Ανάπτυξη αλγορίθμων προσδιορισμού του μακρινού πεδίου σημάτων ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος για την αξιολόγηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται αλγοριθμικές τεχνικές υπολογισμού του ισοδύναμου μακρινού πεδίου που παράγεται από την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια γνωστικών διεργασιών. Σκοπός είναι η εισαγωγή της μελέτης του μακρινού πεδίου σημάτων Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος ως μιας νέας μεθόδου ανάλυσης αυτού, που συμπληρώνει τις υφιστάμενες συμβατικές μεθόδους στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Αφετηρία της σχετικής έρευνας αποτέλεσε η ανάπτυξη καινοτόμας τεχνικής επίλυσης του αντίστροφου προβλήματος του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος με χρήση μοντέλων πολλαπλών κατανεμημένων στοιχειωδών διπόλων που προσδιορίζονται μέσω της Ηλεκτρομαγνητικής Θεωρίας. Η ανάδειξη του μακρινού πεδίου ως μιας νέας μετρικής για την αξιολόγηση της ηλεκτρικής εγκεφαλικής δραστηριότητας επαληθεύεται μέσω της ανάπτυξης τεχνικών υπολογισμού της ακτινοβολούμενης ισχύος, που επεκτείνουν την επιστημονικά αποδεκτή μέθοδο sLORETA. Η ενδεικτική εφαρμογή των αναπτυχθέντων αλγορίθμων σε πειραματικά δεδομένα αποδεικνύει την εγκυρότητα των μεθόδων και τις προοπτικές αξιοποίησής τους για την αξιολόγηση των συμπεριφερικών χαρακτηριστικών υποκειμένων, τόσο για κλινικές όσο και για ερευνητικές εφαρμογές. Στο 1ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται το επιστημονικό πεδίο της Γνωστικής Νευροεπιστήμης, τομέας ο οποίος αναμένεται να ωφεληθεί σημαντικά από την ανάπτυξη των μεθόδων υπολογισμού του μακρινού πεδίου, δίνοντας έμφαση στην ιστορική εξέλιξή του από την αρχαιότητα ως τη σύγχρονη εποχή. Επίσης, παρουσιάζεται αναλυτικά το σχετικό πείραμα «Πρωταγόρας» που διεξήχθη πρόσφατα από την 1η Πανεπιστημιακή Ψυχιατρική Κλινική του Αιγινήτειου Νοσοκομείου και στόχευε στη μελέτη της βίωσης της ροής του χρόνου από τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Τα δεδομένα των δοκιμασιών του πειράματος χρησιμοποιήθηκαν τόσο για να αποτελέσουν πεδίο εφαρμογής και υλοποίησης των αλγορίθμων που ακολουθούν, όσο και για να εξαχθούν ψυχοφυσιολογικά συμπεράσματα για τους σκοπούς του πειράματος. Στη συνέχεια, στο 2ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται συνοπτικά η ανατομία του εγκεφάλου, η δομή και η λειτουργία των νευρώνων καθώς και ο τρόπος διάδοσης των ηλεκτρικών δυναμικών μέσω των νευρικών ινών, ως γενεσιουργές αιτίες παραγωγής των ηλεκτρικών δυναμικών στην επιφάνεια της κεφαλής. Τα δυναμικά αυτά είναι το αντικείμενο καταγραφής της μεθόδου του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και αποτελούν προϊόν της εγκεφαλικής δραστηριότητας που συντελείται κατά τη διάρκεια γνωστικών διεργασιών. Επίσης, περιγράφονται οι συνήθεις τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος που εφαρμόζονται σήμερα, καθώς και άλλες μέθοδοι καταγραφής και απεικόνισης της εγκεφαλικής λειτουργίας. Στο 3ο Κεφάλαιο, αναπτύσσεται αναλυτικά η Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία καθώς και στοιχεία από τη Θεωρία Κεραιών, εν είδει θεωρητικού υποβάθρου για τις τεχνικές μοντελοποίησης που ακολουθούν. Με αφετηρία τις κλασσικές εξισώσεις του Maxwell αναπτύσσονται οι σχέσεις προσδιορισμού του παραγόμενου ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου στοιχειωδών πηγών (διπόλων) τόσο στην κοντινή, όσο και στη μακρινή περιοχή. Με τον τρόπο αυτό εντοπίζονται οι διαφορές μεταξύ των δύο περιοχών και οι οποίες αντικατοπτρίζονται στη μορφή των επιφανειακών δυναμικών του εγκεφάλου σε σύγκριση με την ακτινοβολούμενη ισχύ του. Ακολούθως, στο 4ο Κεφάλαιο αναπτύσσεται η έννοια του αντίστροφου προβλήματος του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, που συνίσταται στον προσδιορισμό ενός συνόλου ισοδύναμων στοιχειωδών πηγών οι οποίες μπορούν να αναπαράξουν τις καταγραφές. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι δυσχέρειες κατά την επίλυσή του καθώς και σχετικές τεχνικές που απαντώνται στη βιβλιογραφία, με έμφαση στις παραδοχές και τις υποθέσεις καθεμιάς. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται αναλυτικά η νέα μέθοδος επίλυσης του εν λόγω αντίστροφου προβλήματος που αναπτύχθηκε κατά τη σχετική έρευνα και περιλαμβάνει τη χρήση στοιχειωδών μαγνητικών διπόλων κατάλληλης τοπολογίας. Παρουσιάζονται τεχνικές μείωσης της πολυπλοκότητας του προβλήματος καθώς και τεχνικές υπολογισμού του μακρινού πεδίου των προσδιοριζόμενων μοντέλων πολλαπλών διπόλων. Επίσης, δεδομένα του πειράματος «Πρωταγόρας» εισάγονται στους αλγορίθμους και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής της νέας μεθόδου για την εξαγωγή ψυχοφυσιολογικών συμπερασμάτων. Τέλος, στο 5ο Κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά τεχνικές επέκτασης της μεθόδου sLORETA, που αφορούν τον προσδιορισμό του μακρινού πεδίου των εγκεφαλικών καταγραφών του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, τόσο στο πεδίο της συχνότητας, όσο και στο πεδίο του χρόνου. Η εφαρμογή των δεδομένων του πειράματος «Πρωταγόρας» σε αυτές καθιστά δυνατή τη στατιστική διερεύνηση της μεταβολής του διαγράμματος ακτινοβολίας του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια των γνωστικών δοκιμασιών του πειράματος, προσφέροντας νέες δυνατότητες εξαγωγής συμπεριφερικών κανονικοτήτων.