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

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

Rozložení elektrod – systém 10-20

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

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

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)

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 %

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

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.

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.

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

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

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.

Průběh EEG signálu a synchronizační značky

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

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

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

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

Vstupní signál Gaborův atom

Single-trial analýza ERP (Matching pursuit) Atom odpovídající komponentě P3

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

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.

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

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.

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.

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

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

Průběh EEG signálu a synchronizační značky

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

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

Single-trial analýza ERP (Matching pursuit) Atom odpovídající komponentě P3

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).