Skip to main content
SUPERVISOR
بهزاد نظری (استاد راهنما) سعید صدری (استاد راهنما) علی یوسفی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Reza Saadati Fard
رضا سعادتی فرد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Analysis and Modelling of Neural Activity of the Brain Different Regions in Respose to Electrical Stimulation using LFP Signals
Brain cognitive functions are due to interaction between huge numbers of neurons distributed in different regions of the brain. The study of neural communications and interactions between these regions is a challenging field in neuroscience. Many neuron ensembles are simultaneously active, and the synchronized oscillation between these ensembles cause an effective neural communication throughout the brain. Recent researches show that synchronized neural activities in different frequency bands such as ? and ? are related to cognitive functions. Perception, cognition, data analysis, and working memory are some examples of cognitive functions. Studies have shown that some mental disorders are resulted from abnormal neural activities. Discrimination of normal brain synchrony from abnormal brain synchrony can be used in diagnosis of mental diseases. Studies on the Parkinson treatment show that applying a controlled synchrony by electrodes to those parts of the brain without normal synchronization, may cure the disease. This research uses functional connectivity methods to study relationship between signals of different regions of the brain. For this purpose, these signals are analyzed in the time-frequency domain, and statistical measures are applied to examine synchrony between different signals of the brain regions. Gabor filters are applied to calculate the instantaneous phase of neural activities in different frequency bands. The computed phase is used in phase locking value (PLV) algorithm to estimate the level of synchronization. In addition to PLV, another algorithm is proposed to estimate the synchronization between two signals using the instantaneous phase computed by Gabor filters and the cross-correlation function. When the phase lag of two signals is calculated, the histogram of their phase lag is used to estimate the level of synchronization. Synthetic data is used for evaluation of the algorithms. The level of synchronization between synthetic signals is controlled by some parameters. The synthetic data is used to evaluate the proposed algorithm, PLV measure and Global Coherency. In this thesis besides the synthetic data, local field potential data (LFP) is also used to evaluate the synchrony between different regions of the brain. The real LFP data is recorded from the human brain in the rest state. Finally, the PLV method and proposed algorithm are used to estimate the synchronization level of the LFP signals Keywords: synchronization, functional connectivity, phase locking, PLV , Gabor filters, LFP
عملکرد‌های شناختی مغز بر اساس روابط و برهم‌کنش تعداد عظیمی از نورون‌های توزیع شده در قسمت‌های مختلف مغز شکل می‌گیرند. فهم و شناخت نحوه ارتباط این نواحی و نورون‌ها با یکدیگر، یک مسئله چالش برانگیز در حوزه علوم اعصاب محسوب می‌گردد. هرلحظه تعداد بسیار زیادی از اجتماع‌های نورونی درون مغز در حال فعالیت هستند و نوسان‌های هماهنگ بین این اجتماع‌ها، می‌تواند منجر به یک ارتباط سازنده و مؤثر گردد. تحقیقات اخیر نشان داده است که فعالیت‌های عصبی همگام در باندهای فرکانسی مختلف مغز نظیر ? و ?، نقش مهمی را در طیف وسیعی از عملکرد‌‌های شناختی ایفا می‌کنند. از جمله عملکردهای شناختی می‌توان به ادراک، شناخت، تجزیه‌ و تحلیل اطلاعات و کارکرد حافظه اشاره کرد. بررسی فعالیت‌های نوسانی مغز نشان داده است که فعالیت‌های عصبی غیر طبیعی منجر به بروز برخی از اختلالات ذهنی می‌شود. تمیز همگامی طبیعی از همگامی‌های غیرطبیعی مغز، می تواند در تشخیص بیماری‌های مرتبط با اختلالات ذهنی مورد استفاده قرار گیرد. پژوهش‌های انجام شده در درمان بیماری‌ پارکینسون نشان داده‌ است که در صورت اعمال همگامی به صورت کنترل شده به برخی از قسمت‌های مغز که به علت بیماری دارای فعالیت‌های عصبی غیر طبیعی هستند؛ امکان درمان بیماری‌ وجود خواهد داشت. در این پژوهش از روش‌های اتصال عملکردی برای مطالعه ارتباط بین سیگنال‌های نواحی مختلف مغز استفاده شده است. به این منظور سیگنال‌ها در حوزه زمان-فرکانس تحلیل شده و با استفاده از آنالیزهای آماری، به بررسی همگامی بین نواحی مختلف مغز پرداخته می‌شود. از فیلترهای گابور، برای محاسبه فاز لحظه‌ای نوسانات عصبی در باند‌های فرکانسی مختلف استفاده می‌شود. فاز لحظه‌ای محاسبه شده، در محاسبه میزان قفل‌شدگی فاز ( PLV ) استفاده شده است. علاوه بر PLV روش دیگری برای تخمین میزان همگامی با استفاده از فیلترهای گابور و تابع همبستگی متقابل بین دو سیگنال، پیشنهاد شده است. پس از محاسبه تأخیر فاز برای دو سیگنال، از هیستوگرام تأخیر فاز، برای تخمین سطح همگامی بین دو سیگنال استفاده شده است. برای ارزیابی صحت روش‌پیشنهادی یک مجموعه داده ساختگی تولید شده است. سطح همگامی بین داده‌های ساختگی توسط چند پارامتر قابل کنترل است. از این داده‌های ساختگی برای ارزیابی روش‌ پیشنهادی، معیار PLV و معیار همدوسی سرتاسری استفاده شده است. در این پایان نامه علاوه بر داده‌های ساختگی از داده‌های میدان پتانسیل موضعی (LFP) برای بررسی سطح همگامی بین قسمت‌ّهای مختلف مغز استفاده شده است. داده‌های واقعی LFP در حالت استراحت از مغز افراد آزمایش شونده، ضبط شده‌اند. در قسمت آخر این پایان نامه از معیار PLV و معیار همگامی پیشنهادی برای تخمین سطح همگامی سیگنال‌های LFP، استفاده شده است. کلمات کلیدی: همگامی، اتصال عملکردی، قفل‌شدگی فاز، ، فیلترهای گابور، LF

ارتقاء امنیت وب با وف بومی