Szacowanie istotności statystycznej zmian w mocy sygnału EEG związanego z bodźcem

• Autorzy: Żygierewicz J. , Durka P. , Mazurkiewicz J. , Crone N. , Franaszczuk P.

Warianty tytułu

EN

Estimation of statistical significance of event related EEG power changes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Interesujących danych na temat przetwarzania informacji przez mózg dostarczają badania zmian synchronizacji aktywności komórek piramidowych kory mózgowej związanych z reakcjami na proste zdarzenia. Zmiany synchronizacji przejawiają się jako zmiany mocy sygnału EEG lub ECoG. Szacowanie istotności statystycznej tych zmian mocy stwarza kilka praktycznych problemów. W artykule zaproponowano kompleksowe ich rozwiązanie. Składa się ono z następujących kroków: oszacowania gęstości energii sygnału EEG w dziedzinie czas-częstość, wyznaczenia średnich zmian mocy, oszacowania ich istotności statystycznej wraz z poprawkami na wykonywanie testów wielokrotnych oraz weryfikowania hipotez dotyczących współzależności zmian zachodzących w różnych pasmach częstości.

EN

Event related changes in the synchronization of pyramidal neurons activity are a valuable source of information about the information processing in the brain. These changes can be measured as the changes in the power of EEG or ECoG signal. This paper presents a methodology of estimating the statistical significance of those changes. It consists of the following steps: estimation of signal energy density in the time-frequency space, computation of mean relative changes of power and assessment of their significance with the respect of multiple comparison problem, and testing the hypothesis concerning the possible covariance of different band-power changes. Usefulness of this methodology is presented on ECoG data.

Słowa kluczowe

PL

ERD; ERS; mapy statystyczne; czasowo-częstotliwościowe rozkłady gęstości energii sygnału; korelacje krótkoczasowe

EN

ERD; ERS; statistical maps; time-frequency energy density; short-time covariance

• Wydawca: Uniwersytet Jagielloński - Collegium Medicum ; Index Copernicus Sp. z o.o.
• Czasopismo: Bio-Algorithms and Med-Systems
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 1, no. 1/2
• Strony: 339--347
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., wykr.

Twórcy

autor

Żygierewicz J.

• Zakład Fizyki Biomedycznej, Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski, Warszawa

autor

Durka P.

• Zakład Fizyki Biomedycznej, Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski, Warszawa

autor

Mazurkiewicz J.

• Zakład Fizyki Biomedycznej, Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski

autor

Crone N.

• Department of Neurology, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, USA

autor

Franaszczuk P.

• Zakład Fizyki Biomedycznej, Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski, Warszawa

Bibliografia

• 1. Benjamini Y., Yekutieli Y.: The control of the false discovery rate under dependency, Ann. Stat. 29, 1165-1188, 2001.
• 2. Box G. E. P., Cox D. R.: An analysis of transformations, Journal of the Royal Statistical Society 2, 211-252, 1964.
• 3. Conover W. J.: Practical Nonparametric Statistics, Wiley, New York, 1980.
• 4. Crone N. E., Boatman D., Gordon B. Hao L.: Induced electrocorticographic gamma activity during auditory perception, Clinical Neurophysiology 112, 565-82, 2001a.
• 5. Crone N. E., Hao L., Hart Jr J., Boatman D., Lesser R., Irizarry R.: Electrocorticographic gamma activity during word production in spoken and sign language, Neurology 57, 2045-53, 2001b.
• 6. Crone N. E., Miglioretti D. L., Gordon B., Lesser R. P.: Functional mapping of human sensorimotor cortex with electrocorticigraphic spectral analysis II. Event-related synchronization in the gamma band, Brain 121, 2301-315, 1998a.
• 7. Crone, N. E., Miglioretti D. L., Gordon B., Sieracki J. M., Wilson M. T., Uematsu S.: Functional mapping of human sensorimotor cortex with electrocorticographic spectral analysis I. Alpha and beta event-related desynchronization, Brain 121, 2271-2299, 1998b.
• 8. Durka P., Żygierewicz J., Klekowicz H., Ginter J., Blinowska K.: On the statistical significance of event-related EEG desynchronization and synchronization in the time-frequency plane, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 51 (7), 1167- 1175, 2004.
• 9. Durka P. J., Ircha D., Blinowska K. J.: Stochastic time-frequency dictionaries for matching pursuit, IEEE Tran Signal Process, 49 (3), 507-510, 2001a.
• 10. Durka P. J., Ircha D., Neuper C., Pfurtscheller G.: Time- frequency microstructure of event-related desynchronization and synchronization, Med Biol Eng Comput 39 (3), 315-321, 2001b.
• 11. Efron B., Tibshirani R. J.: An Introduction to the Bootstrap, Chapman& Hall, 1993.
• 12. Ginter Jr, J., Blinowska K. J., Kamiński M., Durka P. J.: Phase and amplitude analysis in time-frequency space-application to voluntary finger movement, Journal of Neuroscience Methods 110, 113-124, 2001/
• 13. Graimann B., Huggins J. E., Levine S. P., Pfurtscheller G.: Visualizationof significant ERD/ERS patterns in multichannel EEG and ECoG data, Clinical Neurophysiology 113, 43-47, 2002.
• 14. Holmes A. P.: Statistical issues in functional brain mapping, Praca Doktorska, Uniwersytet w Glasgow, 1994, dostępna w internecie pod adresem: http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/doc/theses/andrew/
• 15. Hyde S.: Likelihood based inference on the Box-Cox family of transformations: Sas and Matlab programs, Tech. rep., Mathematical Sciences, Montana State University, dostępny w internecie pod adresem: www.math.montana.edu/hyde/papers/mspape.pdf
• 16. Kaiser J., Lutzenberger W.: Induced gamma-band activity and human brain function, Neuroscientist 9, 475-84, 2003.
• 17. Lachaux J.-P., Rodriguez E., Martinerie J., Adam C., Hasboun D., Varela F. J.: A quantitative study of gamma-band activity in human intracranial recordings triggered by visual stimuli, European Journal of Neuroscience 12, 2608-2622, 2000.
• 18. Makeig S.: Auditory event-related dynamics of the EEG spectrum and effects of exposure to tones. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 86, 283-293, 1993.
• 19. Mallat S., Zhang Z.: Matching pursuit with time-frequency dictionaries, IEEE Tran Signal Process, 41, 3397-3415, Dec 1993.
• 20. Pfurtscheller G.: EEG event-related desynchronization (ERD) and event-related synchronization (ERS), In: Niedermayer, E., Lopes da Silva, F. H. (Eds.), lectroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications and Related Fields, 4th Edition. Williams & Wilkins, pp. 958-965, 1999a.
• 21. Pfurtscheller G.: Quantification of ERD and ERS in the time domain. In: Pfurtscheller G., Lopes da Silva F. H. (Eds.), Event- related desynchronization. Vol. 6. Elsevier, pp. 89-105, 1999b.
• 22. Pfurtscheller G., Flotzinger D., Neuper C.: Differentiation between finger, toe and tongue movement in man based on 40 Hz EEG, Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 90, 456-460, 1994.
• 23. Pfurtscheller G., Lopes da Silva F. H.: Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles, Clinical Neurophysiology 110, 1842-1857, 1999.
• 24. Pfurtscheller G., Stancak Jr, A. C. N.: Post-movement beta synchronization. A correlate of an idling motor area? Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 98, 281-93, 1996a.
• 25. Pfurtscheller G., Stancak Jr, A., Neuper C.: Event-related synchronization (ERS) in the alpha band-an electrophysiological correlate of cortical idling: a review. International Journal of Psychophysiology 24, 39-46, 1996b.
• 26. Tallon-Baudry C., Bertrand O.: Oscillatory gamma activity in humans and its role in object representation. Trends Cogn Sci 3, 151-162, 1999.
• 27. Tallon-Baudry C., Bertrand O., Delpuech C., Pernier J.: Stimulus specificity of phase-locked and non-phase-locked 40Hz visual responses in human, Journal of Neuroscience 16 (13), 4240- 4249, 1996.
• 28. Welch B.: The significance of the difference between two means when the population variances are unequal. Biometrika 29, 350- 362, 1938.
• 29. Westfall P. H., Young S. S.: Resampling-Based Multiple Testing. John Wiley & Sons, 1993.
• 30. Żygierewicz J., Durka P. J., Klekowicz H., Franaszczuk P. J., Crone N. E.: Computationally efficient approaches to calculating significant ERD/ERS changes in the time-frequency plane, Journal of Neuroscience Methods, przyjęty do druku, 2005.