τη χρήση ζωνοπερατών φίλτρων μας επιτρέπουν να μελετήσουμε συγκεκριμένους ρυθμούς (εύρη συχνοτήτων) και πως αυτοί μεταβάλλονται ως προς το χρόνο. Στην παρούσα εργασία αρχικά αναφέρουμε κάποιες βασικές έννοιες που αφορούν τα μέρη του εγκεφάλου, τους νευρώνες και τον τρόπο με τον οποίον αυτά δρουν. Ακολουθεί η περιγραφή της λειτουργίας του ηλεκτροεγκεφαλογράφου καθώς και η ανάλυση κάποιων από τις υπάρχουσες μεθόδους ανάλυσης στον τομέα του χρόνου και της συχνότητας. Τέλος ακολουθεί η εφαρμογή αυτών σε χρονοσειρές ηλεκτροφυσιολογικών δεδομένων (Προκλητά Εγκεφαλικά Δυναμικά) που λάβαμε από το εργαστήριο του Αιγινήτειου Νοσοκομείου. Συγκεκριμένα αναλύσαμε με υπολογιστικό τρόπο τις χρονοσειρές Ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων με στόχο τη μελέτη της δυναμικής των εγκεφαλικών διεργασιών που συμμετέχουν στην γνωστική λειτουργία της Χωρικής Ενεργού Μνήμης (spatial working memory) σε φυσιολογικά άτομα.

The electroencephalogram (EEG) constitutes the bridging between the micro-world, where the interactions between the single neurons take place through complex physiological networks and the macroscopic world where the emergent phenomena are observed and the brain signals are acquainted. The study of EEG data requires the use of complex mathematical tools that allow the extraction of all relevant information that the enlisted signals own. The time-frequency distributions in a synergy with band-pass filtering allow us to study specific frequency bands and investigate the way the brain signals alter according to the spatial and temporal evolution of the brain functional dynamics. In this work we present and analyze some basic concepts regarding both the anatomical and physiological parts of the brain and the way neurons interact on complex networks. We also describe the way that an EEG works and finally we present the major existing methods for time-frequency analysis of signals. Our work was focused on the computational analysis of EEG signals regarding the Provoked Dynamics of Spatial Working Memory Tasks. The experimental data were provided by the Cognition and Action Group of Aeginitio Hospital.