Modern methods for evaluation of electrophysiological signals

Bilaterálny projekt SAV - AV ČR

Doba riešenia: 07/2006 - 12/2008

Slovenský názov: Moderné metódy spracovania elektrofyziologických signálov

Vedúci projektu SR: Doc. RNDr. Viktor Witkovský, CSc.

Vedúci projektu ČR: RNDr. Milan Paluš, DrSc.

Dátum začiatku/ukončenia riešenia projektu: 1.7.2006-31.12.2008

Spoluriešiteľské inštitúcie: Ústav merania SAV, Ústav informatiky AV ČR

Finančné zabezpečenie v SR: cestovné a pobytové náklady hradené z MVTS SAV (v roku 2008)

V roku 2006 bol projekt schválený ako Prioritná téma spolupráce medzi AV ČR a SAV na obdobie 2006 - 2008. V roku 2008 sa uskutočnili pobyty našich pracovníkov Mgr. Michala Teplana, PhD. a Mgr. Kristíny Šušmákovej (2 x 10 dní v rámci MAD) na partnerskom pracovisku (Ústav informatiky AV ČR v Prahe).

Anotácia projektu

Nelineárna dynamika a štatistika sú dve, nie vždy celkom interagujúce odvetvia vedy zaoberúce sa analýzou zložitých signálov. V spolupráci odborníkov zaoberajúcich sa nelineárnou dynamikou a štatistikou budú vyvinuté nové prístupy k analýze zložitých, predovšetkým elektrofyziologických signálov, ktoré budú aplikované predovšetkým v neurofyziologii a kardiovaskulárnej fyziologii.

Vo všeobcnosti fázová synchronizácia je jav, kedy možno pozorovať určitú závislosť medzi fázami dvoch dynamických systémov, pričom ich amplitúdy môžu byť úplne nekorelované. Pre spriahnuté chaotické dynamické sytémy popísal Rosenblum (Phys. Rev. Lett. 76, 1996) podmienky pre fázovú synchronizáciu a zaviedol určovanie okamžitých fáz z analytických signálov pomocou Hilbertovej transformácie. Podľa Le van Quyena (J. Neurosc. Methods 111) porovnateľné okamžité fázy možno získať z EEG aj pomocou waveletovej transformácie. V prípade experimentálnych zašumených dát je ťažké rozlíšiť fázovo synchronizovaný režim od asynchrónneho len na základe rozdielu fáz. Paluš (Paluš, Phys. Lett. A 235) navrhol testovať významnosť fázovej závislosti pomocou vzájomnej informácie a tzv. "surrogate" dát. Surrogate dáta zachovávajú väčšinu štatistických vlastností pôvodných dát, ale náhodným spôsobom menia skúmanú vlastnosť. Napr. pri skúmaní fázovej synchronizácie jeden typ surrogate dát možno vytvoriť náhodným premiešaním fáz vo Fourierovom obraze, pričom amplitúdy zostanú zachované. Ak hodnota vzájomnej informácie je významne odlišná od súboru surrogate dát, možno zamietnuť nulovú hypotézu, že získaná závislosť medzi fázami je dôsledkom náhody alebo iných štatistických vlastností dát (napr. krížových korelácií).

Cieľom projektu je preskúmať fázovú synchronizáciu EEG v dvoch podmienkach: počas audio-vizuálnej stimulácie a v rôznych spánkových stavoch. V prvom prípade to prispeje k poznatkom o vzájomnom prepojení činnosti rôznych oblastí kortexu v konkrétnej frekvenčnej oblasti, špeciálne ide o intrahemisferické šírenie vybudeného signálu z okcipitálnej kôry smerom do frontálnych oblastí. V prípade spánkového EEG je cieľom porovnať úroveň neuronálnej synchronizácie počas rôznych spánkových stavov a zistiť, či fázová synchronizácia dáva lepšie výsledky ako klasické lineárne miery, napr. koherencia. 

V roku 2008 boli študované metódy fázovej synchronizácie pomocou waveletovej transformácie a jej využitie v kontexte EEG počas audio-vizuálnej stimulácie. Ďalej vypočítané boli fázové koherencie pre spánkové EEG dáta a výsledky vyhodnotené pre rôzne spánkové stavy. Predbežné výsledky boli prezentované na konferencii Nonlinear Physiology, Brain, Respiratory and Cardiac Causalities in Anaesthesia, Ljubljana, Slovenia, 23-27 September 2008, pripravuje sa publikácia.

Ďalej boli študované metódy fázovej synchronizácie a ich využitie v kontexte EEG počas audio-vizuálnej stimulácie. Pomocou waveletovej transformácie boli odvodené okamžité fázy signálov pre určité frekvenčné pásma prislúchajúce stimulačným charakteristikám. Kvantitatívny odhad fázovej synchronizácie bol urobený cez mieru odzrkadlujúcu uniformnosť distribúcie fázových rozdielov v určitom časovom okne. Hodnotili a porovnávali sa stavy pred a počas stabilnej 4 a 17 Hz stimulácii a v rôznych oblastiach kortexu. Počas audio-vizuálnej stimulácie sa výrazne zvýšila fázová synchronizácia v porovnaní s predstimulačnými podmienkami, a to vo všetkých sledovaných oblastiach kortexu. Jej najmenší prírastok bol zaznamenaný vo frontálnych oblastiach. Centrálne oblasti kortexu reagovali podobne mohutným prírastkom v skúmanej synchronizácii ako oblasti okcipitálne s lokalizáciou centier na spracovanie vizuálnych vnemov.

Publikácie:

TEPLAN, M. – ŠUŠMÁKOVÁ, K. – PALUŠ, M. – VEJMĚLKA, M.: Detection of phase synchronization applied to audio-visual stimulation EEG. International CIANS conference Higher brain functions, Smolenice. Abstracts in: Activitas Nervosa Superior 50, 2008.