ΑΝΑΛΥΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ (EEG) ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΩΝ (IAPS) ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟΥ ΣΥΝΑΙΣΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΜΗΧ/ΚΩΝ Η/Υ ΑΝΑΛΥΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ (EEG) ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΩΝ (IAPS) ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟΥ ΣΥΝΑΙΣΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΤΣΕΜΠΕΡΛΙΔΗΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Διπλωματική εργασία που υποβάλλεται στο πλαίσιο της μερικής εκπλήρωσης των απαιτήσεων για την απόκτηση Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης στην Ιατρική Πληροφορική ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 27 1

ΤΜΗΜΑ ΟΠΟΥ ΕΚΠΟΝΗΘΗΚΕ Η ΕΡΓΑΣΙΑ: ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ, ΚΕΝΤΡΟ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ (ΚΕ.Δ.Ι.Π.), ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΠΠΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Η ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΜΠΑΜΙΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ, ΛΕΚΤΟΡΑΣ (ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ), ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΠΠΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΑΛΜΠΑΝΗ ΜΑΡΙΑ, ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΡΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ, ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Η έγκριση της Διπλωματικής εργασίας από τα προαναφερόμενα τμήματα του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει την αποδοχή των γνωμών του συγγραφέα. (Νόμος 5343, αρθρ.22 2 και ν.1268/82 αρθρ. 5 8) 2

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους παρακάτω ανθρώπους οι οποίοι συνεισέφεραν στην ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τον κύριο Μπαμίδη Παναγιώτη, λέκτορα της ιατρικής σχολής και επιβλέποντα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με το ενδιαφέρον επιστημονικό πεδίο της νευροεπιστήμης. Την κυρία Γερμανίδου Γεωργία και τον κύριο Φραντζίδη Χρήστο, μαζί με τους οποίους συνεργαστήκαμε για να πραγματοποιήσουμε τα πειράματα πάνω στα οποία βασίζεται η παρούσα διπλωματική εργασία. Επίσης τους ευχαριστώ για όλες τις πολύτιμες παρατηρήσεις και τη βοήθεια τους στην διερεύνηση του παρόντος θέματος. Την κυρία Ιωάννα Χουβαρδά διδάκτορα της ιατρικής πληροφορικής για τις χρήσιμες παρατηρήσεις της. Τον κύριο Παπαδέλη Χρήστο, διδάκτορα της ιατρικής πληροφορικής ο οποίος συμμετείχε στη σχεδίαση του πειράματος που πραγματοποιήθηκε. Τέλος ευχαριστώ την κυρία Δασκάλου Διονυσία, επιμελήτρια εκδόσεων, των Πανεπιστημιακών Εκδόσεων Κρήτης για την παραχώρηση άδειας χρήσης των εικόνων του βιβλίου Νευροεπιστήμη και Συμπεριφορά. 3

ΑΝΑΛΥΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ (EEG) ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΩΝ (IAPS) ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟΥ ΣΥΝΑΙΣΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η εγκεφαλική απόκρισης κατά την παρουσίαση εικόνων συναισθηματικού περιεχομένου, οι οποίες προέρχονται από το International System of Affective Pictures (IAPS). Το μεγαλύτερο μέρος παρεμφερών μελετών και πειραμάτων έχει υποδείξει την δυνατότητα διάκρισης των εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εικόνες θετικού/αρνητικού και ουδέτερου συναισθηματικού περιεχομένου. Στην παρούσα εργασία μελετάται η δυνατότητα διάκρισης των εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εικόνες θετικού και αρνητικού συναισθηματικού περιεχομένου με βάση τις δυο παραμέτρους (valence/arousal) της διφασικής προσέγγισης του συναισθήματος. Για την καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας χρησιμοποιείται το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. Θεωρώντας τα εγκεφαλικά σήματα ως την γλώσσα με την οποία παρουσιάζεται η εγκεφαλική δραστηριότητα χρησιμοποιείται μια μέθοδος φασματικής ανάλυσης των εγκεφαλικών σημάτων που καταγράφονται κατά την παρουσίαση των εικόνων IAPS. Συγκεκριμένα χρησιμοποιείται ο Short Time Fourier Transform (STFT) ο οποίος μας παρέχει τη δυνατότητα μελέτης της χρονικής εξέλιξης του φασματικού περιεχομένου των ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. Το υπολογιστικό περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιείται η ανάλυση είναι το matlab καθώς και το toolbox eeglab, το οποίο είναι ειδικά σχεδιασμένο για την ανάλυση και αναπαράσταση ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. 4

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΙΝΑΚΩΝ 7 ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 8 1. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας 8 2. Δομή της διπλωματικής εργασίας 9 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ 1 Συμμετέχοντες, υλικά και πειραματική διαδικασία 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο 13 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΝΕΥΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ 13 1.1 Εισαγωγή 13 1.2 Ο εγκεφαλικός φλοιός 13 1.3 Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) 17 1.4 Οι εγκεφαλικοί ρυθμοί 2 1.5 Event Related Potentials (ERPs) 23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο 26 ΕΓΚΕΦΑΛΟΣ ΚΑΙ ΣΥΝΑΙΣΘΗΜΑ 26 2.1 Εισαγωγή 26 2.2. Θεωρίες για το συναίσθημα 27 2.2.1 Σωματική θεωρία 27 2.2.2 Η θεωρία των Cannon-Bard 28 2.2.3 Γνωστική θεωρία 28 2.2.4 Εξελικτική θεωρία 29 2.2.5 Η υπόθεση του σωματικού δείκτη 29 2.3 Εγκεφαλικές περιοχές που σχετίζονται με το συναίσθημα 3 2.4 Εγκεφαλικά σήματα και συναίσθημα 32 2.4.1 Οι παράμετροι valence και arousal 32 2.4.2 Η διφασική προσέγγιση του συναισθήματος 34 2.4.3 ERPs και εικόνες συναισθηματικού περιεχομένου 35 2.4.4 Τα εγκεφαλικά σήματα και οι δυνατότητες αποκωδικοποίησης της εγκεφαλικής δραστηριότητας 38 5

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο 4 ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ: 4 SHORT-TIME FOURIER TRANSFORM 4 3.2 Ο μετασχηματισμός Fourier και τα προβλήματα που προκύπτουν 4 3.3 Ο Short-Time Fourier Transform 43 3.4 Η αρχή της αβεβαιότητας 47 3.5 Εφαρμογή στα δεδομένα 47 3.5.1 Παράμετροι της εφαρμογής του STFT 47 3.5.2 Εφαρμογή του STFT 49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο 5 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5 4.2 Παραδοχές 5 4.2 Αποτελέσματα και συμπεράσματα 51 1. Η υπεροχή του δέλτα ρυθμού στις πρόσθιες εγκεφαλικές περιοχές 51 2. Οι φασματικές περιοχές.5-5 Hz και 9.5-15 Hz 53 3. Οι αντίθετες μεταβολές ανάμεσα στο δέλτα και στους άλλους ρυθμούς 55 4. Διάκριση των μπλοκ HVHA-HVLA και LVHA-LVLA με χρήση του θήτα ρυθμού 57 5. Διάκριση των μπλοκ HVHA-LVHA με χρήση του δέλτα ρυθμού 62 6. Διάκριση των μπλοκ HVLA-LVLA με χρήση του άλφα ρυθμού 64 7. Σύγκριση μπλοκ με εικόνες και χωρίς εικόνες 65 4.3 Σύνοψη των αποτελεσμάτων 71 4.4 Συζήτηση των αποτελεσμάτων 71 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 75 6

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΙΝΑΚΩΝ Σελ. 11: Σχήμα 1. Παρουσίαση των εικόνων IAPS Σελ. 14: Σχήμα 2. Βασικές εγκεφαλικές δομές - πηγή: [1] Σελ. 16: Σχήμα 3Α,Β. Εγκεφαλικός φλοιός και αισθητικές περιοχές πηγή: [1] Σελ. 19: Σχήμα 4. Σύστημα τοποθέτησης ηλεκτροδίων 1-2 πηγή: wikipedia Σελ. 2: Σχήμα 5. Ηλεκτροεγκεφαλική καταγραφή με artifact eeglab Σελ. 22: Σχήμα 6. Εγκεφαλικοί ρυθμοί πηγή: wikipedia Σελ. 25: Σχήμα 7. average ERPs για το ηλεκτρόδιο Ο 1 (ινιακός λοβός) - eeglab Σελ. 31: Σχήμα 8. Στεφανιαίος λοβός (γαλάζιο χρώμα) και υποκείμενες δομές - πηγή: [1] Σελ. 44: Σχήμα 9. STFT πηγή: [36] Σελ. 45: Σχήμα 1: spectrogram ενός ηλεκτροεγκεφαλικού σήματος matlab Σελ. 46: Σχήμα 11. Υπολογισμός STFT και RIR - πηγή: [6] Σελ. 47: Σχήμα 12. Α. Φασικό διάγραμμα συχνότητας-χρόνου-φασματικής ισχύος Β. Διάγραμμα RIR εξέλιξης των εγκεφαλικών ρυθμών- matlab Σελ. 51: Σχήμα 13. Υπεροχή του δέλτα ρυθμού στις πρόσθιες περιοχές - matlab Σελ. 53: Σχήμα 14. Φασματικές περιοχές.5-5 Hz και 9.5-15 Hz, οι οποίες παρουσιάζουν την μεγαλύτερη φασματική ισχύ, για διάφορες εγκεφαλικές περιοχές Σελ. 56: Σχήμα 15. Αντίθετες μεταβολές ανάμεσα στο δέλτα και τους άλλους ρυθμούς, για διάφορες εγκεφαλικές περιοχές- matlab Σελ. 58: Σχήμα 16. Μέγιστη τιμή θήτα ρυθμού για τα μπλοκ HVHA και HVLA - matlab Σελ. 61: Πίνακας 1. Μέγιστες τιμές RIR θήτα ρυθμού για τα μπλοκ LVHA και LVLA, F p1. Σελ. 61: Πίνακας 2. Μέγιστες τιμές RIR θήτα ρυθμού για τα μπλοκ LVHA και LVLA, F p1. Σελ. 61:Πίνακας 3. Μέγιστες τιμές RIR θήτα ρυθμού για τα μπλοκ LVHA και LVLA, F p2. Σελ. 62: Σχήμα 17. Διάκριση HVHA και LVHA με το μέσο όρο του δ ρυθμού- matlab Σελ. 64: Πίνακας 4. Μέγιστες τιμές RIR άλφα ρυθμού για τα μπλοκ HVLA και LVLA, C 3 Σελ. 64:Πίνακας 5. Max-min τιμές RIR άλφα ρυθμού για τα μπλοκ HVLA και LVLA, Ο 2 Σελ. 66: Σχήμα 18. Σύγκριση των μπλοκ με και χωρίς εικόνες για κάθε subject με χρήση της μέση τιμή του max RIR δέλτα ρυθμού που καταγράφεται στα ηλεκτρόδια F P1 και F P2. Σελ. 68: Σχήμα 19. Σύγκριση των μπλοκ με και χωρίς εικόνες για κάθε subject με χρήση της μέση τιμή του mean RIR θήτα ρυθμού που καταγράφεται στα ηλεκτρόδια F P1 και F P2. Σελ. 71: Σχήμα 2. Γραφική σύνοψη των αποτελεσμάτων Σελ. 73: Σχήμα 21. Διαφοροποίηση ρυθμών σε διαφορετικά subject 7

ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της εγκεφαλικής απόκρισης κατά την παρουσίαση εικόνων συναισθηματικού περιεχομένου, οι οποίες προέρχονται από το International System of Affective Pictures (IAPS). Το μεγαλύτερο μέρος παρεμφερών μελετών και πειραμάτων έχει υποδείξει την δυνατότητα διάκρισης των εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εικόνες θετικού/αρνητικού και ουδέτερου συναισθηματικού περιεχομένου. Στην παρούσα εργασία μελετάται η δυνατότητα διάκρισης των εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εικόνες θετικού και αρνητικού συναισθηματικού περιεχομένου με βάση τις δυο παραμέτρους (valence/arousal) της διφασικής προσέγγισης του συναισθήματος. Για την καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας χρησιμοποιείται το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. Θεωρώντας τα εγκεφαλικά σήματα ως την γλώσσα με την οποία παρουσιάζεται η εγκεφαλική δραστηριότητα χρησιμοποιείται μια μέθοδος φασματικής ανάλυσης των εγκεφαλικών σημάτων που καταγράφονται κατά την παρουσίαση των εικόνων IAPS. Συγκεκριμένα χρησιμοποιείται ο Short Time Fourier Transform (STFT) ο οποίος μας παρέχει τη δυνατότητα μελέτης της χρονικής εξέλιξης του φασματικού περιεχομένου των ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. Το υπολογιστικό περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιείται η ανάλυση είναι το matlab καθώς και το toolbox eeglab, το οποίο είναι ειδικά σχεδιασμένο για την ανάλυση και αναπαράσταση ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. 8

2. Δομή της διπλωματικής εργασίας εργασίας: Παρακάτω παρουσιάζεται συνοπτικά η δομή της διπλωματικής Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα στοιχεία της νευροφυσιολογίας του εγκεφάλου με έμφαση στον εγκεφαλικό φλοιό, οι αρχές του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, οι εγκεφαλικού ρυθμοί και η έννοια των προκλητών δυναμικών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι θεωρίες σχετικά με τη φύση του συναισθήματος με έμφαση στη διφασική θεωρία του συναισθήματος η οποία χρησιμοποιείται στο παρόν πείραμα. Επίσης παρουσιάζεται η εγκεφαλική αντιπροσώπευση του συναισθήματος τόσο στο νευροφυσιολογικό επίπεδο όσο και στο επίπεδο των ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος φασματικής ανάλυσης STFT, ο ρυθμός σχετικής φασματικής έντασης (RIR), καθώς και η εφαρμογή τη μεθόδου στα συγκεκριμένα δεδομένα που λήφθηκαν από την πειραματική διαδικασία Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από την προηγούμενη ανάλυση των ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. 9

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ Παρακάτω περιγράφεται η πειραματική διαδικασία με την οποία πραγματοποιήθηκε η καταγραφή των ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. Συμμετέχοντες, υλικά και πειραματική διαδικασία Στο πείραμα συμμετείχαν 5 ενήλικες (3 άντρες, 2 γυναίκες) ηλικίας 18 έως 4 ετών. Τα κριτήρια συμμετοχής ήταν η έλλειψη ενδείξεων ψυχικών διαταραχών, χρήσης ναρκωτικών ουσιών ή αλκοόλ και πρόσφατης φαρμακευτικής αγωγής. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε κλειστό χώρο και σε πρωινές ώρες (γύρω στις 1 π.μ.). Στους συμμετέχοντες είχαν δοθεί οδηγίες να μην έχουν καταναλώσει αλκοόλ το προηγούμενο βράδι και να μην έχουν πιει καφέ το χρονικό διάστημα της μέρας πριν την διεξαγωγή του πειράματος. Οι οδηγίες αυτές δόθηκαν γιατί είναι γνωστή η επίδραση της καφεΐνης και του αλκοόλ στο κεντρικό νευρικό σύστημα και άρα η επίδρασης τους στο συναίσθημα. Οι συμμετέχοντες τοποθετήθηκαν απέναντι από οθόνη υπολογιστή σε απόσταση ~8cm, στην οποία προβάλλονταν οι εικόνες, ενώ πάνω στο κεφάλι τους τοποθετήθηκαν 2 ηλεκτρόδια σύμφωνα με το σύστημα 1/2. Χρησιμοποιήθηκε ηλεκτροεγκεφαλογράφος Neurofax EEG-92. Για την προβολή των εικόνων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Presentation. Τα σήματα λαμβάνονται με δειγματοληψία 5Ηz και πριν την ανάλυση τους υφίστανται επεξεργασία ώστε να καθαριστούν από πιθανό θόρυβο. Συγκεκριμένα εφαρμόζονται τρία φίλτρα: υψηπερατό φίλτρο.5hz, χαμηλοπερατό φίλτρο 4 Hz και ζωνοπερατό φίλτρο [48-52]Hz. Το πείραμα αποτελείται από τέσσερα μπλοκ εικόνων IAPS οι οποίες παρουσιάζονται στους συμμετέχοντες. Πρόκειται για παθητική έκθεση σε εικόνες, δεν ζητήθηκε καμιά δραστηριότητα από τους συμμετέχοντες πέρα από την παρακολούθηση των εικόνων. Οι εικόνες του συστήματος IAPS έχουν βαθμολογηθεί και κανονικοποιηθεί λαμβάνοντας υπόψη δυο 1

παραμέτρους: valence και arousal. Τα τέσσερα μπλοκ χωρίζονται βάσει αυτών των παραμέτρων σε: 1. High Valence-High Arousal (HV-HA) 2. High Valence-Low Arousal (HV-LA) 3. Low Valence-High Arousal (LV-HA) 4. Low Valence-Low Arousal (LV-LA) Κάθε μπλοκ περιέχει 4 διαφορετικές εικόνες οι οποίες παρουσιάζονται μια μόνο φορά. Τα μπλοκ των εικόνων παρουσιάζονται με τυχαία σειρά στον κάθε συμμετέχοντα. Η παρουσίαση ξεκινάει με μαύρη οθόνη στο κέντρο της οποίας υπάρχει ένας λευκός σταυρός. Οι εικόνες διαρκούν 1s και εναλλάσσονται με το σταυρό σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα: t start 1,5s 2.5s Σχήμα 1: Παρουσίαση των εικόνων IAPS Ο σταυρός παίζει το ρόλο του κενού ανάμεσα στα ερεθίσματα αλλά και του μέσου έλξης της προσοχής στο κέντρο της οθόνης. Οι 4 εικόνες του κάθε μπλοκ αντλούνται τυχαία από μια μεγαλύτερη δεξαμενή εικόνων που υπάρχει στο λογισμικό της παρουσίασης, για κάθε είδους μπλοκ. Ανάμεσα σε κάθε μπλοκ, υπάρχει ένα ολιγόλεπτο κενό ώστε να ελεγχθούν τα πειραματικά όργανα και να προετοιμαστεί η παρουσίαση του επόμενου μπλοκ εικόνων. 11

Ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία λήφθηκαν 5 καταγραφές, με κάθε καταγραφή να περιέχει τα 4 διαφορετικά μπλοκ. Η όλη πειραματική διαδικασία είναι μέρος ενός πολυπαραμετρικού πειράματος: «ENABLING MULTICHANNEL PHYSIOLOGICAL SENSING FOR DIRECT ADAPTATION OF COMPUTER USER INTERFACES IN AFFECTIVE INTERACTION PARADIGMS», Principal Investigator: Dr. P.D. Bamidis. Σημείωση: Στα αποτελέσματα και συμπεράσματα (κεφάλαιο 4 ο ), της παρούσας εργασίας, χρησιμοποιούνται μερικές πληροφορίες από τα ερωτηματολόγια αυτοεκτίμησης και τους πίνακες καταγραφής της φυσικής κατάστασης των συμμετεχόντων, τα οποία συμπληρώνονταν από τον συμμετέχοντα και από εμάς, αντίστοιχα. Συγκεκριμένα τα πέντε subjects των οποίων τα σήματα εξετάζονται, μπορούν να χαρακτηριστούν ως μη αγχώδη άτομα, κάτι που προκύπτει από τις απαντήσεις που έδωσαν στο ερωτηματολόγιο αυτοεκτίμησης της γενικής συναισθηματικής κατάστασης τους. Επίσης από την καταγραφή της φυσικής τους κατάστασης, προκύπτει ότι είχαν περάσει τουλάχιστον δώδεκα ώρες από το τελευταίο τους γεύμα. 12

Κεφάλαιο 1 ο ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΝΕΥΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ 1.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια βασικά θέματα της νευροφυσιολογίας του ανθρώπινου εγκεφάλου, εστιάζοντας σε εκείνα τα σημεία τα οποία είναι απαραίτητα για την κατανόηση της πειραματικής διαδικασίας και της επεξεργασίας των δεδομένων που λήφθηκαν. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται ο εγκεφαλικός φλοιός, οι αρχές του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΗΕΓ-electoencephalogram-EEG) και τα εγκεφαλικά κύματα και τα Εvent Related Potentials (ERPs- δυναμικά που σχετίζονται με κάποιο συμβάν). 1.2 Ο εγκεφαλικός φλοιός Ο εγκέφαλος μαζί με το νωτιαίο μυελό αποτελούν το κεντρικό νευρικό σύστημα (ΚΝΣ). Ο εγκέφαλος είναι ένα λεπτομερές δίκτυο αποτελούμενο από 1 και πλέον δισεκατομμύρια νευρικά κύτταρα, τα οποία συνδέονται σε συστήματα που παράγουν την αντίληψη μας για τον εξωτερικό κόσμο, εστιάζουν την προσοχή μας και ελέγχουν το μηχανισμό της κίνησης. Οι νευρώνες του εγκεφάλου οργανώνονται σε οδούς μετάδοσης των σημάτων και «συνομιλούν» μεταξύ τους μέσω της συναπτικής διαβίβασης [1]. Το κεντρικό νευρικό σύστημα, το οποίο είναι αμφίπλευρο και, ουσιαστικά συμμετρικό, αποτελείται από επτά κύρια μέρη: τον νωτιαίο μυελό, τον προμήκη μυελό, τη γέφυρα, την παρεγκεφαλίδα, τον μέσο εγκέφαλο και τα εγκεφαλικά ημισφαίρια. Οι τεχνικές απεικόνισης (π.χ. MRI, PET, SPECT κ.α.) που αναπτύχθηκαν τα τελευταία χρόνια επιτρέπουν την αναγνώριση των δομών αυτών στον ζωντανό ανθρώπινο εγκέφαλο. (Σχήμα 13

1) Με τη βοήθεια διαφόρων πειραματικών μεθόδων έχει αποδειχθεί ότι καθεμία από τις περιοχές αυτές έχει συγκεκριμένες λειτουργίες. Κατά συνέπεια, η άποψη ότι διαφορετικές περιοχές είναι εξειδικευμένες για διαφορετικές λειτουργίες θεωρείται πλέον ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της επιστήμης του εγκεφάλου [1]. Παρόλα αυτά το γεγονός ότι πολύ σύνθετες λειτουργίες εντοπίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου δε σημαίνει ότι μια συγκεκριμένη λειτουργία διεκπεραιώνεται αποκλειστικά από μια περιοχή του εγκεφάλου. Σημαίνει, μάλλον, ότι ορισμένες περιοχές έχουν μεγαλύτερη σχέση με ένα είδος λειτουργίας παρά με άλλα. Στην πραγματικότητα, οι περισσότερες λειτουργίες απαιτούν τη συνδυασμένη δράση νευρώνων διαφορετικών περιοχών [1,2]. Σχήμα 2.Βασικές εγκεφαλικές δομές, πηγή: [1] Ο φλοιός των ημισφαιρίων είναι η έντονα πτυχωτή επιφάνεια των ημισφαιρίων. Οι επιφανειακές ανυψωμένες περιοχές, οι έλικες, χωρίζονται από αύλακες. Οι μικρότερες αύλακες ποικίλουν μεταξύ ατόμων, αλλά οι μεγαλύτερες είναι πιο σταθερές από άποψη θέσης και άρα είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν ως ορόσημα για τη διαίρεση του φλοιού σε τέσσερεις λοβούς, οι οποίοι ονομάστηκαν σύμφωνα με τα υπερκείμενα οστά του κρανίου: μετωπιαίος, βρεγματικός, κροταφικός και ινιακός [3]. 14

Πολλές περιοχές του φλοιού των εγκεφαλικών ημισφαιρίων σχετίζονται κυρίως με την επεξεργασία αισθητικών πληροφοριών ή κινητικών εντολών. Οι περιοχές αυτές είναι γνωστές ως πρωτοταγείς, δευτεροταγείς ή τριτοταγείς (αισθητικές ή κινητικές) περιοχές. Για παράδειγμα, ο πρωτοταγής οπτικός φλοιός βρίσκεται στον οπίσθιο πόλο του ινιακού λοβού, αμέσως πάνω από την παρεγκεφαλίδα [1]. Οι πρωτοταγείς περιοχές περιβάλλονται από αισθητικές και κινητικές περιοχές ανώτερης τάξης (δευτεροταγείς και τριτοταγείς). Οι περιοχές αυτές επεξεργάζονται τις σύνθετες πληροφορίες μιας μόνο αίσθησης ή πληροφορίες που σχετίζεται με κινητική λειτουργία. Οι αισθητικές περιοχές ανώτερης τάξης ολοκληρώνουν πληροφορίες προερχόμενες από τις πρωτοταγείς αισθητικές περιοχές. Αντίθετα, οι κινητικές περιοχές ανώτερης τάξης στέλνουν στον πρωτοταγή κινητικό φλοιό τις σύνθετες πληροφορίες που απαιτούνται για μια κινητική ενέργεια [1,3]. Άλλες τρεις μεγάλες περιοχές του φλοιού, οι οποίες ονομάζονται συνειρμικές περιοχές, περιβάλουν τις πρωτοταγείς, δευτεροταγείς και τριτοταγείς περιοχές. Στα πρωτεύοντα οι συνειρμικές περιοχές αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του φλοιού. Η κύρια λειτουργία τους είναι να ολοκληρώνουν διάφορες πληροφορίες για σκόπιμη δράση και συμμετέχουν, σε διάφορο βαθμό, στον έλεγχο τριών κύριων εγκεφαλικών λειτουργιών: της αντίληψης, της κίνησης και της κινητοποίησης [1]. Ο βρεγματο-κροταφοινιακός συνειρμικός φλοιός καταλαμβάνει την περιοχή ένωσης των αντίστοιχων τριών λοβών. Σχετίζεται με ανώτερες αντιληπτικές λειτουργίες που έχουν σχέση με τη σωματική αισθητικότητα, την ακοή και την όρασηδηλαδή με πρωτοταγή ερεθίσματα στο βρεγματικό, στον κροταφικό και στον ινιακό λοβό, αντίστοιχα. (Σχήμα 3Α,Β) 15

Σχήμα 3Α,Β. Εγκεφαλικός φλοιός και αισθητικές περιοχές, πηγή: [1] Οι πληροφορίες από τις διάφορες αυτές αισθήσεις συνδυάζονται στον συνειρμικό φλοιό, προκειμένου να σχηματισθούν σύνθετες αντιλήψεις. Ο προμετωπιαίος συνειρμικός φλοιός καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του πρόσθιου τμήματος του μετωπιαίου λοβού. Μια σπουδαία λειτουργία της περιοχής αυτής είναι ο σχεδιασμός των εκούσιων κινήσεων. Ο στεφανιαίος συνειρμικός φλοιός βρίσκεται σε μέρη του βρεγματικού, του μετωπιαίου και 16

του κροταφικού λοβού και έχει σχέση κυρίως με την κινητοποίηση, το συναίσθημα και τη μνήμη [1,4]. 1.3 Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) Το ΗΕΓ είναι μια μη-επεμβατική τεχνική μέτρησης της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου. Αποτελεί μια από τις βασικότερες μεθόδους μελέτης της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Αρχικά αναπτύχθηκε σαν μέθοδος διερεύνησης των νοητικών διεργασιών αλλά σύντομα χρησιμοποιήθηκε σε κλινικές εφαρμογές όπως στην διερεύνηση της επιληψίας, στην ανίχνευση όγκων στον εγκέφαλο ή σαν τεχνική παρακολούθησης του βάθους της αναισθησίας ενός ασθενή. Το ΗΕΓ εξακολουθεί να έχει ευρεία εφαρμογή στην έρευνα του ανθρώπινου συναισθήματος, τη γνωστική λειτουργία και γενικότερα στην έρευνα που διεξάγεται από τους γνωστικούς τομείς της νευροεπιστήμης, της ψυχολογίας και της φυσιολογίας. Η πρώτη μέτρηση της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου πραγματοποιήθηκε από τον Hans Berger το 1929. Το ΗΕΓ ορίζεται ως η καταγραφή της μέσης ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου από διαφορετικές περιοχές του κεφαλιού. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για την καταγραφή του άθροισματος των μετασυναπτικών ρευμάτων ενός μεγάλου αριθμού νευρώνων στην εξέλιξη τους στο χρόνο [5]. Για να λάβουμε ηλεκτροεγκεφαλικές μετρήσεις τοποθετούμε ηλεκτρόδια υψηλής αγωγιμότητας (αντίσταση< 5kΩ) σε διαφορετικές περιοχές του κρανίου. Οι μετρήσεις των ηλεκτρικών δυναμικών είναι δυνατό να καταγραφούν ανάμεσα σε: α. ζεύγη ηλεκτροδίων: διπολικές μετρήσεις (bipolar) β. αναφορικά με κάποιο ηλεκτρόδιο: μονοπολικές μετρήσεις (unipolar) γ. αναφορικά με κάποιο σημείο το οποίο θεωρείται ο μέσος όρος των δυναμικών περισσότερων του ενός σημείων (π.χ. τα αυτιά) ή και όλων των 17

σημείων (global average reference) ή ως ο μέσος όρων των γειτόνων (source derivation): μετρήσεις αναφοράς μέσου όρου (average reference). Οι καταγραφές μπορεί να λαμβάνονται από την επιφάνεια του κρανίου (επιδερμικές μετρήσεις) ή από τον φλοιό του εγκεφάλου κατά την διάρκεια χειρουργικής επέμβασης (ενδοκρανιακές μετρήσεις). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούνται καταγραφές από την επιφάνεια του κρανίου. Η τοποθέτηση των ηλεκτροδίων έγινε σύμφωνα με το διεθνές σύστημα 1-2.(Σχήμα 4.) Σύμφωνα με αυτή την τοποθέτηση χρησιμοποιούνται 19+1(γείωση) ηλεκτρόδια ομοιόμορφα κατανεμημένα στο κεφάλι τα οποία ανάλογα με την θέση τους (δεξιά ή αριστερά) έχουν ως αναφορά (δεξιά ή αριστερά αντίστοιχα) ένα ηλεκτρόδιο τοποθετημένο στο (δεξί ή αριστερό) μαστοειδή. Το 1 και 2 αναφέρονται στο ότι η απόσταση ανάμεσα σε δυο γειτονικά ηλεκτρόδια που βρίσκονται πάνω στην ίδια γραμμή που συνδέει το μεσόφρυο με το ινιακό οστό ή τα δυο αυτιά, είναι το 2% των συνολικών αποστάσεων μεσόφρυου-ινιακού οστού και δεξιούαριστερού αυτιού, αντίστοιχα. Ενώ η απόσταση των πλησιέστερων ηλεκτροδίων σε αυτά τα τέσσερα σημεία είναι το 1% αυτών των δυο συνολικών αποστάσεων [5]. Τα ηλεκτρόδια που τοποθετούνται χαρακτηρίζονται από ένα γράμμα και ένα δείκτη. Το γράμμα υποδηλώνει την φλοιική περιοχή τοποθέτησης του ηλεκτροδίου, (F: Frontal, C: Central, P: Parietal, T: Temporal, O: Occipital), ενώ ο δείκτης το αν το ηλεκτρόδιο είναι τοποθετημένο στο κέντρο (δείκτης z), στο αριστερό (μονός αριθμός) ή στο δεξιό εγκεφαλικό ημισφαίριο (ζυγός αριθμός). Για παράδειγμα, το F p2 είναι ένα ηλεκτρόδιο τοποθετημένο στον πρόσθιο λοβό του δεξιού ημισφαιρίου. 18

Σχήμα 4. Σύστημα τοποθέτησης ηλεκτροδίων 1-2 Τα ηλεκτροεγκεφαλικά σήματα που καταγράφονται είναι πολύ χαμηλού πλάτους (π.χ. 1-1μV για ένα υγειή ενήλικα), για αυτό το λόγο είναι ανάγκη να ενισχυθούν τεχνητά. Εξαιτίας του μικρού πλάτους των σημάτων, στην ηλεκτροεγκεφαλογραφία υπάρχει το λεγόμενο πρόβλημα των παρασίτων (artifacts).(σχήμα 4) Δηλαδή της λήψης σημάτων τα οποία προέρχονται από άλλες πηγές, όπως για παράδειγμα από την κίνηση των βλεφάρων ή μυών του προσώπου. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η είσοδος θορύβου τόσο από κακή τοποθέτηση των ηλεκτροδίων όσο και από σήματα που προέρχονται από άλλες συσκευές που λειτουργούν στον χώρο καταγραφής όπως για παράδειγμα η συχνότητα των 5Hz που προέρχεται 19

από το ηλεκτρικό δίκτυο. Τις περισσότερες φορές η σωστή προετοιμασία της καταγραφής και η χρήση κατάλληλων φίλτρων κατά την διαδικασία καταγραφής και ανάλυσης μπορούν να λύσουν τα παραπάνω προβλήματα. artifact Σχήμα 5. Ηλεκτροεγκεφαλική καταγραφή με artifact Στα πλεονεκτήματα του ΗΕΓ συγκαταλέγονται η υψηλή χρονική ανάλυση (της τάξης του ms), η δυνατότητα συνεχούς καταγραφής, το χαμηλό κόστος και η ευκολία χρήσης του. 1.4 Οι εγκεφαλικοί ρυθμοί Η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου καταγράφεται με τη μορφή των εγκεφαλικών σημάτων. Τα χαρακτηριστικά των σημάτων αυτών είναι η συχνότητα, το πλάτος τους, η μορφή τους, η περιοχή επιφάνειας του κρανίου από όπου συλλέγονται και η συσχέτιση τους με φυσιολογικές ή παθολογικές καταστάσεις. Οι κυμάνσεις αυτές δεν είναι τυχαίες αλλά περιέχουν συγκεκριμένους ρυθμούς, δηλαδή έχουν συγκεκριμένο φασματικό περιεχόμενο, συγκεκριμένο πλάτος και συγκεκριμένη κατανομή πάνω στον 2

εγκεφαλικό φλοιό. Η μελέτη των εγκεφαλικών ρυθμών οδήγησε στον διαχωρισμό τους σε φασματικές ζώνες οι οποίες συσχετίστηκαν με διαφορετικές λειτουργίες του εγκεφάλου αλλά και με διαφορετικές φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις. Παρακάτω παρουσιάζονται οι εγκεφαλικοί ρυθμοί και κάποια βασικά χαρακτηριστικά τους [5,6,7,14,15] : O άλφα ρυθμός κυμαίνεται από 7.5-12.5Hz και παρουσιάζει κορύφωση γύρω στα 1Hz. Υγιής παραγωγή άλφα ρυθμού σχετίζεται με πνευματική ανάπαυση και με την αίσθηση χαλάρωσης και ηρεμίας. Σχετίζεται επίσης με την σύνδεση συνειδητού και υποσυνείδητου. Είναι ο ρυθμός που υπερτερεί σε υγιής ενήλικες και φαίνεται καλύτερα όταν τα μάτια είναι κλειστά. Εντοπίζεται κυρίως στην ινιακή περιοχή. Ο άλφα ρυθμός διαιρείται στον χαμηλό (7.5-1Hz) και στον υψηλό (1-12.5Ηz) άλφα ρυθμό. Ο βήτα ρυθμός κυμαίνεται από 12.5-3Hz και έχει μικρότερο πλάτος από τον άλφα. Θεωρείται γρήγορος ρυθμός και υπερτερεί σε καταστάσεις έντασης, ανησυχίας και άγχους. Σχετίζεται με επεξεργασία πληροφορίας, λήψη αποφάσεων και αναλυτική σκέψη. Διαιρείται σε χαμηλό(12.5-15hz), μέσο (15-18Hz) και υψηλό βήτα ρυθμό (18Hz και άνω). Ο θήτα ρυθμός κυμαίνεται από 3.5-7.5Hz και θεωρείται αργός ρυθμός. Σχετίζεται με τη δημιουργικότητα, την διαίσθηση, την ονειροπόληση και είναι ιδιαίτερα ισχυρά στα παιδιά και στα βρέφη. Αντανακλά την κατάσταση ανάμεσα στον ύπνο και στην εγρήγορση. Σχετίζεται με το υποσυνείδητο. Εντοπίζεται κυρίως περιφερειακά αλλά μπορεί να είναι πλευρικός ή διάχυτος. Ο δέλτα ρυθμός κυμαίνεται από.5-3.5hz είναι ο βραδύτερος και με μεγαλύτερο πλάτος ρυθμός και σχετίζεται με το βαθύ ύπνο αλλά και με γνωστικές και συναισθηματικές λειτουργίες. Σχετίζεται με πολλές 21

παθολογικές καταστάσεις. Συνήθως είναι διάχυτος αλλά μπορεί να είναι και αμφίπλευρος. Ο γάμμα ρυθμός κυμαίνεται από 3-6Hz σχετίζεται με την ταυτόχρονη επεξεργασία πληροφοριών που πραγματοποιεί ο εγκέφαλος. Την τελευταία δεκαετία έχει τραβήξει το ενδιαφέρον των ερευνητών. Σύμφωνα με μια ολιστική αντίληψη της εγκεφαλικής λειτουργίας, τα εγκεφαλικά σήματα αντιπροσωπεύουν τις εγκεφαλικές λειτουργίες. Θα μπορούσαμε να πούμε πως είναι η γλώσσα με την οποία εκφράζεται ο εγκέφαλος[8]. Τα εγκεφαλικά κύματα δεν είναι απλά θόρυβος αλλά ημιντετερμινιστικά ή χαοτικά σήματα. [6] άλφα ρυθμός βήτα ρυθμός θήτα ρυθμός δέλτα ρυθμός Σχήμα 6. Εγκεφαλικοί ρυθμοί γάμμα ρυθμός 22

1.5 Event Related Potentials (ERPs) Η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου είναι συνεχώς παρούσα με έναν αυθόρμητο τρόπο αλλά μπορεί επίσης να προκληθεί ως απόκριση (response) σε ένα εξωτερικό ερέθισμα, όπως για παράδειγμα ένας ήχος ή ένα φωτεινό φλας ή ακόμα και σαν απόκριση ενός εσωτερικού ερεθίσματος, όπως για παράδειγμα η παράλειψη ενός αναμενόμενου ερεθίσματος. Τα ηλεκτρικά δυναμικά που καταγράφονται κατόπιν ερεθισμάτων είναι διακριτά σε σχέση με τα αυθόρμητα δυναμικά που παράγει ο εγκέφαλος. Η μεταβολή του συνεχούς ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος εξαιτίας τέτοιων ερεθισμάτων καλείται Εvent Related Potential (ERP- δυναμικό που σχετίζεται με κάποιο συμβάν) ή απλά προκλητό δυναμικό (Evoked Potential-EP) [6,9]. Εξαιτίας του χαμηλού δυναμικού των ERPs σε σχέση με το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, είναι κοινή πρακτική η άθροιση στο χρόνο πολλών τέτοιων απαντήσεων ώστε να γίνεται ευδιάκριτη η παρουσία της προκλητής δραστηριότητας. Ανάλογα με το είδος του ερεθίσματος, τα ERPs ταξινομούνται σε: 1. Οπτικά προκλητά δυναμικά (Visual EPs). 2. Ακουστικά προκλητά δυναμικά (Audio EPs). 3. Σωματοαισθητικά προκλητά δυναμικά (Somatosensory Eps). Οι αποκρίσεις ανάλογα με τη χρονική διάρκεια του ερεθίσματος μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής: 1. Παροδικές (transient): εμφανίζονται μετά από ένα μικρής διάρκειας ερέθισμα 2. Καθοδηγούμενες (driven): εμφανίζονται με ένα ταχέως επαναλαμβανόμενο ερέθισμα. 3. Μόνιμες (sustained): εμφανίζονται καθόλη τη διάρκεια ενός συνεχούς ερεθίσματος. 23

Οι αποκρίσεις σε σχέση με το χρόνο εμφάνισης τους μπορούν να ταξινομηθούν σε: 1. Πρώιμες (early,fast): 1-1ms μετά την εμφάνιση του ερεθίσματος. 2. Μέσες (middle): 1-4ms μετά την εμφάνιση του ερεθίσματος. 3. Αργές (late): 4ms και πάνω, μετά την εμφάνιση του ερεθίσματος. Η σύγχρονες αντιλήψεις σχετικά με τα ERPs είναι πως πρόκειται για δυναμικά που προέρχονται από το συνεχές ηλεκτροεγκεφαλογράφημα με τη διαδικασία του συντονισμού. Στη φυσική ο συντονισμός είναι ένα καλά μελετημένο φαινόμενο όπως για παράδειγμα στις εξαναγκασμένες ταλαντώσεις, όπου αν η συχνότητα μιας εξωτερικής μεταβλητής δύναμης συμπίπτει με την ιδιοσυχνότητα του συστήματος πάνω στο οποίο ασκείται, τότε το σύστημα πραγματοποιεί ταλάντωση με μέγιστο πλάτος. Ο Basar εισήγαγε την ακόλουθη σύλληψη με σκοπό να κατανοήσει τη σχέση ERPs και ΗΕΓ: Στο ΗΕΓ πολλές διαφορετικές ταλαντώσεις και ασύγχρονες ταλαντώσεις συμβαίνουν ταυτόχρονα. Όταν έχουμε ένα ερέθισμα μερικές από αυτές τις συχνότητες μπορεί να αυξάνονται μέσω συντονισμού. Υποτίθεται λοιπόν, πως αυτές οι αυξημένες ταλαντώσεις συνδέονται με τη μετάδοση πληροφορίας μέσα στον εγκέφαλο και έχουν διαφορετικές «λειτουργίες» και «σημασίες» [6]. Τα ERPs αντιπροσωπεύουν αποκρίσεις από ομάδες νευρώνων και συνιστούν το αποτέλεσμα μιας μετάβασης από την αταξία στην τάξη [15]. Τα ERPs μπορεί να παράγονται από ένα ερέθισμα και να είναι χρονικά καθορισμένα ως προς το ερέθισμα, μπορεί να παράγονται από ένα ερέθισμα αλλά να μην εμφανίζονται σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή ή τέλος να προέρχονται από μια εσωτερική διαδικασία παρά από το ίδιο το ερέθισμα. Στην πλειονότητα των μελετών, για να αναλυθούν οι αποκρίσεις του εγκεφάλου σε συγκεκριμένα ερεθίσματα χρησιμοποιείται η μέθοδος των ERPs. Ειδικά στην διερεύνηση της επεξεργασίας του συναισθήματος τα ERPs αντιπροσωπεύουν την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου που 24

συνδέεται με διαφορετικές διαδικασίες επεξεργασίας ερεθισμάτων και παρέχουν σημαντικές πληροφορίας για την ρύθμιση του συναισθήματος [9,1,11]. stimulus 1 ERPs 5 O1-5 -1-5 5 1 15 Σχήμα 7. average ERPs για το ηλεκτρόδιο Ο 1 (ινιακός λοβός) Στην περίπτωσή μας, τα ερεθίσματα είναι εικόνες, άρα οπτικά ερεθίσματα και έχουν επαναλαμβανόμενο χαρακτήρα, άρα πρόκειται για καθοδηγούμενα ερεθίσματα. Οι αποκρίσεις του εγκεφάλου, θα πρέπει να καλύπτουν όλες τις κατηγορίες (πρώιμες, μέσες και αργές), γιατί η διαδικασία παραγωγής του συναισθήματος συμπεριλαμβάνει τόσο την εμπειρία όσο και την επεξεργασία του ερεθίσματος [1,12,13]. 25

Κεφάλαιο 2 ο ΕΓΚΕΦΑΛΟΣ ΚΑΙ ΣΥΝΑΙΣΘΗΜΑ 2.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι θεωρίες σχετικά με τη φύση του συναισθήματος, και τον τρόπο αντιπροσώπευσης του συναισθήματος τόσο στο νευροφυσιολογικό επίπεδο όσο και στο επίπεδο των ηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. Μολονότι τα συναισθήματα, όπως η χαρά, η ευχαρίστηση, η λύπη, ο φόβος, η αγωνία και άλλα είναι άμεσα αντιληπτά από κάθε άνθρωπο, δεν έχει δοθεί μέχρι σήμερα ακριβής επιστημονικός ορισμός για το συναίσθημα (emotion). Μπορούμε βέβαια να δώσουμε ένα γενικό και όχι τόσο επιστημονικό ορισμό: το συναίσθημα είναι μια σύνθετη ψυχοφυσιολογική διαδικασία η οποία προκύπτει κυρίως αυθόρμητα παρά μέσω μιας συνειδητής προσπάθειας και προκαλεί ψυχολογικές και σωματικές αντιδράσεις. Το συναίσθημα σχετίζεται με τις αισθήσεις, τις αντιλήψεις και τη μνήμη, γεγονός που καταδεικνύει τον έντονα υποκειμενικό του χαρακτήρα. Το συναίσθημα, όπως συμβαίνει με την αντίληψη και τη δράση, ελέγχεται από ιδιαίτερα νευρωνικά κυκλώματα του εγκεφάλου. Πολλά φάρμακα που επηρεάζουν τη νόηση ασκούν τη δράση τους επηρεάζοντας τα κυκλώματα αυτά. Εξαιτίας των παραπάνω μπορούμε να πούμε πως το συναίσθημα είναι μια γνωστική (cognitive) λειτουργία [1,4,14]. Παρά το γεγονός της ασάφειας του καθορισμού του συναισθήματος, εξακολουθεί να μελετάται από διάφορους αλληλοσυμπληρούμενους γνωστικούς τομείς όπως η ψυχολογία, η νευροεπιστήμη και η τεχνητή νοημοσύνη. 26

2.2. Θεωρίες για το συναίσθημα Έχουν διαμορφωθεί αρκετές θεωρίες γύρω από το συναίσθημα οι οποίες δεν είναι αμοιβαία αποκλειόμενες και σε πολλές περιπτώσεις οι ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλές προσεγγίσεις. Παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά οι κυριότερες από αυτές τις θεωρίες. 2.2.1 Σωματική θεωρία Στις αρχές του 2 ου αιώνα, ο Αμερικάνος φιλόσοφος William James και ο Δανός ψυχολόγος Karl Lange διαμόρφωσαν μια θεωρία που απέδιδε το συναίσθημα στις σωματικές μεταβολές. Ο εγκεφαλικός φλοιός δέχεται μηνύματα για τις αλλαγές στη φυσιολογική μας κατάσταση, επεξεργάζεται τις αλλαγές αυτές και στη συνέχεια προκύπτει το συναίσθημα. Έτσι, για παράδειγμα, η αύξηση ή η ελάττωση της πίεσης του αίματος, του καρδιακού ρυθμού και της τάσης των μυών προηγούνται από τα συναισθήματα. «Λυπόμαστε διότι κλαίμε, φοβόμαστε διότι τρέμουμε», έγραφε ο James. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, τα συναισθήματα είναι γνωστικές αποκρίσεις στις πληροφορίες που έρχονται από την περιφέρεια και τις οποίες αντιλαμβανόμαστε με τον ίδιο τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τη σκέψη. Η καθημερινή μας εμπειρία επιβεβαιώνει ότι οι πληροφορίες από το σώμα συμβάλλουν στη συναισθηματική κατάσταση. Επιπλέον, ασθενείς με βλάβη του νωτιαίου μυελού μετά από ατύχημα εμφανίζουν σημαντική μείωση της έντασης των συναισθημάτων. Ωστόσο, άλλα πειράματα αποκαλύπτουν ότι αυτή η θεωρία εξηγεί μόνο μια όψη της συναισθηματικής συμπεριφοράς. Για παράδειγμα η συναισθηματική μας διέγερση μπορεί να συνεχίζεται και μετά την εξαφάνιση των φυσιολογικών μεταβολών ή ακόμα μπορούμε να βιώνουμε συναισθήματα και χωρίς την ύπαρξης ενός εξωτερικού ερεθίσματος [1,14]. 27

2.2.2 Η θεωρία των Cannon-Bard Οι Walter Cannon και Philip Bard διατύπωσαν μια θεωρία για τα συναισθήματα, σύμφωνα με την οποία οι υποφλοιικές δομές έχουν βασικό ρόλο στη διεκπεραίωση των συναισθημάτων. Παρατήρησαν ολοκληρωμένες συναισθηματικές αποκρίσεις σε γάτες από τις οποίες είχε αφαιρεθεί ο φλοιός των εγκεφαλικών ημισφαιρίων. Οι αποκρίσεις αυτές όμως εξαφανίσθηκαν όταν αφαιρέθηκε ο υποθάλαμος. Τα ευρήματα αυτά τους οδήγησαν να υποθέσουν ότι οι υποφλοιικές δομές, συγκεκριμένα ο θάλαμος και ο υποθάλαμος, έχουν διπλή λειτουργία: δίνουν τις συντονισμένες κινητικές εντολές οι οποίες ρυθμίζουν τα περιφερικά σήματα του συναισθήματος και παρέχουν στο φλοιό τις πληροφορίες που απαιτούνται για τη γνωστική αντίληψη των συναισθημάτων [1,14]. 2.2.3 Γνωστική θεωρία Οι έρευνες του τομέα της κοινωνικής ψυχολογίας οδήγησαν στην ερμηνεία του συναισθήματος ως συνδυασμό δυο στοιχείων: της σωματικής διέγερσης και της γνωστικής λειτουργίας. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, η γνωστική λειτουργία ερμηνεύει, δίνει ένα νόημα, σε μια σωματική διέγερση κατά τη διάρκεια μιας συγκεκριμένης κατάστασης. Εξαιτίας του ότι η γνωστική λειτουργία επηρεάζεται από την κατάσταση στην οποία υπεισέρχεται το υποκείμενο, η θεωρία προβλέπει πως το περιβάλλον ενός ανθρώπου έχει σημαντική επίδραση πάνω στη συναισθηματική του κατάσταση, δεδομένου ότι οι αιτίες για μια σωματική διέγερση είναι αμφίβολες. Η αρχική μορφή της θεωρίας προέκυψε από τις μελέτες των ψυχολόγων Stanley Schachter και Jerome Singer. Σε ένα πείραμα τους, χορήγησαν 184 φοιτητές με δυο ειδών εμβόλια: αδρεναλίνη και πλασέμπο (εικονικό φάρμακο). Τα πειραματοπρόσωπα χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες οι οποίες τοποθέτησαν σε διαφορετικές καταστάσεις ώστε να μελετηθούν οι αντιδράσεις τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η σωματική ή όχι διέγερση λόγω των εμβολίων έπαιζε δευτερεύοντα ρόλο δε σχέση με την κατάσταση στην οποία τους τοποθετούσαν [1,14]. 28

2.2.4 Εξελικτική θεωρία Μια άλλη θεωρία για το συναίσθημα κατάγεται από τον Δαρβίνο. Σύμφωνα με την εξελικτική θεωρία τα συναισθήματα αναπτύσσονται μέσω της φυσικής επιλογής για λόγους προειδοποίησης των άλλων όντων για τις προθέσεις μας. Για παράδειγμα, μια γάτα με σηκωμένη τη ράχη και φουντωμένο τρίχωμα προειδοποιεί για επίθεση σε περίπτωση που αυτός που την απειλεί δεν υποχωρήσει. Ο Δαρβίνος θεωρούσε πως τα ανθρώπινα συναισθήματα δεν είναι πλέον λειτουργικά αλλά επιφαινόμενα λειτουργιών που σχετίζονται με συνήθειες. Επιβεβαίωση αυτή της βιολογικής προσέγγισης παρείχε ο Paul Ekman με την έρευνα του πάνω στους ανθρώπινους μορφασμούς [14,16]. 2.2.5 Η υπόθεση του σωματικού δείκτη Τα τελευταία χρόνια, η συναισθηματική συμπεριφορά θεωρείται όλο και περισσότερο απόρροια της αλληλεπίδρασης περιφερικών και κεντρικών παραγόντων. Μια σημαντική συμβολή στην άποψη αυτή οφείλεται στον Antonio Damasio και βασίζεται σε μελέτες σε ασθενείς με βλάβη είτε στην αμυγδαλή (βλ.παρακάτω) είτε στον προμετωπιαίο φλοιό. Τα πειράματα του Schachter, ενισχύσανε την άποψη αυτή θεωρώντας πως ο φλοιός δημιουργεί μια γνωστική απόκριση στις περιφερικές πληροφορίες, η οποία είναι σύμφωνη με τις προσδοκίες του ατόμου και με το κοινωνικό του περιβάλλον. Η συναισθηματική εμπειρία, σύμφωνα με αυτή την συνδυαστική προσέγγιση, είναι μια «ιστορία» την οποία επινοεί ο εγκέφαλος για να ερμηνεύσει τις αντιδράσεις του σώματος. Η θεωρία αυτή, την οποία ο Damasio, ονόμασε υπόθεση του σωματικού δείκτη, εξηγεί το γεγονός ότι οι ίδιες αυτόνομες αποκρίσεις είναι δυνατόν να συνοδεύουν διαφορετικά συναισθήματα [1,14]. 29

2.3 Εγκεφαλικές περιοχές που σχετίζονται με το συναίσθημα Το περιφερικό και το κεντρικό στοιχείο των συναισθημάτων αντιπροσωπεύεται από τη λειτουργία συγκεκριμένων εγκεφαλικών περιοχών. Η ρύθμιση του περιφερικού στοιχείου των συναισθηματικών καταστάσεων μελετήθηκε το 1878, από το Γάλλο φυσιολόγο Claude Bernard, ο οποίος επισήμανε ότι το εσωτερικό περιβάλλον του σώματος είναι πολύ καλά ρυθμισμένο. Η σταθερότητα αυτή είναι αποτέλεσμα ομοιοστατικών μηχανισμών, οι οποίοι περιορίζουν τις μεταβολές της κατάστασης του σώματος. Ο Cannon εισήγαγε τον όρο ομοιόσταση στη βιολογία της συμπεριφοράς και διαπίστωσε μαζί με τον Bard ότι οι βασικοί μηχανισμοί για τη διατήρηση της ομοιόστασης εντοπίζονται στον υποθάλαμο και στα δυο εκτελεστικά του συστήματα: το αυτόνομο νευρικό και το ενδοκρινικό σύστημα[1]. Ο υποθάλαμος περιέχει πολλά από τα νευρωνικά κυκλώματα που ρυθμίζουν τις ζωτικές λειτουργίες οι οποίες μπορεί να μεταβάλλονται με τις συναισθηματικές καταστάσεις: θερμοκρασία, καρδιακός ρυθμός, πίεση του αίματος, εφίδρωση κλπ. Απόκλιση από την ομοιόσταση κινητοποιεί μηχανισμούς του υποθαλάμου οι οποίοι συμβάλλουν στην αποκατάσταση της ισορροπίας. Το James Papez (1937), υποστήριξε ότι το φλοιικό υπόστρωμα των συναισθημάτων είναι ένας δακτύλιος φυλογενετικά πρωτόγονου φλοιού γύρω από το εγκεφαλικό στέλεχος, μια περιοχή την οποία ο Paul Broca είχε ονομάσει στεφανιαίο λοβό. (Σχήμα 8) 3

Σχήμα 8. Στεφανιαίος λοβός (γαλάζιο χρώμα) και υποκείμενες δομές, πηγή: [1] Ο στεφανιαίος λοβός περιλαμβάνει την παραϊποκάμπεια έλικα, η οποία αποτελεί την προς τα κάτω συνέχεια της έλικας του προσαγωγίου και τον υποκείμενο φλοιό δηλαδή τον ιπποκάμπειο σχηματισμό [3]. Ο Papez θεωρούσε ότι εφόσον ο υποθάλαμος συνδέεται αμφίδρομα με ανώτερα φλοιικά κέντρα, η γνωστική λειτουργία και το συναίσθημα αλληλοεπηρεάζονται. Η άποψη αυτή ενισχύθηκε από κλινικές παρατηρήσεις, σύμφωνα με τις οποίες ασθενείς με εγκεφαλίτιδα οφειλόμενη στον ιό της λύσσας οποίος προσβάλλει τον ιππόκαμπο-εμφανίζουν σημαντικές αλλαγές της συναισθηματικής του κατάστασης, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται κρίσεις τρόμου και οργής [1]. Ένα σημαντικό βήμα στην αναζήτηση της φλοιικής αντιπροσώπευσης των συναισθημάτων έγινε το 1939, όταν οι Heinrich Kluver και Paul Bucy ανακάλυψαν ότι η αμφίπλευρη αφαίρεση του κροταφικού λοβού σε πιθήκους (συμπεριλαμβανόμενης της αμυγδαλής και του ιπποκάμπειου σχηματισμού) προκαλούσε εντυπωσιακό σύνδρομο συμπεριφοράς. Τα συναισθηματικά στοιχεία του συνδρόμου αποδόθηκαν σε όλο το στεφανιαίο σύστημα. Αργότερα όμως διαπιστώθηκε ότι ο ιππόκαμπος, το μαστίο και ο πρόσθιος πυρήνας του θαλάμου έχουν αμεσότερη σχέση με την αποταμίευση της γνωστικής μνήμης, ενώ κεντρική δομή ως προς τα συναισθηματικά στοιχεία του συνδρόμου Kluver- Bucy είναι η αμυγδαλή. Στον άνθρωπο ο ηλεκτρικός 31

ερεθισμός της αμυγδαλής προκαλεί συναισθήματα φόβου και ανησυχίας. Η αμυγδαλή εκτός από το ρόλο της στο φόβο ή στις αρνητικές συναισθηματικές αντιδράσεις διεκπεραιώνει επίσης συναισθηματικές αντιδράσεις που σχετίζονται με την απόλαυση [1]. Η προμετωπιαία φλοιική περιοχή του εγκεφάλου (βλ. σχήμα 3, κεφάλαιο 1 ο ) θεωρείται ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του συναισθήματος και στη στάθμιση των συνεπειών από μελλοντικές δράσεις ώστε να σχεδιάζει ανάλογα. Ο προμετωπιαίος φλοιός παίζει επίσης ρόλο σε αυτό που στην ψυχολογία ονομάζεται αναβολή της ικανοποίησης εξαιτίας κάποιου απώτερου και σημαντικότερου σκοπού. Για παράδειγμα, το κόψιμο του καπνίσματος με σκοπό τη μακροζωία [14]. Η έλικα του προσαγωγίου θεωρείται ότι παίζει σημαντικό ρόλο στην προσοχή, στη μνήμη και στη συνειδητότητα της συναισθηματικής κατάστασης [1]. Τέλος, η νήσος του εγκεφάλου ή αλλιώς νήσος του Reil θεωρείται ότι παίζει σημαντικό ρόλο στην σωματική βίωση του συναισθήματος καθώς συνδέεται με εγκεφαλικές δομές που ρυθμίζουν τις αυτόνομες λειτουργίες του σώματος. 2.4 Εγκεφαλικά σήματα και συναίσθημα 2.4.1 Οι παράμετροι valence και arousal Όπως αναφέρθηκε και στο πρώτο κεφάλαιο τα εγκεφαλικά σήματα είναι η γλώσσα με την οποία εκφράζεται ο εγκέφαλος και άρα αντιπροσωπεύουν τις διάφορες λειτουργίες του εγκεφάλου. Έτσι, εξαιτίας του ότι το συναίσθημα είναι μια γνωστική λειτουργία και όχι μόνο μια αυτόνομη απόκριση του σώματος, είναι εύλογο να υποθέσουμε πως τα εγκεφαλικά σήματα περιέχουν πληροφορίες σχετικά με τη συναισθηματική κατάσταση. Λόγω της σύνθετης φύσης του συναισθήματος είναι απαραίτητη μια ολιστική προσέγγιση της εγκεφαλικής δραστηριότητας, πράγμα που σημαίνει 32

πως υπάρχει συνεργασία ανάμεσα σε διαφορετικές εγκεφαλικές περιοχές προκειμένου να ολοκληρωθεί μια γνωστική λειτουργία όπως το συναίσθημα [15]. Αυτή η συνεργασία ανάμεσα σε διαφορετικές περιοχές είναι πιθανό να διαπιστωθεί με χρήση μαθηματικών μεθόδων, όπως για παράδειγμα η φασματική ανάλυση ή η χρονική και χωρική συσχέτιση των εγκεφαλικών σημάτων. Αυτό το πρόβλημα, δηλαδή η έρευνα και η κατανόηση των μηχανισμών μέσω των οποίων τα νευρικά κυκλώματα του ανθρώπινου εγκεφάλου δημιουργούν ανώτερες γνωστικές λειτουργίες, αποτελεί τη ραχοκοκαλιά της νευροεπιστήμης [8]. Στην παρούσα εργασία μελετάται η απόκριση του εγκεφάλου σε ερεθίσματα συγκεκριμένου συναισθηματικού περιεχομένου. Τα ερεθίσματα, όπως περιγράψαμε στην πειραματική διαδικασία, είναι εικόνες. Οι εικόνες είναι ταυτόχρονα αισθητικό ερέθισμα, εφόσον διεγείρουν τις οπτικές οδούς του εγκεφάλου, αλλά και γνωστικό ερέθισμα, εφόσον εμπεριέχουν συναισθηματικό περιεχόμενο και διεγείρουν τις διάφορες εγκεφαλικές λειτουργίες οι οποίες συμβάλλουν στην παραγωγή συναισθήματος. Όσον αφορά στο φύση της επεξεργασίας του συναισθήματος, εξετάζουμε δυο βασικές παραμέτρους: 1. Affective valence ή affective value: Πρόκειται για την κλίμακα που κυμαίνεται από την ευχαρίστηση ως τη δυσαρέσκεια, 2. Arousal value: Πρόκειται για την κλίμακα που κυμαίνεται από την ηρεμία ως τη διέγερση. Αυτές οι παράμετροι, βρέθηκε πως είναι σχετικά ανεξάρτητες, παρόλο που ιδιαιτέρως δυσάρεστα ερεθίσματα σχετίζονται συχνά με υψηλή διεγερσιμότητα [4,17]. Η παράμετρος valence αναφέρεται σε ένα συνεχές φάσμα από το ευχάριστο ή θετικό μέχρι το δυσάρεστο ή αρνητικό. Οι περισσότερες ευχάριστες επιδράσεις συνδέονται με το σύστημα πρόσληψης/προσέγγισης του εγκεφάλου, ενώ οι περισσότερες αρνητικές επιδράσεις συνδέονται με το απωθητικό/αμυντικό του σύστημα [18]. Τα ερεθίσματα που διαφέρουν ως προς την παράμετρο affective valence ενεργοποιούν την πρόσθιες 33

εγκεφαλικές περιοχές, καθώς λεκτικές ή οπτικές δοκιμασίες ενεργοποιούν περιοχές του βρεγματικού και ινιακού λοβού. Αρκετά πειράματα έδειξαν πως υπάρχει ημισφαιρική εκλεξιμότητα όσον αφορά τα θετικά ή αρνητικά ερεθίσματα [17]. Σύμφωνα με αυτά τα πειράματα, το αριστερό ημισφαίριο ενεργοποιείται περισσότερο σε ερεθίσματα θετικού συναισθηματικού περιεχομένου, ενώ το δεξί ημισφαίριο εμπλέκεται κυρίως στην επεξεργασία ερεθισμάτων αρνητικού συναισθηματικού περιεχομένου. Μπορούμε να πούμε ότι η παράμετρος valence αναφέρεται στην ποιότητα του συναισθήματος. Η παράμετρος arousal αναφέρεται σε ένα συνεχές φάσμα από την ηρεμία μέχρι τη διέγερση και βρέθηκε ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των εγκεφαλικών μηχανισμών που σχετίζονται με τη μνήμη [9]. Φαίνεται ότι τα γεγονότα που προκαλούν κάποιας μορφής διέγερση αποτυπώνονται στη μνήμη περισσότερο από ουδέτερα γεγονότα. Αυτή η υπόθεση ενισχύεται από το γεγονός ότι οι τραυματικές εμπειρίες που κάποιος έχει βιώσει στο παρελθόν μπορούν να προκαλέσουν ισχυρές ψυχοσωματικές βλάβες. Μπορούμε να πούμε ότι η παράμετρος arousal αναφέρεται στην ένταση της συναισθηματικής κινητοποίησης ή την ενέργεια. 2.4.2 Η διφασική προσέγγιση του συναισθήματος Οι παράμετροι valence και arousal στηρίζονται σε μια προσέγγιση του συναισθήματος, γνωστή ως διφασική προσέγγιση (biphasic approach ή δυικό μοντέλο (dual model) [17,18]. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση υπάρχουν δυο κινητοποιητικά συστήματα τα οποία καθορίζουν το συναίσθημα. Το πρώτο είναι το σύστημα αυτόσυντήρησης/όρεξης καθορίζει την εύρεση τροφής, την απορρόφηση, την συνουσία και την ανατροφή των απογόνων και συνοδεύεται από συναισθηματικά ευχάριστες καταστάσεις. Το δεύτερο είναι το αμυντικό σύστημα το οποίο συντονίζει την απομάκρυνση και την άμυνα απέναντι σε οδυνηρά ερεθίσματα και σχετίζεται με συναισθήματα δυσαρέσκειας [11]. Έτσι, τα συναισθήματα μπορούν να θεωρηθούν ως λειτουργίες οι οποίες προετοιμάζουν τον οργανισμό για κάποια δράση (προσέγγισης ή 34

απομάκρυνσης). Ένας μεγάλος αριθμός μελετών ενισχύει αυτή την προσέγγιση κάνοντας χρήση εικόνων συναισθηματικού περιεχομένου (αρνητικού, θετικού ή ουδέτερου) και δείχνοντας τις αλλαγές στις αυτόνομες λειτουργίες του οργανισμού (π.χ. καρδιακός ρυθμός, αγωγιμότητα δέρματος) που συνοδεύουν την παρακολούθηση τέτοιων εικόνων [19,2,21,22]. Είναι λογικό να υποθέσουμε πως οι συναισθηματικές μεταβολές δεν εκφράζονται μόνο με έναν εξωτερικό τρόπο, για παράδειγμα στη συμπεριφορά ή στην αλλαγή των αυτόνομων λειτουργιών αλλά μπορούν να εντοπιστούν στην εγκεφαλική δραστηριότητα μια και στον εγκέφαλο επεξεργάζονται και ολοκληρώνονται οι πληροφορίες που προέρχονται από εξωτερικά ερεθίσματα ώστε να προκύψουν στη συνέχεια οι συμπεριφορικές αποκρίσεις. Εξαιτίας της ταχείας μεταβολής των συναισθημάτων, το ΗΕΓ είναι μια καλή μέθοδος για να συλλάβουμε μια «στιγμή» της εγκεφαλικής δραστηριότητας, καθώς οι μεταβολές της εγκεφαλικής δραστηριότητας μπορούν να καταγραφούν στην κλίμακα του ms. Η χρήση των ERPs στη μελέτη του συναισθήματος, είναι ευρέος διαδεδομένη. Tα ERPs επιτρέπουν την έρευνα της τοπογραφικής κατανομής της φλοιικής δραστηριότητας και της χρονικής απόκρισης του εγκεφάλου σε ερεθίσματα συναισθηματικού περιεχομένου καθώς και την λειτουργία της προσοχής. 2.4.3 ERPs και εικόνες συναισθηματικού περιεχομένου Στην καθημερινότητα μας δεχόμαστε απειρία ερεθισμάτων. Μόνο ένα μικρό υποσύνολο αυτών των ερεθισμάτων υπόκεινται σε συνειδητή αναγνώριση και επεξεργασία. Ο εγκέφαλος διαθέτει μηχανισμούς εκλεκτικής προσοχής οι οποίοι εξασφαλίζουν την προτεραιότητα επεξεργασίας ορισμένων αντικειμένων ή γεγονότων [1]. Την προσοχή μπορούμε να τη διακρίνουμε σε παθητική ή ενεργητική [11]. Στην περίπτωση της παθητικής προσοχής, η δυνατότητα να μας τραβήξει την προσοχή ένα ερέθισμα προκύπτει από τις παραμέτρους ποιότητας του ερεθίσματος, όπως η ένταση του, το πόσο ξαφνικό και το πόσο πρωτόγνωρο είναι ένα ερέθισμα. Στην 35

περίπτωση της ενεργητικής προσοχής, η προτεραιότητα της επεξεργασίας ενός ερεθίσματος αντανακλά την σκόπιμη προσπάθεια να αναζητήσουμε ένα συγκεκριμένο ερέθισμα σύμφωνα με κάποιες οδηγίες ή σύμφωνα με κάποιον στόχο που οι ίδιοι θέτουμε. Επίσης, η κινητοποίηση της εκλεκτικής προσοχής από ορισμένα ερεθίσματα σχετίζεται με την βιολογική τους σημασία. Δηλαδή ανάλογα με την συναισθηματική/κινητοποιητική σημασία του ερεθίσματος. Για παράδειγμα όταν αισθανόμαστε πείνα η εικόνα φαγητού είναι πολύ πιθανότερο να τραβήξει την προσοχή μας από οποιαδήποτε άλλη εικόνα. Η εγκεφαλική δραστηριότητα που σχετίζεται με την επεξεργασία ενός ερεθίσματος, γίνεται εμφανής μέσω των θετικών και αρνητικών επαρμάτων των ERPs. Το μέγεθος και ο χρόνος απόκρισης των ERPs παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ισχύ και την χρονική διάρκεια της νευρικής δραστηριότητας. Επίσης είναι δυνατόν να αντλήσουμε πληροφορίες για της περιοχές ενεργοποίησης του εγκεφάλου. Αρκετές μελέτες στις οποίες χρησιμοποιήθηκαν εικόνες συναισθηματικού περιεχομένου συγκλίνουν στην ύπαρξη αποκρίσεων 3-8ms μετά την εμφάνιση της εικόνας, ιδιαίτερα σε εικόνες με έντονο συναισθηματικό περιεχόμενο (ευχάριστο ή δυσάρεστο) παρά σε εικόνες ουδέτερου συναισθηματικού περιεχομένου [1,11,17]. Μελέτες επικεντρωμένες στη διάκριση ανάμεσα σε εικόνες θετικού/αρνητικού και ουδέτερου συναισθηματικού περιεχομένου έδειξαν επίσης την ύπαρξη πρόσθιου αρνητικού ERP γύρω στα 15ms που διαφοροποιείται αισθητά στις δυο περιπτώσεις [1,11,17]. Γενικότερα έχει δειχθεί η ύπαρξη αποκρίσεων ανάμεσα στα 1ms και 3ms, κάτι που μπορεί να επιδεικνύει ότι ακόμα και οι παραισθητικές οπτικές λειτουργίες μπορεί να τροποποιούνται ανάλογα με το ερέθισμα [23]. Η απόκριση P3 (δυναμικό στη βρεγματική περιοχή, 3ms μετά το ερέθισμα) είναι μεγαλύτερου πλάτους στην περίπτωση θετικών και αρνητικών εικόνων από ότι ουδέτερων. Η συνιστώσα Ρ3 θεωρείται δείκτης της προσοχής και της δυνατότητας επεξεργασίας εξωτερικών ερεθισμάτων. Είναι μια σχετικά μεγάλη και θετική συνιστώσα [1,14,23]. Μια άλλη συνιστώσα γνωστή ως Late Positive Potential (LPP) εμφανίζεται 4ms μετά το ερέθισμα και συχνά σηματοδοτεί την ευαισθησία 36

σε συναισθηματικά ερεθίσματα. Σε ένα πείραμα [24], ζητήθηκε από τους συμμετέχοντες να κρίνουν τις συναισθηματικές τους αντιδράσεις καθώς τους παρουσιάζονταν θετικές, αρνητικές και ουδέτερες εικόνες με υψηλή ή χαμηλή τιμή arousal. Τα αποτελέσματα έδειξαν την ύπαρξη Late Positive Potential (LPP), 4ms μετά την παρουσίαση του ερεθίσματος, το μέγεθος του οποίου σχετίζονταν με το πόσο έντονο ήταν το ερέθισμα. Στην ίδια μελέτη φάνηκε πως LPPs καταγράφονται σε πρόσθιες, κεντρικές και βρεγματικές περιοχές. Όσον αφορά στην αλληλεπίδραση ERPs και arousal έχει δειχθεί ότι [1] η συνιστώσα Ρ3 επηρεάζεται από βιολογικές μεταβολές όπως η κατάσταση διέγερσης του υποκειμένου η οποία καθορίζεται από κάποια φυσιολογική δραστηριότητα (π.χ. καρδιακός ρυθμός) ή από μετρήσεις αυτοεκτίμησης της κατάστασης που βιώνει ένα υποκείμενο. Σε συμφωνία με τα προηγούμενα, έχει δειχθεί [1] ότι τα LPPs (7-1ms μετά την παρουσίαση του ερεθίσματος) είναι ιδιαιτέρως αυξημένα στην περίπτωση εικόνων με υψηλή τιμή arousal. Ακόμα και η διάρκεια παρουσίασης του ερεθίσματος είναι ένας παράγοντας που καθορίζει τα χαρακτηριστικά των ERPs. Για παράδειγμα έχουν αναφερθεί χρονικές διαφορές εμφάνισης στα ERPs μέχρι και 5ms ανάμεσα σε εικόνες με διαφορετική τιμή arousal όταν η διάρκεια της εικόνας-ερεθίσματος ήταν 6ms [9]. Από την άλλη, φαίνεται πως ακόμα και μια φευγαλέα ματιά σε ένα ερέθισμα σημαντικού συναισθηματικού περιεχομένου είναι ικανή να πυροδοτήσει μια διαδικασία επεξεργασίας στον εγκέφαλο [25]. Μελέτες επικεντρωμένες κυρίως στην χωρική διάσταση της εγκεφαλικής δραστηριότητας, στις οποίες γίνεται χρήση λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας (fmri), έδειξαν διαφοροποίηση στην ενεργοποίηση περιοχών του εγκεφαλικού φλοιού ανάλογα με το συναισθηματικό περιεχόμενο της εικόνας-ερεθίσματος. Για παράδειγμα, έχουν βρεθεί διαφορές στις περιοχές του ινιακού λοβού, ανάλογα με το περιεχόμενο της εικόνας [26,27]. 37