Wstęp Zmiany pasmowej mocy sygnału EEG

Pracownia EEG / ERD/S
Spis treści
1 Wstęp
2 Zmiany pasmowej mocy sygnału EEG
2.1 Interpretacja fizjologiczna
2.2 Estymacja zmian mocy sygnału EEG w dziedzinie czasu
3 Cwiczenia
3.1 Paradygmat
3.1.1 wersja 1
3.1.2 wersja 2
3.2 Rejestracja sygnału
3.3 Analiza
3.3.1 Wyznaczenie pasma μ i β
3.3.2 Wyznaczenie przebiegu czasowego ERD i ERS
3.3.3 Transformacja Hjortha
4 Literatura
Wstęp
Wśród badań wykonywanych z wykorzystaniem rejestracji EEG czy MEG można wyróżnić badania
spoczynkowe, gdzie rejestrowana jest spontaniczna aktywność mózgu oraz badania zmian
aktywności pod wpływem różnych bodźców, przy czym bodźce te mogą być pochodzenia egzo- lub
endogennego. Reakcja na bodziec może wykazywać stały związek fazowy z momentem wystąpienia
bodźca — w takiej sytuacji mówimy o potencjałach lub polach wywołanych (ang. event related
potential, ERP i event related field, ERF) — lub też może nie być fazowo związana z bodźcem.
Niniejsza część pracowni poświęcona jest metodologii badania reakcji mózgu na bodźce, które są
czasowo ale niekoniecznie fazowo związane z bodźcem.
Zmiany pasmowej mocy sygnału EEG
Pierwsze rezultaty opisujące zmiany w mocy pasmowej sygnału EEG (spadek mocy rytmu alfa)
związane z reakcją na bodziec zostały opisane w pracy doktorskiej Adolf Becka zatytułowanej
„Oznaczenie lokalizacyi w mózgu i rdzeniu za pomocą zjawisk elektrycznych” (Beck, 1891). Ilościowe
badania zjawisk modulacji mocy sygnału EEG w reakcji na bodźce rozpoczęto stosunkowo niedawno.
Począwszy od pracy (Pfurtscheller, 1979) zjawiska te zaczęto nazywać Event Related
Desynchronization (ERD) — czyli desynchronizacja związana z bodźcem. Termin ERD dotyczy spadku
mocy. Przez analogię w późniejszych pracach terminem Event Related Synchronization (ERS)
opisywane są efekty polegające na wzroście mocy. W większości paradygmatów eksperymentalnych
zjawiska ERD i ERS są małe w porównaniu ze zmiennością mocy sygnału EEG związanej ze
spontaniczną aktywnością mózgu. W celu ich ilościowego badania wymagane jest zarejestrowanie
wielu realizacji reakcji na bodziec i poddanie ich analizie statystycznej.
Interpretacja fizjologiczna
Synchronicznie pobudzana grupa neuronów piramidalnych kory tworzy warstwę
dipolową.
Przykładowa mapa zjawiska synchronizacji i
desynchronizacji sygnału EEG w przestrzeni czasczęstość dla sygnału zearejestrowanego przez elektrodę
C3. Osoba badana wykonywała szybki ruch palcem w
momencie oznaczonym 0. Kolory odpowiadają
procentowej zmianie mocy względem poprzedzającego
okresu 2s, zgodnie ze skalą barw umieszczoną po
prawej stronie. Na poziomej osi - czas w s, na pionowej
częstość w Hz.
Terminy ERD i ERS mają swoje źródło w fizjologicznej interpretacji zmian mocy sygnału w
określonych pasmach częstości. Źródłem mierzalnego na powierzchni głowy sygnału elektrycznego
lub magnetycznego jest synchroniczna aktywność wielu neuronów (głównie piramidalnych kory).
Szacuje się, że wpływ na wielkość sygnału EEG lub MEG ma głównie stopień synchronizacji
neuronów wytwarzających ten sygnał, a w drugiej kolejności ich ilość (Nunez, 1981). Tak więc
wzrost mocy w pewnym paśmie (np. alfa ERS) interpretowany jest jako wzrost synchronizacji
aktywności neuronów generujących aktywność EEG w tym paśmie, zaś spadek mocy (np. alfa ERD)
interpretowany jest jako spadek synchronizacji neuronów generujących aktywność EEG w tym
paśmie częstości. Przy takiej interpretacji należy pamiętać o skali w jakiej dokonywany jest pomiar.
Zarówno elektrody EEG jak i cewki MEG mierzą sygnały średnie pochodzące od olbrzymich ilości
neuronów. Zatem zmiana mocy w tym sygnale odpowiada desynchronizacji lub synchronizacji w skali
makroskopowej (rzędu
neuronów).
Zjawiska ERD i ERS badane były zarówno w eksperymentach motorycznych (Pfurtscheller, 1994,
Pfurtscheller, 1996a, Pfurtscheller1, 996b , Pfurtscheller1999) jak i kognitywistycznych (Tallon
Baudry, 1996, Tallon, 1999, Kaiser2003). Wnioski płynące z tych prac są takie, że znaczenie zjawisk
ERD i ERS zależy od pasma częstości, w którym one występują. Aktywność w paśmie alfa wiązana
jest ze stanem spoczynkowym, ERD w paśmie alfa i beta wiązane jest z pobudzeniem danego rejonu
kory mózgowej, w którym zjawisko to zachodzi. ERS w paśmie alfa i beta następujący po ERD w tym
samym paśmie częstości interpretowany jest najczęściej jako przejaw inhibicji lub kasowania
poprzedniego stanu. Z kolei zwiększona aktywność w paśmie gamma jest interpretowana jako
przejaw funkcjonalnej aktywacji danego fragmentu kory. Nowe wyniki pojawiają się na bieżąco i
stawiane są nowe pytania co do możliwych interpretacji poszczególnych zjawisk np. (Crone, 2010).
Oprócz motywacji czysto poznawczych, badania zjawisk ERD i ERS stymulowane są przez praktyczne
możliwości ich wykorzystania w diagnostyce epilepsji, gdzie są nadzieje na zastosowanie tej techniki
w miejsce bardziej inwazyjnej metody mapowania mózgu przez elektrostymulację (Crone 1998a,
Crone, 1998b, Crone, 2006) oraz w konstrukcji interfejsów mózg-komputer (Pfurtscheller, 2006).
Mapowanie kory czuciowo-ruchowej za pomocą stymulacji: dwie falki –
bezwolne reakcje ruchowe, trzy falki – kloniczny skurcz mięśni, za Crone,
1998
Mapowanie kory czuciowo-ruchowej za pomocą ERD/ERS.Pacjent z przyczyn medycznych
miał umieszczoną na korze motorycznej siatkę elektrod (6x8, odstęp 1cm). Pacjent miał
zaciskać pięść w odpowiedzi na bodziec wzrokowy przez cały czas trwania bodźca (3s)
Prezentowane mapy istotnych statystycznie zmian uzyskano na podstawie 49 wolnych od
artefaktów realizacji.
Estymacja zmian mocy sygnału EEG w dziedzinie czasu
Przebieg czasowy zjawiska ERD i ERS jest specyficzny dla pasm częstości.
Klasyczne obliczanie ERD/ERS.
a) Przykładowy zapis EEG jednej z
realizacji
b) przefiltrowany sygnał EEG w wybranym paśmie (tutaj: [15 25] Hz)
c) przefiltrowany sygnał podniesiony do kwadratu — w ten sposób uzyskujemy przebieg mocy
pasmowej w czasie
d) uśredniony po realizacjach przebieg mocy pasmowej w czasie
e) wygładzony przebieg z d) za pomocą średniej biegnącej (tutaj okienko 0.25 s) czerwone pionowe
linie wyznaczają okres referencyjny
f) ERD/ERS - względna zmiana sygnału e) w odniesieniu do okresu referencyjnego.
Klasyczny sposób estymowania ERD i ERS (Pfurtscheller, 1979) polega na (patrz ilustracja):
filtrowaniu pasmowym,
wyrównaniu realizacji względem momentu wystąpienia bodźca,
obliczaniu mocy chwilowej (podniesienie do kwadratu wartości każdej próbki sygnału),
uśrednieniu mocy chwilowej po realizacjach, wygładzeniu przebiegu czasowego uśrednionej
mocy chwilowej filtrem dolnoprzepustowym.
Następnie względna zmiana mocy obliczana jest jako:
gdzie:
— średnia moc chwilowa w paśmie częstości f; uśrednianie przebiega po realizacjach.
— średnia moc w paśmie f w okresie referencyjnym; uśrednianie przebiega po realizacjach i po
czasie trwania okresu referencyjnego. Klasycznym metodom obliczania ERD/ERS poświęcona jest
praca (Pfurtscheller, 1999). Całościowy obraz zmian mocy sygnału EEG związanych z bodźcem
można dogodnie analizować w dziedzinie czas-częstość.
Cwiczenia
Paradygmat
wersja 1
Osoba badana siedzi wygodnie i trzyma przycisk podłączony do triggera. Na ekranie w odstępach 13
1 sekund wyświetlany jest krzyżyk. Krzyżyk wyświetlany jest przez 2 sekundy. W przeciągu 2
sekund po zniknięciu krzyżyka osoba badana w wybranym przez siebie momencie wciska przycisk.
Proszę zarejestrować 60 realizacji.
Przygotuj program implementujący powyższy paradygmat.
wersja 2
Próba rozróżnienia ruchów lewą i prawą ręką — jak w BCI; na podstawie artykułu
Plik:ERDS.BCI.TNSRE2012.pdf, oczywiście w uproszczonej wersji :-)
Procedura:
Osoba badana ma za zadanie poruszać palcami (wskazującym oraz środkowym) prawej lub lewej
ręki. Na ekranie monitora pojawia się strzałka, która widoczna jest przez okres 3 sek. i wskazuje
rękę, którą będzie wykonywany ruch. Osoba badana ma ruszyć wskazaną ręką w wybranym przez
siebie momencie PO zniknięciu strzałki. Dla każdej ręki przewidziane jest 100 powtórzeń. W celu
synchronizacji sygnału EEG ze wskazówkami pojawiającymi się na ekranie monitora, w lewym
dolnym rogu (gdzie pojawia się biały kwadrat) powinna zostać umieszczona fotodioda.
Rejestracja sygnału:
Wykorzystujemy następujące elektrody umieszczone zgodnie z systemem 10--10: FC3, FC1, FCz,
FC2, FC4, C5, C3, C1, Cz, C2, C4, C6, CP5, CP3, CP1, CPz, CP2, CP4, CP6, P1, P2, A1, A1.
Dodatkowo wykonujemy pomiar z mięśnia extensor digitorum. W tym celu na obu rękach
umieszczamy elektrody bipolarne do EMG (patrz Fig. 1 (elektroda ED3):
http://jn.physiology.org/content/100/6/3225.long). Sygnał rejestrujemy z częstością 512 Hz.
Procedura może zostać pobrana ze stony:
https://github.com/mroja/signal_utils/tree/master/erds/arrows.
Analiza:
1. ERD/S w pasmach
2. uśrednione mapy czas-częstość osobno dla ruchu lewą i prawą ręką
3. analiza możliwości rozróżnienia ruchu na podstawie EEG
Uśrednianie spektrogramów wykonujemy samodzielnie w Pythonie, a na deser liczymy estymatę
średnich rozkładów czas-częstość z MP:
1. eksportujemy tagi znalezione na podstawie EMG
https://brain.fuw.edu.pl/edu/EEG:Pracownia_EEG/SSVEP_1#.C4.86wiczenie_dla_ch.C4.99tnyc
h i oglądamy w Svarogu wyniki na tle sygnału
2. ściągamy najnowszą wersję Svaroga z http://braintech.pl/svarog, umożliwiającą uśrednianie
map
3. Otwieramy w Svarogu plik sygnału wraz z tagami.
4. Ustalamy odpowiedni montaż i filtrowanie sygnału.
5. Uruchamiamy dekompozycję MP (Tools → MP decomposition) wybierając w ustawieniach
(zakładka „Signal selection” → zakładka „Marked”)
1. rodzaj taga oznaczającego kolejne powtórzenia
2. początek i długość trwania analizowanego interwału czasu (w sekundach, względem
wystąpienia taga)
Po zakończeniu obliczeń otwieramy rezultat w nowym oknie („Get result”). Obliczona w ten sposób
„książka” składa się z dekompozycji MP kolejnych powtórzeń eksperymentu, przedstawionych w
postaci map czas-częstość. Otrzymane mapy możemy następnie uśrednić (Tools → Average books) i
zapisać do pliku graficznego o ustalonej rozdzielczości.
Rejestracja sygnału
1. Zakładamy czepek i elektrody w systemie 10-20, dbamy o to by opory pomiędzy elektrodami
były poniżej 5 k i różnice pomiędzy oporami różnych elektrod nie przekraczały 20%.
2. Elektrody referencyjne A1 i A2.
3. Elektrodę GND mocujemy w otworze czepka odpowiadającym pozycji AFz (na linii centralnej
10% w stronę nosa od elektrody Fz).
4. Sygnał rejestrujemy z częstością 256 Hz.
Analiza
Czas wciśnięcia przycisku oznaczymy jako 0. Poniższą analizę zastosuj dla sygnałów w referencji do
uśrednionych odprowadzeń usznych A1 i A2.
Wyznaczenie pasma μ i β
1. Z sygnału wycinamy fragmenty od −4 do −2 sek. dla elektrod C3 i C4 (elektrody położone nad
korą ruchową dłoni).
2. Dla każdej realizacji obliczamy widma metodą Welcha.
3. Otrzymane widma uśredniamy po realizacjach.
4. Z sygnału wycinamy fragmenty od +0.5 do +2.5 sek. dla elektrod C3 i C4 (elektrody położone
nad korą ruchową dłoni).
5. Dla każdej realizacji obliczamy widma metodą Welcha.
6. Otrzymane widma uśredniamy po realizacjach.
7. Wykreśl widma z okresu poprzedzającego ruch i z okresu po ruchu nałożone na siebie, a także
względną zmianę widma. Zaobserwuj w jakich zakresach częstości μ (pasmo około 10 Hz) i β
(około 23 Hz) występują największe zmiany.
Wyznaczenie przebiegu czasowego ERD i ERS
1. Zaprojektuj filtry pasmowo przepustowe (Chebyszewa 2 rodzaju) zgodne z wyznaczonymi
pasmami. Zbadaj funkcje przenoszenia i odpowiedzi impulsowej.
2. Powycinaj sygnały od −5 do +5 sekund (wszystkie kanały). Przefiltruj każdą realizację.
3. Oblicz moc chwilową za pomocą transformaty Hilberta (kwadrat amplitudy chwilowej).
4. Uśrednij moc chwilową po realizacjach.
5. Oblicz względną zmianę mocy chwilowej względem czasu −4 do −2. W ten sposób otrzymasz
przebieg ERD i ERS w czasie.
6. Wykreśl ERD i ERS w układzie topograficznym. (Rozmieść subploty tak, aby z w przybliżeniu
odpowiadały pozycjom elektrod).
Transformacja Hjortha
Transformacja Hjortha jest przybliżeniem numerycznym transformacji Laplace'a, czyli drugiej
pochodnej przestrzennej. Obliczamy ją jako różnicę potencjału pomiędzy daną elektrodą i średnią z
czterech sąsiednich elektrod.
Proszę przeliczyć potencjały C3, Cz i C4 na montaż Hjortha oraz powtórzyć analizę ERD/ERS opisaną
powyżej. Przykładowo dla elektrody C3 montaż Hjortha
otrzymuje się w następujący sposób:
Literatura
Beck, A., 1891. Oznaczenie lokalizacyi w mózgu i rdzeniu za pomoca zjawisk elektrycznych.
Ph.D. thesis, Polska Akademia Umiejętności, Kraków, seria II.
Crone, N. E., Miglioretti, D. L., Gordon, B., Lesser, R. P., 1998a. Functional mapping of human
sensorimotor cortex with electrocorticigraphic spectral analysis II. Event-related
synchronization in the gamma band. Brain 121, 2301–15.
Crone, N. E., Miglioretti, D. L., Gordon, B., Sieracki, J. M., Wilson, M. T., Uematsu, S., 1998b.
Functional mapping of human sensorimotor cortex with electrocorticographic spectral analysis
I. Alpha and beta event-related desynchronization. Brain 121, 2271–99.
Crone, N. E., Korzeniewska, A., Franaszczuk, P. J., 2010. Cortical gamma responses: Searching
high and low. International Journal of Psychophysiology.
Crone, N. E., Sinai, A., Korzeniewska, A., 2006. High-frequency gamma oscilla- tions and
human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research 159, 275–295.
Kaiser, J., Lutzenberger, W., 2003. Induced gamma-band activity and human brain function.
Neuroscientist 9, 475–84.
Nunez, P. L., 1981. Electric Fields of the Brain. The Neurophysics of EEG. Oxford University
Press, New York.
Pfurtscheller, G., Aranibar, A., 1979. Evaluation of event-related desyn- chronization (ERD)
preceding and following voluntary self-paced movement. Electroencephalography and Clinical
Neurophysiology 46, 138–146.
Pfurtscheller, G., Flotzinger, D., Neuper, C., 1994. Differentiation between finger, toe and
tongue movement in man based on 40 Hz EEG. Electroencephalography and Clinical
Neurophysiology 90, 456–60.
Pfurtscheller, G., Lopes da Silva, F. H., 1999. Event-related EEG/MEG synchronization and
desynchronization: basic principles. Clinical Neurophysiology 110, 1842–57.
Pfurtscheller, G., 1999. Quantification of ERD and ERS in the time domain. In: W Pfurtscheller,
G., Lopes da Silva, F. H. (Eds.), Event-related desynchroni- zation. Vol. 6. Elsevier, p. 89–105.
Pfurtscheller, G., Neuper, C., 2006. Future prospects of ERD/ERS in the context of braincomputer interface (BCI) developments. Progress in Brain Research 159, 433–437.
Pfurtscheller, G., Stancak Jr, A., C., N., 1996a. Post-movement beta synchronization. A
correlate of an idling motor area? Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 98,
281–93.
Pfurtscheller, G., Stancak Jr, A., Neuper, C., 1996b. Event-related synchronization (ERS) in the
alpha band—an electrophysiological correlate of cortical idling: a review. International Journal
of Psychophysiology 24, 39–46.
Tallon-Baudry, C., Bertrand, O., 1999. Oscillatory gamma activity in humans and its role in
object representation. Trends Cogn. Sci. 3, 151–62.
Tallon-Baudry, C., Bertrand, O., Delpuech, C., Pernier, J., 1996. Stimulus specificity of phaselocked and non-phase-locked 40 Hz visual responses in human. The Journal of Neuroscience
16, 4240–4249.