The biomagnetic measurements offer completely non-invasive and non-contact multichannel recordings with millisecond temporal resolution that provide the direct assessment of the functional dynamics of the brain, via magnetoencephalography (MEG), and heart, via magnetocardiography (MCG). Dense-array biomagnetometers have been recently designed for the investigation of the neurophysiological development of the fetus in utero. Fetal MCG offers accurate recordings of the fetal cardiac activity that allow to examine the effects of different maternal factors (such as smoking, exercise, fatty-acids diet supplements) on the fetal neurophysiological development using measures of heart rate and heart rate variability, and high-resolution measurement of the cardiac time intervals. However, the extraction of the fetal MCG signal relies on the identification and elimination of other signal contributions associated with the maternal cardiac activity or specific fetal behavioral patterns, such as fetal sucking and hiccup activity. The results of the present thesis demonstrate the potential of the linear transformations to generate data representations that enable straightforward and effective extraction and characterization of the biomagnetic signal components, and the elimination of the interference. The independent component analysis has been proven as an efficient signal separation and filtering technique for fetal biomagnetic recordings. ICA has been shown to provide adequate interference elimination of the maternal and fetal cardiac activity for the separation of the signal associated with distinct fetal behavioral patterns. Specifically, ICA has been applied to the extraction of the non-nutritive sucking pattern in the fetus. The recorded biomagnetic signal was characterized by the distinctive rhythmic pattern of bursts documented in the fetus using Doppler ultrasonography. The signal characteristics were consistent with the pacifier-induced non-nutritive sucking recorded in the infant using measurements of the sucking pressure variation and electromyography (EMG)recordings. Additionally, the measurements in fetuses have been confirmed by the biomagnetic recordings of the pacifier-induced non-nutritive sucking in infants. Correspondingly, the signal pattern associated with the fetal hiccup activity has been recorded and characterized using biomagnetic measurements in the fetus. The signal waveform was consistent with the adult EMG data of the diaphragm motor response to electrical or magnetic stimulation of the phrenic nerve. Additionally, the simultaneous recording of the fetal cardiac activity allows the estimation of the fetal heart rate signal. Thus, it has been possible to assess the interaction between the fetal behavior and the fetal heart rhythm. Although the linear transformations of the biomagnetic data, such as the signal subspace separation, beamforming or independent component analysis methods, do not provide direct information on the location of the sources, they generate data representations that enable the separation of the distinct signal components. The signal subspace separation method based on irreducible tensor representation approach may potentially allow to segregate and remove the contribution of the external interference sources, e.g. an active ultrasound device for real-time monitoring during fetal biomagnetic recording. The preliminary assessment indicates the ability of the irreducible tensor representation technique to provide an effective data transformation for the compensation of fetal movement during the recording that affects the accuracy of the averaged fetal cardiac signal. Additionally, the modified beamformers with suppression region that integrate a priori anatomical information in order to perform an adaptive suppression of the interferers may be proven more efficient for accurate signal estimation of the fetal spontaneous brain activity, and auditory and visual evoked responses. / Σύγχρονες μή-επεμβατικές τεχνικές καταγραφής πολυκαναλικού σήματος προσφέρουν, χωρίς άμεση επαφή, βιομαγνητικές μετρήσεις με υψηλότατη χρονική ανάλυση και επιτρέπουν την άμεση εκτίμηση των δυναμικών λειτουργιών του εγκεφάλου και της καρδιάς, μέσω του μαγνητοεγκεφαλογραφήματος (ΜΕΓ) και του μαγνητοκαρδιογραφήματος (ΜΚΓ) αντίστοιχα. Η χρήση πυκνών διατάξεων μαγνητομέτρων στην ευρύτερη κοιλιακή χώρα για την καταγραφή μαγνητικών πεδίων από το έμβρυο επιτρέπει τη μελέτη της νευροφυσιολογικής ανάπτυξης του εμβρύου καθ’ όλη τη διάρκεια της κύησης. Ειδικά το εμβρυϊκό ΜΚΓ επιτρέπει την εκτίμηση της καρδιακής λειτουργίας και την εξέταση της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων όπως το κάπνισμα της μητέρας, η άσκησή της και η διατροφή της, χρησιμοποιώντας παράγωγα χαρακτηριστικά του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος (π.χ. ο καρδιακός ρυθμός και η μεταβλητότητά του). Η ανάκτηση του συγκεκριμένου σήματος προϋποθέτει τον εντοπισμό και εξουδετέρωση παρασιτικών σημάτων που σχετίζονται με το καρδιακή δραστηριότητα της μητέρας ή συγκεκριμένες συμπεριφορές του εμβρύου όπως η αναρρόφηση και η κατάποση. Τα αποτελέσματα της παρούσης διατριβής επιδεικνύουν τη δυνατότητα των γραμμικών μετασχηματισμών για αναπαραστάσεις που επιτρέπουν την άμεση και αποτελεσματική εκμαίευση και περιγραφή των σημαντικών συνιστωσών του βιομαγνητικού σήματος καθώς και την αναίρεση των ανεπιθύμητων παρεμβολών. Η ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες (ΑΑΣ) κρίθηκε ιδιαίτερα αποδοτική στην ανάδειξη της χρήσιμης πληροφορίας από εμβρυϊκές βιομαγνητικές καταγραφές και συνέβαλε στην εξουδετέρωση των σημάτων καρδιακής δραστηριότητας του εμβρύου και της μητέρας. Η κατάλληλη χρησιμοποίησή της ουσιαστικά εξασφάλισε το διαχωρισμό του σήματος που σχετίζεται με συγκεκριμένα πρότυπα συμπεριφοράς του εμβρύου. Ειδικότερα επέτρεψε την παρακολούθηση της συμπεριφοράς αυτόνομου θηλασμού (που είναιασυσχέτιστη με την διατροφική διαδικασία). Το ανακτημένο σήμα χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα ρυθμική δραστηριότητα που περιλαμβάνει ώσεις γνωστές και από τις απεικονίσεις μέσω του υπερηχογραφήματος Doppler. H συμπεριφορά που το σήμα αντικατοπτρίζει είναι εντελώς συμβατή με αυτή που εμφανίζεται αυτόματα στα νεογνά με την προσαρμογή πιπίλας στη στοματική τους κοιλότητα, και η οποία συνήθως μελετάται μέσω των μεταβολών πίεσης στο σχετικό ηλεκτρομυογράφημα. Η συγκεκριμένη συσχέτιση επιβεβαιώθηκε -και πειραματικά- με την καταγραφή βιομαγνητικών πεδίων από νεογνά κατά τη διάρκεια αυθόρμητου θηλασμού (δηλ. με πιπίλα). Αντίστοιχα, το ανακτημένο σήμα που σχετίζεται με τον εμβρυϊκό λόξυγκα βρίσκεται σε απόλυτη συνέπεια με τις κυματομορφές της ηλεκτρομυογραφικής απόκρισης από το διάφραγμα ενηλίκων σε ηλεκτρική ή μαγνητική διέγερση του φρενικού νεύρου. Επίσης η εξαγωγή του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος επέτρεψε τον ακριβή υπολογισμό των μεταβολών του αντίστοιχου ρυθμού και τον συσχετισμό τους με τα διάφορα πρότυπα συμπεριφορά (θηλασμό, λόξυγκα κτλ.). Παρόλο που γραμμικοί μετασχηματισμοί των βιομαγνητικών δεδομένων (όπως τεχνικές υποχώρων, χωρικά φίλτρα επιλεκτικής κατεύθυνσης και ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες) δεν παρέχουν άμεση πληροφορία για τον εντοπισμό των πηγών του σήματος, προσφέρουν αναπαραστάσεις των δεδομένων όπου η συνεισφορά των επιμέρους πηγών είναι καλά διαχωρισμένη. Η τεχνική διαχωρισμού υποχώρων (βασισμένη στην προσέγγιση αναπαράστασης μέσω μή αναγώγιμου τανυστή) δυνητικά μπορεί να επιτρέψει τη διάκριση και απομάκρυνση εξωγενών σημάτων όπως αυτά που προέρχονται από τις παρακείμενες συσκευές υπερηχογραφήματος που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση του εμβρύου σε πραγματικό χρόνο. Η προκαταρκτική αξιολόγηση έδειξε την δυνατότητα της τεχνικής αυτής να μετασχηματίζει τα δεδομένα με τρόπο που να βελτιώνει την ακρίβεια του εμβρυϊκού συμψηφιστικού καρδιογραφήματος (κυρίως χάριν στην αντιστάθμιση της αναπόφευκτης μετακίνησης του εμβρύου σε σχέση με του αισθητήρες). Επιπρόσθετα η εναρμόνιση της τεχνικής αυτής με την ανατομία του προβλήματος ενέχει την δυνατότητα προσαρμοστικής επεξεργασίας σήματος και αναμένεται να συμβάλει στην εκτίμηση της αυθόρμητης εγκεφαλικής δραστηριότητας του εμβρύου καθώς και των αντίστοιχων εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εξωτερικά ερεθίσματα.

Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία υλοποιήθηκε ένα προγραμματιστικό περιβάλλον σε Matlab το οποίο μας επιτρέπει να μελετήσουμε τη συσχέτιση της δυναμικής βιολογικών νευρωνικών δικτύων με χρήση ομοιοματικών τεχνικών και μαθηματικών μοντέλων. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν προγράμματα που υλοποιούν μαθηματικά μοντέλα της δυναμικής νευρωνικών πληθυσμών και αντίστοιχα ομοιοματικές μέθοδοι. Το περιβάλλον δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης της δυναμικής με τους δύο αυτούς τρόπους και παρέχει τρόπους σύγκρισης μεταξύ τους, ώστε να διερευνηθεί αν από τους δύο αυτούς τρόπους προσέγγισης, υπό τις ίδιες αρχικές συνθήκες, προκύπτουν αποτελέσματα συγκρίσιμα μεταξύ τους. Αρχικά, εξομοιώθηκε ένα βιολογικό νευρωνικό δίκτυο στην προσπάθεια προσέγγισης της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου από έναν υπολογιστή. Εξομοιώσαμε ένα νευρωνικό δίκτυο χρησιμοποιώντας μια σχέση η οποία δεδομένων των παραμέτρων του δικτύου και της κατάστασης διεγερσιμότητας του δικτύου αn κάποια χρονική στιγμή n υπολογίζει την κατάσταση διεγερσιμότητας του δικτύου αn+1 την επόμενη χρονική στιγμή n+1. Στη συνέχεια, περιγράφονται και αναλύονται μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μακροσκοπική (στατιστική) συμπεριφορά των μεμονωμένων – δηλαδή χωρίς εξωτερικές συνδέσεις – νευρωνικών δικτύων (ομάδων αλληλοσυνδεδεμένων νευρώνων) του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος. Μελετώντας κάποιες ξεχωριστές περιπτώσεις των νευρωνικών δικτύων και κάνοντας συγκεκριμένες θεωρήσεις για την κάθε μια, καταλήγουμε σε μαθηματικές εξισώσεις που αφορούν την περιγραφή της δυναμικής των δικτύων. Θα παρουσιαστεί, δηλαδή ένα πακέτο προγραμμάτων υλοποιημένο στο περιβάλλον Matlab που θα δέχεται ως είσοδο παραμέτρους του νευρωνικού πληθυσμού (δικτύου), θα υλοποιεί τις δύο μεθόδους μελέτης της δυναμικής του και θα εμφανίζει και θα συγκρίνει τα λαμβανόμενα αποτελέσματα. Ο σκοπός της εν λόγω διπλωματικής είναι η σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν για τη δυναμική νευρωνικών πληθυσμών με χρήση μαθηματικών μοντέλων σε σχέση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν με χρήση μεθόδων εξομοίωσης. / -

Το φαινόμενο του ύπνου αποτελεί ένα μυστήριο της ανθρώπινης ζωής. Η έρευνα του φαινομένου του ύπνου γίνεται κυρίως μέσω καταγραφών Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Η επεξεργασία και η ανάλυση του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος ύπνου με την χρήση υπολογιστικών αλγορίθμων έχει δώσει μεγάλη ώθηση στην διερεύνηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Κατά την διάρκεια του ύπνου παρουσιάζονται χαρακτηριστικοί ρυθμοί και κύματα όπως είναι οι άτρακτοι (spindles) και τα συμπλέγματα Κ (K-Complex). Η ακριβής σημασία και συμβολή των συγκεκριμένων ρυθμών δεν έχει πλήρως διερευνηθεί. Πιστεύεται όμως ότι έχουν σπουδαίο υπναγωγικό ρόλο και συμβάλλουν στις διαδικασίες σταθεροποίησης της μνήμης κατά τον ύπνο. Στην παρούσα εργασία γίνεται μια προσπάθεια εύρεσης της χρονικής συσχέτισης μεταξύ των εμφανιζόμενων ρυθμών και κυμάτων κατά την διάρκεια του ύπνου. Για την ανάπτυξη του προγράμματος χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο που έχει αναπτυχθεί και χρησιμοποιείται για επεξεργασία σήματος στο Εργαστήριο Νευροφυσιολογίας του Πανεπιστημίου Πατρών (Flying Circus). Το συγκεκριμένο πρόγραμμα επεκτάθηκε με τις κατάλληλες ρουτίνες έτσι ώστε να παράγονται γραφικές απεικονίσεις των χρονικών στιγμών εμφάνισης των ΗΕΓ χαρακτηριστικών εκ των οποίων να συνάγεται οπτικά αν υπάρχει συσχέτιση μεταξύ τους, το ψηφιδόπλεγμα (raster). Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει είτε την συσχέτιση των ρυθμών στον χρόνο (time raster) είτε την συσχέτιση των ρυθμών στο πεδίο των συχνοτήτων (spectrum raster). Στην εργασία παρουσιάζονται οι γραφικές απεικονίσεις και τα αποτελέσματα από την χρήση του προγράμματος σε καταγραφές ύπνου που έχουν γίνει στο Εργαστήριο Νευροφυσιολογίας. / Sleep is a mysterious phenomenon of human life. Electroencephalogram (EEG) is the main tool that researchers use to explore the physiology of sleep. Advanced analysis of sleep recordings enormously contributed to the research and understanding of brain activity. During sleep we observe some characteristic rhythms and waves such as spindles and K-Complexes. The exact meaning and role of these rhythms has not yet fully discovered. However, it is believed that they play a significant sleep promoting role and partake in cognitive processes of sleep. The present work attempts to find the temporal correlation between those rhythms and waves that appear during the second stage of non-REM sleep i.e. whether any changes in the rate of occurrence of spindles can predict or can be predicted by the occurrence of K-Complexes. A graphic interface tool was developed by adding new processing functions to the tool that is used at the Neurophysiology Unit of the University of Patras’ Medical School (Flying Circus). This program is a raster used to support the EEG studies with the appropriate routines in order to produce graphical representations of the time development of various EEG characteristics and to demonstrate visually any possible correlation between them. The new environment includes methods that can correlate the appearance of rhythms and waves in the time domain or in the frequency spectrum domain using the raster graphical representation. The result of these methods is either a time raster or a spectrum raster depending on the user choices. In this paper we present the results of using these methods in real sleep recordings that have been conducted in the Neurophysiology Unit.

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.