Transcript Avances en el estudio de la sincronía inducida en EEG

Avances en el estudio de la
sincronía inducida en EEG
Alfonso Alba Cadena (CIMAT/UASLP)
José Luis Marroquín (CIMAT)
Thalía Harmony (INB-UNAM)
Joaquín Peña (CIMAT)
Berta González Frankenberger (INB-UNAM)
Contenido
• Introducción
• Recordatorio: Sistema de análisis y visualización
de sincronía inducida
• Medidas de sincronía
• Comparación entre medidas
• Fenómenos contra-intuitivos
• Modelo de fase y amplitud aparentes
• Conclusiones
• Sobre el efecto de volumen conductor
Introducción
• Durante una tarea cognitiva, distintas áreas del cerebro se integran e
interactuan entre sí. Estas interacciones se reflejan en el EEG en forma
de sincronía entre las señales de los electrodos.
• Hemos desarrollado un sistema de análisis y visualización que permite
explorar patrones de sincronía relacionados a eventos de manera
detallada en el plano tiempo-frecuencia.
Varela et al., 2001
Sistema de análisis y visualización de sincronía
Banco de
filtros
pasabanda
Señales crudas de
EEG (potenciales)
Patrones de sincronía
(para cada punto TF)
Señales filtradas
Clasificación Bayesiana
Histogramas TFT de sincronía
Medida de sincronía
Mapas TF particionados
Medidas de sincronía
Mean Phase Difference (MPD):
(sincronía en-fase)
Cumulative Prob. of PD (CPPD):
(sincronía en-fase)
Phase Locking Statistic (PLS):
(Lachaux et al., 1999)
Single-trial PLS (STPLS):
(Lachaux et al., 2000)
Coherence (Gardner, 1992):
Comparación de medidas
(Experimento Figuras)
Comparación de medidas
(Experimento Figuras)
MPD
CPPD
PLS
STPLS
Coherence
MPD
1.000
0.835
0.853
0.477
0.508
CPPD
0.835
1.000
0.755
0.500
0.525
PLS
0.853
0.755
1.000
0.503
0.536
STPLS
Coherence
0.477
0.508
0.500
0.525
0.503
0.536
1.000
0.872
0.872
1.000
Correlación entre medidas
Sensibilidad a respuestas inducidas
• La actividad evocada se caracteriza por estar
alineada en fase con respecto al estímulo, mientras
que la inducida solamente está alineada en tiempo.
• Análisis “clásico” de potencia evocada e inducida:
Señales
crudas
Promedio sobre
repeticiones
Descomposición
Tiempo-Frecuencia
Función positiva
definida (power)
Actividad Evocada
Señales
crudas
Descomposición
Tiempo-Frecuencia
Función positiva
definida (power)
Actividad Inducida
Promedio sobre
repeticiones
Sensibilidad a respuestas inducidas
• Nuestro método equivale a un análisis clásico de
actividad inducida, donde la potencia se sustituye
por alguna medida de sincronía:
Señales
crudas
Descomposición
Tiempo-Frecuencia
Medida de
sincronía
Promedio sobre
repeticiones
Sincronía Inducida
• Es posible que STPLS y Coherencia sean menos
sensibles a variaciones en la latencia, debido a que
estas medidas involucran un promedio adicional
sobre una ventana de tiempo.
Dispersión de fase local
• La dispersión de fase local es una medida de la
variabilidad de la fase en un electrodo (a una cierta
frecuencia), durante una ventana de tiempo.
• Correlación de medidas de sincronía con LPC:
Dispersión de fase local
• La dispersión de fase local es una medida de la
variabilidad de la fase en un electrodo (a una cierta
frecuencia), durante una ventana de tiempo.
• Correlación de medidas de sincronía con LPC:
Esto sugiere que STPLS y Coherencia pueden
ser mas sensibles a procesos locales no
necesariamente relacionados con la sincronía.
Sensibilidad a efectos de volumen conductor
• Las propiedades conductivas de la corteza, cráneo y piel, propagan los
potenciales a través de la superficie, lo cual puede ocasionar
correlaciones espúrias en las señales de EEG.
• Algunos autores piensan que las medidas de sincronía en-fase (e.g.,
MPD y CPPD) son mas sensibles a efectos de volumen conductor.
• Lo anterior no es necesariamente cierto ya que la influencia neta de
múltiples fuentes sobre dos sitios distintos, corresponde a distintas
combinaciones lineales de la actividad de las fuentes, lo cual produce
fases distintas en cada sitio.
• Por otra parte, MPD y CPPD están altamente correlacionadas con PLS.
Sensibilidad a efectos de volumen conductor
• Lachaux: “si existe alta sincronía entre dos electrodos
debido al volumen conductor, entonces uno debería
observar alta sincronía también entre los vecinos de esos
electrodos”
• Medida de sincronía entre vecinos: para cada pareja de
electrodos <e1 , e2> que muestre un aumento de sincronía,
estimamos la probabilidad de que un vecino de e1 y un
vecino de e2 muestren también aumento de sincronía.
Algunos fenómenos contra-intuitivos que
se observan con datos reales
1.
Sincronía en-fase, independientemente de la distancia
entre electrodos (también reportada en [Friston et al.,
1997] y [Rodríguez et al., 1999])
2.
Múltiples electrodos que se sincronizan con otro sitio
(punto nodal), y al mismo tiempo muestran una
desincronización entre ellos.
3.
Caída de amplitud en puntos nodales durante el
fenómeno #2.
Puntos nodales (MPD)
Puntos nodales
Modelo de fase y amplitud aparentes
• Existe evidencia de poblaciones de neuronas
entremezcladas histológicamente, las cuales están
conectadas con distintas áreas (Morecraft et al.,
1993; Quintana and Fuster, 1999).
• Además, durante una tarea computacional, las
neuronas pueden asociarse con un cierto grupo
funcional, y al mismo tiempo desasociarse de
otros grupos activos (Haalman and Vaadia, 1998).
Modelo de fase y amplitud aparentes
• Lo anterior sugiere que la señal registrada por un electrodo
es la suma de oscilaciones macroscópicas producidas por
poblaciones de neuronas funcionalmente distintas. Las
neuronas en cada población deben estar sincronizadas para
producir la oscilación macroscópica.
• Un modelo para la señal filtrada (compleja) de EEG (que
proviene de la salida de un filtro pasabanda entonado a la
frecuencia w) es:
Modelo de fase y amplitud aparentes
• La amplitud y fase aparentes de un electrodo son las de la
resultante de la suma de vectores ak exp[ifk].
• Ejemplo con dos subpoblaciones:
Sincronía en-fase
• Si dos áreas experimentan un
acoplamiento bidireccional, y
las sub-poblaciones
correspondientes a tales áreas
tienen aproximadamente el
mismo tamaño, entonces la
diferencia de fase aparente
entre las dos áreas es 0 o p.
Lo anterior está de acuerdo con el neural mass model de David y
Friston (2003).
Puntos nodales
• Para un punto nodal, podemos
modelar un enlace bidireccional
entre cada sitio no-nodal y una
subpoblación del área nodal.
• Además, si la sincronía entre los
sitios no-nodales disminuye,
entonces la dispersión de las
fases f1,…,f5 aumentará, lo cual
ocasiona la caída de amplitud en
el punto nodal.
Conclusiones
• Tiene sentido utilizar una medida de sincronía en-fase para
el estudio de sincronía en EEG, y no hay evidencia para
pensar que estas medidas son mas sensibles a efectos de
volumen conductor.
• Las medidas no-instantáneas como STPLS y coherencia
pueden ser mas adecuadas para el estudio de sincronía
inducida, pero también pueden estar contaminadas por la
dispersión de fase local.
• El modelo de fase y amplitud aparente permite simular, y
hasta cierto punto explicar, una gran variedad de patrones
de sincronía que se observan en datos reales.
Sobre el efecto de volumen conductor
• De acuerdo con Nunez, el Laplaciano Superficial (LS) de
los potenciales es una herramienta adecuada para eliminar
el efecto de volumen conductor; sin embargo, para
calcularlo se requiere una alta densidad de electrodos
(64+).
Sobre el efecto de volumen conductor
• De acuerdo con Nunez, el Laplaciano Superficial (LS) de
los potenciales es una herramienta adecuada para eliminar
el efecto de volumen conductor; sin embargo, para
calcularlo se requiere una alta densidad de electrodos
(64+).
• Esto representa un problema de visualización:
20 electrodos
120 electrodos
Visualización con alta densidad de electrodos
• Es necesario reducir el número de toposcopios
dentro del diagrama de sincronía.
• Esto puede hacerse agrupando los electrodos en
áreas corticales, y calculando un toposcopio
representativo para cada área.
20 elec.
Promedio de cada área
Moda de cada área
Preguntas?