Technika elektroencefalografii i metody analizy danych EEG od potencjałów wywołanych (ERP) po lokalizację źródeł przy pomocy algorytmów LORETA oraz poprzez modelowanie dipoli.
5. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
EEG ma świetną rozdzielczość czasową!
Możemy nagrywać aktywność mózgu z dokładnością do ułamków
sekund.
6. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Elektroencefalografia
Metoda badania aktywności (funkcjonowania)
mózgu oparta na rejestracji aktywności
bioelektrycznej mózgu.
8. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Rejestracja aktywności
bioelektrycznej mózgu
• Zapis EEG odzwierciedla sumę potencjałów
generowanych przez komórki kory mózgowej,
w szczególności dużych komórek
piramidalnych z warstwy IV i V kory (płaty
potyliczne, ciemieniowe, skroniowe i
czołowe).
• Największy wkład do rejestrowanego zapisu
mają komórki zorientowane prostopadle do
powierzchni czaszki (a więc raczej z zakrętów
niż z bruzd).
12. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Pasmo Delta
• Najwolniejsze pasmo o najwyższej amplitudzie fal.
• Obecne podczas głębokiego snu non-REM.
• Kiedy: głęboki sen, oraz – patologie neurologiczne
(uszkodzenia, guzy), znieczulenie, powszechny u małych
dzieci (1-2 lata), ilość tych fal maleje z wiekiem
• Silniejsze w prawej półkuli mózgu, ich generatorem jest
wzgórze, w szczególności twór siatkowaty.
• Są związane z konsolidacją pamięci podczas snu.
13. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Typowe badania fal Delta
• Alkoholizm obniża ilość snu wolnofalowego i
występowania fal delta, a zatem utrudnia konsolidowanie
szlaków pamięciowych.
• Sen i zaburzenia snu
• W laboratoriach snu fale delta stanowią wyznacznik
głębokości snu.
• Zaburzenia snu towarzyszą często chorobom
centralnego układu nerwowego takim jak choroba
Parkinsona, demencja lub schizofrenia.
14. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Pasmo Theta
• Jeśli występują w strukturach czołowych mogą świadczyć o
trudności wykonywanego zadania poznawczego, zogniskowanej
uwadze, uczeniu się, wysiłku intelektualnym.
• Są wyznacznikiem obciążenia psychicznego i pamięci roboczej.
• Fale theta mogą występować w całej korze, zarówno w
regionach przedczołowych, jak i centralno-ciemieniowych oraz
skroniowych.
• Pasmo theta stanowi nośnik informacji o procesach
poznawczych pomiędzy strukturami położonymi dalej od siebie.
15. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Pasmo Theta
• U zwierząt fale wolne (5-7 Hz) wyrażają senność. U ludzi
— jeśli występują na całej głowie.
• Występują w trakcie medytacji lub drzemki.
• Odwrotnie niż w hipokampie! W tej strukturze fale theta
wskazują na stan wysokiego poziomu czujności.
• U psychopatów obserwuje się fale theta w stanach
czuwania, a nawet silnego pobudzenia! Wiąże się z tym
ich zwiększona potrzeba stymulacji, poszukiwania wrażeń
i podejmowania ryzyka.
16. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Typowe badania fal Theta
• Monitorowanie pracy mózgu podczas trudnych operacji mentalnych
• Kontrolerzy ruchu, piloci, wojskowi, ocena zdjęć satelitarnych.
• Nawigacja
• Ilość fal theta wzrasta wraz z poziomem skomplikowania labiryntu do
rozwiązania niezależnie od tego, czy musimy go przejść fizycznie, czy tylko
w wirtualnej rzeczywistości.
• N-wstecz
• Sekwencje bodźców są szybko wyświetlane na ekranie, a uczestnicy
badania muszą zapamiętać elementy ukazane n-kroków wcześniej (np. Czy
litera pokazana dwa slajdy temu była literą „m”?). Ilość fal theta zwiększa
się wraz z obciążeniem pamięciowym (np. sześć kroków wstecz w
porównaniu z dwoma).
17. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Pasmo Alfa
• Głównie w regionach potylicznych.
• Fale alfa pojawiają się w okresie fizycznej
relaksacji, gdy mamy zamknięte oczy.
• Zanikają w trakcie czujności, stąd poziom stłumienia
fal alfa mówi o zaangażowaniu w rozwiązywanie
zadania.
• Blokowane przez uaktywnienie uwagi, szczególnie
wzrokowej oraz wysiłek umysłowy.
18. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Pasmo Alfa
• Rytm mu – taka sama częstotliwość jak rytm alfa ale inna topografia
(elektrody C3, C4). Nie jest rytmem alfa! Związany z relaksacją
ruchową, blokowany przez ruch
• Częstotliwość rytmu alfa wzrasta do ok. 10 roku życia i spada w starości
• Częstotliwość 8 Hz jest traktowana raczej jako mało typowa (anormalna)
• Amplituda: u większości ludzi to 20-60 µV
• Nie obserwowane w obszarze bieguna czołowego
• Osoby z bardzo dobrą pamięcią – większa częstotliwość fal alfa
• Różnice gatunkowe - koty: 8-13 Hz; psy: 6-8 Hz; szympansy: 10 Hz
19. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Typowe badania fal Alfa
• Uwaga
• Wzmożona aktywność fal alfa w trakcie procesów zapamiętywania
trudnego materiału wpływa na obniżenie wyników badanego!
• Biofeedback
• Wzmożone występowanie fal alfa ma świadczyć o relaksacji.
Poprzez monitorowanie pracy mózgu mamy nauczyć się
wprowadzać w stan głębokiego relaksu… (?!)
• Medytacja
• Ilość występujących fal alfa pozwala odróżnić doświadczone osoby
medytujące od początkujących.
20. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Pasmo Beta
• Najważniejsze pasmo!
• Aktywność, wzbudzenie, pojawia się podczas blokowania rytmu alfa
— obecny zawsze w czasie czuwania.
• Zdesynchronizowana aktywność bioelektryczna!
• Świadczy o koncentracji, aktywnych procesach poznawczych.
• Pojawia się w całym mózgu
• Silniejsza nad korą motoryczną, kiedy planujemy ruch, wyciągamy
po coś dłoń, wykonujemy precyzyjne ruchy palców.
• Pojawia się również, gdy obserwujemy ruchy innych ludzi (uczenie
się przez naśladowanie — szympans Kanzi).
21. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Typowe badania fal Beta
• Koncentracja uwagi
• Badania rytmu beta podczas stymulacji ostrym
światłem lub bardzo głośnym dźwiękiem oraz po
użyciu leków modyfikujących poziom uwagi i
przetwarzania informacji.
• Kontrola motoryczna
• Zmiana aktywności mózgu następuje ok. 500 ms
przed wykonaniem ruchu — badania Libeta
22. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Pasmo Gamma
• Uwaga, znieczulenie (zależny od poziomu
anestezji), koreluje z metabolizmem glukozy
• Wiele niewiadomych, hipotezy
• fale gamma podobnie jak fale theta
pozwalają synchronizować aktywność
oddalonych od siebie struktur
• są odpowiednikiem ruchów oka i mikro-sakad
23. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Typowe badania fal Gamma
• Mikrosakady — szybkie, mimowolne ruchy
sakadowe oka. Badania próbują wyjaśnić,
jak subtelne ruchy oczu wpływają na
aktywność w paśmie gamma.
29. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Charakterystyka sygnału
• Amplituda — wychylenie fali, jednostka: µV.
• Latencja — czas, który upłynął do pojawienia
się reakcji (wychylenia/załamka w sygnale),
jednostka: ms.
• Częstotliwość — szybkość oscylacji, czyli ile
razy nastąpiło wychylenie fali w ciągu
sekundy, jednostka: Hz.
30. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Charakterystyka sygnału
• Moc — ilość energii w paśmie, zwykle
wyrażana jako amplituda do kwadratu,
jednostka: µV2.
• Faza — synchronizacja fal pomiędzy różnymi
generatorami.
31. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Gdzie umieścić elektrody?
Nasion - nasada nosa
Inion - guzowatość potyliczna
Czepek zakładamy na wysokości ok. 10% odległości pomiędzy nasadą nosa a
guzowatością potyliczną.
32. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Gdzie umieścić elektrody?
Nasion - nasada nosa
Inion - guzowatość potyliczna
Elektroda centralna Cz musi być zawsze na środku względem punktów nasion i
inion oraz względem czubków uszu!
Fp - fronto-polar
F - frontal
C - central
P - parietal, T - temporal
O - occipital
Nieparzyste = LEWA! Parzyste = PRAWA!
34. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Jak wykonuje się badanie EEG?
• Elektrody pasywne i
aktywne
• Czepek powinien być
stabilnie przymocowany
na głowie
• Pomiędzy skórą głowy a
elektrodą powinien
znajdować się żel
ułatwiający
przewodzenie
35. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Oporność rejestrowanego sygnału
Elektrody aktywne
Fot. Małgorzata Gut
36. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Oporność rejestrowanego sygnału
• Na skórze głowy znajdują się
włosy, martwe komórki
naskórka, sebum, pot.
Ograniczają one
przewodzenie!
• To zjawisko nazywamy
opornością
• Oporność mierzymy w
Ohmach.
• Zwykle próbujemy zejść z
opornością poniżej 5 kOhmów.
37. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Rejestracja sygnału: Uziemienie
• Potencjału elektrycznego nie
mierzy się w pojedynczym
punkcie.
• Mierzy się różnicę pomiędzy
punktem pomiaru (elektrodą),
a uziemieniem (ground, G).
• Potencjał na elektrodzie Cz
wynosi zatem: Cz - G
• Kanał G na wzmacniaczu jest
jednak obarczony szumem
elektrycznym, dlatego
konieczne jest zmierzenie
sygnału odniesienia
(referencyjnego).
38. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Referencja (trochę matematyki)
Wzmacniacz nagrywa potencjał pomiędzy elektrodą Cz i
uziemieniem (Cz - G) oraz potencjał pomiędzy referencją
i uziemieniem (R - G). Na tej podstawie wzmacniacz
oblicza różnicę pomiędzy Cz i referencją jako:
[Cz - G] - [R - G]
Który jest równy:
Cz - G - R + G
G się zeruje, czyli otrzymujemy:
Cz - R
Zatem ostateczny sygnał ze wzmacniacza podaje różnice
pomiędzy elektrodami i referencją tak, jakby G w ogóle
nie było.
39. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Typowe elektrody referencyjne
Gdzieś gdzie nie ma
sygnału z mózgu!
• Czubek nosa
• Policzek
• Płatki uszu albo kości
za uszami (mastoids)
• Uśredniony zapis ze
wszystkich elektrod
47. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Problem cyfryzacji
• Aliasing czyli problem próbkowania
sygnału
• Jeśli częstość próbkowania jest
zbyt niska utracimy informacje o
sygnale
• Najlepiej, jeśli Twoja częstość
próbkowania jest conajmniej dwa
razy większa niż najwyższa
częstotliwość sygnału.
Np. jeśli próbkowanie wynosiło 256
Hz, powinniśmy analizować sygnały
tylko do 256/2 = 128 Hz.
48. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Problem cyfryzacji
Np. jeśli próbkowanie wynosiło 256 Hz,
powinniśmy analizować sygnały tylko do 256/2 =
128 Hz.
UWAGA! Ta zasada dotyczy analizy fal!
W przypadku dokładnej analizy czasowej
próbkowanie 250 Hz oznacza, że dwie
próbki są odległe od siebie o 1000ms/250 =
4 ms! To za dużo dla potencjałów
wywołanych (ERP).
W przypadku pomiaru komponentów
występujących kilkanaście ms po ukazaniu
się bodźca należy stosować wyższe
częstości próbkowania (500 a nawet 1000
Hz).
50. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
1.Re-referencja!
Elektroda referencyjna zwykle narzucana
jest przez producenta systemu, więc
pierwszą rzeczą przy obróbce danych jest
zmiana referencji na taką, która nam
odpowiada.
Np. jeśli referencja umieszczona była na
czubku głowy w punkcie Cz - teraz można
odzyskać sygnał z elektrody Cz, zamieniając
referencję na średnią z płatków uszu.
53. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Artefakty sieci elektrycznej
Co zrobić? Sygnał należy przefiltrować znaną nam częstością sieci (50
lub 60 Hz w zależności od kraju).
54. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Elektrody tańczą, tańczą…
Ruchy głowy i intensywne pocenie się może powodować „pływanie” elektrod
(ang. swaying and swinging).
56. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Aktywność mózgu
Spontaniczna Wywołana
Pojawia się w reakcji na
bodziec.
Jest wynikiem zerowania
się fazy oscylacji.
Ang. event-related
potential (ERP)
59. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
2. Uśrednianie triali
Uśrednianie
kategorii
bodźców u
każdego
badanego.
60. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
3. Uśrednianie grupowe (grand average)
Uśrednianie grupy badanych.
61. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
4. Porównanie amplitud
czarna
linia -
kotki
czerwona
linia -
pieski
niebieska linia
- myszki
Elektrody,
które
chcemy
analizować.
62. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Potencjał wywołany tzw. butterfly view
Propagacja sygnału na powierzchni czaszki: zmiany topografii w czasie
67. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Oczywiście, że tak!Percentageofpositive
responses
0%
18%
35%
53%
70%
Przyznajemy sobie aż 65% cech pozytywnych!
Positive Negative
18%
65%
68. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Innych też widzimy w pozytywnym
świetlePercentageofpositiveresponses
0%
18%
35%
53%
70%
Innych ludzi też określamy głównie za pomocą cech
pozytywnych.
Present Past Close Famous
18%17%
19%18%
61%
65%
62%
65%
Positive
Negative
70. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Reakcje mózgu na własne cechy i cechy
innych
JA i moje cechy Ja 10 lat temu i inni ludzie
71. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
WAŻNE!
• Trial — próba eksperymentalna.
• Liczba powtórzeń — jest sporo uśredniania,
więc nie mniej niż 30 powtórzeń bodźca,
najlepiej ok. 100. Weź pod uwagę liczbę
warunków eksperymentalnych i długość
trwania zadania!
• Stimulus timing — precyzyjnie nazwij
znaczniki swojego sygnału i dopilnuj, by
program wyświetlający bodźce skomunikował
się z oprogramowaniem rejestrującym!
74. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
P300
• Występuje ok. 300 ms
po ukazaniu się
bodźca
• Topografie centralno-
ciemieniowe
• Uwaga, procesy
emocjonalne
75. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
LPC
• Ponad 400 ms po
ukazaniu się bodźca,
często 600-900
• Procesy
przypominania,
analizy leksykalnej
LPC
76. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
N400
• Negatywny komponent (o ujemnej
wartości amplitudy).
• Bardzo regularnie 400 ms po
ukazaniu się bodźca.
• Związany z niespójnością językową.
• Tym większa amplituda im bardziej
słowo nie pasuje do kontekstu, np:
posmarował chleb...gitarą
posmarował chleb…kremem
posmarował chleb...masłem
Komponent specyficznie
związany z pojawieniem się
elementu, który narusza
semantykę zdania.
78. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Analiza częstotliwości
• Transformata Fouriera
- pozwala wyrysować
widmo sygnału (czyli
wszystkie składowe
częstotliwości
występujące w
sygnale).
79. STUDY 2 INTRO
POTENCJAŁY WYWOŁANE STANU USTALONEGO
(SSVEP - STEADY STATE VISUAL EVOKED POTENTIALS)
80. STUDY 2 RATIONALE
SSVEP FOR DIFFERENT VS. IDENTICAL STIMULI
Rossion & Boremanse (2011), JoV
How can you conclude about identity from
faces of different people?
81. STUDY 2 PROCEDURE
SSVEP FOR SELF FACES
▸ 10 different faces of the same
person vs. one identical face
repeated constantly
▸ 4 Hz stimulation over 90 sec
▸ Faces represented:
▸ present-self
▸ past-self
▸ friend
▸ unknown person
▸ scrambled face
82. STUDY 2 RESULTS
SSVEP FOR SELF DIFFERENT VS. IDENTICAL FACE
Advantage of diverse visual stimulation
Adaptation
83. STUDY 2 RESULTS
SSVEP FOR SELF DIFFERENT VS. IDENTICAL FACE
{Advantage of
different stimuli
over identical
Advantage of SELF over other conditions
84. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Analiza częstotliwości
• Koherencja - miara synchronizacji sygnału w
amplitudzie i fazie.
Nowicka i in. (2016), Molecular Autism
85. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Analiza częstotliwości
• Funkcje skierowane (direct transfer function, DTF)
- mogą wyznaczyć który ze zsynchronizowanych
sygnałów był pierwszy, a który wystąpił później.
Nowicka i in. (2016), Molecular Autism
87. dr Ilona Kotlewska-Waś, UMK
Analiza źródeł sygnału
• Rozproszone: LORETA,
sLORETA, CLARA etc.
• Dopasowanie dipoli
(dipole fitting)
• Problem odwrotny -
dany sygnał wychodzący
na zewnątrz czaszki
można wyjaśnić przez
nieskończenie wiele
rozwiązań!