Time-frequency analysis of event related brain potentials elicited with four different cognitive paradigms

Abstract

IV ABSTRACT TIME-FREQUENCY ANALYSIS OF EVENT RELATED BRAIN POTENTIALS ELICITED WITH FOUR DIFFERENT COGNITIVE PARADIGMS Event related potentials (ERPs), which reflect fundamental cognitive operations, are generated by the parallel and/or the sequential processing of different neural groups in the brain. In time domain representation of ERPs, temporally overlapping processes are hidden and they cannot be distinguished. However, the surface ERPs can be decomposed into functional neuronal components using time-frequency analysis. The aim of this study is to differentiate the time-frequency components that are related with specific cognitive operations (i.e. signal discrimination, motor response task, motor response inhibition, and context updating) in the auditory ERPs. For this purpose, by making systematic modification in cognitive content of the paradigms, experimental set that consists of four auditory paradigms was designed. ERP reflections of these modifications both in the time domain and in the time-frequency plane were explored in order to assign specific ERP sub components to specific cognitive processes. Data obtained from 16 healthy volunteers were decomposed by discrete wavelet transform into six sets of wavelet coefficients. Alpha, theta, and delta band coefficients and P200 and P300 measurements of the midline electrodes (Fz, Cz, Pz) that were obtained from individual average ERPs for each stimulus condition were analyzed with five-factor analysis of variance (ANOVA) design. Compared to time domain analysis, results of the time-frequency analysis brought detailed information about the stimulus processing steps in different conditions. However, some components showed varying topographic distributions across the paradigm set. Namely, the wavelet transform could partially decompose these spatially overlapping events into functionally distinct sub-components. Therefore, in order to decompose ERPs more accurately into their functional sub-components, spatial decomposition methods should also be incorporated to the time-frequency analysis. Keywords: Event Related Potential (ERP), P300, P200, Time-frequency Analysis, Wavelet Transform.

ÖZET DÖRT FARKLI BİLİŞSEL PARADİGMA İLE ELDE EDİLEN OLAYA İLİŞKİN BEYİN POTANSİYELLERİNİN ZAMAN-FREKANS ANALİZİ Temel bilişsel süreçleri yansıtan olaya ilişkin potansiyeller (OİP'ler), beyinde farklı nöral grupların paralel ve/veya birbirini takip eden etkinlikleri sonucu oluşurlar. Zamansal olarak üst üste gelen süreçler OÎP'lerin zaman alanındaki gösterimlerinde gizlenmişlerdir ve aynştınlamazlar. Fakat zaman-frekans analizi kullanılarak yüzey OİP'leri fonksiyonel bileşenlerine çözümlenebilir. Bu çalışmanın amacı, işitsel OİP'lerdeki spesifik bilişsel süreçler (sinyal ayrımı, motor yanıt ödevi, motor yanıt inhibisyonu ve bağlamın yenilenmesi) ile ilişkili zaman-frekans bileşenlerini ayırt etmektir. Bu amaçla, paradigmaların bilişsel içeriklerinde sistematik değişiklikler yapılarak dört işitsel paradigmadan oluşan deney seti tasarlandı. Spesifik OÎP alt bileşenlerini spesifik bilişsel süreçlere atamak için bu değişikliklerin OÎP yansımaları zaman alanı ve zaman-frekans uzayında incelendi. 16 sağlıklı gönüllüden elde edilen veriler ayrık dalgacık dönüşümü ile 6 set dalgacık katsayısına çözümlendi. Her uyaran koşulu için, her bir deneğin ortalama OİP'lerinden elde edilen orta hat elektrotlarının (Fz, Cz, Pz) alfa, teta ve delta katsayıları ve P200 ve P300 ölçümleri beş-faktör varyans analizi (ANOVA) dizaynı ile incelendi. Zaman alam analizine kıyasla zaman-frekans analizinin sonuçlan farklı koşullarda uyaranın işlenme aşamaları ile ilgili daha detaylı bilgiler sağladı. Fakat, bazı bileşenler paradigma dizisi boyunca değişen topografik dağılımlar gösterdiler. Yani, dalgacık dönüşümü uzaysal olarak üst üste gelen bu olayları kısmen farklı işlevsel alt bileşenlerine çözümleyebildi. Bu nedenle, OİP'leri daha doğru bir şekilde fonksiyonel alt bileşenlerine çözümleyebilmek için uzaysal çözümleme metotları zaman-frekans analizi ile birleştirilmelidir. Anahtar Sözcükler: Olaya İlişkin Potansiyel (OİP), P300, P200, Zaman-frekans Analizi, Dalgacık Dönüşümü.