Investigation of neurovascular coupling by synchronous EEG and FNIRS measurements during steady-state visual stimuli

Abstract

Bu tezde, farklı frekans de§erlerindeki görsel uyaranlara karşılık olarak ortayaçıkan durağan hal görsel uyarılma potansiyeller ve bunlara bağlı olarak otaya çıkanhemodinamik yanıtlar elektroensefalograi (EEG) ve işlevsel yakın kızılaltı spektroskopi(iYKAS) yöntemleri ile incelenmiştir.Durağan hal görsel uyarılmış potansiyeller frontal ve oksipital korteksler için, ilgiliHBO2 yanıtı ise frontal korteks için incelenmiştir. Hem sol ve sağ hemisferlerin, hemde frontal ve oksipital kortekslerin elektriksel aktiviteleri ve hemodinamik yanıtları birbirleriylekıyaslanmıştır. Uyarana kilitli dura§an hal görsel uyarılmış potansiyellerin,sinyal-gürültü oranını arttırmak için zamansal ortalamaları bulunmuş ve ortalamasıalnmış sinyallerin kuvvetleri hesaplanmıştır. Diıer bir yandan uyaran aralıklarınadenk gelen HBO2 sinyalleri bant geçiren süzgeçten geçirildikten sonra ortalama değerlerihesaplanmıştır. Lateral yanıt farkları istatistiksel olarak anlamlı olmadığı için,frontal ve oksipital bölgelerden oluşan yaygın elektrofizyolojik ve hemodinamik yanıtların incelenmesi amacıyla frontal elektrotlardan, oksipital elektrotlardan ve İYKASkanallarından elde edilen yanıtların ortalamaları hesaplanmıştır. Elde edilen 13 deneğeait yanıtların ortalaması alındığında, frontal ve oksipital elektrotlarda gözlemlenen durağan hal görsel uyarılmış potansiyel kuvvetinin sırasıyla üst alfa bandında (10-13 Hz)ve 9 Hz de en yüksek değerlerine ulaştığı, frontal bölgede meydana gelen en yüksekhemodinamik yanıtın ise 24 Hz lik uyarana karşılık oluştuğu belirlenmiştir.Frontal korteksten elde edilen durağan hal görsel uyarılmış potansiyellerin vehemodinamik yanıtların ilintileri analiz edilmiştir. 9, 12 ve 20 Hz uyaran frekanslarında,durağan hal görsel uyarılmış potansiyeller ile hemodinamik yanıtların arasındaki doğrusalilintinin, pozitif ve orta dereceli olduğu saptanmıştır. 28 ve 30 Hz uyaran frekanslarındaise bu ilintinin negatif ve orta dereceli olduğu bulunmuştur. Hem en yüksek frontal durrağan hal görsel uyarılmış potansiyel kuvvetinin, hem de durağan hal görsel uyarılmışpotansiyel ve hemodinamik yanıt arasındaki orta dereceli ilintinin 12 Hz lik görseluyarana karşılık elde edilmesi, bu uyaran frekansının frontal kortekste kuvvetli birnörovasküler kuplaja neden olduğunu düşündürmektedir.

In this thesis, the steady state human visual evoked potentials that are generatedin response to visual stimulation and its corresponding hemodynamic responseare investigated via electroencephalography (EEG) and functional near infrared spectroscopy(fNIRS).The ssVEPs are investigated for the frontal and the occipital cortex and thecorresponding HBO2 changes are investigated for the frontal cortex. The left andthe right hemispheres are compared as well as the frontal and the occipital corteciesin terms of electrical activity and the hemodynamic response. The stimulus lockedssVEPs are time averaged in order to increase the signal to noise ratio and the powerof the resulting averaged signals are calculated. On the other hand the mean valuesof the band passed ltered HBO2 signal for the stimulation intervals are calculated.The responses obtained from the frontal electrodes and fNIRS channels are averaged aswell as the responses obtained from the occipital electrodes in order to see the overallelectrophysiological and hemodynamic responses of the frontal and the occipital regionssince the lateral response dierences turned out to be statistically insignicant. Theoverall average calculated between the 13 subjects revealed that the ssVEP powerobserved for the frontal electrodes peak at the upper alpha band (10-13 Hz), andthe ssVEP power peaks at 9 Hz frequency for the occipital electrodes, whereas themaximum hemodynamic response is observed at 24 Hz stimulation frequency.The correlation of the ssVEP and the hemodynamic responses obtained fromthe frontal cortex are analyzed. At 9, 12 and 20 Hz stimulation frequencies, the linearrelationship between the ssVEP and the hemodynamic responses is determined to bepositive and moderate. At 28 and 30 Hz stimulation frequencies a negative, moderatecorrelation is found between the ssVEP and the hemodynamic responses. Since, themaximal frontal ssVEP power and a moderate correlation between the ssVEP and thehemodynamic responses are both observed during 12 Hz visual stimulation, 12 Hz isassumed to elicit a strong neurovascular coupling in the frontal cortex.