پروژه آموزشی فرکانس های مغزی EEG با متلب

سیستم اعصاب مرکزی یا به طور اختصاصی مغز انسان از میلیاردها سلول تشکیل شده است که بخش عمدهی آن را نورونها تشکیل میدهند. هر نورون از آکسون، دندریت و جسم سلولی تشکیل شده است. نورونها به تحریک پاسخ میدهند و اطلاعات را در مسیرهای طولانی منتقل میکنند. دندریتها به آکسونها یا دندریتهای دیگر نورونها متصل میباشند، ایمپالسها را از دیگر
نورونها دریافت کرده یا به دیگر نورونها منتقل میکنند. بدین ترتیب مغز انسان یک شبکة بسیار پیچیده و درهم تنیده از نورونهاست که در هر لحظه میلیونها نورون در آن در حال تحریک شدن و تولید میدانهایی در اطراف خود میباشند

نورونها به هنگام فعالیت، جریانهای الکتریکی متغیر با زمان تولید مینمایند. جریانهای مذکور جریانهای یونی تولید شده در سطح غشاهای سلولی میباشند. میتوان دو شکل اصلی از فعالیت نورونی در نظر گرفت؛ دپلاریزاسیون سریع غشاهای نورونی که به پتانسیل عمل 1 منتج میگردد و به واسطه هدایت الکتریکی یونی وابسته به ولتاژ یونهای سدیم و پتاسیم روی میدهد، و تغییرات
آهستهتر در پتانسیل غشا که در اثر فعالیت سیناپسی و عملکرد چندین سیستم انتقالدهندهی عصبی میباشد. پتانسیل عمل یک تغییر سریع در پتانسیل غشا است که پتانسیل درونسلولی از منفی به مثبت تغییر کرده و به سرعت )در عرض 1 الی 2 میلی ثانیه(
به پتانسیل استراحت درون سلولی باز میگردد. بدین واسطه یک ایمپالس تولید میشود که ویژگی قابلتوجه آن، انتشار بدون افت دامنه در طول آکسونها و دندریتها است.

الکتروانسفالوگرافی روشی غیرتهاجمی برای مطالعه فعالیت مغزی است که از رزولوشن زمانی بالایی برخوردار بوده و راه را برای تشخیص بسیاری از اختلالات نورولوژیکی و دیگر ناهنجاریهای بدن انسان هموار میسازد. سیگنالهای EEG ثبت شده میتواند
برای بررسی موارد زیر بکار گرفته شده:
– مانیتورینگ سطح هوشیاری، بیهوشی و مرگ مغزی
– مکانیابی نواحی آسیبدیده در اثر جراحت، سکته مغزی یا تومور
– بررسی مسیرهای نورونی آوران )با ارائه تحریک و ثبت پتانسیل های برانگیخته(
– مانیتورینگ تکامل و رشد مغزی
– بررسی صرع و مکانیابی مبدا تشنج
– بررسی اثر درمانهای دارویی
– بررسی فیزیولوژی و اختلالات خواب
– بررسی اختلالات ذهنی
– ایجاد نوروفیدبک
– بهبود، جایگزینی یا تکمیل خروجی سیستم اعصاب مرکزی
– بکارگیری همزمان با سایر مدالیتههای تصویربرداری مغزی

به موازات خواب در الگوهای موج مغز در شروع خواب غیر REM تغییر ایجاد می شود. هنگامی که شما بیدار هستید، میلیاردها
سلول مغز با ارسال تکانههای الکتریکی به یکدیگر، اطلاعات حسی را دریافت و تجزیه و تحلیل میکنند. اگر کاملاً بیدار باشید،
یک EEG مجموعهای از فعالیت های نامنظم و آشفته را ثبت میکند. هنگامی که چشمان شما بسته شد و مغز دیگر ورودی
بینایی را دریافت نکند، امواج مغزی با الگویی ثابت و ریتمیک در حدود 10 سیکل در ثانیه ایجاد می شوند. الگوی موج آلفا،
مشخصه آرامش در حالت بیداری است . طبق تحقیقات انجام شده، انتقال به خواب آرام، سریع است که می تواند کاملا شبیه به
چرخاندن سوئیچ باشد – یعنی شما بیدار هستید )روشن است( یا در خواب هستید )خاموش شوید

 

شرح پروژه :
برای انجام پروژه، دو سری داده در اختیار شما قرار گرفته که مرحله خواب در یک سری از آنها مشخص بوده و در دیگری نامشخص است.
قدم اول :
با جست و جو در مقالات، مراحل مختلف خواب و فرکانسهای فعال مغز در هر مرحله را مطالعه نموده ایم و به همراه منابع در گزارش قید کرده ایم
قدم دوم:
رسم سیگنال فیلتر نشده چند داده EEG 

قدم سوم:
با استفاده از تبدیل فوریه و به صورت دستی، باندهای مختلف فرکانسی دادههای EEG را به دست آوردیم

 

بخشی از گزارش کار مربوط به مرور مقالات مربوط به مراحل خواب

مول و همکارانش در سال  2009 [1]  و 2006 [2]  و2011 [3]  خواب در انسان و جدا کردن مراحل خواب در انسان را به طور دقیق مورد بررسی قراردادند و نتیجه به این صورت گزارش شده است که، جدا کردن مراحل خواب با توجه به سیگنال EEG و  EMG انجام می شود و و در epoch های 10  یا 30 ثانیه ای این دو سیگنال را  به صورت چشمی مورد بررسی قرار می دهند (طیف توان سیگنال EEG و میزان فعالیت سیگنال EMG ) . به طور کلی مراحل خواب به 4 مرحله awake و REM ¹  و non-REM ² و SWS ³ تقسیم بندی می شود، که مرحله یک مطابق با بیداری و انتقال فاز بین بیداری و خواب است و همراه است با نوسانات فرکانس بالا و دامنه ی کم در سیگنال EEG و افزایش فعالیت EMG ، مرحله دوم مطابق با non-REM است و مرحله 3 و4 مطابق با SWS است و به این صورت شناسایی می شوند که در این مراحل نوسانات با فرکانس های پایین و دامنه ی بالا وجود دارند به نام های دلتا (4-1 هرتز ) و دوک خواب (15-12 هرتز ) ، مشخصه مرحله REM  وجود نوسانی به نام تتا (10-5 هرتز ) می باشد و در مراحل REM و non-REM و SWS قعالیت سیگنال EMG  کم است.

استارسینا و همکارانش در سال 2015[4]   مراحل خواب را به wake ، مرحله1 ، مرحله 2 ، مرحله3 و مرحله4 یا REM تقسیم بندی کردند و اساس جدا کردن این مراحل علاوه بر ثبت و تحلیل سیگنال EEG ثبت و تحلیل همزمان سیگنال های EOG و EMG در پنجره های زمانی 20 ثانیه ای قرار داده اند، مرحله 2 و 3 را non- REM نامگذاری کرده اند (با نام ها ی N2 و N3 نشان می دهند).

اویاندل و همکارانش اخیرا (2020) [5]  مراحل خواب را با توجه به سیگنال EEG و EMG در پنجره زمانی های 10 ثانیه ای به سه مرحله به نام SWS ، IS⁴ و  REM تقسیم کردند، که در مرحله SWS نوسانات فرکانس پایین با دامنه ی زیاد به نام دلتا که فرکانس های کمتر از 4 هرتز را شامل می شود، وجود دارند و فعالیت سیگنال EMG کاهش می

یابد و در مرحله REM فعالیت نوسانی با فرکانس 5 تا10 هرتز زیاد است که این نوسانات تتا نام دارند و همچنین فعالیت سیگنال EMG کاهش می یابد ، در مرحله IS نیز فعالیت دلتا کاهش می یابد و فعالیت تتا افزایش می یابد و نوسانی به نام دوک خواب یا اسپیندل با فرکانس 12 تا16 هرتز ظاهر می شود.

منابع:

 

[1]        M. Mölle, O. Eschenko, S. Gais, S. J. Sara, and J. Born, “The influence of learning on sleep slow oscillations and associated spindles and ripples in humans and rats,” European Journal of Neuroscience, vol. 29, no. 5, pp. 1071-1081, 2009.

[2]        M. Mölle, O. Yeshenko, L. Marshall, S. J. Sara, and J. Born, “Hippocampal sharp wave-ripples linked to slow oscillations in rat slow-wave sleep,” Journal of neurophysiology, 2006.

[3]        M. Mölle, T. O. Bergmann, L. Marshall, and J. Born, “Fast and slow spindles during the sleep slow oscillation: disparate coalescence and engagement in memory processing,” Sleep, vol. 34, no. 10, pp. 1411-1421, 2011.

[4]        B. P. Staresina et al., “Hierarchical nesting of slow oscillations, spindles and ripples in the human hippocampus during sleep,” Nature neuroscience, vol. 18, no. 11, pp. 1679-1686, 2015.

[5]        C. N. Oyanedel, E. Durán, N. Niethard, M. Inostroza, and J. Born, “Temporal associations between sleep slow oscillations, spindles and ripples,” European Journal of Neuroscience, 2020.

[6]        J. G. Klinzing et al., “Spindle activity phase-locked to sleep slow oscillations,” Neuroimage, vol. 134, pp. 607-616, 2016.

[7]        N. S. Hashemi, F. Dehnavi, S. Moghimi, and M. Ghorbani, “Slow spindles are associated with cortical high frequency activity,” NeuroImage, vol. 189, pp. 71-84, 2019.

 

پروژه فرکانس های مغزی EEG با متلب توسط کارشناسان گروه ۱.۲.۳ پروژه پیاده سازی شده است