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. / -

The analysis of microcircuitry (the connectivity at the level of individual neuronal processes and synapses), which is indispensable for our understanding of brain function, is based on serial transmission electron microscopy (TEM) or one of its modern variants. Due to technical limitations, most previous studies that used serial TEM recorded relatively small stacks of individual neurons. As a result, our knowledge of microcircuitry in any nervous system is very limited. We applied the software package TrakEM2 to reconstruct neuronal microcircuitry from TEM sections of a small brain, the early larval brain of Drosophila melanogaster. TrakEM2 enables us to embed the analysis of the TEM image volumes at the microcircuit level into a light microscopically derived neuro-anatomical framework, by registering confocal stacks containing sparsely labeled neural structures with the TEM image volume. We imaged two sets of serial TEM sections of the Drosophila first instar larval brain neuropile and one ventral nerve cord segment, and here report our first results pertaining to Drosophila brain microcircuitry. Terminal neurites fall into a small number of generic classes termed globular, varicose, axiform, and dendritiform. Globular and varicose neurites have large diameter segments that carry almost exclusively presynaptic sites. Dendritiform neurites are thin, highly branched processes that are almost exclusively postsynaptic. Due to the high branching density of dendritiform fibers and the fact that synapses are polyadic, neurites are highly interconnected even within small neuropile volumes. We describe the network motifs most frequently encountered in the Drosophila neuropile. Our study introduces an approach towards a comprehensive anatomical reconstruction of neuronal microcircuitry and delivers microcircuitry comparisons between vertebrate and insect neuropile.

Questa sintesi conclusiva del percorso di dottorato ruota attorno al costrutto di fragilità, attualmente definita come una condizione disfunzionale dinamica di natura multi-sistemica, associata a un aumentato rischio di conseguenze negative quali istituzionalizzazione, ospedalizzazione e morte. Come illustrato tramite gli studi inclusi nella presente tesi, le osservazioni empiriche e l’esperienza in ambito clinico hanno sistematicamente evidenziato l’assenza di strumenti di screening cognitivo nella fragilità che presentino sistematicamente valore clinico e validità trasversalmente a diverse tipologie di pazienti o utenti fragili, affetti da disturbi neurologici e cognitivi o che presentino profili di rischio psicosociale. Nei capitoli empirici sono stati riportati tre studi che hanno riguardato, il primo, la valutazione del potenziale clinico di un nuovo test di screening cognitivo, il CASP, somministrabile anche a persone affette da afasia. Questo è stato comparato con strumenti classici come il MMSE e il MoCA. Nel secondo studio è stato sviluppato e testato un protocollo di valutazione della fragilità cognitiva e psicosociale nella malattia cronica, ideato per essere inclusivo anche nel suo utilizzo con pazienti migranti. Infine, il terzo studio, oltre a mirare – come i precedenti – all’arricchimento della cassetta di attrezzi del neurospicologo, si è focalizzato sull’integrazione del testing neuropsicologico classico con le potenzialità della neuroinformatica, avendo come obiettivo lo sviluppo di un approccio di screening multi-componenziale e di un sistema di machine learning per finalità diagnostiche nell’ambito dell’invecchiamento fisiologico e patologico, che non fosse una mera digitalizzazione di test neuropsicologici tradizionali. / This final synthesis of the PhD program revolves around the construct of fragility, currently defined as a dynamic dysfunctional condition of a multi-systemic nature, associated with an increased risk of negative consequences such as institutionalization, hospitalization and death. As illustrated through the studies included in this thesis, empirical observations and experience in the clinical setting have systematically highlighted the absence of cognitive screening tools in frailty that systematically present clinical value and validity across different types of patients or frail users, suffering from neurological and cognitive disorders or with psychosocial risk profiles. Three studies have been reported in the empirical chapters which concerned, the first, the evaluation of the clinical potential of a new cognitive screening test, CASP, which can also be administered to people with aphasia. This has been compared with classical instruments such as the MMSE and the MoCA. In the second study, a protocol for assessing cognitive and psychosocial frailty in chronic disease was developed and tested, designed to be inclusive also in its use with migrant patients. Finally, the third study, in addition to aiming - like the previous ones - at the enrichment of the neurospychologist's toolbox, focused on the integration of classical neuropsychological testing with the potential of neuroinformatics, aiming at the development of a screening approach. multi-component and a machine learning system for diagnostic purposes in the field of physiological and pathological aging, which was not a mere digitization of traditional neuropsychological tests.

The increasingly global environment has spurred the economy in the United States as well as the economies in nearly every other nation. Although the U.S. remains the world leader in the global economy, research shows that the United States is at risk of losing its place as the world leader in science and innovation. Policymakers have recognized the need for research addressing global competitiveness. President Bush signed the America Competes Act, which calls for increased investment in innovation and education to improve U.S. competitiveness and President Barack Obama has named a platform, "Science, Technology and Innovation for a New Generation" which will extend and prioritize the efforts to improve math and science education. K-12 U.S. students are graduating from high school unprepared to pursue degrees in science, technology, engineering and math (STEM) in college. Without STEM degrees they will be unable to pursue technology jobs after graduation. Statistics show that the U.S. is failing to produce as many graduates in STEM as other countries. In an increasingly global world, without graduates in STEM courses the U.S. is at risk of losing its position as the economic world leader. Government, industry and academia all agree that the U.S. needs to address education on a K-12 level to ensure that U.S. students are equipped with twenty-first century skills to compete in a twenty-first century global economy. Twenty-first century students are different from students of previous generations. Researchers argue that changes in the environment, specifically an increased exposure to technology, have changed the brains of twenty-first century students; twenty-first century students learn differently. However, twenty-first century students are being taught with an instructional curriculum that was designed for a previous generation that did not have the same exposure to technology. This is causing a digital-divide that is hindering the achievement of students. The instructional curriculum needs to be updated to meet the needs of twenty-first century students. This thesis addresses this need from a technical communication perspective by arguing that the instructional design of twenty-first century learning materials should be improved by adhering to guidelines for twenty-first century learning characteristics and twenty-first century technology use. The guidelines support a national goal to improve K-12 achievement in order to increase U.S. STEM graduates and increase the U.S.'s ability to compete in a global economy.

Das Ziel der kognitiven Neurowissenschaften ist es, Struktur-Funktions-Beziehungen im Gehirn aufzudecken. Durch Fortschritte in der funktionellen Bildgebung und der Graphentheorie konnten zentrale Knotenpunkte im Gehirn identifiziert werden, welche neuronale Informationen integrieren und dementielle Prozesse erklären können. Datenbankgetriebene metaanalytische Methoden wurden genutzt, um tausende Bildgebungsstudien auszuwerten und das funktionelle Profil von Hirnregionen zu dekodieren. Das Systems-Level Decoding zielt darauf ab, eine Seed-Region und mit ihr verbundene kortikale Regionen funktionell zu dekodieren. In Studie 1 wurden thalamische Subregionen und in Studie 2 drei Subregionen des Intraparietalen Sulcus (hIP) als Seed-Regionen verwendet. Studie 3 untersuchte Unterschiede in der Rich-Club-Struktur zwischen Alzheimer-Patienten, Patienten mit milder kognitiver Beeinträchtigung und gesunden Probanden. Es wurden zwei große, Thalamus-zentrierte Systeme identifiziert, die mit autobiographischem Gedächtnis und Nozizeption assoziiert sind; für den hIP wurden neun Systeme, die mit Prozessen wie Arbeitsgedächtnis und numerischem Denken zusammenhängen, gefunden. Studie 3 fand Hinweise, dass periphere Regionen bei Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen stärker aktiviert sind als Rich-Club-Regionen. Das Systems-Level Decoding lieferte neue Erkenntnisse über die Einbettung des Thalamus und des hIP in kortikale funktionelle Systeme. Allerdings waren die Ergebnisse hinsichtlich der funktionellen Charakterisierung thalamischer Kerne und der Aktivitätsunterschiede in Rich-Club- und peripheren Regionen zwischen Patienten und gesunden Kontrollpersonen begrenzt. Diese Ergebnisse lassen sich möglicherweise durch Limitationen des metaanalytischen Ansatzes erklären. Das Systems-Level Decoding ist insgesamt ein vielversprechender Ansatz für die Formulierung von Hypothesen über Struktur-Funktionsbeziehungen innerhalb der Netzwerkarchitektur des menschlichen Gehirns. / In cognitive neuroscience, there is great interest in unraveling structure-function relationships in the human brain. Advances in functional neuroimaging and graph theory methods have identified key brain nodes relevant for neuronal information integration and functional deficits in degenerative diseases like Alzheimer's. Database-driven meta-analytical methods have also evaluated knowledge from thousands of neuroimaging studies, to decode the functional profile of brain regions. The systems-level decoding aims to identify brain systems that provide insight into the functional characteristics of a seed region and its connected cortical regions. In Study 1, thalamic subregions were used as seed regions. Study 2 applied systems-level decoding to three distinct regions in the intraparietal sulcus (hIP). In Study 3, we attempted to substantiate activation differences in the Rich Club structure between Alzheimer's patients, patients with mild cognitive impairment, and healthy subjects. Two major, thalamus-centered systems associated with autobiographical memory and nociception were identified. Additionally, nine large systems associated with processes such as working memory, numerical cognition, and recognition memory were uncovered for the hIP. Finally, evidence showed that peripheral regions in patients are more activated than central Rich Club regions compared to healthy controls. Systems-level decoding provided significant new insights into the embedding of the thalamus and intraparietal sulcus in functional systems. However, results were limited in the functional characterization of thalamic nuclei and activity differences in Rich Club and peripheral regions between patients and healthy controls. Limitations of the meta-analytical approach may explain these findings. The systems-level decoding represents a promising approach for formulating hypotheses about brain structure-function relationships within the functional network architecture.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Text mining is a process of extraction of knowledge from unstructured text documents. We have huge volumes of text documents in digital form. It is impossible to manually extract knowledge from these vast texts. Hence, text mining is used to find useful information from text through the identification and exploration of interesting patterns. The objective of this thesis in text mining area is to find compact but high quality frequent patterns from text documents related to neuroscience field. We try to prove that interactive sampling algorithm is efficient in terms of time when compared with exhaustive methods like FP Growth using RapidMiner tool. Instead of mining all frequent patterns, all of which may not be interesting to user, interactive method to mine only desired and interesting patterns is far better approach in terms of utilization of resources. This is especially observed with large number of keywords. In interactive patterns mining, a user gives feedback on whether a pattern is interesting or not. Using Markov Chain Monte Carlo (MCMC) sampling method, frequent patterns are generated in an interactive way. Thesis discusses extraction of patterns between the keywords related to some of the common disorders in neuroscience in an interactive way. PubMed database and keywords related to schizophrenia and alcoholism are used as inputs. This thesis reveals many associations between the different terms, which are otherwise difficult to understand by reading articles or journals manually. Graphviz tool is used to visualize associations.

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.