Recording and Processing of Brain Signal. 1 st Lecture M.Sc Bioinformatics and Neuroinformatics

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Recording and Processing of Brain Signal. 1 st Lecture M.Sc Bioinformatics and Neuroinformatics"

Σωστράτη Δράκος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Recording and Processing of Brain Signal 1 st Lecture M.Sc Bioinformatics and Neuroinformatics

2 MATHEMATICAL THINKING Δύο είναι οι βασικές θεωρίες που έχουν προταθεί σχετικά με την ανάπτυξη της μαθηματικής ικανότητας. Η μαθηματική ικανότητα αναπτύχθηκε παράλληλα και ως παρακλάδι της γλωσσικής ικανότητας (κάτι που υποστηρίζει και ο Νόαμ Τσόμσκι) Η μαθηματική ικανότητα είναι ουσιαστικά άσχετη με τη γλώσσα (κάτι που π.χ. πίστευε ο Αϊνστάιν). Η νέα νευροεπιστημονική έρευνα έρχεται να ενισχύσει τη δεύτερη άποψη και μάλλον θα ικανοποιήσει τους περισσότερους μαθηματικούς Σύμφωνα με τους γνωσιακούς νευροεπιστήμονες, θεωρείται πιθανό ότι τα μαθηματικά αναδύθηκαν στον ανθρώπινο εγκέφαλο μέσα από τις αρχαίες και μη γλωσσικές διαισθήσεις που είχαν οι πρόγονοί μας σχετικά με το χώρο, το χρόνο και τον αριθμό. Ακόμη και τα νήπια φαίνεται να έχουν τέτοιες αφηρημένες πρωτο-μαθηματικές διαισθήσεις, οι οποίες αποτελούν το θεμέλιο για την πιο προχωρημένη μαθηματική σκέψη.

3 BRAIN AND MATHEMATICS Δεδομένα Νευροαπεικονιστικών μεθόδων δείχνει ότι ο βρεγματικός λοβός είναι ζωτικής σημασίας σχετικά με την επίδοση στην αριθμητική στην άλγεβρα στην γεωμετρία στην στατιστική στο λογισμό Ο βρεγματικός λοβός σχετίζεται με την χωρική επεξεργασία και τη μαθηματική σκέψη

4 BRAIN AND MATHEMATICS Οι πλευρικοί μετωπιαίοι λοβοί (υποστήριξη της μνήμης εργασίας) Ιππόκαμπος (ανακατασκευή της γνώσης από τη μακροπρόθεσμη μνήμη) Οι orbitofrontal φλοιοί και την εμπρόσθιο έλικα του προσαγωγίου (λήψη αποφάσεων) Περιοχές της ατρακτοειδούς έλικας και κροταφικού λοβού (αλληλουχία συμβολικών αναπαραστάσεων0 Ο βρεγματικός λοβός (χωροταξική αντίληψη και την κατανόηση εννοιών) Η παρεγκεφαλίδα (νοητικές λειτουργίες)

5 ΓΩΝΙΑΚΗ ΕΛΙΚΑ - ANGULAR GYRUS Η γωνιακή έλικα είναι μια περιοχή του εγκεφάλου στον βρεγματικό λοβό, που βρίσκεται κοντά στην ανώτερη ακμή του κροταφικού λοβού. Εμπλέκεται σε μια σειρά από διαδικασίες που σχετίζονται με τη γλώσσα, τη αντίληψη του αριθμού και του χώρου, με την ανάκτηση της μνήμης, και προσοχής. Η γωνιακή έλικα είναι το τμήμα του εγκεφάλου που σχετίζεται με πολύπλοκες λειτουργίες γλώσσας (όπως την ανάγνωση, τη γραφή και την κατανόηση γραπτού κειμένου).

6 BRAIN AND MATHEMATICS Έρευνες από το 1919, έχουν δείξει ότι εγκεφαλικές βλάβες στην γωνιακή έλικα προκαλούν συχνά αριθμητικής ελλείψεις. Λειτουργικές απεικονιστικές μέθοδοι έχει δείξει ότι ενώ τα άλλα τμήματα του βρεγματικού λοβού εμπλέκονται στους κατά προσέγγιση υπολογισμούς, (σχετίζονται με οπτικοχωρικές ικανότητες) η αριστερή γωνιακή έλικα μαζί με την αριστερή κατώτερη μετωπική έλικα εμπλέκονται στους με ακρίβεια υπολογισμούς (λεκτικής ανάκτηση της αριθμητικής διαδικασίας) Όταν η ενεργοποίηση στην αριστερή γωνιακή έλικα είναι μεγαλύτερη, αριθμητικές δεξιότητες ενός ατόμου είναι καλύτερες

7 ΓΩΝΙΑΚΗ ΕΛΙΚΑ ΚΑΙ ΣΥΝΔΡΟΜΟ GERSTMANN Βλάβη στη γωνιακή έλικα εκδηλώνεται ως σύνδρομο Gerstmann. Βλάβη μπορεί να επηρεάσει μία ή περισσότερες από τις παρακάτω λειτουργίες. Dysgraphia/agraphia (ανεπάρκεια στην ικανότητα να γράφουν) Dyscalculia/acalculia (δυσκολία στη μάθηση ή κατανόηση μαθηματικών) Alexia (αδυναμία να διαβάσει) Agraphia (αδυναμία για αντιγραφή) Finger tap agnosia: (αδυναμία να διακρίνει τα δάχτυλα) Σύγχυση των εννοιών αριστερά-δεξιά

8 SUBITIZING Βρέφη, ακόμη και λίγων μηνών, φαίνεται να είναι σε θέση να διακρίνουν 1, 2, 3, 4 και 5, (ελάχιστες περιπτώσεις) αντικείμενα Δεν σημαίνει ότι έχουν αίσθηση του απόλυτου αριθμού Πρόκειται για μια «εγγενής» αίσθηση των μικρών αριθμών Το ίδιο ισχύει και για τα περισσότερα θηλαστικά, όπως οι πίθηκοι, τα δελφίνια, οι σκύλοι, οι γάτες, οι αρουραίοι, και τα άλογα, καθώς και για πτηνά (παπαγάλοι, περιστέρια και κοράκια) (Dehaene, 1997, Dowker, 2005)

9 BRAIN AND ABSTRACTION Σε μια μελέτη με (fmri), ο Γάλλος γνωσιακός νευροεπιστήμονας Stanislas Dehaene (1997) εξέτασε τον εαυτό του ώστε να ερευνήσει ποια τμήματα του εγκεφάλου του ενεπλάκησαν σε επαναλαμβανόμενη αφαίρεση: Από το 100 να αφαιρέσει 7, έπειτα να αφαιρέσει 7, και ούτω καθεξής. Περιοχές αυξημένης ενεργοποίησης Αριστερή και δεξιά ατρακτοειδής έλικα (imagining the numbers) Αριστερός και δεξιός βρεγματικό λοβός (Number sense) Πλευρικά και ενδιάμεσα τμήματα του κροταφικού λοβού (arithmetic memories) Κατώτερα τμήματα των μετωπιαίων λοβών (working memory, and decision making) Μία διαδικασία τόσο απλή όσο η αφαίρεση απαιτεί ένα δίκτυο διασυνδεδεμένων λειτουργικών μονάδων του εγκεφάλου.

10 ALGEBRA IN THE BRAIN Μια μελέτη νευροαπεικόνισης διερεύνησε την αλλαγή των προτύπων ενεργοποίησης του εγκεφάλου, καθώς έφηβοι μάθαιναν να επιλύουν αλγεβρική εξίσωση (Qin et al, 2004). Οι συμμετέχοντες ήταν δέκα έφηβοι, οι οποίοι διδάχτηκαν για πέντε ημέρες γραμμικές αλγεβρικές εξισώσεις. Οι εξισώσεις είχαν τρία επίπεδα δυσκολίας αναφορικά με τον αριθμό των βημάτων που απαιτούνται για την επίλυση 1 ο βήμα: 1x + 0 = 4 2 ο βήμα: 1x + 8 = 12 3 ο βήμα: 7x + 1 = 29. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπήρξε μια σημαντική μείωση στο χρόνο που απαιτείται επίλυση τη διάρκεια των πέντε ημέρα

11 ALGEBRA IN THE BRAIN Κατά τη διάρκεια αυτής της μελέτης αναλυθήκαν τα πρότυπα ενεργοποίησης του εγκέφαλου. Έγινε σύγκριση με τα πρότυπα ενεργοποίησης ενήλικων που ήταν έμπειροι στην επίλυση αλγεβρικών εξισώσεων. Οι περιοχές ενεργοποίησης ήταν παρόμοιες. Περιλάμβαναν τον κατώτερο βρεγματικό φλοιό, τον προμετωπιαίο φλοιό και την πρόσθια έλικα του προσαγωγίου. Παρατηρήθηκε μια σημαντική μείωση στην ενεργοποίηση στο βρεγματικό και τον προμετωπιαίο λοβό για τους έφηβους έπειτα από τις πέντε ημέρες σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο συναπτικής ενίσχυσης που είναι η αναγκαία νευρική διαδικασία κατα την διάρκεια εκμάθησης ενός νέου αντικειμένου

12 VISUAL - SPATIAL PERCEPTION / ANGULAR GYRUS Η γωνιακή έλικα έχει συσχετιστεί με οπτικοχωρική ικανότητα και προσοχή. Επιμερίζει την προσοχή χρησιμοποιώντας μια στρατηγική που ονομάζεται bottom-up για την ανάκτηση σχετικών αναμνήσεων. Η γωνιακή έλικα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διάκριση της έννοιας αριστερά από τα δεξιά, ενοποιώντας την κατανόηση των λέξεων αυτών με την αίσθηση της θέσης στο χώρο. Η γωνιακή έλικα έχει συσχετισθεί με προσανατολισμό στον τρισδιάστατο χώρο.

13 GEOMETRY IN THE BRAIN Για να γίνει κατανοητό πώς μια σύνθετη διαδικασία συλλογισμού διαφέρει μεταξύ ατόμων με εμπειρία στην επίλυση προβλημάτων και αρχάριους λύτες πραγματοποιήθηκε μια μελέτη fmri σχετικά με την απόδοση τους σχετικά με γεωμετρικές αποδείξεις σε Ευκλείδειο χώρο (Kao & Anderson, 2006). 15 νεαροί ενήλικες προσπάθησαν να αποδείξουν ισότητα πλευρών σε τρίγωνα. Οι προαπαιτούμενος γνώσεις αφορούσαν κριτήρια ισότητας τρίγωνων ο βαθμός δυσκολίας κυμαίνονταν οι σχετικές πλευρών επισημαίνεται με χρώμα στις μισές περιπτώσεις

14 GEOMETRY IN THE BRAIN Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικές επιρροές του χρώματος στην ενίσχυση της απόδοσης που δηλώνει ότι το χρώμα μπορεί να βοηθήσει στην διατήρηση της εστιασμένης προσοχής Οι περιοχές του εγκεφάλου που επηρεάστηκαν είναι ο αριστερός βρεγματικός λοβός και ο δεξιός προμετωπιαίος λοβός Είναι οι ίδιες περιοχές που εμπλέκονται στην αριθμητική και αλγεβρική επίλυση προβλημάτων.

15 AUTISM Ο αυτισμός είναι μια διαταραχή της νευρικής ανάπτυξης, που απεικονίζεται από μειωμένη κοινωνική αλληλεπίδραση και την επικοινωνία, οι οποίες εμφανίζονται στην παιδική ηλικία. άνθρωποι σιωπηλοί με νοητική υστέρηση άτομα υψηλής λειτουργικότητας με ασυνήθιστες κοινωνικές προσεγγίσεις Άτομα με υπερβατικές δεξιότητες στην αντίληψη και την προσοχή σε σχέση με τον γενικό πληθυσμό Ο αυτισμός επηρεάζει την επεξεργασία πληροφοριών στον εγκέφαλο με την αλλαγή πώς τα νευρικά κύτταρα και συνάψεις τους συνδέουν και να οργανώσουν. Διαταραχές Αυτιστικού Φάσματος (ΔΑΦ). Αυτισμός / σύνδρομο Asperger / διάχυτη αναπτυξιακή διαταραχή-μη προσδιοριζόμενη αλλιώς (PDD-NOS)

16 CALENDRICAL SAVANTS Calendrical calculation είναι η ικανότητα κάποιου ατόμου να κατονομάσει την ημέρα που αντιστοιχεί σε μια ημερομηνία κατά το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον. Οι άνθρωποι με αυτή την ικανότητα, σε συνδυασμό με διάχυτες αναπτυξιακές διαταραχές ή σοβαρή νοητική αναπηρία καλούνται calendrical savants Είναι άτομα με κάτω του μέσου όρου νοημοσύνη Μπορούν να απαντήσουν με ακρίβεια ερωτήσεις που σχετίζονται με τις ημερομηνίες σε ένα μεγάλο εύρος ετών, δηλαδή 50 χρόνια ή περισσότερο, ενώ χρειάζονται λιγότερο από 10 δευτερόλεπτα κάθε φορά.

17 CALENDRICAL SAVANTS ABILITIES Μια υπόθεση είναι ότι αναπτύσσουν τις δεξιότητές τους κατασκευάζοντας μια φόρμουλα χρησιμοποιώντας αλγοριθμικά μοντέλα σε συνδυασμό με τη μνήμη Σε μια συγκριτική μελέτη για τις ικανότητες υπολογισμού μεταξύ ενός Calendrical savant και ενός εκπαιδευμένου μαθηματικού παρατηρήθηκε ότι και οι δύο χρησιμοποιήσαν έναν αλγόριθμο που περιγράφεται από τον Ερατοσθένη τον 3ο αιώνα. Παρατηρήθηκε ότι για ένα υπολογισμό χρησιμοποιούν ανάλογες υπολογιστικές στρατηγικές με εκείνες των φυσιολογικών και έμπειρων σε υπολογισμούς ανθρώπων

18 BRAIN FUNCTION IN AUTISM Η δυσλειτουργία του δεξιού μέρους του εγκεφάλου, σε σύγκριση με το αριστερό μέρος έχει αποδειχθεί σε διάφορες μελέτες στις περιπτώσεις αυτιστικής διαταραχής Ακόμη και πριν την εφαρμογή απεικονίσεων με αξονική τομογραφία και MRI, το 1975 απεικονίσεις με pneumoencephalograms είχαν δείξει ανωμαλίες στο αριστερό ημισφαίριο στην περιοχή του κροταφικού λοβού σε 15 από 17 άτομα με αυτισμό, 4 εκ των οποίων παρουσίαζαν savant skills Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι οι λειτουργίες σχετικές με την κίνηση και την γλώσσα ήταν «αναληφθεί» από το αριστερό ημισφαίριο λόγω των ελλείψεων στο δεξί ημισφαίριο

19 HUNTINGTON Σε συμπτώματα της νόσου Huntington εμφανίζονται κυρίως μεταξύ των ηλικιών ετών (5-7 άτομα ανά ) Συμπτώματα: μειωμένη ικανότητα σκέψης / απώλεια μνήμης/ άγχος / ευερεθιστότητα /κατάθλιψη / ψυχαναγκαστική συμπεριφορά. H ασθένεια καταστρέφει τους νευρώνες σε ορισμένα τμήματα του εγκεφάλου, κυρίως στην περιοχή των βασικών γαγγλίων που βρίσκονται στο πρόσθιο εγκέφαλο

20 HUNTINGTON AND EEG EEG μετρήσεις έδειξαν χαρακτηριστικές ατροφικές μεταβολές στα βασικά γάγγλια κυρίως στο μετωπιαίο λοβό. Επιβεβαιώθηκε από την παρατήρηση του Χιλ (1948) ότι η ατροφική διαδικασία στο μετωπιαίο φλοιό και στα βασικά γάγγλια είναι η τυπική ένδειξη σε αυτούς τους ασθενείς. Παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της ατροφίας του μετωπιαίου λοβού με χαμηλής συχνότητας εγκεφαλικά κύματα

Σχετικά έγγραφα

Η συμβολή των απεικονιστικών μεθόδων στη διάγνωση μαθησιακών και αναπτυξιακών διαταραχών. Φοιτήτρια: Νούσια Αναστασία

Η συμβολή των απεικονιστικών μεθόδων στη διάγνωση μαθησιακών και αναπτυξιακών διαταραχών Φοιτήτρια: Νούσια Αναστασία Απεικονιστικές μέθοδοι Οι νευροαπεικονιστικές μέθοδοι εμπίπτουν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: