High frequency brain potentials evoked in humans by optic stimulation

Abstract

O Z E T Bu çalışmada, optik uyarım i `I e insandan elde edilen uyarılma potansi yellerinde^ yüksek frekanslı bileşenler araştırılmaktadır. Çalışma kuram sal bakımdan Başar ve arkadaşlarının Hacettepe üniversitesi kapsamındaki Biyofizik Enstitüsünde yaptıkları araştırmalardan vardanım ştır. Konusu bakımından* sözü edilen yazarlar tarafından yönetilen araştırmaların bir sonucu ve bir devamı sayılabilir. Aynı şekilde» uygulanmış olan analiz yöntemi Başar'ın `biyolojik sistemler analizi programı` (1974; 1976) uya rınca saptanmıştır. Araştırmalarda» Biyofizik Enstitüsünün Beyin Laboratuvannda kurulmuş olan deneysel düzenden yararlanılmıştı r (Şekil 10). Denek olarak yetişkin normal insanlar kullanılmıştır.' Uyarım görsel impuls fonksiyonu şeklinde olup kayıtlar» vertekse yerleştirilmiş yüzey elektrotlarından alınmıştır. Kaydedilen her uyarılma potansiyeli» kesme frekansı 80 Hz veya 200 Hz olan yüksek-geçiren filtrelerle elektronik olarak filtre'lenmiş ve Varian 620/L bilgisayarı tarafından yarı-konvansiyonel bir ortalama yöntemi ile on-line olarak ortalama işlemine tabi tutulmuştur. Bu çalışmadaki veriler» filtre 'lenmiş uyarılma potansiyellerinin kullanımı ile elde edilmiş olan ortalama uyarılma potansiyelleridir. Değişik analizlerde ortalama uyarılma potansi yellerini oluşturan 512 gerçek veri noktasının tümü» ilk 256 gerçek veri noktası veya i.lk 128 gerçek veri noktası kullanılmıştır. Son iki durumda veri dizisi sıfır değerlerinin katılması ile 512 veri noktasına tamamlanmış tır. Ortalama işleminin uygulanmasındaki arnaç» uyarılma potansiyellerinin artifaktlardan arınmış ve asıllarına uygun bir biçimde elde ed i leb il mel e- ivridir. Toplanı kayıt zamanı, frekans ve zaman rezolusyorıları için olan de ğerlerin Sinyal Analizi Kuramına (Signal Processing Theory) (Bendat ve Piersol, 1967) uygun biçimde seçilmeleri; yüksek frekanslı bileşenlerin elde edilebilmelerini kolaylaştırmıştır. Filtreler ve giderek azalan sayı da gerçek veri noktalarının kabulü ile de, aynı zamanda kısa latansa sahip olan yüksek frekanslı bileşenlere ağırlık tanınmıştır. Verilerin analizinde, zamansal cevap-frekans karakteristikleri yönte mi uygulanmıştır. Bu yöntem ile, ortalama uyarılma potansiyellerinden ha reketle genlik frekans karakteristikleri hesaplanmıştır. Değişik filtre ve analiz koşullarında elde edilen ve tek deneklere ilişkin olan genlik fre kans karakteristikleri 80 Hz (200 Hz).. 2000 Hz'i kapsayan bir frekans spektrumu içinde çeşitli zirveler vermiştir. Kesme frekansı 80 Hz olan filt renin uygulanıp 512 gerçek veri noktasının analiz edildiği ve tek denemelere ilişkin genlik frekans karakteristiği eğrilerinde 80 Hz, 200-300 Hz, 300- 400 Hz, 500-600 Hz, 700 Hz, 900-1400 Hz ve 2000 Hz gibi frekans pozisyonu ve frekans alanlarında zirveler gözlenmiştir. 256 gerçek veri noktasının analız edildiği durumlardaki zirveler ise 200-300 Hz, 500-600 Hz, 700-800 Hz, 700-1100 Hz ve 2000 Hz'lerde olmuştur. Kesme frekansı 200 Hz olan filt renin uygulanıp 512 gerçek veri noktasının analiz edildiği tek denemelere ilişkin genlik frekans karakteristiği eğrilerinde 200-400 Hz, 400-600 Hz, 600-900 Hz ve 1000 Hz frekans pozisyonu ve frekans alanlarında zirveler gözlenmiştir. 256 gerçek veri noktasının analiz edildiği durumlarda ortaya çıkan zirveler ise 200-300 Hz, 300-400 Hz, 400-600 Hz, 600-900 Hz ve 700- 1000 Hz'lerde olmuştur. Değişik deneysel koşullar için ortalama genlik frekans karakteristikle ri hesaplandığında, tek denemelere ilişkin genlik karakteristiklerinde göz lenen zirvelerin pek çoğunun ortalama genlik karakteristiklerinde de ortaya çıktığı görülmektedir. Aynı deneysel koşul altında elde edilip denekler ara sında ve aynı deneğin değişik denemelerinde tutarlı bir, biçimde ortaya çıkan zirveler, Başar ve arkadaşları (1975 b) tarafından `değişmez seçici frekans maksimumları`; bu maksimumlara ilişkin frekans alanları ise `değişmez seçici bantlar` olarak isimlendiri'lmektedir. Kesme frekansı 80 Hz olan filtrenin uygulanıp 512 gerçek veri noktasının analiz edildiği durumlarda 80 Hz, 200 Hz, 400 Hz, 600 Hz, 700 Hz, 900 Hz ve 1100 Hz'lerde değişmez seçici fre kans maksimumları gözlenmiştir. 256 gerçek veri noktasının analiz edildiğidurumlardaki değişmez seçici maksimumlar ise 200 Hz ve 1100 Hz'dedir. Bunun yanında 300 Hz maksimumu ve 500-700 Hz ile 700-1000 Hz değişmez seçici bant ları ndaki maksimumlar daha az belirgindir. Kesme frekansı 200 Hz olan filt renin uygulanıp 512 gerçek veri noktasının analiz edildiği durumlara ait de ğişmez seçici maksimumlar 200 Hz, 300 Hzs 500 Hz, 700 Hz ve 1000 Hz'de göz lenmiştir. 256 gerçek veri noktası analiz edildiğinde ise değişmez seçici bantlar 200-400 Hz, 400-600 Hz ve 600-900 Hz'lerde görülmüştür. Daha yüksek frekans değerlerinde ise; 1100 Hz ve 1400 Hz'de değişmez seçici maksimumlar gözlenmiştir. Verilerin temsili ve tanıtılmasında tutulan bir diğer yol, 80 Hz veya 200 Hz yüksek geçiren filtrelerin kullanıldığı deneysel koşulların herbiri için hazırlanmış olan histogramlardır. Bu histogramlar, aynı deneysel ko şulun değişik denemelerinde saptanmış olan maksimumlara ilişkin merkez fre kansların sayımı esasına dayanmaktadır. Gerek belirginlik ve gerekse kapsa nan frekans pozisyonu bakımından, histogram zirveleri ile değişmez seçici maksimumlar arasında büyük bir benzerlik görülmüştür. Değişik filtre koşullarına ilişkin genlik karakteristiklerinin tümün den genel ortalama genlik karakteristikleri hesaplanmıştır. Bundaki amaç, değişik filtre değerlerinden bağımsız olarak, tutarlı bir biçimde var ola bilecek bileşenlere ağırlık tanımaktır. Bu. yolla; 500 Hz, 700 Hz, 1100 Hz ve 1400-2500 Hz'lerde belirgin, 900 Hz'de ise daha az belirgin maksimumlar gözlenmiştir. Değişik gerçek veri noktası analizlerinin, maksimumların bu lunduğu frekans pozisyonuna ilişkin değerlerde bir farklılık yaratmadığı görülmüştür. Aynı` şekilde, genel ortalama genlik karakteristikleri ile or talama genlik karakteristiklerinden saptanan maksimumlar arasında frekans değerleri açısından büyük bir benzerlik olduğu gözlenmiştir. Genel ortalama genlik karakteristiği eğrileri, 500 Hz'den daha düşük değerlere sahip bile şenler bakımından güvenilir değildir; zira bu gibi bileşenler uygulanmış olan filtrelerin kesme etkisi alanına girmektedirler. Bu çalışmada, insan deneklerden elde edilip yüksek frekans bileşenleri bakımından vurgulanmış olan görsel uyarılma potansiyellerinin matematiksel bir izahı yapılmaktadır. Çalışmadan elde edilmiş olan bulgular ve vardanmış olan soyut ilkeler; benzeri araştırmalara olduğu kadar, olayın nörolojik ilintilerini saptamaya yönelik yeni araştırmalara da ışık tutucu nitelikte olabilir. vı

ABSTRACT This study is an investigation of the high frequency responses evoked by optic stimulation in humans. In terms of its theoretical basis5 the study is a derivation of the investigations carried out by Başar and colle agues in the Biophysics Institute of Hacettepe University. Accordingly, the theme of the study can be considered an outcome and extension of the re searches conducted by the above mentioned authors. Likewises the method of analysis in the study is determined by Başar' s `biological systems analysis program` (1974; 1976). The investigations for this study were carried out using the experi mental set-up that had been established in the Brain Laboratory of the Bio physics Institute (Fig. 10). Normal adults were used as subjects. Stimula tion was in the form of visual impulse functions and recordings were made through scalp electrodes located at the vertex. Each of the recorded evoked potentials was filtered by means of electronic high-pass filters with 80 Hz or 200 Hz cut-off frequencies. Then, on-line averaging was applied using a quasi -conventional averaging method by the Varian 620/L computer. The data of this study comprises these averaged evoked potentials which were based on filtered visual evoked potentials. The averaged evoked potentials were analyzed totally in terms of 512 real data points > by the first 256 real data points, or by the first 128 real data points. In the last two instan ces, the data set was completed to 512 by the addition of zeros. Averaging was done to obtain the averaged evoked potentials in their veridical form. Consideration of the principles of Signal Processing Theory (Bendat and Piersol, 1967) when choosing the total record time, frequency and time viiresolution values for the study rendered obtaining high frequency responses more tenable. Added weight was given to the high frequency responses that also possess short latency by the application of filters and acceptance of an increasingly smaller number of real data points. In the study, the data were analyzed by the application of the tran sient response-frequency characteristics method. Through this method» the amplitude frequency characteristics were computed using the averaged evoked potentials. Taken as a whole, single case amplitude characteristics revealed maxima between 80 Hz - 2000 Hz frequency spectrum under different filter conditions. In 80 Hz filter conditions amplitude characteristics of diffe rent subjects revealed maxima at such frequency ranges or positions as 80- 100 Hz, 200-300 Hz, 300-400 Hz, 500-600 Hzs 700 Hz and 900-1400 Hz when 512 real data points were analyzed; and at 200-300 Hz, 500-600 Hz, 700-800 Hz, 700-1100 Hz and 2000 Hz when 256 real data points were analyzed. The amplitude characteristics of different subjects in 200 Hz filter condition revealed maxima at 200-400 Hz, 400-600 Hz, 600-900 Hz and 1000 Hz frequency range or positions when 512 real data points were analyzed; and at 200-300 Hz, 300-400 Hz, 400-600 Hz, 600-900 Hz and 700^1000 Hz when 256 real data points were analyzed. Mean value amplitude frequency characteristics were computed for different experimental conditions. Most of the maxima depicted from the single case amplitude characteristics were also revealed by the mean value curves. Being consistently revealed in a given experimental condition infer- and intra-individually, these maxima and relevant frequency ranges are, using the terminology employed by Başar et. al., (1975 b), `consistent maxima` and `consistent selectivities`, respectively. In 80 Hz filter condition, con sistent maxima were observed at 80 Hz, 200 Hz, 400 Hz, 600 Hz, 700 Hz, 900 Hz, 1100 Hz frequency positions when 512 real data points were analyzed. When 256 real data points were analyzed, consistent maxima were revealed at around 200 Hz and 1100 Hz frequency positions, with those at 300 Hz, 500-700 Hz, 700-1000 Hz being less prominent. In 200 Hz filter condition, consistent maxima were observed at 200 Hz, 300 Hz, 500 Hz, 700 Hz, and 1000 Hz fre quency positions when 512 real data points were analyzed. In the analysis of 256 real data points, consistent selectivities were observed at 200-400 Hz, 400-600 Hz, and 600-900 Hz. In the higher frequency levels, consistent viiimaxima were observed at 1100 Hz and 1400 Hz frequency positions. As another way of representing the data» histograms were made for each of the 80 Hz and 200 Hz high-pass fil.ter conditions. They were based on a frequency count of the center frequencies of maxima from different cases. The consistent maxima were observed to be closely paralleled by the peaks in the histograms both in terms of distinctness and the relative frequency position occupied. Overall mean value amplitude characteristics were computed using the amplitude characteristics derived from all filter conditions. The aim was to give added weight to any consistent component that might exist re gardless of different filters. Overall mean value curves revealed maxima at 500 Hz, 700 Hz, 1100 Hz, and 1400-2500 Hz frequency values, with a less prominent maximum at 900 Hz. Under 512 or 256 real data points analysis, the maxima were observed at closely similar frequency positions. Similarity was also noted in the frequency positions of the maxima as revealed by the mean value and overall mean value curves. Below 500 Hz, the overall mean value curves were not considered reliable because of the attenuating effect of the filters. By this study, a mathematical -description of the visual evoked potentials of humans is achieved, emphasized for high frequency components. By its results and the inferred abstract principles; this study might be enlightening both for other similar studies, and for those investigating the neurological correlates of the phenomenon. IX