Τεχνικές επεξεργασίας και ανάλυσης ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων για την αξιολόγηση της γνωστικής απόκρισης του ανθρώπινου εγκεφάλου

Abstract

This PhD thesis was composed based on a series of technical and experimental modules, mainly aimed at presenting and applying advanced brain signal processing methods in a variety of clinical experiments. Throughout this thesis, the central goal was to develop an integrated and automated sequence of steps towards the (partial) decipherment of the most complex system found in nature: the human brain. The dominant purpose of the techniques presented was to demonstrate the synergy between Engineering, Statistics and Neuroscience in order to draw conclusions about the cognitive response of the human brain. It is worth noting that the procedure applied in each of the chapters dealing with specific experiments is of general purpose, therefore it can be reused in a variety of clinical or non-brain studies. Clearly, modifications to the methods of analysis are likely to be required, depending on the particular technical or theoretical changes resulting from the particular experiment. In the first chapter, the basic techniques of recording brain signals were presented, highlighting the main features and advantages of the Electroencephalogram (EEG) technique. In the second chapter, a standard sequence of steps towards noise mitigation in EEG signals was given, as well as standard processing techniques. The third chapter presents all those statistical techniques needed to validate results and draw conclusions in EEG studies. In the fourth chapter, the evoked potentials during the brain activity of past or future self-viewing were studied in order to elucidate whether or not past and future thinking share common brain resources. In chapter five, using the PPI/PPF experiment, three different studies on the sensorimotor system were presented. The latter is involved in any process involving the manifestation of a form of startle-motion and sensory stimuli. Next, we examined the neural correlates of BDD by investigating the electrophysiological responses to PPI and PPF auditory stimuli. Using a similar experiment, we studied startle responses in children and adolescents. Finally, in chapter six, we investigated the sensitivity of BDD patients to visual illusory phenomena and their corresponding brain connectivity patterns while making judgments about the corresponding visual stimuli.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή συντέθηκε με βάση μια σειρά από τεχνικές και πειραματικές ενότητες, στοχευμένες κυρίως στην παρουσίαση και την εφαρμογή προηγμένων μεθόδων επεξεργασίας εγκεφαλικών σημάτων σε ποικίλα κλινικά πειράματα. Καθ’ όλη την έκταση της παρούσας διατριβής, ο κεντρικός στόχος ήταν η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης και αυτοματοποιημένης ακολουθίας βημάτων προς την (μερική) αποκρυπτογράφηση του πολυπλοκότερου συστήματος που συναντάται στην φύση: τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Κυρίαρχος σκοπός των τεχνικών που παρουσιάστηκαν ήταν η κατάδειξη της συνέργειας μεταξύ Μηχανικής, Στατιστικής και Νευροεπιστημών προς την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την γνωστική απόκριση του ανθρώπινου εγκεφάλου. Αξίζει να σημειωθεί ότι, η διαδικασία που εφαρμόστηκε σε καθένα από τα κεφάλαια που αφορούσαν συγκεκριμένα πειράματα είναι γενικού σκοπού, συνεπώς δύναται να επαναχρησιμοποιηθεί σε πληθώρα κλινικών ή μη εγκεφαλικών μελετών. Σαφώς, τροποποιήσεις των μεθόδων ανάλυσης είναι πιθανό να απαιτηθούν, ανάλογα με τις εκάστοτε τεχνικές ή θεωρητικές αλλαγές που απορρέουν από το εκάστοτε πείραμα. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάστηκαν οι βασικές τεχνικές καταγραφής των εγκεφαλικών σημάτων, επισημαίνοντας τα κύρια χαρακτηριστικά και τα πλεονεκτήματα της τεχνικής του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ). Στο δεύτερο κεφάλαιο, δόθηκε μια τυποποιημένη αλληλουχία βημάτων προς τον μετριασμό του θορύβου στα σήματα ΗΕΓ, καθώς και των συνήθων τεχνικών επεξεργασίας. Το τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζει όλες εκείνες τις στατιστικές τεχνικές που απαιτούνται για την επικύρωση των αποτελεσμάτων και της εξαγωγή συμπερασμάτων στις μελέτες ΗΕΓ. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετήθηκαν τα προκλητά δυναμικά κατά την εγκεφαλική δραστηριότητα της αυτοπροβολής στο παρελθόν ή στο μέλλον, με στόχο να διαλευκανθεί το αν η παρελθοντική και η μελλοντική σκέψη μοιράζονται κοινούς ή όχι εγκεφαλικούς πόρους. Στο πέμπτο κεφάλαιο, με τη χρήση του πειράματος PPI/PPF, παρουσιάστηκαν τρεις διαφορετικές μελέτες σχετικά με το αισθητικοκινητικό σύστημα. Το τελευταίο εμπλέκεται σε κάθε διεργασία που περιλαμβάνει την εκδήλωση μια μορφής αιφνιδιασμού-κίνησης και αισθητηριακών ερεθισμάτων. Εν συνεχεία, εξετάσαμε τους νευρικούς συσχετισμούς της BDD, διερευνώντας τις ηλεκτροφυσιολογικές αποκρίσεις σε ακουστικά ερεθίσματα PPI και PPF. Χρησιμοποιώντας όμοιο πείραμα, μελετήσαμε τις αποκρίσεις αιφνιδιασμού σε παιδιά και εφήβους. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, διερευνήσαμε την ευαισθησία των ασθενών με BDD σε οπτικά ψευδαισθητικά φαινόμενα και τα αντίστοιχα μοτίβα συνδεσιμότητας του εγκεφάλου τους, ενώ έπαιρναν αποφάσεις σχετικά με τα αντίστοιχα οπτικά ερεθίσματα.