KONFERANS 8 / CONFERENCE 8
Applications of EEG-based brain computer interfaces for the control of electronic
devices: The Rome experience
Fabio Babiloni
University of Rome Sapienza, Department of Physiology and Pharmacology, Rome, Italy
Introduction: Brain Computer Interface (BCI) is a technology that allows to the users the capability to interact
with devices by using the voluntary modulation of the brain activity
Objectives: The aim of this paper is to analyze whether the use of the cortical activity estimated from non
invasive EEG recordings could be useful to detect mental states and how this technology could be useful in
clinical applications. It will review the 12 years of experience of the laboratory of Rome in BCI field.
Methods: Estimation of cortical activity was performed on high resolution EEG data related to the imagination of
limb movements and detection of P300 gathered in a group of normal healthy subjects by using realistic head
models. Cortical activity was estimated in Region of Interest associated with the subject’s Brodmann areas by
using depth-weighted minimum norm solutions. Comparisons between surface recorded EEG and the estimated
cortical activity were performed. Subjects are asked to interact with different electronic devices of common use
by using such BCI system.
Results: With the proposed methodology healthy users are able to drive several mechanical and electronic
devices by modulating their EEG activity related to motor imagery. BCI-based P300 is found a methodology
easier to use for patients than motor imagery for driving devices. Rehabilitation tasks in patients involving
motor imagery could be checked by using BCI system.
Conclusions: EEG recordings can be used to drive electronic and mechanical devices in healthy and in a group
of patients. The presented approach could extend the possibility for a use of BCI system into the rehabilitation
path for certain class of patients.
PANELLER / PANELS
Paneller / Panels
21
Panel 1:
Amiyotrofik Lateral Skleroz hastalığının gelişimi, genetiği ve
geleceği
Progress, genetics and future of Amyotrophic Lateral Sclerosis
Amiyotrofik lateral sklerozun genetiği
Genetics of amyotrophic lateral sclerosis
Nazlı Başak
Paneller / Panels
22
Panel 1
:
Amiyotrofik Lateral Skleroz hastalığının gelişimi, genetiği ve
geleceği
Progress, genetics and future of Amyotrophic Lateral Sclerosis
Kortikal gelişimin nörobiyolojisi
Emel Ulupınar
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Anatomi Anabilim Dalı, Eskişehir
Eskişehir Osmangazi University, Medical School, Department of Anatomy, Eskişehir, Turkey
Neokorteks beynin bilişsel işletim, duyusal algılama ve motor emirleri oluşturma gibi yüksek düzeydeki
fonksiyonlarıyla ilgili bölümüdür. Bu özel fonksiyonlar başlıca iki tip nöron aracılığıyla gerçekleşir: tüm
nöronların yaklaşık %80’lik bir kısmını oluşturan büyük gövdeli, uyarıcı özellikteki ve glutamat kullanarak
nöronal iletimi sağlayan projeksiyon nöronları ve geriye kalan daha küçük gövdeli, nöronal iletimde GABA
kullanan, inhibe edici özellikteki lokal-devre ara nöronları. Ancak, bu iki ana başlık altında toparlanan nöronların
aşırı düzeydeki çeşitliliği; gelişmekte olan neokorteksteki özgün nöron tiplerini oluşturan moleküler
mekanizmaların aydınlatılmasını güçleştirmektedir.
Son zamanlarda, anatomik ve fonksiyonel çalışmaların moleküler ve genetik yaklaşımlarla birleştirilmesi
sayesinde; spesifik neokortikal nöron gruplarının gelişim süreçlerini anlamada çok fazla yol kat edilmiştir.
Özellikle canlı görüntüleme teknikleri, farklı hücre tiplerinin genetik işaretleme ve izleme yöntemleriyle tespiti,
gen düzeylerinin değiştirilmesini hedef alan deneyler, retrograd yolla işaretlenen hücrelerin ayıklama yöntemiyle
saflaştırılması ve mikroarray analizleri gibi güncel gelişmeler; farklı gelişimsel süreçleri kontrol eden olası
genlerin varlığını ortaya çıkarmıştır. Bu konuşmada, bu farklı yaklaşımlarla elde edilen verilerin ışığı altında,
kortikal gelişimin aşağıda belirtilen belli başlı evrelerinde rol oynayan molekül ve mekanizmalar gözden
geçirilecektir:
i.) nöral öncü hücrelerin çoğalması ve farklılaşması,
ii.) kortikal kimliğin moleküler düzeyde belirlenmesi,
iii.)kortikal nöronların radial göçü ve uygun tabakalardaki pozisyonlarına
yerleşmesi,
iv.) göç eden nöronların son farklılaşma evrelerini tamamlamaları.
Neurobiology of cortical development
The neocortex is part of the brain involved in higher order functions such as cognitive processing, sensory
perception and generation of motor commands. These specific functions are accomplished mainly by two
classes of neurons: ~80% of the entire neuronal population is comprised by large excitatory projection
neurons, primarily utilizing glutamate for neurotransmission; and the remaining population is constituted by
smaller inhibitory local-circuit interneurons, primarily utilizing GABA for neurotransmission. However, a
remarkable diversity of these two broad populations complicates the unraveling molecular mechanisms that
govern unique neuronal types in the developing neocortex.
Recently, combination of anatomical and functional studies with molecular and genetic approaches has
tremendously enhanced our understanding of development of unique neocortical neuronal populations. Current
advances especially in live imaging techniques, genetic labeling and tracking of distinct cell types, lineage
tracing and gene targeting experiments, retrograde labeling followed by purification via fluorescence-activated
cell sorting (FACS) and microarray analysis shed light on candidate genes controlling distinct developmental
processes. In this talk, by providing evidences from these multiple approaches, molecules and mechanisms
that play role in the following key cortical developmental events will be reviewed:
i.) proliferation and differentiation of neural progenitors,
ii.) molecular specification of cortical identities,
iii.) radial migration of cortical neurons and laminar positioning,
iv.) terminal differentiation of post-migratory neurons.
Paneller / Panels
23
Panel 1
:
Amiyotrofik Lateral Skleroz hastalığının gelişimi, genetiği ve
geleceği
Progress, genetics and future of Amyotrophic Lateral Sclerosis
Understanding ALS and motor neuron degeneration
P. Hande Özdinler
Northwestern University, Department of Neurology, Feinberg School of Medicine, Chicago, USA
Even though there are thousands of different neuron types in our cerebral cortex, only a distinct neuron
population show vulnerability and progressively degenerate. The upper motor neurons are the cortical
component of motor neuron circuitry that is affected in ALS, and their progressive degeneration, together with
spinal motor neurons, results in paralysis in patients. We have developed approaches to label, isolate and purify
upper motor neurons and generated transgenic reporter mouse models to further investigate the cell biology of
upper motor neurons in relation to disease progression in ALS. Understanding cellular, molecular and genetic
mechanisms for cell type specific neuronal vulnerability will enable building effective treatment strategies for
ALS and related disorders. Here, I will introduce novel approaches and discuss recent findings related to
potential motor neuron degeneration mechanisms in ALS.
Paneller / Panels
24
Panel 2:
Psikiyatrik hastalıklarda beyin görüntüleme
Brain imaging in psychiatric diseases
Obsesif kompulsif bozukluk hastalarında basit bir zihinsel imgenin kognitif
kontrolü: Bir fMRG çalışması
Orhan Murat Koçak
1
, Ayşegül Yılmaz
2
, Cem Atbaşoğlu
2,4
, Metehan Çiçek
3,4
1
Kırıkkale Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Psikiyatri Anabilim Dalı, Kırıkkale
2
Ankara Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Psikiyatri Anabilim Dalı, Ankara
3
Ankara Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Fizyoloji Anabilim Dalı, Ankara
4
Ankara Üniversitesi, Beyin Araştırmaları Uygulama ve Araştırma Merkezi (BAUM), Ankara.
1
Kırıkkale University, Faculty of Medicine, Psychiatry Department, Kırıkkale, Turkey
2
Ankara University, Faculty of Medicine, Psychiatry Department, Ankara, Turkey
3
Ankara University, Faculty of Medicine, Physiology Department, Ankara, Turkey
4
Ankara University, Brain Research Center, Ankara, Turkey
AMAÇ: Obsesyonların ortaya çıkmasında kognitif kontrol mekanizmalarındaki sorunların rolü olduğu ileri
sürülmektedir.
Bu
çalışmada
kognitif
kontrol
mekanizmalarının
kullanımını
gerektiren
görevlerin
gerçekleştirilmesi sırasında obsesif bireylerle ve sağlıklı kontroller arasında beyin dinamiklerindeki farklılıkların
araştırılması amaçlanmıştır.
GEREÇ ve YÖNTEM: Obsesif kompulsif bozukluk (OKB) hastası 12 (6 erkek, 6 kadın) ve cinsiyet ile eğitim
seviyesi hasta grubuyla eşleştirilmiş sağlıklı 12 (kontrol) gönüllü çalışmaya alınmıştır (tüm bireyler sağlaktı).
Katılımcılar fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRG) sırasında 5 görev gerçekleştirdi: İmgeleme,
baskılama, silme, serbest imgeleme ve dinlenim. Kognitif kontrol görevi spesifik olmayan geometrik bir şekil
içeren bir A4 kağıdı içeriyordu.
BULGULAR: OKB grubu sağ inferior paryetal lob, posteriyor singulat korteks ve superior frontal girusta
kontrollere göre daha az aktivasyon gösterdi. Tüm katılımcılarda görevler sol insular korteksde farklı aktiviteye
neden oldu. Öte yandan OKB grubunun serbest imgeleme (kontrol görevi) sırasındaki beyin aktivitesi posteriyor
singulat korteks ve superior frontal girusta kontrol grubuna göre daha yüksek bulundu.
SONUÇ: OKB hastalarındaki temel sorun, kognitif kontrol gerektiren görevler sırasında, sağ fronto-paryetal
nöral ağları aktive etmede zorluk olabilir ve bu obsesif düşüncelerin ısrarcı karakterine yol açabilir.
Anahtar Kelimeler: Obsesif kompulsif bozukluk (OKB), Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRG),
Kognitif kontrol
Çalışma etik kurul onayı almıştır. Sunulan çalışma Beyin Araştırmaları Derneği ve Türk Psikiyatri Derneği
tarafından desteklenmiştir.
Cognitive control of a simple mental image in patients with obsessive-
compulsive disorder: An fMRI study
OBJECTIVES: Impaired cognitive control mechanisms are suggested to be playing a role in the occurrence of
obsessions. We aimed to investigate the differences in brain dynamics between obsessive individuals and non-
obsessive controls while performing tasks that necessitate involvement of cognitive control mechanisms.
MATERIALS & METHODS: The study included 12 right-handed (6 male and 6 female) obsessive compulsive
disease (OCD) patients and 12 right-handed volunteers matched for gender and level of education (control).
The participants performed 5 tasks while undergoing functional magnetic resonance imaging (fMRI):
imagination, suppression, erasing, free-imagination, and resting. The content of the cognitive control tasks was
an A4 sheet of paper that contained a non-specific geometric shape.
RESULTS: The OCD group had significantly less activity in the right inferior parietal lobe (IPL), posterior
cingulate cortex (PCC), and superior frontal gyrus (SFG) than did the control group. Tasks engaged differential
activity in the left insular cortex (IC) in all the participants. On the other hand, the brain activity of the OCD
group during the free-imagination task (control task) was significantly higher than those of control group in the
PCC and SFG.
CONCLUSION: The main problem of OCD patients might be the difficulty in activating the right fronto-parietal
networks during tasks that require cognitive control, which might result in the intrusiveness of obsessive
thoughts.
Keywords: Obsessive-compulsive disorder, fMRI, Cognitive control
This study was approved by the local ethics committee. The presented study was supported by Brain Research
Society and by Turkish Psychiatry Society.
Paneller / Panels
25
Panel 2:
Psikiyatrik hastalıklarda beyin görüntüleme
Brain imaging in psychiatric diseases
Bipolar bozukluk endofenotip araştırmalarında yeni bir araç: Difüzyon tensor
görüntüleme
Ali Saffet Gönül
Ege Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Psikiyatri Anabilim Dalı, SoCAT LAB, İzmir
Ege University, School of Medicine, Department of Psychiatry, SoCAT LAB, Izmir, Turkey
Bipolar Bozukluk toplumun yaklaşık %1’ini etkileyen yaygın bir psikiyatrik hastalıktır. Hastalık genellikle genç
yaşlarda başlar ve alevlenmeler ve remisyon dönemleri ile bir ömür boyu devam eder. Hastalığın, hasta
ailelerinde daha sık görüldüğü ve genetik bir geçişi olduğu kabul edildiği halde hastalığa yol açan genler ve
geçiş yolları net olarak tespit edilememiştir. Bu çalışmaların önemli bir eksikliği yatkılığa yol açan ama aile
içinde etkilenmemiş bireylerde de olan genleri yöntemsel nedenler ile tespit edemiyor olmalarıdır. Bu
dezavantajı aşmak için endofenotip kavramı ileri sürülmüştür. Endofenotipler, genetik bağlantıları olan biyolojik
belirleyicilerdir. Aile bireyleri arasında endofenotipik özellikler daha asık görülmektedir ve hastalık durumdan
bağımsız olarak izlenmektedirler.
Son yıllarda bilim adamları beyin görüntüleme yöntemleri kullanarak işlevsel ve yapısal biyolojik işaretleyiciler
aramaya başlamışlardır. Ancak, bu biyolojik belirleyiciler genellikle hasta ve kontrol gruplarının karşılaştırılması
sonucunda elde edilmektedir ve endofenotip adayı olamamaktadırlar. Bu nedenle endofenotip adayı işaretleyici
aramak amacı ile SoCAT Lab’da yaptığımız araştırmamızda çalışma gruplarına hastaların sağlıklı kardeşlerini de
dahil ettik. Bu sayede, elde edilecek biyolojik belirleyicilerin genetik özelliklerinden emin olunabilecektir.
Çalışmamızda yeni bir beyin görüntüleme yöntemi olan Difüzyon Tensor Görüntüleme (DTG) yöntemni tercih
ettik. DTG, myelin kılıfına sahip ve beyindeki merkezleri birbirine bağlayan yolakların yapısal bütünlüğünü test
etme konusunda bize yardımcı bir tekniktir. Bu çalışmada ileri bir yöntem olan “Tract based Spatial Statics”
kullandık.
Anahtar Kelimeler: Bipolar bozukluk, Endofenotip, Difüzyon tensör görüntüleme
Diffusion tensor imaging: A new tool for endophenotype research in bipolar
disorder
Bipolar Disorder is one of the most common psychiatric disorder affecting nearly 1% of total population.
Disease starts at early ages and generally shows relapses and remissions thorough out the life. It is known that
the disease is more prevalent among the relatives of the patients suggesting a genetic transmission. However,
genetic studies did not reach significantly showed clear results about the genetic etiology of the disease. One
caveat of these studies that non-affected members of the family might have the susceptibility genes but do not
show the disease symptoms. To overcome this problem, many researchers focused on endophenotypes of the
disease. Endophenotypes are biological markers with a clear genetic connection. They are primarily state-
independent (manifests in an individual whether or not illness is active) and are within families, endophenotype
and illness co-segregate.
In recent years, scientist started to use neuroimging to figure out biological markers of the disease. However,
these markers were results of group comparison and far from being endophenotype. Therefore, we included
non-affected family members as a third group in our research at SoCAT LAB, Izmir, to investigate possible
endophenotypes by a new neuroimaging tool, Diffusion Tensor Imaging (DTI). DTI helps us to evaluate the
structural integrity myelin pathways which interconnect different centers in the brain. We used Tract Based
Spatial Statics, an advanced technique for group comparisons.
Keywords: Bipolar disorder, Endophenotype, Diffusion tensor imaging
Paneller / Panels
26
Panel 2:
Psikiyatrik hastalıklarda beyin görüntüleme
Brain imaging in psychiatric diseases
Anterior singulatın rostral bölgesi: Nörogörüntüleme bulgularının majör
depresyon kapsamında yeniden değerlendirilmesi
Didem Gökçay
ODTÜ, Enformatik Enstitüsü, Tıp Bilişimi Bölümü, Ankara
METU, Informatics Institute, Department of Medical Informatics, Ankara, Turkey
Major depresyon (MD) tanılı hastalarda yapılan kognitif ve emosyonel deneylerde normal populasyona göre pek
çok davranışsal, metabolik ve nörofizyolojik farklılıklar gözlenmektedir. Ayrıca son yıllarda dinlenme durumunda
yapılan nörogöruntüleme çalışmalarında da ilaçlı/ilaçsız hastalar ve normal denekler arasında gıyabi ağ (default
network) farklılıkları saptanmıştır. Öte yandan uzunca bir süredir MD’li bireylerdeki nöroanatomik değişiklikler
incelenmiş olup, hipokampus, amigdala ve anterior singulat (ACC) bölgelerindeki hacim azalması literatürde
yeralmaktadır. Depresyon hastalığında gözlenen anatomik ve fonksiyonel farklılıklar, ACC’nin rostral bölgesi
özelinde değerlendirildiğinde emosyonel davranış ile ilgili önemli saptamalar yapılabilir.
Anterior singulat bölge, pek çok prefrontal ve limbik alanla bağlantıları olan, özellikle çelişki çözümleme, cevap
inhibisyonu ve hedefe yönelik davranışsal işlevlerde üst-düzey kognitif görevler üstlenen bir yapıdır. ODTU’deki
METUNEURO laboratuvarımızda son 5 yıldır ACC’nin alt bölgelerinin yapısı ve işlevleri anatomik ve fonksiyonel
nörogörüntüleme teknikleri ile MR verileri kullanılarak araştırılmaktadır. ACC hacmi, korteks alanı ve korteks
kalınlığı, dorsal, rostral ve ventral ACC alt-bölgelerinde ayrıntılı çizimler ile birlikte hesaplanmaktadır. ACC’de
lokalize olan çelişki çözümleme işlevi ise özel olarak geliştirilmiş emosyonel kelime işlemleme içeren bir Stroop
deneyi ile olaya-ilişkin fMRG paradigması kullanılarak incelenmektedir. Prefrontal alanda yeralan normatif ve
bilinçüstü emosyonel süreçler, geliştirmiş olduğumuz paradigma sayesinde kısmi olarak anterior singulat
üzerinde gözlemlenebilmektedir. Bulgularımız literatürle birleştiğinde depresyonda rostral ACC’nin önemi daha
açık bir şekilde ortaya çıkmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Major depresyon, Anterior Singulat, Nörogörüntüleme
The rostral area of the anterior cingulate: An evaluation of neuroimaging
findings within the scope of major depression disorder
Several behavioral, metabolic and neurophysiologic differences are observed in the cognitive and emotional
experiments performed on the Major Depression (MD) population. In addition, some recent resting state
neuroimaging studies on medicated/unmedicated patients versus normal controls also revealed differences in
the default mode network. On the other hand, within the last decade, volumetric reductions of neuroanatomical
structures such as hippocampus, amygdala and anterior cingulate (ACC) in the MD population have also been
reported in the literature. When the anatomical and functional changes in the MD population is considered
within the context of the rostral ACC, important deductions can be made regarding to emotional behaviour.
The anterior cingulate cortex (ACC) is a structure which is connected to several prefrontal and limbic areas,
while assuming a pivotal role in high order executive functions such as conflict resolution, response inhibition
and goal-oriented behaviour. Within the past 5 years, we have been investigating the structure and function of
the sub-components of the ACC using MR data, in the METUNEURO laboratory situated at METU. The volume,
cortical thickness, cortical surface area of the dorsal, rostral and ventral ACC are being calculated along with
precise anatomical tracings. The emotional conflict resolution function localized in the ACC is being studied
through a newly developed event-related fMR Stroop task which involves emotional word processing. The
normative and conscious emotional processes centered in the prefrontal cortex are partially observed on the
ACC through this task. When we merge our findings with the current literature, the importance of the rostral
ACC in MD is clearly revealed.
Dostları ilə paylaş: |