Avances en el estudio de la sincron

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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)

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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

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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
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Sistema de análisis y visualización de sincronía
Banco de filtros pasabanda
Señales crudas de EEG (potenciales)
Señales filtradas
Medida de sincronía
Clasificación Bayesiana
Patrones de sincronía (para cada punto TF)
Histogramas TFT de sincronía
Mapas TF particionados
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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)
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Comparación de medidas(Experimento Figuras)
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Comparación de medidas(Experimento Figuras)
Correlación entre medidas
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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

Función positivadefinida (power)
Señales crudas
DescomposiciónTiempo-Frecuencia
Promedio sobrerepeticiones
Actividad Evocada
Señales crudas
DescomposiciónTiempo-Frecuencia
Función positivadefinida (power)
Promedio sobrerepeticiones
Actividad Inducida
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Sensibilidad a respuestas inducidas

• Nuestro método equivale a un análisis clásico de
  actividad inducida, donde la potencia se
  sustituye por alguna medida de sincronía
• 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.

Señales crudas
DescomposiciónTiempo-Frecuencia
Medida desincronía
Promedio sobrerepeticiones
Sincronía Inducida
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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

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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.
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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.

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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 lte1 , e2gt 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.

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Algunos fenómenos contra-intuitivos que se
observan con datos reales

• Sincronía en-fase, independientemente de la
  distancia entre electrodos (también reportada en
  Friston et al., 1997 y Rodríguez et al.,
  1999)
• Múltiples electrodos que se sincronizan con otro
  sitio (punto nodal), y al mismo tiempo muestran
  una desincronización entre ellos.
• Caída de amplitud en puntos nodales durante el
  fenómeno 2.

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Puntos nodales (MPD)
Puntos nodales
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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).

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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

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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
  expifk.
• Ejemplo con dos subpoblaciones

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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).
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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.

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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.

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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).

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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

120 electrodos
20 electrodos
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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
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Preguntas?