UMO-2014/15/B/ST7/05263

Kierownik projektu: prof.dr hab. Katarzyna Cieślak-Blinowska

Cel badań/hipoteza
Projekt dotyczy badania mechanizmów sprzężenia nerwowo-naczyniowego. Metody obrazowania aktywności mózgu takie jak funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) i spektroskopia bliskiej podczerwieni (NIRS) są związane z aktywnością neuronów poprzez zmiany metaboliczne i naczyniowe. Obecnie ciągle nie jest jasne w jakim stopniu zmiany te są odbiciem czynności populacji neuronowych. Wyjaśnienie tego związku w sposób nie-inwazyjny poprzez jednoczesny pomiar elektroencefalogramów (EEG) oraz fMRI lub magnetoencefalogramów (MEG) i fMRI jest technicznie trudne. Alternatywą jest jednoczesny pomiar związku między hemodynamiczną odpowiedzią mózgu mierzoną przez NIRS i elektryczną odpowiedzią populacji neuronowych rejestrowaną jako EEG. Celem projektu jest znalezienie związku między czasowymi, topograficznymi i spektralnymi cechami czynności mózgu , a odpowiedzią hemodynamiczną tzn. poziomami utlenowanej (HbO) i zredukowanej (HbR) hemoglobiny mierzonymi techniką NIRS, w eksperymencie dotyczącym czynności ruchowej i jej wyobrażenia. Specyficzne hipotezy dotyczą: i)związku między rytmami EEG a i poziomami HbO/HbR, ii) topograficznych różnic sygnału NIRS, w eksperymenci dotyczącym ruchu wykonanego i wyobrażonego. Naszym celem będzie również zbadanie relacji między NIRS i sygnałem zmienności rytmu serca (HRV), NIRS i ciśnieniem krwi.

Metoda Badawcza
Metodyka dotyczyć będzie synchronizacji w ramach jednego protokołu pomiarów trNIRS (time resolved NIRS), EEG, EKG i ciśnienia krwi, przeprowadzenia pomiarów i analizy danych z zastosowaniem zaawansowanych metod analizy sygnałów. W szczególności planowane są następujące etapy:
1. Opracowanie protokołu pomiarowego (ilość i umiejscowienie elektrod i optod, pojedyncze ruchy zamierzone lub seria ruchów, synchronizacja kanałów pomiarowych: trNIRS, EEG, EKG, ciśnienie krwi)
2. Konstrukcja systemu do wyświetlania wskaźników i sterowania eksperymentem
3. Przeprowadzenie badania dla grupy 15 zdrowych osób
4. Eliminacja artefaktów, wstępne przetwarzanie sygnałów
5. Analiza sygnałów: metody czas-częstość, czasowa ewolucja rytmów, korelacje między: HbO/HbR a EEG i HRV
Analiza danych opierać się będzie na zaawansowanych metodach analizy czasowo-częstotliwościowej, mianowicie na metodzie adaptywnych aproksymacji z zastosowaniem dopasowania kroczącego (Matching Pursuit- MP). Metoda MP pozwoli na przezwyciężenie ograniczeń filtrowania pasmowego i tradycyjnych metod spektralnych i dostarczy informacji na temat czasowej ewolucji rytmów EEG i HRV w celu znalezienia korelacji z sygnałami HbO i HbR.

Wpływ rezultatów
Wyniki projektu pomogą w zrozumieniu mechanizmów sprzężenia nerwowo-naczyniowego, które znajdują się w centrum uwagi środowiska naukowego. Rezultaty wpłyną nie tylko na zrozumienie relacji pomiędzy EEG i NIRS, lecz również pomiędzy EEG i fMRI BOLD (Blood Oxygenation Level), ponieważ sygnał BOLD opiera się podobnie jak NIRS na określeniu poziomu utlenowanej krwi. Natomiast pomiar poziomów HbO/HbR techniką NIRS jest łatwiejszy. Projekt dotyczy badania relacji między synchronizacją/ desynchronizacją populacji neuronowych a HbO i HbR, która dotychczas nie była badana. Otrzymane wyniki rzucą światło na relacje pomiędzy rytmami EEG i poziomami utlenowania krwi. Ponieważ specyficzne rytmy odgrywają istotną rolę w analizie informacji przez mózg, wyjaśnienie związku między częstotliwościową charakterystyką EEG i poziomami utlenowania krwi pomogą w interpretacji rezultatów neuroobrazowania w eksperymentach NIRS i fMRI.
Projekt ma również aspekt praktyczny związany z konstrukcją interfejsów mózg-komputer (BCI) oraz protez. W chwili obecnej hybrydowe systemy BCI są stosowane do sterowania protezami, ale rola NIRs ogranicza się zwykle do roli włącznika systemu opartego na EEG. Planowane badania mogą zaowocować lepszym wykorzystaniem w BCI informacji dostarczanej przez NIRS. Szczególnie pomocne mogą się tutaj okazać badania związane z wyobrażeniem ruchu.