WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Распознавание типов мыслительной деятельностипо ээг при решении пространственных и вербально-логических задач

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Наумов Роман Александрович

РАСПОЗНАВАНИЕ ТИПОВ МЫСЛИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ПО ЭЭГ ПРИ РЕШЕНИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ И

ВЕРБАЛЬНО-ЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Специальность 03.03.01 - физиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

МОСКВА – 2010

Диссертация выполнена в Лаборатории высшей нервной деятельности человека (заведующий – чл.-корр. РАН А.М. Иваницкий) Учреждения Российской Академии Наук Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (директор – доктор биологических наук, профессор П.М. Балабан)

Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: доктор биологических наук Г.А. Иваницкий доктор биологических наук В.Б. Дорохов кандидат психологических наук А.В. Вартанов Институт мозга человека РАН

Защита состоится «___» _________ 2010_ года в ____ часов на заседании Диссертационного совета Д-002.044.01 при Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН по адресу: 117485, г. Москва, ул. Бутлерова, д.5а. 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВНД и НФ РАН. 

Автореферат разослан « ______ » _______________ 2010_ г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

доктор биологических наук,

профессор В.В. Раевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Интерес к исследованиям электрической активности мозга проявлялся еще в XIX веке. В 1849 году Д. Реймон впервые показал, что мозг, так же как нерв и мышца, обладает электрогенными свойствами. Через 30 лет в конце XIX века известный российский ученый И.М.Сеченов опубликовал свои знаменитые работы «Гальванические явления на продолговатом мозгу лягушки» и «Рефлексы головного мозга». Он впервые установил факт наличия ритмической электрической активности мозга. В начале ХХ века В.В. Правдич-Неминским с помощью струнного гальванометра была впервые проведена регистрация электрической активности мозга собаки. Регистрация биотоков мозга человека не заставила себя долго ждать. В 1929 году австрийский психиатр Ганс Бергер впервые осуществил запись электрических потенциалов с поверхности скальпа человека и предложил в дальнейшем называть такую запись «электроэнцефалограмма» (Berger, 1929). Метод получил широкое признание и по сей день является одним из основных методов регистрации мозговой активности.

С тех пор, как была получена первая ЭЭГ человека, ученые пытаются ее расшифровать. Спустя некоторое время после опытов Ганса Бергера английские ученые Эдриан и Мэттьюс описали так называемый «ритм Бергера» (Adrian, Mattews, 1934), ныне известный как альфа-ритм. Из этой, и впоследствии многих других работ (например, Lehman, 1980; Gath et al., 1983, Шишкин, 1997), стало ясно, что ритмы ЭЭГ обладают веретенообразным характером и весьма подвижной динамикой. В течение ХХ века для анализа ЭЭГ было разработано немалое количество различных математических методов, однако до сих пор функциональное значение многих ритмов, проявляющихся во время когнитивной деятельности, остается невыясненным.

В настоящем исследовании была предпринята попытка связать ритмы мозга человека с выполнением различных пространственно-образных и вербально-логических когнитивных заданий. Для анализа полученных записей ЭЭГ мы применяли спектральные методы, такие как преобразование Фурье и вейвлет-анализ. Мы использовали математические алгоритмы искусственных нейросетей для статистического и количественного анализа данных. Мы также рассматривали возможность применения упомянутых методов обработки ЭЭГ в интерфейсах мозг-компьютер.

Цели и задачи исследования

Цель исследования состояла в том, чтобы показать возможность распознавания принципиальных типов мышления по пространственно-частотным характеристикам ритмов ЭЭГ с помощью искусственной нейронной сети. Предстояло выяснить, существуют ли в ЭЭГ человека индивидуальные устойчивые характерные признаки базовых типов мышления (вербально-логического и пространственно-образного) при выполнении заданий, требующих вовлечения этих типов мышления.

В ходе исследования предстояло выполнить следующие задачи:

  1. Разработать экспериментальную модель и провести серию экспериментов для выявления характерных признаков ЭЭГ, возникающих при выполнении пространственно-образных и вербально-логических заданий.
  2. На основе экспериментальных данных определить возможность распознавания принципиальных типов мышления по коротким отрезкам ЭЭГ с помощью искусственной нейросети.
  3. Используя метод вейвлет-анализа, исследовать частотно-временную динамику ЭЭГ сигнала при выполнении пространственно-образных и вербально-логических заданий.

Научная новизна

В работе впервые доказана возможность распознавания принципиальных типов мышления, осуществляемого человеком, на основе анализа единичных реализаций ЭЭГ с помощью искусственной нейронной сети. Впервые обнаружено, что в ходе выполнения человеком когнитивных заданий характерные ритмы ЭЭГ появляются несколько раз на короткое время (порядка нескольких сотен миллисекунд), т.е., демонстрируют фазическую природу.



Теоретическая и практическая значимость

Работа вносит вклад в изучение связи ритмов мозга с процессами мышления, а также в понимание того, что происходит в мозге человека при выполнении когнитивных заданий. Результаты настоящего исследования расширяют наши знания о частотно-временной динамике ЭЭГ сигнала при выполнении когнитивных заданий человеком, что предоставляет новые возможности для разработки новых математических методов «декодирования» ЭЭГ сигнала и понимания физиологической природе ритмов ЭЭГ.

Данная работа имеет ярко выраженную практическую значимость, а именно, результаты исследования могут быть использованы в будущем для разработки систем реального времени, связанных с контролем операторской деятельности, а также систем «интерфейс мозг-компьютер».

Положения, выносимые на защиту

  1. Имеются определенные электроэнцефалографические признаки вербально-логического и пространственного типов мышления, инвариантные относительно конкретного вида когнитивных заданий. Эти признаки высоко индивидуальны и сохраняются на протяжении длительного времени (как минимум, нескольких месяцев).
  2. Принципиально разные типы мышления можно различать с достаточно высоким процентом правильного распознавания по ритмическому рисунку ЭЭГ, используя короткие (длительностью в несколько секунд) единичные реализации сигнала.
  3. Конкретные виды заданий внутри одного типа мышления можно различать по ЭЭГ с меньшей надежностью, но в некоторых случаях выше порога достоверно неслучайной классификации.
  4. Характерные ритмы ЭЭГ, отражающие тип мышления, имеют фазическую (не тоническую) природу, т.е. появляются в ходе выполнения когнитивного задания несколько раз в коротких интервалах времени.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на конференциях Молодых ученых в ИВНД и НФ РАН в Москве в 2007 и 2008 году, на 13-м Европейском конгрессе по Клинической нейрофизиологии в Стамбуле в 2008 году, Турция, на конференции по Нейроинформатике в г. Плзень, Чешская Республика в 2009 году, а также апробированы на совместном заседании Лаборатории высшей нервной деятельности человека, Лаборатории математической нейробиологии обучения и Лаборатории нейробиологии сна и бодрствования в ИВНД и НФ РАН 4 декабря 2009 года.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из следующих основных разделов: введение, обзор литературы, методы исследования, результаты исследования, обсуждение результатов, выводы, список литературы (149 ссылок), приложение, список сокращений. Диссертация изложена на 102 страницах, содержит 4 таблицы и 25 рисунков.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Испытуемые, характер предъявляемых задач и ход эксперимента

В Лаборатории высшей нервной деятельности человека ИВНД и НФ РАН в 2007 году были поставлены 4 предварительных исследования на 2 испытуемых (для отладки методики), а в течение 2008-2009 гг. – 38 исследований на 19 здоровых испытуемых в возрасте от 20 до 32 лет (средний возраст испытуемых 25 лет). В исследованиях приняли участие 9 испытуемых женского пола и 10 испытуемых мужского пола, из которых трое были леворукими, остальные праворукими. В большинстве случаев лица, участвовавшие в исследованиях, были студентами московских высших учебных заведений либо молодыми специалистами.

Во время исследований испытуемым предъявлялись на экране монитора 8 видов различных заданий, которые относились к двум типам мыслительной деятельности – пространственно-образному и вербально-логическому, по 4 вида каждого типа. В каждом исследовании предъявлялось 240 заданий, по 30 заданий каждого вида. Каждый испытуемый принимал участие в двух исследованиях, длительностью около 1.5 часов, которые проводились в разные дни. Такая схема проведения исследований была необходима для того, чтобы испытуемый не утомлялся в ходе чрезмерно длительного эксперимента. Условия проведения исследований в разные дни были одинаковыми. В исследованиях предъявлялись пространственно-образные задания следующих видов (см. рис. 1): 1) «Вращение фигур» (SP); 2) «Сложная фигура» (CF); 3) «Дорожная развязка» (RJ); 4) «Сечение куба» (CU). Вербально-логические задания были следующих видов (см. рис. 2): 1) «Петя и Вася» (PV); 2) «Рита и Таня» (RT); 3) «Анаграмма» (AN); 4) «Сложное слово» (CW).

Задания всех видов предъявляли в случайной последовательности с интервалами между предъявлениями, случайно распределенными в пределах от 1 до 3 с. В промежутке между предъявлениями заданий в центре экрана появлялся небольшой серый крестик на черном фоне. Испытуемые располагались в кресле в темной, электрически экранированной камере. Экран монитора находился на расстоянии 1,5 м от их глаз, уровень яркости изображения был минимальным. Решив задание, испытуемый нажимал кнопку мыши в соответствии с ответом или нажимал левую кнопку и давал ответ вслух (в зависимости от вида задания). Время решения заданий было ограничено 30 с: если в течение этого времени ответа не было, то задание убиралось с экрана и предъявлялось следующее. Проводился систематический контроль правильности решения заданий в ходе эксперимента. Перед началом опыта проводили тренировочную серию в свободном режиме без записи электроэнцефалограммы; тренировку продолжали, пока испытуемый не начинал решать задачи достаточно уверенно.





Как говорилось выше, в основной серии экспериментов испытуемые принимали участие в исследованиях дважды, в разные дни. Время, через которое проходило второе исследование, строго не контролировалось, и было разным для разных испытуемых. Часть испытуемых участвовали в двух исследованиях, дни которых следовали друг за другом. Некоторые испытуемые приняли участие в двух исследованиях, промежуток времени между которыми составлял не меньше месяца, а иногда достигал и полугода.

Регистрация данных

Во всех исследованиях вели запись ЭЭГ от 31 электрода, расположенного по расширенной системе 10-20 (Fp1, Fp2, F3, F4, C3, C4, P3, P4, O1, O2, F7, F8, T3, T4, T5, T6, Fz, Cz, Pz, Oz, FPz, FT7, FC3, FCz, FC4, FT8, TP7, CP3, CPz, CP4, TP8) с референтными электродами на мочках ушей и электродом заземления в вертексе. Использовали электродную шапочку с залуженными железными электродами фирмы Electro-Саp (США) и усилитель Neurotravel-24D фирмы ATES Medica (Италия/Россия). Помимо биопотенциалов мозга записывали два канала электроокулограммы от двух пар электродов, расположенных перпендикулярно друг к другу (выше/ниже левого глаза и латерально от углов глаз), и один технический канал, в который помещались идентификационный номер и тип задания, информация о времени предъявления и снятия стимула, правильности решения и о том, уложился ли испытуемый в отведенное время. Данные оцифровывали в реальном времени и непрерывно записывали на жесткий диск персонального компьютера. Частота опроса во всех исследованиях была 250 Гц.

Отбор данных и отстройка от артефактов

Из непрерывной записи ЭЭГ с помощью специальной полуавтоматической программы вырезали отрезки, соответствовавшие решению задач в уме. Из ЭЭГ вырезались отрезки от момента 0,5 с после предъявления задания до нажатия кнопки мыши. Все вырезанные участки записи, в том числе и участки с движениями глаз и моргательными движениями, отфильтровывались в диапазоне частот 1 – 40 Гц. Затем все полученные отрезки ЭЭГ визуально проверяли на наличие в них артефактов, отличных от глазодвигательного, например мускульного или связанного с разрядом поляризованного электрода. Загрязненные артефактами отрезки отбраковывались. От глазодвигательного артефакта (ГДА) отстраивались с помощью процедуры, идея которой почерпнута из (Gratton et al., 1983).

 1 2 3 4 Примеры-2  1 2 3 4 Примеры-3

1 2

 3 4 Примеры заданий на-5

3 4

Рисунок 1. Примеры заданий на пространственно-образный тип мышления. В задаче №1 необходимо подобрать к верхней фигуре одну из фигур в нижней части экрана так, чтобы они вместе образовали квадрат, и сообщить ответ. В задаче №2 необходимо в уме собрать одну из фигур, представленных в нижней части экрана, из элементов, представленных в верхней части экрана, и сообщить правильный ответ. В задаче №3 на экране предъявляется схема московской дорожной развязки. На ней указаны 4 точки: О, А, В, С. Необходимо найти единственно возможный вариант движения из точки О в одну из точек А, В, С согласно указанным на рисунке стрелкам разрешенного направления движения и сообщить правильный ответ. В задаче №4 на экране предъявляется куб с тремя точками на его ребрах. Необходимо в уме построить сечение плоскостью, проходящей через указанные три точки, и, сопоставив полученную фигуру с одной из предъявленных в нижней части экрана, сообщить правильный ответ.

Во всех случаях ответ сообщается нажатием кнопки мыши. Правильные ответы для данных примеров: 1 – левая фигура, 2 – фигура №2, 3 – точка С, 4 – правая фигура.

 1 2 3 4 -6  1 2 3 4 -7

1 2

 3 4 Примеры заданий на-8  3 4 Примеры заданий на-9

3 4

Рисунок 2. Примеры заданий на вербально-логический тип мышления. В заданиях №1 и №2 необходимо определить, правильно ли второе утверждение, если справедливо первое. Ответ в обоих заданиях сообщается нажатием кнопки мыши. В задании №3 необходимо решить анаграмму, т.е. подобрать слово (существительное), задействовав все предъявленные буквы. В задании №4 необходимо заменить буквами звездочки в скобках, так чтобы эти буквы стали окончанием первого слова и началом второго. В заданиях №3 и №4 испытуемый сообщает ответ вслух. Правильные ответы для данных примеров: 1 – да, 2 - нет, 3 – вопрос, 4 – ме(шок)олад.

Формирование обучающей и контрольной выборок данных для целей классификации

Полученные электроэнцефалографические данные подвергали классификации по типу решаемых задач. Эту процедуру проводили раздельно для разных испытуемых с помощью обучаемого классификатора, в качестве которого выступала простая искусственная нейронная сеть. Полученные от каждого испытуемого данные разбивали на обучающую и контрольную выборки. Как говорилось выше, каждый испытуемый принял участие в двух исследованиях.

Разбиение данных на обучающую и контрольную выборки осуществляли следующим способом: данные одного исследования, соответствовавшие решению заданий, разбивали случайным образом на две половины, одна из которых становилась половиной учебной, а другая – половиной контрольной выборки. Аналогично разбивались данные другого исследования того же испытуемого. Затем соответствующие половинные выборки объединялись, образуя окончательные учебную и контрольную выборки.

Предобработка



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.