Η σύγχρονη μελέτη της κεντρικής και αυτόνομης δραστηριότητας θεωρούνται χρήσιμες στην ανάδειξη της σχέσης των δύο συστημάτων και της φυγόκεντρου ανατροφοδότησης των περιφερικών αλλαγών. Στην εργασία αυτή διερευνώνται οι πιθανές σχέσεις μεταξύ κεντρικών και αυτόνομων απαντήσεων σε σωματαισθητικούς ερεθισμούς. Η ηλεκτροδερμική δραστηριότητα (ΗΔΑ) είναι δείκτης της αυτόνομης δραστηριότητας. Προκλητά δυναμικά και ΗΔΑ καταγράφονταν ταυτόχρονα έπειτα από μια σειρά ερεθισμών του μέσου νεύρου ,με τρείς διαφορετικές εντάσεις, σε έξι φυσιολογικά άτομα. Η χαμηλότερη ένταση ερεθισμού ρυθμίζονταν έτσι ώστε να μη γίνεται αντιληπτή από το άτομα. Τα επάρματα P40, P100, N200 και P300 των προκλητών δυναμικών εξήχθησαν από το καταγεγραμμένο σήμα. Μελετήσαμε το πλάτος και τον λανθάνοντα χρόνο και διερευνήσαμε την πιθανή συσχέτιση των μεγεθών αυτών της ΗΔΑ. Χρησιμοποιήσαμε την συνηθισμένη μέθοδο της μεσοποίησης (average), καθώς και την προσέγγιση των μοναδιαίων απαντήσεων, εξάγωντας τις απαντήσεις με την χρήση χωρικού φίλτρου. Το συμπαθητικό νευρικό σύστημα φαινόταν να απαντά ακόμα και σε ερεθισμούς μη αντιληπτούς από το υποκείμενο. Η φλοιική επεξεργασία των αντιληπτών και μη ερεθισμάτων όπως αποτυπώνονταν με τα επάρματα των προκλητών δυναμικών, φαίνεται να είναι όμοια και στις δύο περιπτώσεις κατά τη διάρκεια των πρώτων 40ms έπειτα από τον ερεθισμό, ενώ τα μακρά κύματα ήταν απόνατ στους μη αντιληπτούς ερεθισμούς. Τα πλάτη της ΗΔΑ και του P300 με την προσέγγιση των μοναδιαίων απαντήσεων παρουσίαζαν μια σημαντική θετική συσχέτιση. / Concurrent studies of central and autonomic activity are considered useful in elucidating the relationship between the two systems and indicating the centripetal feedback of peripheral changes. The SSR (sympathetic skin response) is one index of autonomic arousal. In our study we examine the possible relationships between central and autonomic responses to somatosensory stimuli. EPs (evoked potentials) and SSRs were simultaneously recorded during a series of electrical stimuli of median nerve in six normal adults using three different intensities of stimuli. The weakest of them was unperceived by subject. The P40, P100, N200 and P300 waves of EPs were extracted and their latencies and amplitudes were analysed in order to find correlations with those of the SSRs. We used the conventional method of signal averaging and the single trial (ST) approach, as the EP waves were subtracted by spatial filtering. Interestingly, sympathetic nervous system seemed to react even to stimuli unperceived by the subject. The cortical processing of consciously perceived and unperceived somatosensory stimuli as it was expressed by the evoked potentials seems to be identical during the first 40ms after the stimulus onset while later waves were absent for unperceived stimuli. SSR and P300 amplitude at the ST level had a positive correlation.

The last twenty years presented increased interest for the study of cerebral processes caused by external events (stimuli). One of the most significant endogenous components of Evoked Potentials is the P600 component. The P600 component may be defined as the most positive peak in the time window between 500 and 800 msec after an eliciting stimulus. This component is thought to reflect the response selection stage of information processing. P600 component is usually less pronounced compared to other components, such as the N100 or the P300. Frequently the P600 component appears as a not-easily discernible secondary peak overlying the ascending negative-going slope of the P300 waveform. In our study we used ERP data from various groups of patients and healthy controls. Patients were recruited from the outpatient university clinic of Eginition Hospital of the University of Athens. The controls were recruited from hospital staff and local volunteer groups. The aim of the study is the implementation of classification systems for these groups, using P600 features. This is usually not achieved well using as features the ERPs amplitude and latency. So for that reason, in our study, we want to extract new features using advanced techniques for processing the original ERPs, such as the Independent Component Analysis (ICA) method. However as a precursor of ICA, is considered the Principal Component Analysis (PCA) method, which we used for comparison reasons to ICA. In the application of ICA we achieve the decomposition of the recorded signals in ICs, supposing temporally independent components and propose ICs selection techniques in order to recompose the P600 component. The next stage was the use of a classification method based on the features extracted using the original data, data extracted through PCA processing and ICA-processed data. First we applied Kolmogorov-Smirnov test to check the normality of the distribution of the features, then we used the Logistic Regression method for classification and finally we have done two implementations of classification using Probabilistic Neural Networks. The first implementation was done with the creation of 15 features from the P600 peak amplitudes from the subjects’ data and the second implementation was done with the creation of four meta-features from the subjects’ P600 amplitude data. The results show that the application of ICA, combined with the logistic regression classification technique, provides notable improvement, compared to the classification performance based on the original ERPs. The main merit of the application is that classification is based on single parameters, i.e. amplitude of the P600 component, or its latency or its termination latency, which are directly related to the brain mechanisms related to ERP generation and pathological processes. / Τα τελευταία 20 χρόνια παρουσιάζεται αυξημένο ενδιαφέρον για την μελέτη εγκεφαλικών επεξεργασιών που προκλήθηκαν από εξωτερικά γεγονότα (ερέθισμα). Ένα από τα πιο σημαντικά ενδογενή συστατικά των Προκλητών Δυναμικών είναι το συστατικό P600. Το συστατικό P600 μπορεί να οριστεί σαν η πιο θετική αιχμή στο χρονικό διάστημα μεταξύ 500 και 800 msec μετά από ένα εκλυτικό ερέθισμα. Το συστατικό αυτό θεωρείται ότι απεικονίζει το στάδιο επιλογής απόκρισης της επεξεργασίας πληροφορίας. Το συστατικό P600 είναι συνήθως λιγότερο έντονο συγκρίνοντας το με άλλα συστατικά, όπως το N100 ή το P300. Συχνά το συστατικό P600 εμφανίζεται ως μια δυσδιάκριτη δεύτερη αιχμή, επικαλύπτοντας την ανοδική αρνητική κλίση της κυματομορφής του P300. Στη μελέτη μας χρησιμοποιήσαμε δεδομένα ΠΔ από ποικίλες ομάδες ασθενών και υγιών μαρτύρων. Οι ασθενείς συλλέχθησαν από τη πανεπιστημιακή κλινική του Αιγηνήτειου Νοσοκομείου του Πανεπιστημίου Αθηνών. Οι υγιείς συλλέχθησαν από το προσωπικό του νοσοκομείου και ομάδες εθελοντών. Ο σκοπός της μελέτης είναι η εφαρμογή συστημάτων ταξινόμησης για αυτές τις ομάδες, χρησιμοποιώντας χαρακτηριστικά του P600. Αυτό συνήθως δεν επιτυγχάνεται καλά χρησιμοποιώντας σαν χαρακτηριστικά το πλάτος και τον λανθάνοντα χρόνο των ΠΔ. Για αυτό το λόγο, στην μελέτη μας, θέλουμε να εξάγουμε νέα χαρακτηριστικά χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές για επεξεργασία των αρχικών ΠΔ, όπως τη μέθοδο Ανάλυσης Ανεξαρτήτων Συνιστωσών (ICA). Εντούτοις ως πρόδρομο της ICA, θεωρείται η μέθοδος Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (PCA), την οποία χρησιμοποιήσαμε για συγκριτικούς λόγους με την ICA. Στην εφαρμογή της ICA προχωρήσαμε στην αποσύνθεση των καταγραφόμενων σημάτων σε Ανεξάρτητες Συνιστώσες και διερευνήσαμε τρεις τεχνικές επιλογής ανεξαρτήτων συνιστωσών μέσω των οποίων επανασυνθέσαμε το συστατικό P600. Το επόμενο βήμα ήταν η χρήση μεθόδου ταξινόμησης βασισμένης στα χαρακτηριστικά που εξάχθηκαν χρησιμοποιώντας τα αρχικά δεδομένα, τα δεδομένα με επεξεργασία PCA και τα δεδομένα με επεξεργασία ICA. Πρώτα εφαρμόσαμε το τεστ Kolmogorov-Smirnov για τον έλεγχο της κανονικότητας της κατανομής των χαρακτηριστικών, μετά χρησιμοποιήσαμε τη μέθοδο Λογαριθμικής Παλινδρόμησης (Logistic Regression) για ταξινόμηση και τελικά πραγματοποιήσαμε δύο εφαρμογές ταξινόμησης χρησιμοποιώντας Πιθανοκρατικά Νευρωνικά Δίκτυα (Probabilistic Neural Networks). Η πρώτη εφαρμογή έγινε με την δημιουργία 15 χαρακτηριστικών από τα πλάτη των αιχμών του P600 από τα δεδομένα των ομάδων και η δεύτερη εφαρμογή έγινε με την δημιουργία τεσσάρων μετά-χαρακτηριστικών από τα δεδομένα των πλατών των ομάδων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εφαρμογή της ICA, συνδυασμένη με την τεχνική ταξινόμησης λογαριθμικής παλινδρόμησης, παρέχει αξιοσημείωτη βελτίωση, συγκριτικά με την απόδοση ταξινόμησης βάση των αρχικών ΠΔ. Η κύρια αξία της εφαρμογής είναι ότι η ταξινόμηση πετυχαίνει ποσοστά μεγαλύτερα του 80% βασιζόμενη σε μία μόνο κάθε φορά παράμετρο, π.χ. το πλάτος του συστατικού P600, ή τον λανθάνοντα χρόνο του ή τον λανθάνοντα χρόνο τερματισμού του, οι οποίες σχετίζονται άμεσα με τους μηχανισμούς του εγκεφάλου σχετικούς με την παραγωγή ΠΔ και τις παθολογικές διαδικασίες.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η εξαγωγή γνώσης και χρήσιμων συμπερασμάτων για το σχετικά αδιερεύνητο θέμα της διάγνωσης των μαθησιακών δυσκολιών. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα καταγραφής ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων ηρεμίας και εγκεφαλικών προκλητών δυναμικών υγιών και ατόμων με μαθησιακές δυσκολίες, τα οποία συλλέχθηκαν στο εργαστήριο Ψυχοφυσιολογίας του Αιγινητείου Νοσοκομείου. Από την ανάλυση αυτών των σημάτων προσδιορίστηκαν παράμετροι (π.χ συγκεκριμένες κορυφώσεις) που διαφοροποιούν στατιστικά τα άτομα με μαθησιακές δυσκολίες σε σχέση με τους υγιείς. Παράλληλα, εξετάστηκαν παράμετροι από την κλασική θεωρία βιοσημάτων όπως η ενέργεια και οι χαρακτηριστικοί ρυθμοί. Τέλος, επιλύθηκε το αντίστροφο πρόβλημα της ηλεκτροεγκεφαλογραφίας ώστε να βρεθούν οι ρευματικές πηγές που προκαλούν τα αντίστοιχα σήματα στην επιφάνεια του κεφαλιού. Από τις πηγές αυτές επιδιώχθηκε ο προσδιορισμός περιοχών του εγκεφάλου που πιθανώς να είναι υπεύθυνες για την εμφάνιση μαθησιακών δυσκολιών. / The present thesis aims at the extraction of knowledge and useful conclusions for the relatively uninvestigated phenomenon of learning difficulties. Patients and healthy controls were evaluated by a computerized version of the digit span Wechsler test and EEG/ERP signals were recorded from 15 scalp electrodes based on the international 10-20 system of electroencephalography. The phenomenon was investigated via processing and analysis of EEG/ERP signals of healthy and persons with learning difficulties. Some features were extracted from these signals that statistically differentiate these two groups. Furthermore, features from classical theory of biosignals such as energy and characteristic rhythms were investigated. Finally, the so-called electroencephalography inverse problem was solved in order to define the internal current sources. The localization of such sources in the brain aimed at defining brain regions that are potentially responsible for learning difficulties.

The current research work aims at the development of Biomedical Neuroengineering tools (Biotechnologies) for the in-depth functional study, rapid diagnosis, continuous monitoring and well-timed management of acute and chronic brain disorders, of individuals that are subjected to or suffer from any kind of systemic hypoxaemia or more localized brain hypoxia; as well as the functional assessment and continuous control of adaptability during the training of “altinauts” and generally of individuals that practice activities and function within environments of increased visual-cognitive-motor response demands (a type of brain “stress test”). For this purpose, we subject the entire visuocognitive system, from the elementary sensory to the most complex cognitive level, to an experimental test of categorical discrimination of complex visuocognitive stimuli, following ultra-rapid visual stimulation that leads to a motor response upon categorization of targets (images of animals elicit productive responses) and to its suppression upon categorization of nontargets (images of nonanimals elicit inhibitory responses). The oscillatory electro-physiological responses that are concurrently recorded at the occipital-temporal-parietal brain areas are analyzed in the time-domain (<20Hz) and in the joint time-frequency domain broadband (1-60Hz) with the Continuous Wavelet Transform that optimizes the multiresolution analysis of the high frequency (≥20Hz) γ-band oscillatory activity. This visuocognitive categorization test takes place in normoxaemic as well as hypoxaemic conditions (monitored reduction in the blood oxygen saturation from ≥97% to around 80% under conditions of hypobaric hypoxia within a hypobaric chamber), in order to assess electrophysiological markers that can detect and capture in the most sensitive and dynamic way even so transient, short-living and rather mild changes in brain function. The statistical parametric analysis of the time-frequency maps and the generalized, statistically safer, method of analysis of variance have established as the most sensitive and reliable the following markers: the major deflections of the evoked potentials, the phase-coherence factor of the oscillations across single-trials and the elicited energy of the evoked/phase-locked and the induced/total oscillatory activity. These electrophysiological markers in conjunction with psychometric tests allow for the investigation of the stages/levels of the decline as well as of the compensatory reserves in the visual-perceptive and cognitive-mental brain functions in order to determine the functional sensitivity thresholds of different brain functions to hypoxia. They open up the way for the functional characterization, the diagnosis and monitoring of brain insults or other acute and chronic pathological brain conditions. / Η παρούσα ερευνητική εργασία στοχεύει στην ανάπτυξη εργαλείων Βιοϊατρικής Νευρομηχανικής (Βιοτεχνολογίες) για την σε βάθος λειτουργική μελέτη, ταχεία διάγνωση, συνεχή παρακολούθηση και έγκαιρη αντιμετώπιση οξέων και χρόνιων εγκεφαλικών διαταραχών, ατόμων που υπόκεινται σε ή πάσχουν από οιαδήποτε μορφή συστηματικής υποξαιμίας ή πιο εντοπισμένης εγκεφαλικής υποξίας, καθώς και για την λειτουργική αξιολόγηση και το συνεχή έλεγχο της προσαρμοστικότητας κατά την εξάσκηση των «υψιβατών», και γενικότερα ατόμων που ασκούν δραστηριότητες και λειτουργούν μέσα σε περιβάλλοντα αυξημένων οπτικο-γνωστικο-κινητικών απαιτήσεων (ένα είδος «στρες τεστ» για τον εγκέφαλο). Για το σκοπό αυτό υποβάλλουμε ολόκληρο το οπτικογνωστικό σύστημα, από το στοιχειώδες αισθητηριακό έως το πιο πολύπλοκο νοητικό επίπεδο, σε μια πειραματική δοκιμασία κατηγορικής διάκρισης σύνθετων οπτικογνωστικών ερεθισμάτων, μετά από υπερταχεία οπτική διέγερση που οδηγεί στην έκλυση κινητικής απάντησης κατά την κατηγοριοποίηση στόχων (εικόνες «ζώων» εκλύουν παραγωγικές αποκρίσεις) και στην καταστολή της κατά την κατηγοριοποίηση μη-στόχων (εικόνες «μη-ζώων» εκλύουν ανασταλτικές αποκρίσεις). Οι ταλαντωτικές ηλεκτροφυσιολογικές αποκρίσεις που συγχρόνως καταγράφονται στις ινιακές-κροταφικές-βρεγματικές περιοχές του εγκεφάλου αναλύονται στο πεδίο του χρόνου (<20Hz) και στο συζευγμένο χρονοφασματικό πεδίο ευρυζωνικά (1-60Hz) με το συνεχή μετασχηματισμό του κυματίου που βελτιστοποιεί την πολυφασματική ανάλυση της υψίσυχνης (≥20Hz) γ-ταλαντωτικής δραστηριότητας. Αυτή η δοκιμασία οπτικογνωστικής κατηγοριοποίησης λαμβάνει χώρα τόσο σε νορμοξαιμικές όσο και υποξαιμικές συνθήκες (ελεγχόμενη μείωση στον κορεσμό του αίματος σε οξυγόνο από ≥97% γύρω στο 80% για 15 λεπτά κάτω από συνθήκες υποβαρικής υποξίας μέσα σε υποβαρικό θάλαμο), προκειμένου να ελέγξουμε ηλεκτροφυσιολογικούς δείκτες που μπορούν να ανιχνεύσουν και να συλλάβουν με τον πιο ευαίσθητο και δυναμικό τρόπο ακόμη και τόσο βραχύβιες και σχετικά ήπιες μεταβολές της εγκεφαλικής λειτουργίας. Η στατιστική παραμετρική ανάλυση των χρονοφασματικών χαρτών και η γενικευμένη, στατιστικά πιο ασφαλής, μέθοδος ανάλυσης των διακυμάνσεων ανέδειξαν ως πλέον ευαίσθητους και αξιόπιστους τους ακόλουθους δείκτες: τις κύριες αιχμές των προκλητών δυναμικών, τον παράγοντα φασικής συνάφειας των ταλαντώσεων μεταξύ των μοναδιαίων καταγραφών και την εκλυόμενη ενέργεια των προκλητών/φασικά-κλειδωμένων και επαγόμενων/ολικών ταλαντώσεων. Οι ηλεκτροφυσιολογικοί αυτοί δείκτες σε συνδυασμό με ψυχομετρικές δοκιμασίες επιτρέπουν τη διερεύνηση των σταδίων/επιπέδων κάμψης καθώς και των αποθεμάτων αντιρρόπησης των οπτικο-αντιληπτικών και γνωστικών-νοητικών λειτουργιών του εγκεφάλου για τον καθορισμό των λειτουργικών ουδών ευαισθησίας διάφορων εγκεφαλικών λειτουργιών στην υποξία. Ανοίγουν μάλιστα το δρόμο. για το λειτουργικό χαρακτηρισμό, τη διάγνωση και την παρακολούθηση εγκεφαλικών προσβολών ή άλλων οξέων και χρόνιων παθολογικών καταστάσεων του εγκεφάλου.