Avances en el estudio de la sincrona inducida en EEGAlfonso Alba Cadena (CIMAT/UASLP) Jos Luis Marroqun (CIMAT)Thala Harmony (INB-UNAM)Joaqun Pea (CIMAT)Berta Gonzlez Frankenberger (INB-UNAM)

ContenidoIntroduccinRecordatorio: Sistema de anlisis y visualizacin de sincrona inducidaMedidas de sincronaComparacin entre medidasFenmenos contra-intuitivosModelo de fase y amplitud aparentesConclusionesSobre el efecto de volumen conductor

Durante una tarea cognitiva, distintas reas del cerebro se integran e interactuan entre s. Estas interacciones se reflejan en el EEG en forma de sincrona entre las seales de los electrodos.

Hemos desarrollado un sistema de anlisis y visualizacin que permite explorar patrones de sincrona relacionados a eventos de manera detallada en el plano tiempo-frecuencia.

Varela et al., 2001Introduccin

Sistema de anlisis y visualizacin de sincronaSeales crudas de EEG (potenciales)Seales filtradasMedida de sincronaClasificacin BayesianaPatrones de sincrona(para cada punto TF)Histogramas TFT de sincronaMapas TF particionadosBanco de filtros pasabanda

Medidas de sincronaMean Phase Difference (MPD): (sincrona en-fase)Cumulative Prob. of PD (CPPD): (sincrona en-fase)Phase Locking Statistic (PLS):(Lachaux et al., 1999)Single-trial PLS (STPLS):(Lachaux et al., 2000)Coherence (Gardner, 1992):

Comparacin de medidas(Experimento Figuras)

Comparacin de medidas(Experimento Figuras)Correlacin entre medidas

compfig_cor

MPDCPPDPLSSTPLSCoherenceLPD

MPD1.0000.8350.8530.4770.508MPD0.138

CPPD0.8351.0000.7550.5000.525CPPD0.113

PLS0.8530.7551.0000.5030.536PLS0.174

STPLS0.4770.5000.5031.0000.872STPLS0.8

Coherence0.5080.5250.5360.8721.000Coherence0.719

LPD

MPD0.138

CPPD0.113

PLS0.174

STPLS0.8

Coherence0.719

Sensibilidad a respuestas inducidasLa actividad evocada se caracteriza por estar alineada en fase con respecto al estmulo, mientras que la inducida solamente est alineada en tiempo.

Anlisis clsico de potencia evocada e inducida:SealescrudasDescomposicin Tiempo-FrecuenciaFuncin positiva definida (power)Promedio sobre repeticionesActividad InducidaSealescrudasDescomposicin Tiempo-FrecuenciaFuncin positiva definida (power)Promedio sobre repeticionesActividad Evocada

Sensibilidad a respuestas inducidasNuestro mtodo equivale a un anlisis clsico de actividad inducida, donde la potencia se sustituye por alguna medida de sincrona:

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.SealescrudasDescomposicin Tiempo-FrecuenciaMedida de sincronaPromedio sobre repeticionesSincrona Inducida

Dispersin de fase localLa dispersin de fase local es una medida de la variabilidad de la fase en un electrodo (a una cierta frecuencia), durante una ventana de tiempo.

Correlacin de medidas de sincrona con LPC:

Dispersin de fase localLa dispersin de fase local es una medida de la variabilidad de la fase en un electrodo (a una cierta frecuencia), durante una ventana de tiempo.

Correlacin de medidas de sincrona con LPC:Esto sugiere que STPLS y Coherencia pueden ser mas sensibles a procesos locales no necesariamente relacionados con la sincrona.

Sensibilidad a efectos de volumen conductorLas propiedades conductivas de la corteza, crneo y piel, propagan los potenciales a travs de la superficie, lo cual puede ocasionar correlaciones esprias en las seales de EEG.

Algunos autores piensan que las medidas de sincrona 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 mltiples 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 estn altamente correlacionadas con PLS.

Sensibilidad a efectos de volumen conductorLachaux: si existe alta sincrona entre dos electrodos debido al volumen conductor, entonces uno debera observar alta sincrona tambin entre los vecinos de esos electrodos

Medida de sincrona entre vecinos: para cada pareja de electrodos que muestre un aumento de sincrona, estimamos la probabilidad de que un vecino de e1 y un vecino de e2 muestren tambin aumento de sincrona.

Algunos fenmenos contra-intuitivos que se observan con datos realesSincrona en-fase, independientemente de la distancia entre electrodos (tambin reportada en [Friston et al., 1997] y [Rodrguez et al., 1999])

Mltiples electrodos que se sincronizan con otro sitio (punto nodal), y al mismo tiempo muestran una desincronizacin entre ellos.

Cada de amplitud en puntos nodales durante el fenmeno #2.

Puntos nodales (MPD)Puntos nodales

Modelo de fase y amplitud aparentesExiste evidencia de poblaciones de neuronas entremezcladas histolgicamente, las cuales estn conectadas con distintas reas (Morecraft et al., 1993; Quintana and Fuster, 1999).

Adems, 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 aparentesLo anterior sugiere que la seal registrada por un electrodo es la suma de oscilaciones macroscpicas producidas por poblaciones de neuronas funcionalmente distintas. Las neuronas en cada poblacin deben estar sincronizadas para producir la oscilacin macroscpica.

Un modelo para la seal filtrada (compleja) de EEG (que proviene de la salida de un filtro pasabanda entonado a la frecuencia w) es:

Modelo de fase y amplitud aparentesLa amplitud y fase aparentes de un electrodo son las de la resultante de la suma de vectores ak exp[ifk].

Ejemplo con dos subpoblaciones:

Sincrona en-faseSi dos reas experimentan un acoplamiento bidireccional, y las sub-poblaciones correspondientes a tales reas tienen aproximadamente el mismo tamao, entonces la diferencia de fase aparente entre las dos reas es 0 o p.Lo anterior est de acuerdo con el neural mass model de David y Friston (2003).

Puntos nodalesPara un punto nodal, podemos modelar un enlace bidireccional entre cada sitio no-nodal y una subpoblacin del rea nodal.

Adems, si la sincrona entre los sitios no-nodales disminuye, entonces la dispersin de las fases f1,,f5 aumentar, lo cual ocasiona la cada de amplitud en el punto nodal.

ConclusionesTiene sentido utilizar una medida de sincrona en-fase para el estudio de sincrona en EEG, y no hay evidencia para pensar que estas medidas son mas sensibles a efectos de volumen conductor.

Las medidas no-instantneas como STPLS y coherencia pueden ser mas adecuadas para el estudio de sincrona inducida, pero tambin pueden estar contaminadas por la dispersin de fase local.

El modelo de fase y amplitud aparente permite simular, y hasta cierto punto explicar, una gran variedad de patrones de sincrona que se observan en datos reales.

Sobre el efecto de volumen conductorDe 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 conductorDe 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 visualizacin:20 electrodos120 electrodos

Visualizacin con alta densidad de electrodosEs necesario reducir el nmero de toposcopios dentro del diagrama de sincrona.Esto puede hacerse agrupando los electrodos en reas corticales, y calculando un toposcopio representativo para cada rea.20 elec.Promedio de cada reaModa de cada rea

Preguntas?