WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Экспериментальная процедура. ЭЭГ, регистрируемая в правом затылочном отведении, после усиления и фильтрации обрабатывалась на микропроцессоре, в частности, выполнялся ее анализ и формировался управляющий сигнал. Этот сигнал передавался на исполнительное устройство, которое обеспечивало включение\выключение отдельных стимулов или их последовательностей, подаваемых в виде световой, звуковой или электрокожной стимуляции.

На первом этапе для всех алгоритмов адаптивной стимуляции выполнялась фильтрация и выделение пиков альфа-волн. Для фильтрации ЭЭГ в частотном диапазоне от 8 до 13 Гц применялся цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ), реализованный на основе быстрого преобразования Фурье (Лайонс, 2007). В качестве управляющего сигнала в экспериментах с адаптивной стимуляцией использовалась амплитуда пиков альфа-волн относительно заданного порога дискриминации. Для корректного детектирования пиков волн проверялись две характеристики: минимальное расстояние между волнами и минимальная амплитуда волн. Подробное описание частных парадигм исследования дано в каждом разделе изложения результатов.

Статистический анализ полученных данных проводился в зависимости от конкретного исследования согласно критериям, Стьюдента, Вилкоксона, Манна-Уитни и Фишера, а так же в отдельных случаях с помощью численного моделирования.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ Результаты исследований изложены в трех главах, включающих собственно экспериментальные материалы и их обсуждение. В первой главе изложены данные о влиянии пассивной (без обратной связи) ритмической стимуляции на спектральные и структурные характеристики ЭЭГ, которые необходимы были для сравнения с аналогичным тестированием, но с включением обратной связи от альфа-волн в контуре интерфейса мозг-компьютер. Эти результаты изложены во второй главе, где обсуждается, в том числе и вопрос о силе мотивационного подкрепления при выработке инструментальных реакций ЭЭГ. В этой связи выполнены исследования с управляемой от паттернов альфа-волн ЭЭГ электрокожной стимуляцией, результаты которых описаны в третьей главе.

3.1. Исследование с ритмической световой стимуляцией Цель данной серии экспериментов заключалась в исследовании эффектов, возникающих при ритмической световой стимуляции. В частности предполагалось проверить общую тенденцию изменения спектральных показателей альфа-ритма при длительной стимуляции (минут), изменение структурных особенностей ЭЭГ на фоне стимуляции, динамику изменения спектральных показателей альфа-ритма после окончания стимуляции, а также влияние характеристик световых стимулов на ЭЭГ. Кроме того, полученные результаты рассматривались в качестве контроля для исследования с управляемой световой стимуляцией.

Эксперимент состоял из одной 24 минутной сессии. Перед началом эксперимента мы определяли индивидуальную частоту альфа-ритма (ИЧА) при закрытых глазах в состоянии спокойного бодрствования для каждого испытуемого. Частоту фотостимуляции определяли как ИЧА минус 0.Гц, чтобы одновременно наблюдать эффекты «навязывания» частоты стимуляции, оптимально проявляющиеся до указанного сдвига частот (Pigeau and Frame, 1992). Яркость стимулов выбиралась на основе субъективных ощущений испытуемых как «комфортная». В течение минут выполняли регистрацию ЭЭГ на фоне ритмических стимулов и после окончания стимуляции, в течение 4 минут, продолжали регистрацию ЭЭГ. Мы использовали световые стимулы со следующими характеристиками: яркость – 15±5 мКд, длительность – 10 мс, форма – прямоугольный импульс с заполнением.

Динамика амплитудных и спектральных показателей ЭЭГ Альфа ритм характеризуется несколькими параметрами, но наиболее важными являются его амплитуда и частота. Для всех испытуемых были построены графики изменения во времени амплитуды и частоты спектрального пика в отведении O2. Изменения амплитуды и частоты спектрального пика достаточно сильно скоррелированы, поэтому имеет смысл рассматривать один из этих показателей. По динамике амплитуды спектрального пика всех испытуемых можно разделить на 2 группы. В первой группе (8 человек) наблюдались незначительные изменения амплитуды спектрального пика, во второй группе (4 человека) наблюдалось сильное уменьшение амплитуды спектрального пика после минуты и небольшое увеличение к концу записи (рис. 1).

** ГР. -4 ГР. --б) а) Рис.1. Типичные кривые изменения амплитуды спектрального пика альфа-активности в течение 20 минут фотостимуляции (а) и усредненные значения коэффициентов регрессии амплитуды спектрального пика альфа-активности (б). Обозначения: а) по горизонтали – время в минутах, по вертикали – амплитуда спектрального пика в мкВ/Гц1/2; ГР. 1 – группа испытуемых со стабильной амплитудой спектрального пика;

ГР. 2 – группа испытуемых с постепенно снижающейся амплитудой спектрального пика; пунктиром показана линия регрессии для группы 2. б) по вертикали значения коэффициентов регрессии, усредненных для групп 1 (черный столбик) и 2 (серый столбик). ** – p < 0.01 (критерий Манна-Уитни).

Динамика структурных показателей ЭЭГ Структурные показатели ЭЭГ были основаны на оценке временной или пачечной организации альфа-волн. В качестве показателей структурности альфа-активности рассматривались: общее количество пачек (вспышек) альфа-ритма, среднее число волн в пачке, средняя амплитуда волн в пачке и средний период между волнами в пачке. Для анализа были взяты данные испытуемых первой группы с выраженным альфа-ритмом. Было обнаружено, что динамика показателей структурности альфа-активности у этих испытуемых в течение 20 минут фотостимуляции несколько варьирует, но в целом не демонстрирует какихлибо трендов ни по одному из показателей.

Интерес представляли коррелятивные связи между динамикой амплитуды спектрального пика альфа-активности и различными показателями ее структурированности во времени. Очевидно, что изменение амплитуды спектрального пика может достигаться как за счет изменения общей амплитуды волн, так и за счет изменения частоты появления кратковременных вспышек альфа-активности. Было показано, что коэффициент корреляции между изменениями во времени амплитуды спектрального пика и величины средней амплитудой пиков волн в пачках для шести из восьми испытуемых первой группы высоко статистически значимы и имеют значения выше 0.64. Это свидетельствует о том, что наибольший вклад в изменение амплитуды спектрального пика вносит изменение амплитуды в пачках, а не изменение количества пачек или количества волн в пачках.

Таким образом, можно заключить, что в течение длительной (мин) ритмической фотостимуляции, с частотой близкой к частоте альфаактивности, примерно у 60 процентов испытуемых не происходит изменений спектральных характеристик, а у остальных испытуемых наблюдается резкое уменьшение амплитуды спектрального пика. При этом временная динамика амплитуды спектрального пика сильно коррелирует с динамикой средней амплитуды альфа-активности в пачках, но не с количеством самих пачек. Это говорит о том, что при фотостимуляции скорее меняются характеристики альфа-активности внутри пачек альфаволн, чем в распределении и количестве этих пачек во времени.

3.2. Исследование с управляемой световой стимуляцией Цель данной серии экспериментов заключалась в том, чтобы изучить динамику кортикальной активности при условии ее включения в управление фотостимуляцией. Ранее исследователями изучались эффекты так называемой триггерной стимуляции. Однако в этих исследованиях каждая выделенная из шума альфа-волна становилась триггерным сигналом для запуска вспышек. В этой парадигме у мозга не было возможности управлять фотостимулятором кроме как полностью исключить генерацию альфа-волн. В предложенной в настоящем исследовании парадигме вспышки могли запускать только такие альфаволны, амплитуда которых превышала некоторый пороговый уровень, обычно равный среднему значению пиковых амплитуд альфа-волн. Таким образом, у мозга появлялась возможность небольшими изменениями амплитуды альфа-волн, т.е. без ущерба для фоновой деятельности, управлять фотостимулятором. Вопрос заключался в том, как поведет себя электрическая активность мозга в условиях, когда мозг включен в управление внешним объектом.

Каждый эксперимент состоял из трех сессий по 20 минут с одноминутным перерывом между сессиями. Каждый испытуемый принимал участие в двух экспериментах с интервалом 1 – 2 дня. В первом эксперименте использовалась управляемая световая стимуляция (УСС), где управляющий сигнал формировался непосредственно из альфа-волн ЭЭГ в реальном масштабе времени. Во втором эксперименте в качестве управляющего сигнала использовалась запись ЭЭГ, полученная в первом эксперименте, т.е. текущие изменения в ЭЭГ не оказывали влияния на последовательность стимулов – неуправляемая световая стимуляция (НСС).

Сигнал управления световыми стимулами формировался по следующему принципу: если амплитуда пика альфа-волны превышает пороговое значения, то возникает световая вспышка (рис. 2). Пороговое значение устанавливалось на уровне среднего значения амплитуд пиков альфа-волн, измеренное в фоновой записи.

Рис.2. Принцип формирования управляющего сигнала. По горизонтали – время в секундах, по вертикали – амплитуда в микровольтах.

Обозначения: а) фильтрованная ЭЭГ с порогом по шуму, б) значение амплитуды пиков альфа-волн и порог по уровню, в) сигнал управления световыми стимулами.

Для оценки изменения различных показателей во времени мы анализировали записи ЭЭГ трех последовательных сессий по 20 минут как одну 60 минутную запись. Рассмотрим поведение альфа-активности на фоне управляемой фотостимуляции в отражении различных показателей.

Временная динамика спектральных показателей Поскольку управляющим сигналом в контуре ИМК были отдельные альфа-волны, то для оценки их изменений мы использовали спектральные показатели, вычисленные в альфа-диапазоне. Наиболее типичные изменения приведены на рисунке 3а.

* ОПЫТ 0.КОНТРОЛЬ -0.-б) а) Рис.3. Типичные кривые изменения амплитуды спектрального пика в эксперименте с УСС (опыт) и НСС (контроль) (а); усредненные значения коэффициентов регрессии амплитуды спектрального пика для экспериментов с УСС (серый столбик) и НСС (черный столбик) (б). Обозначения: * – p < 0.05 (критерий Манна-Уитни).

Для получения сводных оценок динамики показателей альфа-активности вычислялись коэффициенты линейной регрессии (рис. 3б).

Как видно, в ходе управляемой стимуляции в среднем по группе испытуемых наблюдается статистически значимое увеличение амплитуды пиков альфа-волн, что не обнаруживалось при неуправляемой стимуляции (рис. 3б).

Показатели асимметрии ЭЭГ Парадигма с управляемой фотостимуляцией предполагает, что в качестве управляющего используется только один канал регистрации ЭЭГ.

В этой связи представляет интерес насколько синхронны изменения альфаактивности в гомологичных каналах регистрации O1 и O2, один из которых (O2) является управляющим для фотостимулятора. Вычисление коэффициентов корреляции между средним значением амплитуды альфаактивности ЭЭГ двух каналов показало, что для всех испытуемых они в большинстве своем превышают уровень 0.9, как при управляемой, так и при неуправляемой стимуляции. Это, вероятно, связано с влиянием стимулов, которые оказывают синхронизирующее воздействие.

Показатели структурности ЭЭГ Ранее было показано, что для нескольких испытуемых в экспериментах с УСС имеет место динамика изменения амплитуды спектрального пика во времени. Как известно, спектр является интегральной характеристикой, то есть, в нем объединены сразу несколько показателей. Для более детальной оценки составляющих спектра рассмотрены регрессионные коэффициенты функций изменения структурных показателей альфа-активности во времени в сравнении парадигм с управляемой и неуправляемой стимуляцией (табл. 1).

Таблица Коэффициенты регрессии общего количества пачек (КРКП), среднего количества волн в пачках (КРСВ), средней амплитуды пиков волн в пачках (КРСА), среднего периода волн в пачках (КРСП), в канале O2 для экспериментов с УСС и НСС. Обозначения: * – p < 0.(по критерию Фишера).

№ исп. S03 S09 S12 S16 S20 S06 S08 S17 SКРКП УСС 0.19 -0.09 0.15 -0.34 -0.14 -0.17 -0.25 0.05 0.НСС 0.24 0.03 0.15 -0.23 -0.23 0.26 -0.47 0.31 0.КРСВ УСС -0.11 -0.11 0.54 0.04 -0.35 0.13 -0.10 0.21 -0.НСС -0.01 -0.18 -0.18 -0.28 -0.11 -0.24 -0.20 0.65 -0.КРСА УСС 0.44 1.07* 1.21* 0.12 0.35 0.22 0.33 0.83* 2.60* НСС 0.21 -0.01 -0.36 0.27 -0.46 0.13 -0.14 -0.23 0.КРСП УСС 0.13 1.59* 1.26* 0.33 0.40 0.18 0.45 1.59* 2.73* НСС -0.06 0.36 -0.04 0.47 0.32 0.30 -0.24 0.11 0.Как видно, показатели КРКП и КРСВ для большинства испытуемых имеют сравнимые значения в экспериментах с УСС и НСС, однако показатели КНСА и КНСП в этих экспериментах имеют значимые различия, при этом показатели КРСА и КРСП превышают значения, полученные при ритмической стимуляции. Это может свидетельствовать об установлении мозгом взаимосвязи между появлением световых вспышек и присутствием альфа-волн. Для 4 из 9 испытуемых отмечено увеличение средней амплитуды и периодов волн в пачках в экспериментах с УСС, чего не было в экспериментах с НСС и исследовании с ритмической стимуляцией.

Таким образом, средняя амплитуда волн внутри пачек является показателем, по которому можно судить о наличии признаков обучения, связанным с управлением фотостимулятором. Усредненные показатели структурности, показанные на рисунке 4, также подтверждают это. Видно, что наибольшие отличия наблюдаются для средней амплитуды и среднего приода в пачках.

1.5 Рис. 4. Усредненные значения ** ** коэффициентов регресии общего количество пачек (1), среднего числа волн в пачках (2), средней амплитуды волн в 0.пачках (3), среднего периода волн в пачках (4) в экспериментах с УСС (серый столбик) и НСС (черный столбик).

-0.1 2 3 ** – p < 0.01 (критерий Манна-Уитни).

Динамика изменения количества одиночных и двойных волн Ранее мы рассмотрели структурные показатели альфа-активности, где в качестве «операциональной» единицы использовалась пачка.

Поскольку минимальное количество волн в пачке равно 3, то остается не ясным как изменяется во время стимуляции количество одиночных и двойных альфа-волн Этот показатель достаточно вариативен между испытуемыми, однако наиболее типичная динамика показана на рисунке 5.

120 КОНТРОЛЬ Рис. 5. Типичные кривые изменения количества одиночных и двойных альфа-волн в ОПЫТ экспериментах с УСС (опыт) и НСС (контроль). По горизонтали – время в минутах; линия тренда показана пунктиром.

Для оценки тренда в данных мы вычисляли коэффициент регрессии (табл.

2).

Таблица Коэффициенты регрессии количества одиночных и двойных волн в экспериментах с УСС и НСС. Обозначения: * – p < 0.05 (по критерию Фишера).

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»