Исследование параметров электроэнцефалографии при когнитивных нагрузках - Курсовая работа

Интерес к исследованиям электрической активности мозга проявлялся еще в XIX веке. Реймон впервые показал, что мозг, так же как нерв и мышца, обладает электрогенными свойствами. Через 30 лет в конце XIX века известный российский ученый И.М.Сеченов опубликовал свои знаменитые работы «Гальванические явления на продолговатом мозгу лягушки» и «Рефлексы головного мозга». Он впервые установил факт наличия ритмической электрической активности мозга. В 1929 году австрийский психиатр Ганс Бергер впервые осуществил запись электрических потенциалов с поверхности скальпа человека и предложил в дальнейшем называть такую запись «электроэнцефалограмма» (Berger, 1929).Мозг человека, механизмы его деятельности привлекают внимание исследователей самых разных специальностей. Сеченов, опубликовавший в 1863 году книгу “Рефлексы головного мозга”, где впервые был поставлен вопрос о закономерности объективного физиологического подхода к механизмам психической деятельности. Электроэнцефалография как метод исследования головного мозга, основанный на регистрации его электрических потенциалов, зародилась в начале XX века. Начало эры электроэнцефалографии связывают с именем австрийского психиатра Ганса Бергера, который впервые осуществил в 1928 году регистрацию электрических потенциалов головного мозга у человека, используя скальповые игольчатые электроды. В его же работах было приведено описание основных ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) человека и их изменения при различных функциональных пробах и патологических проявлениях в мозге.Как для любого колебательного процесса, основными понятиями, на которые опирается характеристика ЭЭГ, являются частота, амплитуда и фаза. Под понятием частотный ритм ЭЭГ подразумевается определенный тип электрической активности, соответствующий некоторому состоянию мозга, для которого определены границы диапазона частот. Частота 0.5-3 Гц, амплитуда, как правило, превосходит 40МКВ, иногда при сильных патологиях может достигать 300МКВ. Частота 4-6 Гц, амплитуда такая же, как и у дельта-ритма. В большинстве случаев достаточно регулярно наблюдаются спонтанные изменения амплитуды, так называемые модуляции альфа-ритма, выражающиеся в чередующемся нарастании и снижении амплитуды волн с образованием характерных «веретен» - амплитудно-модулированных колебаний ЭЭГ, длительность которых может быть от 2 до 8 секунд.Ряд экспериментов показал, что оценка времени (длительности события), мера выполнения дополнительной задачи, служит надежной и обоснованной мерой когнитивной нагрузки. По этой причине исследователи-практики, начиная с Hart (1975) и Casali и Wierwille (1983, 1984), все больше внимания уделяют исследованиям по оценке длительности событий. Считается, что когда человек работает над трудной или требующей большого внимания задачей, время для него проходит быстро, а если человек работает над задачей легкой или требующей меньшего внимания, ему кажется, что время идет медленно (Block, George, & Reed, 1980; Block & Zakay, 2008; Brown, 2008). По аналогии с этим взглядом некоторые исследователи (e.g., Rammsayer & Brandler, 2007; Zakay, Block, & Tsal, 1999) высказали суждение, что оценки длительности можно считать надежным и обоснованным показателем когнитивной нагрузки, поскольку при этом осуществляются центральные процессы, проходящие с разделением времени, в особенности процессы, связанные с использованием внимания, трудовых навыков или рабочей памяти. Исследования процессов оценки длительности, проводящиеся в последнее время, все больше сосредотачиваются на вопросах, затрагивающих разделение ресурсов внимания между обработкой временной и невременной информации (недавние обзоры публикаций на эту тему см. у Block, 2003; Grondin, 2001, 2008; Zakay & Block, 1997) [Виноградов, 2011, с.Во время исследований испытуемым предъявлялись на экране монитора 8 видов различных заданий, которые относились к двум типам мыслительной деятельности - пространственно-образному и вербально-логическому, по 4 вида каждого типа. В каждом исследовании предъявлялось 240 заданий, по 30 заданий каждого вида. Каждый испытуемый принимал участие в двух исследованиях, длительностью около 1.5 часов, которые проводились в разные дни. Решив задание, испытуемый нажимал кнопку мыши в соответствии с ответом или нажимал левую кнопку и давал ответ вслух. Время решения заданий было ограничено 30 с: если в течение этого времени ответа не было, то задание убиралось с экрана и предъявлялось следующее.Полученные электроэнцефалографические данные подвергали классификации по типу решаемых задач. Полученные от каждого испытуемого данные разбивали на обучающую и контрольную выборки. Разбиение данных на обучающую и контрольную выборки осуществляли следующим способом: данные одного исследования, соответствовавшие решению заданий, разбивали случайным образом на две половины, одна из которых становилась половиной учебной, а другая - половиной контрольной выборки. На вход обучаемого классификатора подавали не сами электроэнцефалографические кривые, а

Содержание электроэнцефалографический когнитивный выборка нагрузка

Введение

1. Теоретические основы электроэнцефалографического сигнала

1.1 Общие сведения об электроэнцефалографии

1.2 Основные параметры электроэнцефалографического сигнала

1.3 Оценка длительности событий как мера когнитивной нагрузки

2. Материалы и методы исследования

2.1 Испытуемые, характер предъявляемых задач и ход эксперимента

2.2 Формирование обучающей и контрольной выборок данных для целей классификации

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Результаты классификации когнитивных состояний по ЭЭГ с помощью ИНС

3.2 Частотно-временной анализ полученных ЭЭГ данных

3.3 Обсуждение результатов

Заключение

Список использованной литературы

Актуальность исследования. Интерес к исследованиям электрической активности мозга проявлялся еще в XIX веке. В 1849 году Д. Реймон впервые показал, что мозг, так же как нерв и мышца, обладает электрогенными свойствами. Через 30 лет в конце XIX века известный российский ученый И.М.Сеченов опубликовал свои знаменитые работы «Гальванические явления на продолговатом мозгу лягушки» и «Рефлексы головного мозга». Он впервые установил факт наличия ритмической электрической активности мозга. В начале ХХ века В.В. Правдич-Неминским с помощью струнного гальванометра была впервые проведена регистрация электрической активности мозга собаки. Регистрация биотоков мозга человека не заставила себя долго ждать. В 1929 году австрийский психиатр Ганс Бергер впервые осуществил запись электрических потенциалов с поверхности скальпа человека и предложил в дальнейшем называть такую запись «электроэнцефалограмма» (Berger, 1929). Метод получил широкое признание и по сей день является одним из основных методов регистрации мозговой активности.

С тех пор, как была получена первая ЭЭГ человека, ученые пытаются ее расшифровать. Спустя некоторое время после опытов Ганса Бергера английские ученые Эдриан и Мэттьюс описали так называемый «ритм Бергера» (Adrian, Mattews, 1934), ныне известный как альфа-ритм. Из этой, и впоследствии многих других работ (например, Lehman, 1980; Gath et al., 1983, Шишкин, 1997), стало ясно, что ритмы ЭЭГ обладают веретенообразным характером и весьма подвижной динамикой. В течение ХХ века для анализа ЭЭГ было разработано немалое количество различных математических методов, однако до сих пор функциональное значение многих ритмов, проявляющихся во время когнитивной деятельности, остается невыясненным.

Цель курсовой работы - исследовать параметры ЭЭГ при когнитивных нагрузках.

В ходе исследования предстояло выполнить следующие задачи: 1. Разработать экспериментальную модель и провести серию экспериментов для выявления характерных признаков ЭЭГ, возникающих при выполнении пространственно-образных и вербально-логических заданий.

2. На основе экспериментальных данных определить возможность распознавания принципиальных типов мышления по коротким отрезкам ЭЭГ с помощью искусственной нейросети.

3. Используя метод вейвлет-анализа, исследовать частотно-временную динамику ЭЭГ сигнала при выполнении пространственно-образных и вербально-логических заданий.

Объект исследования: проявления утомления в психике, поведении и психофизиологических показателях.

Предмет исследования: механизмы утомления в процессе когнитивной деятельности и их отражение в комплексе субъективных, поведенческих, психофизиологических и молекулярно-генетических показателей.

Методы исследования: спектральные методы, такие как преобразование Фурье и вейвлет-анализ, математические алгоритмы искусственных нейросетей для статистического и количественного анализа данных.

Структура курсовой работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы.