Λειτουργική συνδεσιμότητα του κιναισθητικού φλοιού του εγκεφάλου σε πραγματική και φανταστική κίνηση των άκρων
Creators: name: Αθανασίου, Αλκίνοος Αλέξανδρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: φλοιική λειτουργική συνδεσιμότητα
διεπαφή υπολογιστή εγκεφάλου
φανταστική κίνηση
cortical functional connectivity
brain computer interface
motor imagery

description: Η Φλοιική Λειτουργική Συνδεσιμότητα μελετάει την δυναμική της ροής πληροφοριών στον φλοιό του εγκεφάλου. Ο κιναισθητικός φλοιός ενεργοποιείται με παρόμοιο τρόπο στην πραγματική και στην φανταστική κίνηση. Οι Διεπαφές Υπολογιστή – Εγκεφάλου εκμεταλλεύονται την εγκεφαλική δραστηριότητα για τον έλεγχο εξωτερικών συσκευών. Σε αυτήν την μελέτη διερευνήσαμε κατά πόσον αλλάζουν τα χαρακτηριστικά των φλοιικών λειτουργικών δικτύων μεταξύ μιας πραγματικής κίνησης και της αντίστοιχης φανταστικής, μεταξύ των κινήσεων του άνω και του κάτω άκρου και μεταξύ των άλφα και βήτα ηλεκτροεγκεφαλογραφικών (ΗΕΓ) ρυθμών. Συμμετείχαν 7 υγιείς άνθρωποι (4 άνδρες, 3 γυναίκες), οι οποίοι πραγματοποίησαν υπό ΗΕΓ καταγραφή τέσσερις κινητικές ασκήσεις από 95 επαναλήψεις: α) πραγματική κίνηση του δεξιού χεριού, β) φανταστική κίνηση του δεξιού χεριού, γ) πραγματική κίνηση του δεξιού ποδιού και δ) φανταστική κίνηση του δεξιού ποδιού. Η καταγραφή έγινε με 17 ηλεκτρόδια στην επιφάνεια του κρανίου πάνω από τον κιναισθητικό φλοιό. Το αντίστροφο πρόβλημα επιλύθηκε με την μέθοδο Current Cortical Density. Ορίστηκαν δύο μοντέλα περιοχών ενδιαφέροντος, ένα με 16 προορισμένες (default) περιοχές και ένα με 20 περιοχές ορισμένες από τον χρήστη (custom). Η φλοιική λειτουργική συνδεσιμότητα υπολογίστηκε με την μέθοδο Directed Transfer Function και στα δύο μοντέλα περιοχών ενδιαφέροντος. Ο υπολογισμός έγινε για κάθε συμμετέχοντα και για κάθε κινητική άσκηση, ξεχωριστά για τον άλφα και τον βήτα ρυθμό. Τα αποτελέσματα αναλύθηκαν με βάση την Θεωρία Γράφων, υπολογίζοντας για κάθε περίπτωση τις ιδιότητες characteristic path length, clustering coefficient, density και small-worldness. Μεταξύ των λειτουργικών δικτύων των πραγματικών και των φανταστικών κινήσεων του άνω και του κάτω άκρου δεν βρέθηκε καμία στατιστικώς σημαντική διαφορά (ANOVA, p&lt;0.05) για καμία από τις τέσσερις ιδιότητες γράφων σε καμία περίπτωση. Μεταξύ των λειτουργικών δικτύων του άλφα και του βήτα ρυθμού, το characteristic path length ήταν ελαττωμένο από 28% έως 66.17%, το clustering coefficient ήταν ελαττωμένο από 2.09% έως 39.76% και το density ήταν αυξημένο από 20.18% έως 40.65%. Για το small-worldness δεν βρέθηκαν στατιστικώς σημαντικές διαφορές μεταξύ άλφα και βήτα ρυθμού. Οι ιδιότητες των λειτουργικών δικτύων δεν εμφανίζουν διαφορές μεταξύ πραγματικής και φανταστικής κίνησης και μπορούν στο μέλλον να συμβάλλουν στην βελτίωση της τεχνολογίας των Διεπαφών Υπολογιστή-Εγκεφάλου. Συμπεραίνουμε επίσης ότι ο άλφα και ο βήτα ρυθμός παίζουν διαφορετικό νευροφυσιολογικό ρόλο στον κιναισθητικό φλοιό με βάση τα λειτουργικά δίκτυα που σχηματίζουν και τις ιδιότητες τους. Ο άλφα ρυθμός φαίνεται να μεταφέρει πληροφορία για την λεπτομερή εξέλιξη της νευροφυσιολογικής διεργασίας καλύπτοντας περισσότερους φλοιικούς κόμβους. Αντίθετα ο βήτα ρυθμός φαίνεται να μεταφέρει πληροφορία για την ολοκληρωμένη νευροφυσιολογική διεργασία σε όλο τον κιναισθητικό φλοιό, συντονίζοντας λειτουργικές ομάδες κόμβων. Τόσο στον άλφα όσο και στον βήτα ρυθμό τα δίκτυα που σχηματίζονται εμφανίζουν ιδιότητες τοπολογίας μικρόκοσμου (small-world topology).
description: Functional Cortical Connectivity studies the dynamics of information flow at the brain cortex. The sensorimotor cortex is activated in a similar fashion during actual and imaginary movement. Brain – Computer Interfaces exploit brain activity for the control of external devices. In this research we studied whether the properties of cortical functional networks differ between an actual and an imaginary movement, between movements of upper and lower extremities and between alpha and beta electroencephalographic (EEG) rhythms. Seven healthy people participated (four male, three female), performing under EEG four different motor tasks consisting of 95 trials each : a) right hand motor execution, b) right hand motor imagery, c) right foot motor execution and d) right foot motor imagery. EEG was recorded with 17 electrodes on the scalp over the sensorimotor cortex. The inverse problem was computed with Current Cortical Density. Two models of Regions Of Interest (ROIs) were defined, one consisting of 16 default regions and one consisting of 20 custom regions. Cortical functional connectivity was computed using Directed Transfer Function on both ROIs models for each subject, each motor task for alpha and beta rhythms. The results were studied with Graph Analysis, computing for each case the characteristic path length, clustering coefficient, density and small-worldness. No statistically important difference was found between functional cortical networks formed by actual and imaginary movement of the upper and lower extremities (ANOVA p&lt;0.05). Between the functional networks formed by alpha and beta rhythms the findings consisted in a decrease in characteristic path length of 28-66.17%, a decrease in clustering coefficient of 2.09-39.76% and an increase in density of 20.18-40.65%. No statistically important difference was observed for small-worldness between alpha and beta rhythm. The properties of functional networks are similar between motor execution and imagery and could be of assistance in the future towards the enhancement of Brain-Computer Interfaces technology. We also support the conclusion that alpha and beta rhythms assume different neurophysiological roles in the sensorimotor cortex, based on the functional networks that are formed and their properties. Alpha rhythm appears to be carrier of information about the detailed evolution of a neurophysiological procedure and to cover more cortical nodes. On the contrary, beta rhythm appears to carry information about the integrated neurophysiological procedure across the sensorimotor cortex and to coordinate functional clusters. The functional networks of both alpha and beta rhythms have the properties of a small-world topology.