Spielt Ihr Gehirn Ihre letzten Lebenserfahrungen ab, während Sie sich ausruhen? Eine offene Frage in den Neurowissenschaften ist, welche Ereignisse unser Gehirn wiederholt und gibt es eine Korrelation zwischen der Wiederholung und der Dauer des Ereignisses? In dieser Studie habe ich versucht, dieser Frage nachzugehen, indem ich Magnetenzephalographie-Daten aus einem Experiment zum aktiven Hören verwendet habe. Die Magnetenzephalographie (MEG) ist ein nicht-invasives Neuroimaging-Verfahren, das verwendet wird, um die Gehirnaktivität zu untersuchen und die Gehirndynamik bei Wahrnehmungs- und kognitiven Aufgaben insbesondere in den Bereichen Sprache und Hören zu verstehen. Es zeichnet das in unserem Gehirn erzeugte Magnetfeld auf, um die Gehirnaktivität zu erkennen. Ich baue eine Pipeline für maschinelles Lernen, die einen Teil der Experimentdaten verwendet, um die Klangmuster zu lernen und dann das Vorhandensein von Geräuschen im späteren Teil der Aufnahmen vorhersagt, in denen die Teilnehmer untätig sitzen mussten und kein Ton zugeführt wurde. Das Ziel der Untersuchung der Testwiedergabe von gelernten Klangsequenzen in der Nachhörphase. Ich habe ein Klassifikationsschema verwendet, um Muster zu identifizieren, wenn MEG auf verschiedene Tonsequenzen in der Zeit nach der Aufgabe reagiert. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Lautfolgen über dem theoretischen Zufallsniveau identifiziert und unterschieden werden können und bewies damit die Gültigkeit unseres Klassifikators. Darüber hinaus könnte der Klassifikator die Geräuschsequenzen in der Nachhörzeit mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit vorhersagen, aber um die Modellergebnisse über die Nachhörzeit zu validieren, sind mehr Beweise erforderlich. / Does your brain replay your recent life experiences while you are resting? An open question in neuroscience is which events does our brain replay and is there any correlation between the replay and duration of the event? In this study I tried to investigate this question by using Magnetoencephalography data from an active listening experiment. Magnetoencephalography (MEG) is a non-invasive neuroimaging technique used to study the brain activity and understand brain dynamics in perception and cognitive tasks particularly in the fields of speech and hearing. It records the magnetic field generated in our brains to detect the brain activity. I build a machine learning pipeline which uses part of the experiment data to learn the sound patterns and then predicts the presence of sound in the later part of the recordings in which the participants were made to sit idle and no sound was fed. The aim of the study of test replay of learned sound sequences in the post listening period. I have used classification scheme to identify patterns if MEG responses to different sound sequences in the post task period. The study concluded that the sound sequences can be identified and distinguished above theoretical chance level and hence proved the validity of our classifier. Further, the classifier could predict the sound sequences in the post-listening period with very high probability but in order to validate the model results on post listening period, more evidence is needed.

Associative learning is a fundamental ability biological systems possess in order to adapt to a nonstationary environment. One of the core aspects of associative learning theoretical frameworks is that surprising events drive learning by signalling the need to update the system’s beliefs about the probability structure governing stimuli associations. Specifically, the central neural system generates internal predictions to anticipate the causes of its perceptual experience and compute a prediction error to update its generative model of the environment, an idea generally known as the predictive coding framework. However, it is not clear whether the brain generates these predictions only for goal-oriented behavior or they are more a general characteristic of the brain function. In this thesis, I explored the role of task relevance in modulating brain activity when exposed to sensory associative learning task. In the first study, participants were asked to perform a perceptual detection task while audio-visual stimuli were presented as distractors. These distractors possessed a probability structure that made some of them more paired than others. Results showed that occipital activity triggered by the conditioned stimulus was elicited just before the arrival of the unconditioned visual stimulus. Moreover, occipital activity after the onset of the unconditioned stimulus followed a pattern of precision-weighted prediction errors. In the second study, two more sessions were added to the task in the previous study in which the probability structure for all stimuli associations was identical and the whole experiment was spanned in six days across two weeks. Results showed a difference in the modulation of the beta band induced by the presentation of the unconditioned stimulus preceded by the predictive and unpredictive conditioned auditory stimuli by comparing the pre and post sessions activity. In the third study, participants were exposed to a similar task with respect to the second study with the modification that there was a condition in which the conditioned-unconditioned stimulus association was task-relevant, thus allowing to directly compare task-relevant and task-irrelevant associations. Results showed that both types of associations had similar patterns in terms of activity and functional connectivity when comparing the brain responses to the onset of the unconditioned visual stimulus. Taken together, these findings demonstrate irrelevant associations rely on the same neural mechanisms of relevant ones. Thus, even if task relevance plays a modulatory role on the strength of the neural effects of associative learning, predictive processes take place in sensory associative learning regardless of task relevance.

This dissertation is comprised of four studies investigating the hypothesis that adults and children who stutter differ from their same-age fluent peers in the neuroanatomy and neurophysiology underlying auditory speech processing. It has been consistently reported that adults who stutter demonstrate unique functional neural activation patterns during speech production, including reduced auditory activation, relative to nonstutterers. The extent to which these functional differences are accompanied by abnormal morphology of the brain in stutterers is unclear. The first study in this dissertation examined the neuroanatomical differences in speech-related cortex between adults who do and do not stutter using magnetic resonance imaging and voxel-based morphometry analyses. Adults who stutter were found to have localized grey matter volume increases in auditory and motor speech related cortex. The second study extended this line of research to children who stutter, who were found to have localized grey matter volume decreases in motor speech related cortex. Together, these studies suggest an abnormal trajectory of regional grey matter development in motor speech cortex of people who stutter. The last two studies investigated the mechanism underlying the repeated findings of reduced auditory activation during speech in people who stutter in more detail. Magnetoencephalography was used to investigate the hypothesis that people who stutter have increased speech induced suppression of early evoked auditory responses. Adults and children who stutter demonstrated typical levels of speech induced suppression relative to fluent peers. However, adults and children who stutter showed differences from peers in the timing of cortical auditory responses. Taken together, the studies demonstrate structural and functional abnormalities in brain regions related to auditory processing and point to the possibility that people who stutter have difficulty forming the neural representations of speech sounds necessary for fluent speech production.

Selective attention is a mechanism used to allocate resources to information processing. Both mood states and emotionally salient stimuli can influence which information is selectively attended. This information is subsequently processed in a more elaborative manner and affects task performance. The experiments presented in this thesis explore the influence of mood and emotional stimuli on selective attention and consequently task performance. Mood induction procedures were used to induce transient neutral, sad, and happy mood states in healthy volunteers. A systematic review and meta-analysis of 41 studies using sad mood induction procedures showed cognitive impairments in performance in the context of task neutral stimuli. In contrast biases in attention towards mood-congruent negative stimuli led to improved task performance. A series of three behavioural experiments with 197 participants demonstrated that participants made decisions on the basis of less information when that information was preceded by emotional but not neutral stimuli. Induced mood state did not affect performance. The behavioural and neural correlates of visual attentional processing to emotional stimuli were explored using magnetoencephalography in 24 healthy participants following sad, happy, and neutral mood induction procedures. The M300, a component associated with selective attention, had greater amplitude following presentation of negative compared with positive stimuli, which was associated with improved task performance. Reduced M300 amplitude and impairments in performance occurred following sad mood induction procedures. The experiments presented in this thesis demonstrate prioritized processing of emotional information and provide some evidence for impaired performance following sad mood induction procedures.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

The objective of this study is to test whether human intentions to sustain or cease movements in right and left hands can be decoded reliably from spatially filtered single trial magneto-encephalographic (MEG) signals. This study was performed using motor execution and motor imagery movements to achieve a potential high performance Brain-Computer interface (BCI). Seven healthy volunteers, naïve to BCI technology, participated in this study. Signals were recorded from 275-channel MEG and synthetic aperture magnetometry (SAM) was employed as the spatial filter. The four-class classification for natural movement intentions was performed offline; Genetic Algorithm based Mahalanobis Linear Distance (GA-MLD) and direct-decision tree classifier (DTC) techniques were adopted for the classification through 10-fold cross-validation. Through SAM imaging, strong and distinct event related desynchronisation (ERD) associated with sustaining, and event related synchronisation (ERS) patterns associated with ceasing of hand movements were observed in the beta band (15 - 30 Hz). The right and left hand ERD/ERS patterns were observed on the contralateral hemispheres for motor execution and motor imagery sessions. Virtual channels were selected from these cortical areas of high activity to correspond with the motor tasks as per the paradigm of the study. Through a statistical comparison between SAM-filtered virtual channels from single trial MEG signals and basic MEG sensors, it was found that SAM-filtered virtual channels significantly increased the classification accuracy for motor execution (GA-MLD: 96.51 ± 2.43 %) as well as motor imagery sessions (GA-MLD: 89.69 ± 3.34%). Thus, multiple movement intentions can be reliably detected from SAM-based spatially-filtered single trial MEG signals. MEG signals associated with natural motor behavior may be utilized for a reliable high-performance brain-computer interface (BCI) and may reduce long-term training compared with conventional BCI methods using rhythm control. This may prove tremendously helpful for patients suffering from various movement disorders to improve their quality of life.

Bien que l’on ait longtemps considéré que les substrats cérébraux de la mémoire sémantique (MS) demeuraient intacts au cours du vieillissement normal (VN), en raison d’une préservation de la performance des personnes âgées à des épreuves sémantiques, plusieurs études récentes suggèrent que des modifications cérébrales sous-tendant le traitement sémantique opèrent au cours du vieillissement. Celles-ci toucheraient principalement les régions responsables des aspects exécutifs du traitement sémantique, impliqués dans les processus de recherche, de sélection et de manipulation stratégique de l’information sémantique. Cependant, les mécanismes spécifiques régissant la réorganisation cérébrale du traitement sémantique au cours du VN demeurent méconnus, notamment en raison de divergences méthodologiques entre les études. De plus, des données de la littérature suggèrent que des modifications cérébrales associées au vieillissement pourraient également avoir lieu en relation avec les aspects perceptifs visuels du traitement des mots. Puisque le processus de lecture des mots représente un processus interactif et dynamique entre les fonctions perceptuelles de bas niveau et les fonctions de plus haut niveau tel que la MS, il pourrait exister des modifications liées à l’âge au plan des interactions cérébrales entre les aspects perceptifs et sémantiques du traitement des mots. Dans son ensemble, l’objectif de la présente thèse était de caractériser les modifications cérébrales ainsi que le décours temporel du signal cérébral qui sont associés au traitement sémantique ainsi qu’au traitement perceptif des mots en lien avec le VN, ainsi que les relations et les modulations entre les processus sémantiques et perceptifs au cours du VN, en utilisant la magnétoencéphalographie (MEG) comme technique d’investigation. Dans un premier temps (chapitre 2), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés alors qu’ils effectuaient une tâche de jugement sémantique sur des mots en MEG, en se concentrant sur le signal autour de la N400, une composante associée au traitement sémantique. Les résultats démontrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent principalement les structures impliquées dans les aspects exécutifs du traitement sémantique. Une activation plus importante du cortex préfrontal inférieur (IPC) a été observée chez les participants jeunes que chez les participants âgés, alors que ces derniers activaient davantage les régions temporo-pariétales que les jeunes adultes. Par ailleurs, le lobe temporal antérieur (ATL) gauche, considéré comme une région centrale et amodale du traitement sémantique, était également davantage activé par les participants âgés que par les jeunes adultes. Dans un deuxième temps (chapitre 3), les patrons d’activation cérébrale d’un groupe de participants jeunes et d’un groupe de participants âgés sains ont été comparés en se concentrant sur le signal associé au traitement perceptif visuel, soit dans les 200 premières millisecondes du traitement des mots. Les résultats montrent que des modifications cérébrales liées à l’âge touchent le gyrus fusiforme mais aussi le réseau sémantique, avec une plus grande activation pour le groupe de participants âgés, malgré une absence de différence d’activation dans le cortex visuel extrastrié entre les deux groupes. Les implications théoriques des résultats de ces deux études sont ensuite discutées, et les limites et perspectives futures sont finalement adressées (chapitre 4). / While it has long been assumed that the organization of the brain network underlying semantic processing remains intact in normal aging, mainly due to older adults’ intact behavioral performance on semantic tasks, several recent studies suggest that brain changes underlying semantic processing operate during aging. These changes appear to affect mainly the brain regions responsible for the executive aspects of semantic memory (SM), involved in semantic search and selection processes, as well as the strategic manipulation of semantic knowledge. However, the specific mechanisms underlying cerebral reorganization of semantic processing in normal aging are not well understood, partly because of methodological differences among studies. Recent literature also suggests that brain changes may be observed in relation to visual perceptual aspects of word processing in older adults. Since reading words is a dynamic interactive process between low-level perceptual functions and higher-order processes such as semantic processing, there may be age-related changes in terms of brain interactions between perceptual and semantic aspects of word processing. The general aim of this thesis was to characterize the cortical changes and the time course of brain signal associated with semantic and perceptual processing of words, as well as the modulations between semantic and perceptual processes in normal aging, using magnetoencephalography (MEG) as the investigative method. Firstly (Chapter 2), the patterns of brain activation of two groups of healthy younger and older adults were compared relative to a semantic task participants carried out during MEG acquisition, by focusing on the signal around the N400, a component associated with semantic processing. The results indicate that brain changes associated with normal aging mainly affect structures involved in the executive aspects of semantic processing. Greater activation was observed in prefrontal cortex for younger relative to older adults, while the latter group of participants activated the temporoparietal region to a greater extent than young adults. Moreover, the left anterior temporal lobe (ATL), considered to be a central and amodal region of semantic processing, was also more activated by older than younger participants. Secondly (Chapter 3), specific patterns of brain activation of younger and healthy older adults were compared in relation to visual perceptual processing, by focusing on the 200 first milliseconds of cortical signal during word processing. The results show that the age-related brain changes affect the fusiform gyrus, as well as the semantic network, with greater activation found in these regions in the group of older participants relative to younger participants, while no difference in activation of the visual extrastriate cortex was found between groups. The theoretical implications of the results of these two studies are discussed. Finally, limitations of this thesis and future perspectives are addressed (Chapter 4).

The current thesis addresses some of the unresolved predictions of recent models of the semantic brain system, such as the hub-and-spokes model. In particular, we tackle different aspects of the hypothesis that a widespread network of interacting heteromodal (hub(s)) and unimodal (spokes) cortices underlie semantic cognition. For this purpose, we use connectivity analyses, measures of graph theory and permutation-based statistics with source reconstructed Electro-/MagnetoEncephaloGraphy (EEG/MEG) data in order to track dynamic modulations of activity and connectivity within the semantic networks while a concept unfolds in the brain. Moreover, in order to obtain more accurate connectivity estimates of the semantic networks, we propose novel methods for some of the challenges associated with EEG/MEG connectivity analysis in source space. We utilised data-driven analyses of EEG/MEG recordings of visual word recognition paradigms and found that: 1) Bilateral Anterior Temporal Lobes (ATLs) acted as potential processor hubs for higher-level abstract representation of concepts. This was reflected in modulations of activity by multiple contrasts of semantic variables; 2) ATL and Angular Gyrus (AG) acted as potential integrator hubs for integration of information produced in distributed semantic areas. This was observed using Dynamic Causal Modelling of connectivity among the main left-hemispheric candidate hubs and modulations of functional connectivity of ATL and AG to semantic spokes by word concreteness. Furthermore, examining whole-brain connectomes using measures of graph theory revealed modules in the right ATL and parietal cortex as global hubs; 3) Brain oscillations associated with perception and action in low-level cortices, in particular Alpha and Gamma rhythms, were modulated in response to words with those sensory-motor attributes in the corresponding spokes, shedding light on the mechanism of semantic representations in spokes; 4) Three types of hub-hub, hub-spoke and spoke-spoke connectivity were found to underlie dynamic semantic graphs. Importantly, these results were obtained using novel approaches proposed to address two challenges associated with EEG/MEG connectivity. Firstly, in order to find the most suitable of several connectivity metrics, we utilised principal component analysis (PCA) to find commonalities and differences of those methods when applied to a dataset and identified the most suitable metric based on the maximum explained variance. Secondly, reconstruction of EEG/MEG connectomes using anatomical or fMRI-based parcellations can be significantly contaminated by spurious leakage-induced connections in source space. We, therefore, utilised cross-talk functions in order to optimise the number, size and locations of cortical parcels, obtaining EEG/MEG-adaptive parcellations. In summary, this thesis proposes approaches for optimising EEG/MEG connectivity analyses and applies them to provide the first empirical evidence regarding some of the core predictions of the hub-and-spokes model. The key findings support the general framework of the hub(s)-and-spokes, but also suggest modifications to the model, particularly regarding the definition of semantic hub(s).

Η μελέτη της πλαστικότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου σε όλα τα επίπεδα είναι ένα πολύ σημαντικό βήμα στην εξερεύνηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στον σχεδιασμό θεραπειών αποκατάστασης μετά από εγκεφαλικές και κινητικές βλάβες. Τα τελευταία είκοσι χρόνια έχει καθιερωθεί πλέον η ιδέα ότι ο ώριμος εγκέφαλος μπορεί να ανακατανέμει τις περιοχές του στην περίπτωση μιας βλάβης ή στην περίπτωση περισσότερης χρήσης ή νέας λειτουργίας, αναδιοργανώνοντας έτσι την λειτουργικότητά του. Και ενώ υπάρχουν αρκετές μελέτες σε ζώα και λιγότερες σε ανθρώπους όπου μελετάται η χωρική έκταση των αλλαγών αυτών, λίγες εργασίες υπάρχουν που να μελετούν τη δυναμική των αλλαγών αυτών σε ένα πεδίο χρόνου μερικών ωρών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή συνεισφέρει ακριβώς σε αυτόν τον τομέα: τη μελέτη των πλαστικών αλλαγών σε ένα εύρος χρόνου 6 ωρών με διαδοχικές μαγνητοεγκεφαλογραφικές (ΜΕΓ) μετρήσεις ανά μία ώρα της αναπαράστασης των δακτύλων στον πρωτεύοντα σωματοαισθητικό φλοιό. Μέχρι τώρα στην βιβλιογραφία οι μελέτες για βραχύχρονη πλαστικότητα εστίαζαν στη μελέτη αλλαγών μετά από συγκεκριμένη σωματοαισθητική διέγερση για συγκεκριμένο κάθε φορά χρόνο από μερικά λεπτά και έως τρεις με τέσσερις ώρες. Τα αποτελέσματα των ερευνών αυτών παρουσιάστηκαν διαφορετικά για διαφορετικούς χρόνους μελέτης. Έτσι και για την περίπτωση των δακτύλων στον σωματοαισθητικό φλοιό, μετά από σύντομο χρονικό διάστημα σωματοαιθητικής αλλαγής, η Ευκλείδεια απόσταση μεταξύ των μελετούμενων περιοχών έδειχνε να συρρικνώνεται (Braun et al, 2000; Ziemus et al, 2000) ενώ μετά από περισσότερο χρονικό διάστημα, αυτή να αυξάνεται (Godde et al, 2003; Schaeffer et al, 2004). Η παρούσα μελέτη, συνεισφέρει στην έρευνα της δυναμικής των πλαστικών αλλαγών σε μικρό εύρος χρόνου. Το πρωτόκολλο, είναι εμπνευσμένο από το πρώτο πείραμα πού έδειξε την ύπαρξη πλαστικότητας στον ώριμο εγκέφαλο μέσω της δημιουργίας συνδακτυλίας σε πιθήκους (Allard et al, 1988; 1991). Οι συγγραφείς παρατήρησαν σημαντικές αλλαγές στην αντιπροσώπεση των δύο αυτών δακτύλων στον σωματοαισθητικό φλοιό (Δ3 και Δ4) μετά από 3-7.5 μήνες. Οι δύο περιοχές εμφανίστηκαν ενοποιημένες, και χωρίς την διαχωριστική γραμμή που συνήθως τις διαχωρίζει. Επίσης παρατηρήθηκε η ύπαρξη ιδιοδεκτικών πεδίων που ανταποκρίνονταν στον ερεθισμό και των δύο δακτύλων. Οι συγγραφείς εξέφρασαν αυτό το αποτέλεσμα ως μία ένδειξη του ρόλου του χρονικού συγχρονισμού όπως εκφράζεται και με την αρχή του Hebb για την ομαδοποίηση των εισερχόμενων σημάτων και τον σχηματισμό των ιδιοδεκτικών πεδίων στον φλοιό. Το πρωτόκολλο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη και εμπνευσμένο από το προηγούμενο πείραμα περιλαμβάνει το δέσιμο των δακτύλων του δεξιού χεριού εθελοντών από τον δείκτη (Δ2) έως το μικρό δάκτυλο (Δ5) και τον ξεχωριστό ηλεκτρικό ερεθισμό των Δ2 και Δ5 για τον εντοπισμό της αντιπροσώπευσής τους στον σωματοαισθητικό φλοιό μέσα σε συνολικό χρονικό διάστημα 5.5 ωρών. Οι καταγραφές πραγματοποιήθηκαν με την τεχνική της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας, και η ανάλυση έγινε βάσει της μεθόδου της Μαγνητικής Απεικόνισης Πηγών (Μagnetic Source Imaging). H MΕΓ, χάρη της μη αλλοίωσης των μαγνητικών σημάτων από τις ενδιάμεσες δομές του εγκεφάλου χαρίζει καλλίτερο εντοπισμό των ενεργοποιημένων περιοχών. Το κάθε πείραμα αποτελείτο από 7 ΜΕΓ μετρήσεις, με διαλείμματα μεταξύ των μετρήσεων. Η μέση απόσταση μεταξύ των καταγραφών ήταν περίπου 50 λεπτά της ώρας και το κάθε διάλειμμα διαρκούσε μισή ώρα. Η πρώτη καταγραφή έγινε πριν το δέσιμο των δακτύλων. Επίσης καταγραφές της ποσότητας του ηλεκτρικού παλμού (Sensory nerve action potential, SNAP) πάνω στο ωλένιο και μέσο νεύρο γινόταν ταυτόχρονα για την διασφάλιση της σταθερότητας του ηλεκτρικού παλμού που εισέρχεται στο σωματοαισθητικό φλοιό. Δύο πειράματα ελέγχου συμπληρώνουν το πρωτόκολλο, σε μερικούς από τους συμμετέχοντες, ένα με επανάληψη της διαδικασίας χωρίς δέσιμο των δακτύλων μετά από μερικούς μήνες και ένα με συμπληρωματικές ταυτόχρονες μετρήσεις στο άλλο ημισφαίριο. Τέλος η ανατομική μαγνητική τομογραφία, για κάθε συμμετέχοντα λήφθηκε, για επιβεβαίωση του εντοπισμού του ισοδύναμου διπόλου. Μέσω της τεχνικής λοιπόν του ισοδύναμου δίπολου, για κάθε δάκτυλο και κάθε ΜΕΓ καταγραφή κατά την διάρκεια των 5.5 ωρών εντοπίστηκε το ισοδύναμο δίπολο που χαρακτηρίζει το κέντρο βάρους της αντιπροσώπευσης του μεσοποιημένου προκλητού δυναμικού στον πρωτοταγή σωματοαισθητικό φλοιό. Στην συνέχεια ελήφθησαν οι συντεταγμένες του. Μετά την επεξεργασία προ-ανάλυσης του σήματος, μελετήθηκε το ισοδύναμο δίπολο που περιγράφει την κορυφή P30m. Το κύμα P30m προσδιορίζει την είσοδο του ηλεκτρικού σήματος στον σωματοαισθητικό φλοιό. Η θέση του διπόλου κατά τη διάρκεια των μετρήσεων παρουσίασε στατιστικώς σημαντικές αλλαγές, παραμένοντας εντούτοις μέσα στον σωματοαισθητικό φλοιό. Όπως έχει αποδειχθεί και από άλλες μελέτες, στατιστικά σημαντικές αλλαγές στη θέση του ισοδύναμου διπόλου ισοδυναμούν με αλλαγές στην σωματοτοπία (Hodzic et al, 2004; Pleger et al, 2003; 2001). Τα αποτελέσματά λοιπόν έδειξαν ότι συμβαίνουν στατιστικώς σημαντικές αλλαγές στην Ευκλείδεια απόσταση (ΕΑ) των περιοχών μέσα στις 5 περίπου ώρες που διαρκεί η ‘τεχνητή συνδακτυλία’ που επιβάλαμε. Αναλυτικά, και όπως φαίνεται στην Εικόνα 1, στην διάρκεια της πρώτης μισής ώρας, μια μείωση της ΕΑ μεταξύ του δεύτερου (Δ2) και πέμπτου δακτύλου (Δ5) έλαβε χώρα ακολουθούμενη από μία αύξηση της ΕΑ για τις επόμενες δύο ώρες. Στη συνέχεια, ξεκινάει μια μείωση της ΕΑ η οποία διαρκεί πάλι περίπου 2 ωρες. Σημειώνουμε εδώ ότι στα πειράματα ελέγχου, δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές στην ΕΑ μεταξύ των δακτύλων, κάτι που μας κάνει να πιστεύουμε ότι η αλλαγές στην ΕΑ οφείλονται αποκλειστικά στην νέα σωματοαισθητική κατάσταση που δημιουργήθηκε με το δέσιμο των δακτύλων. Οι παρατηρούμενες αλλαγές, οι οποίες συμβαίνουν καθ’ όλη τη διάρκεια των έξι ωρών, οδηγούν στο συμπέρασμα ότι συμβαίνει μία συνεχής ανακατανομή (remapping) των περιοχών των δύο δακτύλων στη διάρκεια του χρόνου αυτού. Σημειώνουμε εδώ ότι στα πειράματα ελέγχου, δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές στην ΕΑ μεταξύ των δακτύλων, κάτι που μας κάνει να πιστεύουμε ότι οι αλλαγές στην ΕΑ οφείλονται αποκλειστικά στην νέα σωματοαισθητική κατάσταση που δημιουργήθηκε με το δέσιμο των δακτύλων. Επειδή ενδείξεις δεν έχουμε για αλλαγή στην ισχύ του διπόλου συμπεραίνουμε ότι οι αλλαγές αυτές οφείλονται σε μετατόπιση και όχι σε εξάπλωση των αντίστοιχων περιοχών της αντιπροσώπευσης των δακτύλων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι οι αλλαγές που παρατηρήσαμε συμβαδίζουν με αλλαγές άλλων ερευνητών στον σωματοαισθητικό φλοιό, ανάλογα με τον χρόνο της παρατήρησης. Δηλαδή, παρόμοιες αλλαγές συμβαίνουν στους αντίστοιχους χρόνους. Αναλυτικά, αύξηση της ΕΑ έχει παρατηρηθεί σε μικρά χρονικά διαστήματα ενώ μείωση της ΕΑ μετά από μεγαλύτερα (της τάξεως των μερικών ωρών) διαστήματα μετά από κάποια σωματοαισθητική αλλαγή/τροποποίηση. Τα αποτελέσματά μας λοιπόν ενοποιούν τα προηγούμενα αποτελέσματα παρουσιάζοντας ένα ενοποιημένο χρονικό πλαίσιο μέσα στο οποίο παρουσιάζονται οι αλλαγές αυτές. Ένα συμπέρασμα που μπορεί να εξαχθεί είναι ότι η ανακατανομή των ιδιοδεκτικών πεδίων των νευρώνων του σωματοαισθητικού φλοιού γίνεται με μη γραμμικό τρόπο. Ο εγκέφαλος προκειμένου να προσδιορίσει τις ομάδες νευρώνων που αναπαριστούν καλλίτερα τη νέα σωματοαισθητική πραγματικότητα ανακαταμερίζει τις δυνάμεις του και επαναπροσδιορίζει τα όριά του. Η αναδιάρθρωση των χαρτών του εγκεφάλου σε τόσο μικρά χρονικά διαστήματα έχει αποδοθεί σε μεταβολή της αναστολής. Το γεγονός ότι οι αλλαγές αυτές στην αναπαράσταση των δακτύλων Δ2 και Δ5 έγιναν τόσο γρήγορα δεν πρέπει να μας εκπλήσσει καθώς μελέτες σε in vivo και in vitro έχουν αποδείξει ότι παρόμοιες αλλαγές στο συναπτικό επίπεδο συμβαίνουν σε χρονικά όρια παρόμοια με αυτά του πειράματός μας, όπως στο LTP και LTD. Επίσης, άλλοι μηχανισμοί όπως αυτοί της ομοιόστασης συμμετέχουν ενεργά σε παρόμοιες περιπτώσεις που έχει παρουσιαστεί πλαστικότητα μετά από αλλαγή στην σωματοαισθητική εμπειρία. Η παρούσα μελέτη εκτός του ότι θέτει ένα χρονικό πλαίσιο μέσα στο οποίο, διαφορετικές αλλαγές στην ΕΑ λαμβάνουν χώρα, αποτελεί μια πρώτη ένδειξη της σημαντικότητας του χρόνου ως παραμέτρου σε ηλεκτροφυσιολογικές μετρήσεις. / The adult primary somatosensory cortex (SI) exhibits a detailed topographic organization of the hand and fingers, which undergoes plastic reorganizational changes following modifications of the sensory input. Although the spatial properties of these changes have been extensively investigated, little is known about their temporal dynamics. The current PhD thesis, contributes exactly to this field: to the study of plastic changes in time frame of 6 hours with consecutive Magnetoencephalographic measurements every hour. The inspiration for the protocol came from the finger webbing paradigm first employed to study adult human representational plasticity. In this paradigm of finger webbing, 4 fingers are temporarily webbed together, hence modifying their sensory feedback, for about 6 hours. We used Magnetoencephalography, a non invasive technique to study magnetic fields of the human brain, in order to measure changes in the hand representation in SI, before, during, and after finger webbing for this time frame of 6 hours. Cortical sources representing the index and little finger were localized using electric current stimulation and with the Equivalent Current Dipole method for all the recording sessions. Our results showed a decrease in the Euclidean distance (ED) between the cortical sources of the index and small finger 30 min after webbing, followed by an increase lasting for about 2 h after webbing, which was followed by a return toward baseline values. These results provide a unique frame in which the different representational changes occur, merging previous findings that were only apparently controversial, in which either increases or decreases in ED were reported after sensory manipulation for relatively long or short duration, respectively. Moreover, these observations further confirm that the mechanisms that underlie cortical reorganization are extremely rapid in their expression and, for the first time, show how brain reorganization occurs over time.

Η ηλεκτρομαγνητική δραστηριότητα του εγκεφάλου μελετάται με τη βοήθεια των μη παρεμβατικών μεθόδων της Ήλεκτροεγκεφαλογραφίας και της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας. Ειδικότερα, κάθε ηλεκτροχημικά παραγόμενο ρεύμα στο εσωτερικό του εγκεφάλου δημιουργεί ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό πεδίο, στο εσωτερικό και στο εξωτερικό του εγκεφάλου αντίστοιχα. Τα πεδία αυτά καταγράφονται στην επιφάνεια και στον εξωτερικό χώρο του κρανίου και δίνουν το Ηλεκτροεγκεφαλόγραφημα (EEG) και το Μαγνητοεγκεφαλόγραφημα (MEG) αντίστοιχα, τα οποία μεταφέρουν πληροφορίες για τη λειτουργία του εγκεφάλου τη χρονική στιγμή της καταγραφής. Η παρούσα διατριβή αφορά στη μαθηματική ανάλυση ευθέων και αντίστροφων προβλημάτων που συνδέονται με τις μεθόδους αυτές με σκοπό τον εντοπισμό και το χαρακτηρισμό της πηγής που παρήγαγε τα μετρούμενα πεδία. Στο Μέρος Ι μελετάται αναλυτικά η δομή και λειτουργία του εγκεφάλου, περιγράφεται το φυσικό πρότυπο που χρησιμοποιούμε και γίνεται αναφορά τόσο στη σφαιρική όσο και στην ελλειψοειδή γεωμετρία που αποτελούν τα γεωμετρικά υπόβαθρα. Στο Μέρος ΙΙ επιλύεται το ευθύ πρόβλημα του Βιοηλεκτρισμού στην περίπτωση του σφαιρικού ομογενούς προτύπου για τον ανθρώπινο εγκέφαλο, όπου η πηγή είναι αυθαίρετη κατανομή ρεύματος. Αποδεικνύεται ό,τι, στο εξωτερικό ηλεκτρικό δυναμικό δεν εμπεριέχεται η συνεισφορά του σωληνοειδούς μέρους της εφαπτομενικής συνιστώσας του ρεύματος και συνεπώς το αντίστοιχο αντίστροφο πρόβλημα είναι μη μοναδικό. Με την απαίτηση το ρεύμα να ελαχιστοποιεί την , το αντίστροφο πρόβλημα επιλύεται μοναδικά και προσδιορίζονται οι συνιστώσες του νευρωνικού ρεύματος από γνωστές μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού. Τα κύρια χαρακτηριστικά καθώς και οι περιορισμοί που επιβάλλουν το φυσικό και το γεωμετρικό πρόβλημα αναλύονται λεπτομερώς. Στο Μέρος ΙΙΙ επιλύονται ευθέα προβλήματα του Βιοηλεκτρομαγνητισμού σε ελλειψοειδή γεωμετρία και αντλούμε χρήσιμα συμπεράσματα για την αντιστροφή των προβλημάτων MEG. Συγκεκριμένα υπολογίστηκε η οκταπολική προσέγγιση του μαγνητικού πεδίου που παράγεται στο εξωτερικό του πλέον ρεαλιστικού ομογενούς προτύπου για τον ανθρώπινο εγκέφαλο, που είναι το ελλειψοειδές, συναρτήσει των ελλειψοειδών αρμονικών τρίτου βαθμού. Η βελτίωση αυτή είναι σημαντική καθώς αποδεικνύεται αριθμητικά ότι η μαγνητικά «σιωπηλή» πηγή της τετραπολικής προσέγγισης συνεισφέρει στις μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου. Ως εκ τούτου, η νέα αυτή προσέγγιση του μαγνητικού πεδίου παρέχει αρκετές πληροφορίες για την πιθανή αντιστροφή του προβλήματος. Στη συνέχεια επιλύθηκε το ευθύ πρόβλημα του Βιοηλεκτρομαγνητισμού στην περίπτωση που ο εγκεφαλικός ιστός περιλαμβάνει περιοχή υγρού πυρήνα διαφορετικής αγωγιμότητας. Ο πυρήνας αυτός πληρούται από εγκεφαλονωτιαίο υγρό ενώ η πηγή βρίσκεται στον φλοιό του εγκεφαλικού ιστού. Υπολογίζεται το ηλεκτρικό δυναμικό και το μαγνητικό πεδίο στο εξωτερικό του αγωγού και τα αποτελέσματα συγκρίνονται αναλυτικά και αριθμητικά με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του ομογενούς προτύπου του εγκέφαλου. Από την σύγκριση αυτή προκύπτει ότι τόσο η ανομοιογένεια εντός του εγκεφαλικού ιστού όσο και η θέση της πηγής υπεισέρχονται με καθοριστικό τρόπο στο μαγνητικό πεδίο του υπό μελέτη προτύπου. / The electromagnetic activity of the human brain is studying via the non invasive methods of Electroencephalography and Magnetoencephalography. It is well known that an electrochemically generated current in the interior of the brain generates an electric and a magnetic field, both in the interior and exterior of the brain. The resulting electric and magnetic fields are measured on the surface and the exterior of the head via the EEG and MEG, respectively. In the present thesis we study direct and inverse EEG and MEG problems in order to identify and characterize the source. In the First Part we describe the morphology and the functionality of the human brain and we state the physical and geometrical models that we use. In the Second Part we solved the direct problem of EEG for the spherical homogeneous model of the brain in the case of a continuously distributed neuronal current. It turns out that the electric potential is independent of the solenoid part of the tangential component of the neuronal current. Consequently, the corresponding inverse problem is not uniquely solvable. Hence, we demand that the current has minimum and in this case we ended up with the complete expansions of the visible part of the current from the knowledge of the electric field. In the Third Part we studied direct problems of MEG in ellipsoidal geometry. In particular we evaluated the octapolic term of the magnetic induction field which it’s produced in the exterior of the ellipsoidal model of the brain-head system. This term provides the highest order terms that can be expressed in closed form. It is shown numerically that the silent source of the quadrupolic term of the magnetic induction field does contribute to the octapolic term. Therefore, the knowledge of the quadrupolic and octapolic terms provides enough data to construct an effective algorithm for inversion. Finally, the direct problem of MEG is presented, in the case where the cerebral tissue is considered as an ellipsoidal conductor and surrounds a fluid ellipsoidal core of different conductivity. The fluid core is occupied by the cerebrospinal fluid and the source lies in the cerebral shell. The electric field in every region and the exterior magnetic induction field are obtained. Furthermore, we compare analytically and numerically the results of the inhomogeneous model with the homogeneous ellipsoidal model. We observed that both the inhomogeniety inside the cerebral tissue and the location of the source appear in the magnetic induction field of the inhomogeneous model. Τhe existence of the fluid core effects the monotonicity of the components of the magnetic field as well as its magnitude.