PROYECTO DE GRADO
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIER´IA
DEPARTAMENTO DE INGENIER´IA BIOM´EDICA
Para obtener el t´ıtulo de
INGENIERA BIOM´EDICA
por
Yolanda Catalina D´ıaz Sep´ulveda
An´alisis de se˜nales de electroencefalograf´ıa (EEG) para determinar las zonas fronto-parietales del cerebro que se activan durante sue˜no REM
(Rapid Eye Movement)
Sustentado el 17 de Junio de 2016 frente al jurado:
- Asesor: Mario Andr´es Valderrama Manrique PhD, Profesor Asistente, Universidad de Los Andes
- Jurados : Pablo Andr´es Arbel´aez Escalante PhD, Profesor Asistente , Universidad de Los Andes
A ti mam´a, que hiciste el m´as grande de los esfuerzos para darme la mejor educaci´on. Este logro lo compartimos juntas.
Agradecimientos
Quiero agradecer a mi mam´a y a mi familia por la paciencia que me tuvieron. A mi asesor, Mario Valderrama, por su incondicional apoyo y por su dedicaci´on. Sin ustedes, la elaboraci´on de este proyecto no hubiese sido posible.
Tabla de contenido
Agradecimientos i
1 Introducci´on 1
2 Planteamiento del problema y Alcance 3
2.1 Planteamiento del problema . . . 3
2.2 Alcance . . . 3
3 Objetivos y cronograma planteado 4 3.1 Objetivo General . . . 4
3.2 Objetivos espec´ıficos . . . 4
3.3 Cronograma . . . 4
4 Marco te´orico, conceptual e hist´orico 5 4.1 Marco te´orico y conceptual . . . 5
4.1.1 Clasificaci´on se˜nales cerebrales . . . 5
4.1.2 Clasificaci´on etapas de sue˜no . . . 5
4.1.3 Potencia RMS o promedio . . . 7
4.1.4 Correlaci´on . . . 7
4.1.5 Mapeo cerebral . . . 8
4.1.6 Coordenadas Neuromag . . . 9
4.2 Marco hist´orico . . . 9
4.2.1 Sue˜no REM . . . 9
4.2.2 Regiones fronto-parietales en sue˜no REM [12] [13] . . . 13
5 Metodolog´ıa del trabajo 14 5.1 Noches y electrodos . . . 14
5.1.1 Ubicaci´on de electrodos . . . 17
5.1.2 Distribuci´on de electrodos . . . 17
5.1.3 Hipnograma . . . 17
5.1.4 Sue˜no REM . . . 19
5.2 Trabajo realizado . . . 21
5.2.1 Sue˜no REM . . . 21
5.2.2 An´alisis Estad´ıstico y mapeo cerebral . . . 21
6 Resultados 24 6.1 Distribuci´on electrodos . . . 24
6.2 Resultados de medias de la potencia y ubicaci´on espacial . . . 25
6.3 Resultados de matrices de adyacencia . . . 32
7 Discusi´on 35 7.1 Bandas theta y beta . . . 35
8 Conclusiones y trabajo futuro 36 8.1 Trabajo Futuro . . . 36
TABLA DE CONTENIDO iii
´
Indice de figuras
3.1 Cronograma propuesto para el desarrollo del proyecto . . . 4 4.1 Clasificaci´on de los diferentes tipos de ondas de la actividad cerebral. Tomado
de [7] . . . 5 4.2 Resumen de la din´amica de las diferentes etapas del sue˜no seg´un la AASM.
Tomado de [3] . . . 7 4.3 Ejes del mapeo Talairach. Tomado de [15] . . . 9 4.4 a. Pons b. Comp. Amigdaloides c. T´alamo d.Op´erc. Parie. Der e. Corteza
cingular anterior. Tomado de [4] . . . 11 5.1 Ejemplo de vista de una noche completa para la el sujeto 81802 y el electrodo
TBC6 en el Giro Fusiforme . . . 15 5.2 Explicaci´on del tipo de archivos que contienen informaci´on espacial y frecuencial. 16 5.3 Ejemplo de la potencia RMS para la banda 0.3-4 Hz de la noche 81802 . . . 16 5.4 Ubicaci´on de todos los electrodos de las 5 noches y cada color representa una
de ellas: rojo 44202, verde 54802, azul 63502, morado 81802 y azul claro 91602 17 5.5 Interfaz de usuario de la aplicaci´on gratuita para la b´usqueda de coordenadas
Talairach . . . 18 5.6 Distribuci´on de los electrodos seg´un el hemisferio y el l´obulo en el que se
en-cuentran . . . 18 5.7 Distribuci´on de los electrodos seg´un el ´area en el que se encuentran . . . 19 5.8 Ejemplo de c´omo se lleva a cabo la clasificaci´on de las etapas de sue˜no a partir
del registro polisomnogr´afico en tiempo-frecuencia y potencia . . . 20 5.9 Hipnogramas que se obtienen para las cinco noches que se van a analizar . . . . 20 5.10 Duraci´on promedio de sue˜no REM por noche y en promedio . . . 21 5.11 Diagrama de la selecci´on de los componentes de tiempo y frecuencia en sue˜no
REM para cada noche . . . 22 5.12 Diagrama del estudio estad´ıstico realizado para encontrar las ´areas del cerebro
que se activan durante sue˜no REM. . . 22 6.1 Distribuci´on porcentual de electrodos por hemisferior, l´obulo y ´area del cerebro. 24 6.2 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 0.3-4.0 Hz . . . 25 6.3 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 4-8 Hz . . . 26 6.4 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 8-12 Hz . . . 27 6.5 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 12-18 Hz . . . 28 6.6 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 18-30 Hz . . . 28 6.7 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 30-49 Hz . . . 29 6.8 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 51-99 Hz . . . 30
´INDICE DE FIGURAS v
6.9 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la
banda 101-199 Hz . . . 31
6.10 Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 201-420 Hz . . . 32
6.11 Las dos regiones m´as y menos activadas para cada una de las bandas estudiadas. 32 6.12 Ejemplo de matrizde adyacencia: matriz de adyacencia para la noche 81802 . . 33
A.1 Matriz de adyacencia para la noche 44202 . . . 39
A.2 Matriz de adyacencia para la noche 54802 . . . 40
A.3 Matriz de adyacencia para la noche 63502 . . . 41
´
Indice de tablas
4.1 Regiones relacionadas con la activaci´on de s´ıntomas durante sue˜no REM. Tomado de [8] . . . 12 4.2 Regiones de activaci´on y desactivaci´on durante sue˜no REM, despu´es de la
in-ducci´on de esta etapa en el tegmento pontino. Tomado de [8] . . . 12
1. Introducci´
on
El estudio del sue˜no, desde el punto de vista m´edico, se remonta al principio del siglo XX cuando Henri Pieron escribi´o un libro en el que hacia un estudio del sue˜no desde el punto de vista fisiol´ogico. Despu´es, el Doctor Nathaniel Kleitman empez´o su trabajo al hacerse preguntas acerca de la regulaci´on del sue˜no y la conciencia, as´ı como de los ciclos circadianos. Pero el trabajo m´as importante del Doctor Kleitman estuvo enfocado en estudios de las car-acter´ısticas del sue˜no para diferentes poblaciones y el efecto que tiene la privaci´on del sue˜no en las personas. Ya en 1953, el Doctor Eugene Aserinsky, hizo los primeros descubrimientos en lo que se refiere a sue˜no REM. Continuando con la investigaci´on realizada por Kleitman y Asrinsky, el Doctor William Dement hizo estudios con respecto a la naturaleza de sue˜no nocturno y la relaci´on entre sue˜no REM y los sue˜nos. [1]
El sue˜no es un estado de inconciencia humana en el que se producen la mayor cantidad de procesos de desarrollo (f´ısico y cognitivo), asimilaci´on de la memoria y conocimiento, y la producci´on de enso˜naciones. Ahora bien, diferentes estudios han demostrado que una buena cantidad de horas de sue˜no pueden derivarse en la mejor´ıa del nivel de aprendizaje y atenci´on, la toma de decision y la creatividad de una persona. Sin embargo, una persona que es pri-vada del sue˜no o tiene problemas para dormir tiende a tener enfermedades relacionadas con: crecimiento, relaciones interpersonales, depresi´on, aprendizaje, control de las emociones y el comportamiento, entre otras [2].
En los estudios que se han realizado sobre sue˜no, se han podido definir diferentes etapas, las cuales est´an caracterizada por diferentes ritmos cerebrales y por variaciones en la activaci´on regional cerebral. Es as´ı c´omo se plantearon dos grandes ramificaciones del sue˜no: la fase N-REM (Non-Rapid Eye Movement) y la REM (Rapid Eye Movement). Para lograr esta divisi´on se hicieron varios estudios por medio de la adquicisi´on de se˜nales de electroencefalo-graf´ıa, electrooculogramas y electromiograf´ıas en el ment´on [3].
En 1968, a partir de las dos ramificaciones del sue˜no N-REM y REM, el sue˜no se clasific´o en seis etapas diferentes. Estas fueron determinadas a partir del manualManual of Standarized Terminology, Techniques and Scoring System of Sleep Stages of Human Subjects, el cual fue desarrollado por Rechtschaffen y Kales (R & K). Seg´un esta gu´ıa, el sue˜no N-REM se divide en etapas 1, 2, 3 y 4; el sue˜no REM es la etapa REM y la primera etapa es llamada Wake (Conciencia). Ahora bien, despu´es de esta primera nomenclatura y, diferentes estudios real-izados por la AASM (American Academy of Sleep Medicine), ahora se manejan ´unicamente cinco etapas: cinco N-REM, REM y Wake [3].
Como ya se mencion´o, el sue˜no est´a asociado con la asimilaci´on de la memoria y el conocimiento y, m´as ampliamente, a estos procesos se ha relacionado el sue˜no REM. se ha demostrado en diferentes estudios, pues en estos se ha descubierto que durante esta etapa hay una activaci´on neuronal intensa, as´ı como movimientos oculares, atonia muscular y enso˜naciones [4] . Adi-cionalmente, los sue˜nos que se producen durante esta etapa han demostrado estar relacionados con la memoria inmediata, as´ı como con la corteza visual. Esto indica, seg´un [6], que du-rante los sue˜nos producidos en esta fase la persona logra observar cosas que se encuentran en su memoria y, es por esto que, los sitios que presentan mayor activaci´on est´an relacionados con el hipocampo, la corteza visual, la corteza parietal (Giro Supramarginal) y los complejos
CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ´ON 2
amigdaloides, entre otras [4].
Ahora bien, el inter´es de este proyecto de grado es determinar las zonas fronto-parietales del cerebro que se activan durante la etapa de sue˜no REM a partir de an´alisis realizados sobre mediciones de EEG intracraneales para diferentes noches. Para ello se va a utilizar una base de datos de cinco noches con diferentes electrodos intracraneales y, a partir de esto, se va a hacer un estudio de la activaci´on regional a partir de la media potencia RMS y de la relaci´on que exista en la activaci´on entre electrodos para cada noche. Para mostrar la activaci´on regional se va a utilizar una herramienta desarrollada en MATLAB por el profesor Mario Valderrama, en la cual se van a ubicar, en un modelo 3D del cerebro, los diferentes electrodos para cada noche con variaci´on en el tama˜no y en el color, seg´un su activaci´on.
2. Planteamiento del problema y Alcance
2.1
Planteamiento del problema
La finalidad de este proyecto es reconocer las regiones cerebrales que se activan durante sue˜no REM y con esta informaci´on, concluir acerca de las similitudes que esta tiene con respecto a la activaci´on que ocurre durante la conciencia. Diferentes estudios han demostrado que entre estas dos etapas hay similitudes de activaci´on y de utilizaci´on de algunas zonas, pues como se ver´a m´as adelante, durante sue˜no REM y durante la conciencia hay un amplio uso de la corteza visual y de regiones relacionadas con la memoria y la asimilaci´on de conocimientos.
Desde hace varios a˜nos se cree que la actividad cerebral de pacientes en coma, describen un movimiento casi lineal. Sin embargo, estudios actuales realizados en pacientes que han sido inducidos en coma para controlar sus crisis epil´epticas, se ha encontrado actividad cerebral que se origina en el hipocampo, el cual corresponde a la zona del cerebro responsable de la memoria y de procesos de aprendizaje. Si se mira la zona en que se origina el sue˜no REM y las actividades que se realizan durante enso˜naciones, se puede ver que ambos est´an relacionados. Por esto, si se hacen estudios relacionados con la investigaci´on de las ´areas del cerebro que se activan durante sue˜no REM permitir´ıa, en un futuro realizar avances en excitaciones externas que permitan despertar a pacientes en coma.[5]
Ahora bien, durante periodos de vigilia o de conciencia, las ondas cerebrales que se producen para generar procesos cognitivos se originan en zonas relacionadas con el procesamiento de informaci´on y de memorizaci´on (T´alamo e Hipot´alamo). Si se miran los procesos que acarrea el sue˜no REM durante un sue˜no se puede ver que activan zonas similares pues, aunque no permite el movimiento muscular, se necesitan de procesos cognitivos profundos para la generaci´on de las situaciones presentes en los sue˜nos. Es por esto que va a ser importante hacer un estudio comparativo entre las zonas que se activan durante sue˜no REM y las de la vigilia.
2.2
Alcance
Al finalizar el desarrollo de la propuesta de grado, se pretenden mostrar los resultados de los an´alisis de se˜nales realizados sobre mediciones de EEG intracraneales para cinco noche diferentes y, a partir de estos, determinar si existen zonas frontal-parietales del cerebro que se activan durante el sue˜no REM. Para mostrar los resultados se van a utilizar tres an´alisis diferentes: el primero consiste en mostrar histogramas de las medias de la potencia REM para cada noche y con las ´areas del cerebro a los que corresponde la activaci´on; despu´es, se va a mostrar una matriz de correlaci´on o de adyacencia entre electrodos, para as´ı mostrar la relaci´on en la activaci´on; y finalmente se observa un mapa 3D del cerebro donde se ubican los electrodos correspondientes a cada noche. Estos resultados se van a observar para cada una de las bandas de frecuencia que se analizan (9 bandas en total).
3. Objetivos y cronograma planteado
3.1
Objetivo General
Realizar un an´alisis de la din´amica cerebral durante sue˜no REM a partir de registros de EEG intracraneales, con el fin de identificar patrones de activaci´on regionales.
3.2
Objetivos espec´ıficos
• Seleccionar una base de datos adecuada, de pacientes con registros de EEG intracraneales que evidencien episodios de sue˜no REM.
• Implementar diferentes se˜nales multivariadas para analizar la activaci´on regional de registros de sue˜no REM con registros de EEG.
• Determinar cambios espec´ıficos en patrones de activaci´on temporo-espaciales asociados a diferentes regiones cerebrales durante sue˜no REM.
3.3
Cronograma
Para el desarrollo del proyecto se propuso un cronograma, en donde las tareas propuestas se separaron en las 16 semanas del semestre. Sin embargo, por algunos problemas que se presentaron durante el semestre, la duraci´on total fue de 20 semanas. El cronograma que se plante´o en la propuesta de proyecto de grado, se muestra en la figura 3.1
Figura 3.1: Cronograma propuesto para el desarrollo del proyecto
4. Marco te´
orico, conceptual e hist´
orico
4.1
Marco te´
orico y conceptual
4.1.1 Clasificaci´on se˜nales cerebrales
Durante diferentes estudios de EEG se han podido descubrir que diferentes estados cerebrales de concentraci´on, relajaci´on y sue˜no, presentan diferentes tipos de ondas en los que se observan frecuencias y magnitudes de se˜nal diferentes. Por ejemplo, cuando una persona tiene la mente dispersa y los ojos cerrados, las se˜nales que se observan con mayor claridad son las de tipo alfa. Estas presentan frecuencias entre 8-13Hz y amplitudes de 50-100uV y, que se activan en los l´obulos parietal y occipital. Cuando se pasa de estados dispersos a uno de concentraci´on, las se˜nales van variando de ondas alfa a ondas beta, que se caracterizan por tener frecuencias m´as altas a las de alfa (13-30Hz) pero con actividad de voltaje bajo. Este tipo de respuesta es llamado respuesta alertada o desincronizaci´on, pues se produce durante un estado de alerta. As´ı que cuando una persona entra a este estado, se van a observar oscilaciones gamma. Este tipo de onda tiene una frecuencia de 30-80Hz y tiene una actividad r´apida, pues se inicia en respuesta a un est´ımulo externo [7].
Un resumen general del tipo de ondas que se presenta en la actividad cerebral, se muestra en la figura 4.3:
Figura 4.1: Clasificaci´on de los diferentes tipos de ondas de la actividad cerebral. Tomado de [7]
4.1.2 Clasificaci´on etapas de sue˜no
Ahora bien, el sue˜no es un estado psicol´ogico reversible en el cu´al se disminuye la capaci-dad de estar conciente y poder reaccionar frente a est´ımulos externos que se generan en el medio circundante. El sue˜no se divide en diferentes etapas, durante las cuales se presentan diferentes ondas cerebrales con amplitudes y frecuencias diferentes. Este tipo de ondas, a su vez se presentan en dos tipos diferentes de sue˜no: el REM (Rapid Eye Movement) y el nonREM (NREM), tambi´en llamado sue˜no de onda lenta. El ´ultimo tipo (NREM), se divide
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 6
en cuatro etapas: en la primera se observan ondas de amplitudes bajas y frecuencias entre (4-7Hz), causadas por ritmos theta durante un sue˜no ligero que ocurre mientras la persona comienza a dormirse; para la segunda etapa se observan se˜nales de EEG con forma sinusoidal o husillos de sue˜no con frecuencias entre 12-14Hz y a veces ondas bif´asicas llamadas complejos K, las cuales responden a est´ımulos sensitivos; en la tercera etapa de sue˜no van a observarse ondas de amplitud alta, llamadas ritmo delta, cuya amplitud var´ıa entre 0.5-4Hz; finalmente, la etapa cuatro se caracteriza por presentar ondas de velocidad m´ınima y amplitud alta, en donde los complejos K se entrelazan con ondas lentas [7].
Cuando la persona se encuentra en su fase adulta, el NREM tiende a tener una duraci´on entre el 75-80% del total del tiempo de sue˜no. As´ı, la etapa uno toma 2-5% (sue˜no NREM) y se caracteriza por el aumento de ondas theta y una disminuci´on de ondas alfa, en un EEG. Adem´as, en esta etapa del sue˜no NREM, se observa una disminuci´on de la conciencia y una relajaci´on muscular. La etapa dos ocurre en el 45-55% del tiempo de sue˜no NREM, que se caracteriza por complejos K y husillo de sue˜no. Despu´es, en la etapa tres que consiste en el sue˜no profundo, toma cerca de la tercera parte del primer tiempo de sue˜no (3-8%) y que se caracteriza por ondas tipo delta en el EEG. Por ´ultimo, las se˜nales de la etapa cuatro est´an presentes durante 10-15% (sue˜no NREM). Seg´un diversos estudios realizados por medio de polisomnograf´ıas y se˜nales de EEG, se puede ver que las etapas que indican mayor descanso son la tres y la cuatro. Durante la noche se hacen ciclos de sue˜no en los que se repiten todas las etapas, incluido el sue˜no REM. Sin embargo la duraci´on de las etapas tres y cuatro suele ser de 70-100min, por lo tanto estos periodos se acortan en la ma˜nana y se alargan los sue˜nos REM. Esto quiere decir que durante cada noche se presentan entre 4-6 periodos de sue˜no REM [7].
Para hacer la transici´on de sue˜no NREM a REM, el cuerpo tiende a cambiar de posici´on y a mover algunas partes del cuerpo. Con respecto a las se˜nales del sue˜no REM, estas se presen-tan durante el tiempo en que se est´a so˜nando. Este momento de la etapa de sue˜no, indica que se est´an desarrollando procesos cognitivos que involucran zonas del cerebro relacionadas con el procesamiento y la memoria. Mientras dura el tiempo del sue˜no REM, el comportamiento de las se˜nales en la visualizaci´on de un EEG pueden verse como ondas de velocidad alta pero amplitud baja. La onda que se genera, es tambi´en caracter´ıstica de un estado conciente, lo que indica que salir del sue˜no REM por medio de un est´ımulo externo es mucho m´as f´acil que si se intenta entrar a la conciencia desde una etapa tres o cuatro del sue˜no NREM [14] .
En el tiempo de sue˜no REM (20% del tiempo de sue˜no en adultos), se puede ver que los m´usculos est´an relajados y que hay un movimiento r´apido de los ojos, el cual ocurre en todas las direcciones. En estudios posteriores se ha descubierto que el sue˜no REM, adem´as de estim-ular el movimiento ocestim-ular r´apido, tambi´en genera cambios en el sistema nervioso simp´atico dando como resultado constricci´on de las pupilas, aumento de la frecuencia cardiaca y la respiraci´on, as´ı como cambios en la presi´on sangu´ınea. Esta etapa de sue˜no tiene dos com-ponentes: uno f´asico y otro t´onico. En el primero, se observan aumentos en las actividades neuronales vestibulares y en el segundo, las neuronas espinales (alfa y gamma) son inhibidas, las respuestas posturales y de flexi´on se cancelan [14].
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 7
del cerebro. Las se˜nales que all´ı se generan viajan al T´alamo, que a su vez las env´ıa a la corteza cerebral. Esta ´ultima, es la capa exterior del cerebro que es responsable del aprendizaje, el pensamiento y la organizaci´on de la informaci´on. As´ı mismo, el pons env´ıa se˜nales que de-tienen las neuronas en la espina dorsal lo que genera una par´alisis parcial de los m´usculos [14].
Un resumen de la din´amica de las diferentes etapas del sue˜no, se muestra en la figura ??. All´ı se muestran las ondas cerebrales caracter´ısticas y la cantidad de tiempo que ocupan en el sue˜no (con respecto a la AASM).
Figura 4.2: Resumen de la din´amica de las diferentes etapas del sue˜no seg´un la AASM. Tomado de [3]
4.1.3 Potencia RMS o promedio
En general se define como la ra´ız cuadrada de la media de los valores de potencia. En una ecuaci´on esto se puede expresar como 4.1:
v u u t 1
N ∗ N X
k=1
|k|2 (4.1)
4.1.4 Correlaci´on
La correlaci´on determina la dependencia o relaci´on lineal que existe entre un par de variables. El c´alculo del coeficiente de correlaci´on se hace haciendo el cociente entre la covarianza y la varianza de cada una de las variables que se estudian. La expresi´on matem´atica que describe este c´alculo, se muestra en la ecuaci´on 4.2
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 8
r= σxy σx∗σy
(4.2)
La informaci´on m´as valiosa que se obtiene de este ´ındice es que permite decir la linealidad que existe entre dos variables. Cuando este tiene valores cercanos a 1, indica que la relaci´on es bastante lineal. Si ocurre lo contrario, no hay una relaci´on que se genere entre las dos variables que se est´an estudiando. Para la realizaci´on de diferentes estudios, generalmente se utilizan umbrales del ´ındice de correlaci´on, con el fin de definir los mejores y peores casos. Por ejemplo, en la literatura se encuentra informaci´on acerca de un umbral de mucha actividad cuando el ´ındice de correlaci´on entre variables es mayor a 0.75.
4.1.5 Mapeo cerebral
Con el fin de realizar estandarizaciones de las medidas espaciales del cerebro, con respecto a la ubicaci´on de las diferentes estructuras que en ´el se encuentran, se han propuesto diferentes coordenadas. Entre las que actualmente se utilizan, se encuentran: las coordenadas MNI, el atlas Tailarach, las coordenadas neuromag y el SCS (Subject Coordinate System). A contin-uaci´on se va a hacer una revisi´on general de cada una de las coordenadas.
La informaci´on que se va a mostrar a continuaci´on, fue tomada de [16].
SCS (Subject Coordinate System)
Es un sistema de coordenadas que, adem´as de utilizar medidas est´andares del cerebro, utiliza la informaci´on de tres electrodos externos que dan informaci´on acerca de la posici´on del nasi´on, el LPA (Left Pre-Auricular point) y el RPA (Right Pre-Auricular point. Donde los dos ´ultimos se localizan en la oreja derecha e izquierda, correspondientemente. Adicionalmente, el c´alculo de las medidas las hace teniendo en cuenta que el origen est´a en la mitad entre LPA y RPA y que los ejes son:
• Eje X: Del origen hasta el Nasion.
• Eje Y: Desde el origen hasta LPA en el plano (Nasi´on, LPA, RPA) y es ortogonal a X. • Eje Z: Del origen hasta arriba del cr´aneo.
Coordenadas MNI
Fue planteado por la Universidad de Montreal y es distribuido en dos bases de datos: Colin27 y ICBM152. Las coordenadas que son utilizadas en este sistema usan ´ındices de volumen en milimetros. Adicionalmente, los ejes est´an definidos por:
• Eje X: Desde el hemisferio derecho hasta el izquierdo. • Eje Y: Desde la parte anterior hasta la anterior del cr´aneo. • Eje Z: Del la parte inferior hasta la superior del cr´aneo.
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 9
Coordenadas Talairach
Fue planteado por Jean Talairach y est´a basado en hacer una estandarizaci´on del cerebro a partir de la ubicaci´on de dos puntos: la comisura anterior y posterior y el plano sagital medio. Y un tercer punto es necesario, el punto interhemisf´erico, el cual se utiliza para definir este plano.
Entonces para comenzar se debe tener en cuenta que:
1. La comisura anterior (AC) se puede localizar usando la orientaci´on axial y comenzando desde el cuerpo calloso y movi´endose alrededor de este. Se debe tener en cuenta que se est´a buscando una fibra que une ambos hemisferios.
2. La comisura anterior, igual que la (AC), utiliza la orientaci´on axial. En este caso se busca una fibra similar a la de AC pero en la parte posterior.
3. Para encontrar el punto hemisf´erico se escoge un punto en el espacio interhemisf´erico en la parte de arriba de la cabeza.
Los ejes de estas coordenadas son las mismas que se siguen en el mapeo MNI.
Figura 4.3: Ejes del mapeo Talairach. Tomado de [15]
4.1.6 Coordenadas Neuromag
Utiliza una definici´on similar a la de SCS con algunas variaciones, estas est´an definidas de la siguiente manera:
• Eje X: Desde el origen hasta el punto RPA. • Eje Y: Desde el origen hasta el Nasi´on.
• Eje Z: Del origen hasta la parte superior del cr´aneo.
4.2
Marco hist´
orico
4.2.1 Sue˜no REM
Activaci´on de la corteza visual en sue˜no REM medido por 24 canales de NIRS [6]
Para observar la actividad cerebral, hicieron un estudio con NIRS (Near-Infrared Sprec-troscopy) de la activaci´on regional cerebral a partir de un estudio de la concentraci´on de
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 10
hemoglobina total, oxigenada y des-oxigenada.
Para hacerlo tomaron a 4 sujetos hombres a los que se les adhirieron 16 electrodos transcra-niales y se hicieron estudios por cinco noches. Para hacer la clasificaci´on de las etapas de sue˜no, tuvieron en cuenta el est´andar de Rechtschaffen y Kalles (6 etapas de sue˜no) y a partir de registros polisomnogr´aficos EEG y EOG.
De los estudios que realizaron, pudieron establecer que los sujetos tuvieron una totalidad de 14 episodios de sue˜no REM. A partir de estos pudieron establecer que un ocurri´o un au-mento en la cantidad de hemoglobina oxigenada en la regi´on de la corteza visual y en 9 de los episodios REM. Los periodos que mostraron es incrementos en la cantidad de hemoglobina oxigenada mostraron un patr´on: primero, los periodos REM duraron m´as de 10 minutos y el periodo N-REM que pas´o antes de cada REM, fue constante y si periodos de estar despierto.
Neuroanatom´ıa del sue˜no REM y el sue˜no [4]
Al igual que el estudio anterior, Maquet et al., realizaron un estudio de la activaci´on regional en sue˜no REM a trav´es de un an´alisis PET del flujo sangu´ıneo. Para hacerlo se escogieron 19 sujetos que pudieran mantener periodos de sue˜no REM de m´as de 20 minutos y se hicieron estudios para tres noches, en donde se registraron mediciones polisomnogr´aficas. Adicional-mente, durante la tercera noche se realizaron los estudios de flujo sangu´ıneo para las diferentes etapas de sue˜no y, de los sujetos que tuvieran periodos REM m´as estables, se hicieron reg-istros de PET. Luego de obtener los resultados, los autores hicieron un an´alisis estad´ıstico por medio de correlaciones.
Las regiones que dieron positivas entre la correlaci´on de la etapa de sue˜no REM y el flujo sangu´ıneo aumentado fueron:
• La corteza cingular anterior. • El operculo parietal derecho. • La am´ıgdala derecha e izquierda. • El n´ucleo tal´amico.
• El Mesenc´efalo Dorsal • Tegmento Pontino
Y las regiones que dieron negativas son: • El prec´uneo
• El c´ıngulo anterior derecho. • Amplia ´area de ´area prefrontal.
Estos estudios confirmaron resultados previos frente a la activaci´on del tallo cerebral, el l´obulo l´ımbico y la corteza cingular. Una imagen de los resultados presentados en este estudio es la
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 11
Figura 4.4: a. Pons b. Comp. Amigdaloides c. T´alamo d.Op´erc. Parie. Der e. Corteza cingular anterior. Tomado de [4]
mostrada en la figura 4.4
En general, este estudio pudo concluir que las ´areas activadas durante sue˜no REM est´an rela-cionadas con el complejo amigdaloide, la corteza cingular y regiones posteriores. Esto puede indicar una actividad relacionada con memorias emocionales y as´ı mismo con la consolidaci´on de este tipo de memorias.
Inducci´on de sue˜no REM [8]
Diferentes estudios se˜nalan que durante el sue˜no REM se dan la mayor cantidad de sue˜nos bien estructurados. Esta etapa del sue˜no es, seg´un estudios, el 20% de la totalidad del sue˜no de un adulto y hace parte de un ciclo circadiano compuesto por cinco etapas (seg´un AASM): N-REM (3 etapas); REM; y estar despierto. As´ı mismo, el responsable de mantener este ritmo del ciclo circadiano es el n´ucleo supraquiasm´atico que a su vez se regula por la cantidad de luz detectada en la ruta retino-hipotal´amica.
As´ı mismo, estudios realizados en pacientes con da˜nos cerebrales y disecciones del tallo cere-bral, han mostrado que las ´areas para la generaci´on del sue˜no REM se encuentran en el romboenc´efalo. Adem´as, experimentos llevados a cabo con estimulaci´on el´ectrica y qu´ımica, han llevado a reconocer los sitios espec´ıficos donde se generan los s´ıntomas de sue˜no REM: aton´ıa muscular, actividad alta del movimiento ocular, y enso˜naciones que involucran memo-rias emocionales. Estos sitios se muestran en la tabla 4.1
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 12
Tabla 4.1: Regiones relacionadas con la activaci´on de s´ıntomas durante sue˜no REM. Tomado de [8]
S´ıntoma Regi´on
Aton´ıa muscular Tegmento pontino dorsolateral, tallo neuromotor y neuronas motoras Activaci´on PGO N´ucleo Pedunculopontino, corteza visual.
Activaci´on EEG N´ucleo Pedunculopontino, Ponto-mesenc´efalo, t´alamo, corteza cerebral. Movimiento ocular Pontino medio, Periabductor, Col´ıculo superior, Campo visual frontal y
Nervio hipogloso.
La idea de Reinoso et. al., era hacer un estudio acerca de los l´ımites de activaci´on de sue˜no REM en el tegmento pontino (en gatos), a trav´es de la inyecci´on de agonistas colin´ergicos en varias regiones de esta regi´on. Lo que observaron despu´es de inyectar el agente fue que la inducci´on de sue˜nos REM de entre 0-20 minutos, es que las regiones donde esto se logra es en la parte ventral y rostral del n´ucleo caudal reticular pontino (RPC).
Adicionalmente a estos resultados, hicieron un estudio con PET (Possitron Emission To-mography) y encontraron la activaci´on y desactivaci´on de ciertas ´areas cerebrales. Estas se presentan en la tabla 4.2
Tabla 4.2: Regiones de activaci´on y desactivaci´on durante sue˜no REM, despu´es de la inducci´on de esta etapa en el tegmento pontino. Tomado de [8]
Aumento Disminuci´on
Hipot´alamo y T´alamo Cortezas sensitivas
Amigdala, ganglio basal Corteza dorsolateral prefrontal Hipocampo Corteza orbitofrontal lateral Tegmento pontino Giro angular
Cerebellar vermis Giro supramarginal
Anterior insula y corteza parahipocampal Corteza cirgular porsterior
Sue˜nos l´ucidos [9] [11]
La finalidad de los estudios realizados por Voss et al. y Dressler et al, era el de encontrar la actividad regional que ocurr´ıa durante episodios de sue˜nos l´ucidos REM y compararlos con la actividad durante sue˜no REM. Para ello hicieron registros EEG y MRI (Magnetic Resonance Imaging) de 2 a 6 noches de sujetos que tuvieran sue˜nos l´ucidos recurrentes (4 en [9] y 6 en [11]).
Los ejercicios que tuvieron que desarrollar lo sujetos era mover aut´onomamente de derecha-izquierda-derecha-izquierda los ojos, esto, cuando lograsen llegar al sue˜no l´ucido. Lo que encontraron es que durante sue˜no REM las regiones que se activan, m´as recurrentemente, son
CAP´ITULO 4. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 13
el tallo, el t´alamo, la amigdala y las cortezas temporal y occipital. Sin embargo, durante sue˜no l´ucido REM se encontr´o un aumento en la actividad de la corteza prefrontal dorsolateral y en el precuneo.
4.2.2 Regiones fronto-parietales en sue˜no REM [12] [13]
En este estudio se quiere determinar si hay una activaci´on de la zona fronto-parietal durante sue˜no REM y, para ello, se debe tener informaci´on previa acerca de las regiones activadas en esta ´area y as´ı corroborar los hallazgos.
Ruby et. al. y Anderer. et al., quisieron conocer la actividad fronto-parietal que ocurre du-rante sue˜no REM y contrastar estas con ´areas caracter´ısticas de la conciencia. Para hacerlo, utilizaron PET y un an´alisis estad´ıstico con ANOVAs en el cu´al se evidenciara la interacci´on entre ´areas para la actividad durante REM y conciencia.
Los resultados mostraron que las regiones con menor actividad durante esta etapa del sue˜no son ´areas en la corteza inferior y frontal frontales y en el l´obulo parietal inferior. Mientras que en regiones como el giro frontal superior y medial, as´ı como el surco parietal y la corteza pari-etal superior muestran una actividad similar a la que se observa durante la conciencia. Estas ´
ultimas, indican caracter´ısticas relacionadas con procesos cognitivos, como la representaci´on en los sue˜nos de pensamiento, emociones e intenciones, as´ı como tambi´en la representaci´on de la primera persona. Sin embargo las regiones con actividad disminuida indican una confusi´on entre la primera y la tercera persona en los sue˜nos.
5. Metodolog´ıa del trabajo
Para el desarrollo del proyecto de grado, por motivos de tiempo, se escogieron 5 de las 12 noches de una base de datos de polisomnograf´ıa y registros de electrodos intracraneales de EEG. Cada noche tiene archivos .dat, .mni y .out en donde se obtiene la informaci´on temporal de los registros EEG, las coordenadas mni y la ubicaci´on espacial de los electrodos y los datos frecuenciales de cada una de las noches, respectivamente.
Adicionalmente, para el desarrollo del proyecto es importante obtener los hipnogramas de cada una de las noches. Para que estos sean m´as precisos, cada noche es evaluada por una per-sona experta en la detecci´on de etapas de sue˜no a partir de los registros polisomnogr´aficos de electrodos superficiales, EOG (Electrooculogram), electromiograf´ıa de ment´on y ECG (Elec-trocardiogram). En este apartado se va a hacer una explicaci´on general del proceso que debe ser llevado a cabo para la diferenciaci´on de cada etapa de sue˜no y la fabricaci´on de un oculograma.
5.1
Noches y electrodos
Como ya se mencion´o, se va a utilizar la informaci´on de una base de datos de 5 noches en la que se tiene informaci´on temporal, espacial y frecuencial. Es por esto que resulta importante hacer una descripci´on detallada de la base de datos que se utiliz´o y todos los procesos que se utilizaron para el desarrollo de proyecto.
Informaci´on temporal
• Cada noche se almacena en paquetes de informaci´on de una hora con un muestreo de 1024 muestras por segundo.
• La duraci´on de las noches es de aproximadamente 9 a 13 horas.
• Para obtener la informaci´on contenida en los paquetes de informaci´on .dat, se utiliza un toolbox desarrollado en la Universidad de los Andes.
Ahora bien, como ya se dijo, cada noche viene en paquetes de 1 hora. Es por esto que para graficar la totalidad de cada una de las noches es importante hacer una concatenaci´on de los vectores de tiempo. Para hacerlo, primero se genera una funci´on para cada uno de los paquetes de cada noche, luego para cada noche se hace un c´odigo general donde se llama cada funci´on y, finalmente, se crea un vector que est´a compuesto por cada vector de informaci´on en tiempo. Como los vectores tienen una cantidad de informaci´on dada por el muestreo y no por la cantidad de tiempo, para graficar el vector total, en el eje x debe calcular el nuevo n´umero de pasos que se debe tomar para que se genere un span en segundos. La f´ormula se muestra en 5.1
vT ime= size(mData)−1
sRate (5.1)
Donde sRate es la frecuencia de muestreo y mData el vector de informaci´on de cada electrodo. Un ejemplo de la gr´afica en tiempo de la noche 81802, para uno de los electrodos, es la que se puede ver en la figura 5.1
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 15
Figura 5.1: Ejemplo de vista de una noche completa para la el sujeto 81802 y el electrodo TBC6 en el Giro Fusiforme
Informaci´on frecuencial y coordenadas espaciales de electrodos
El objetivo principal de este proyecto, era encontrar la activaci´on regional que ocurre du-rante sue˜no REM. Es por esto que para hacer el an´alisis fue importante tener en cuenta la informaci´on frecuencial y la ubicaci´on espacial de cada uno de los electrodos. Esta ´ultima informaci´on, fue proporcionada por la base de datos y se encuentra en dos archivos para cada noche: con la extensi´on .mni (coordenadas) y .out (informaci´on frecuencial).
• En la informaci´on .mni se encuentra un archivo con las coordenadas en el sistema MNI , la ubicaci´on del electrodo seg´un hemisferio, l´obulo, ´area y tipo de tejido.
• En los archivos .out se obtiene, al igual que en la informaci´on temporal, informaci´on por paquetes de una hora con un muestreo de 3s por dato. La informaci´on se contiene en una matriz de 64x1200, lo cual da 8 componentes frecuenciales. Esto ´ultimo pues cada fila corresponde a 1 banda de frecuencia y hay 9 de estas (desde 0.3-420 Hz).
Un resumen de esta informaci´on se presenta en la figura 5.2
Para este estudio se va a hacer un an´alisis de la potencia RMS, la cual en este caso se obtiene de la matriz en las posiciones de las filas de la 1 a la 9. Y al igual que con la gr´afica del tiempo, en el caso de la potencia, esta se quer´ıa graficar para cada una de las noches y por banda frecuencial. Es por esto que tambi´en es necesario calcular el nuevo paso del vector de frecuencia, con el fin de obtener el valor real en el eje x y no que quede en t´erminos de
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 16
Figura 5.2: Explicaci´on del tipo de archivos que contienen informaci´on espacial y frecuencial.
cantidad de datos. Para hacerlo, se hace el c´alculo mostrado en la ecuaci´on 5.2, y se genera un span desde la banda de abajo hasta la de arriba en pasos de vFreq.
vF req= banda2−banda1−(
banda2−banda1
totalP ower )
totalP ower (5.2)
Donde banda2 es la banda mayor y banda1 la menor y totalPower es la totalidad del vector de potencia. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 5.3
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 17
5.1.1 Ubicaci´on de electrodos
Para ubicar los electrodos en un mapeo 3D del cerebro se utiliz´o una aplicaci´on de MATLAB desarrollada por el profesor, y asesor de este proyecto, Mario Valderrama. En esta aplicaci´on fue posible posicionar cada uno de los electrodos por banda frecuencial y, dependiendo de su activaci´on, se le vari´o el tama˜no y el color. La ubicaci´on de los electrodos se hizo por medio de las coordenadas MNI de cada uno y se verifica su ubicaci´on de acuerdo a la informaci´on contenida en el archivo .mni.
En la figura 5.4, se pueden ver todos los electrodos de las 5 noches. Cada color representa una noche y se muestran tres visiones del cerebro: lados derecho e izquierdo y la parte de abajo.
Figura 5.4: Ubicaci´on de todos los electrodos de las 5 noches y cada color representa una de ellas: rojo 44202, verde 54802, azul 63502, morado 81802 y azul claro 91602
5.1.2 Distribuci´on de electrodos
Con el fin de conocer la distribuci´on de los electrodos por los diferentes hemisferios, l´obulos y ´
areas, se hace una clasificaci´on de estos seg´un las diferentes zonas. Para hacerlo, se obtiene la informaci´on del archivo .mni y aquellas ubicaciones que no se encuentran, se buscan en la apli-caci´on de Talairach para encontrar la regi´on a la que pertenece el electrodo. Esta ´ultima apli-caci´on se encuentra de manera gratuita en la p´agina http://www.talairach.org/daemon.html y la interfaz de usuario se puede ver en la figura 5.5
Adicionalmente, para saber la distribuci´on porcentual de los electrodos se hizo una tabla, por hemisferio y l´obulos, en Excel. Esta se muestra en la figura 5.6. Tambi´en se hizo este mismo tipo de clasificaci´on, pero para el caso de cada una de las ´areas y se muestra en la figura 5.7
5.1.3 Hipnograma
Los hipnogramas son representaciones gr´aficas de las etapas del sue˜no, que se identifican a partir de registros polisomnogr´aficos (EEG superficial, EOG y EMG). Este es desarrollado por un experto y se construye siguiendo las siguientes condiciones:
1. Se genera la se˜nal temporo-frecuencial del registro polisomnorg´afico, en el que se evi-dencie la frecuencia en un vector de tiempo y en diferentes colores, la potencia.
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 18
Figura 5.5: Interfaz de usuario de la aplicaci´on gratuita para la b´usqueda de coordenadas Talairach
Figura 5.6: Distribuci´on de los electrodos seg´un el hemisferio y el l´obulo en el que se encuentran
2. Identificar las diferentes bandas frecuenciales.
3. Tomar vectores de tiempo de 30 segundos y la etapa de sue˜no que m´as predomine, es la que va a tomar estos 30 segundos.
4. Se utiliza la clasificaci´on AASM (5 etapas)
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 19
Figura 5.7: Distribuci´on de los electrodos seg´un el ´area en el que se encuentran
5.1.4 Sue˜no REM
La informaci´on acerca de los vectores de hipnograma se obtiene en vectores con un muestreo de 30s por dato. Adem´as cada etapa est´a relacionada con un n´umero del 1 al 5, y est´an distribuidas de la siguiente manera:
1. NREM etapa 3. 2. NREM etapa 2. 3. NREM etapa 1.
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 20
Figura 5.8: Ejemplo de c´omo se lleva a cabo la clasificaci´on de las etapas de sue˜no a partir del registro polisomnogr´afico en tiempo-frecuencia y potencia
4. REM. 5. Despierto.
En la figura 5.9 se pueden ver los hipnogramas correspondientes a las 5 noches que se van a analizar. Ahora, para saber cu´anta es la duraci´on promedio de cada una de las noches, se hace un conteo de la cantidad de episodios REM por noche y los resultados se pueden ver en el histograma 5.10
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 21
Figura 5.10: Duraci´on promedio de sue˜no REM por noche y en promedio
5.2
Trabajo realizado
Con el fin de mostrar los diferentes procedimientos llevados a cabo para realizar el an´alisis de resultados, el trabajo se divide en dos grandes partes: la primera es la selecci´on del periodo REM, tanto en tiempo como en frecuencia; y segundo, se realiza el an´alisis estad´ıstico y el mapeo de las diferentes regiones que se activan durante esta etapa de sue˜no. Para ello se van a explicar cada uno de los procedimientos llevados a cabo y, adem´as, se muestran los diagramas de bloques que se siguen en el desarrollo.
5.2.1 Sue˜no REM
Despu´es de obtener las se˜nales de tiempo, de frecuencia y los hipnogramas, es posible selec-cionar los periodos que corresponden a sue˜no REM. Para ello se tiene que hacer una extrapo-laci´on de los datos, pues el muestreo de los datos de hipnograma es, en el caso de m Data, 30 veces m´as peque˜no y con la potencia de 10 veces. Esto quiere decir, que 0.03 datos de hipno-grama corresponden a uno en tiempo (0.03:1) y 0.1 de hipnohipno-grama son uno de potencia (0.1:1).
Este proceso se puede ver resumido en el diagrama (figura 5.11).
5.2.2 An´alisis Estad´ıstico y mapeo cerebral
Para hacer un an´alisis estad´ıstico que permita determinar las regiones cerebrales que se ac-tivan durante sue˜no REM, se hace un estudio de las medias y las medianas de cada uno de los electrodos para cada noche. Y para determinar si existe alg´un tipo de interacci´on entre electrodos cuando hay sue˜no REM, se realiza un estudio de correlaci´on y de matriz de ady-acencia, pues esto da informaci´on de la relaci´on lineal o de si hay similitudes en el momento de la activaci´on. Este proceso se hizo despu´es de haber seleccionado los periodos REM de cada noche, en tiempo y frecuencia, y se utilizaron las funciones de MATLAB: mean, median, corrcoef y scatter.
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 22
Figura 5.11: Diagrama de la selecci´on de los componentes de tiempo y frecuencia en sue˜no REM para cada noche
Figura 5.12: Diagrama del estudio estad´ıstico realizado para encontrar las ´areas del cerebro que se activan durante sue˜no REM.
Media, mediana de valor RMS y mapeo cerebral
Despu´es de haber obtenido cada uno de los vectores de potencia por banda, para cada noche, se calcularon las medias y las medianas, con las funciones mean y median (de MATLAB). Una vez se encontrado el valor de estos estad´ısticos, estos eran guardados por cada electrodo, en una matriz de tama˜no: filas con cantidad de electrodos y columnas el n´umero de bandas.
CAP´ITULO 5. METODOLOG´IA DEL TRABAJO 23
Cuando se terminaron de correr todos los electrodos para cada noche, los vectores de medias y medianas se concatenaron en un vector, para generar un orden de mayor a menor activaci´on. Al reconocer este orden, fue posible reconocer las ´areas de mayor y menor activaci´on y, pos-terioremente, mapearlas sobre el cerebro 3D.
Como son 338 electrodos y hay ´areas que se repiten, no se van a mostrar lo histogramas com-pletos por banda sino que se van a tomar los valores m´as altos de potencia RMS promedio y se van a asociar a un orden de activaci´on por ´area. Sin embargo, esto no se hace para la mediana, pues este valor se va a utilizar para verificar las regiones m´as activadas.
Una vez ubicados los electrodos y seg´un el orden de activaci´on, dado por la media para cada una de las bandas, se va vari´o el tama˜no y el color de cada electrodo siendo el m´as grande y rojo el m´as activado y rojo y peque˜no el menos activado. Estos colores pues se utiliz´o el colormap jet de MATLAB (va de rojo a rojo).
Correlaci´on y matriz de adyacencia
Al igual que en el caso del c´alculo de las medias y las medianas, en este caso se debe esperar a obtener los vectores de potencia por electrodo. La principal diferencia, es que en este caso, para realizar el c´alculo de la correlaci´on, se hallaron medias tomando 10 datos de potencia. Al hacer esto, se garantiz´o un vector amplio para hacer relaciones lineales y con esto, las comparaciones entre electrodos.
Despu´es de tener las correlaciones, los vectores que se generan se guardan en vectores y se utiliza la funci´on corrcoef para encontrar la matriz de correlaci´on. En ella se debe observar en la diagonal valores de 1 y en las triangulares valores entre -1 y 1. Como los valores negativos no pueden ser analizados, se toma el valor absoluto.
Ahora bien, para el c´alculo de la matriz de adyacencia se adopt´o un umbral de 0.75, que seg´un la literatura resultar´ıa en una relaci´on lineal alta y en el caso de esta investigaci´on, se relaciona con una amplia interacci´on entre electrodos. Esto quiere decir que cuando el valor del ´ındice de correlaci´on es mayor o igual a 0.75, en la matriz de adyacencia se va a adoptar un valor de 1. Los procesos anteriormente descritos se van a analizar por noche y por banda.
6. Resultados
En este apartado se van a presentar los principales resultados de histogramas de medias y medianas, mapeos cerebrales y matrices de adyacencia para cada banda, as´ı como el orden de los electrodos que se tuvo en cuenta al momento de hacer la relaci´on entre el orden de los estad´ısticos. Al final se van a presentar los resultados m´as relevantes y la relaci´on con la activaci´on de la zona fronto-parietal. Para determinar esta activaci´on en el modelo del cerebro, se debe tener en cuenta el color y el tama˜no.
6.1
Distribuci´
on electrodos
Despu´es de haber realizado la clasificaci´on de los electrodos en los diferentes hemisferios, l´obulos y ´areas, la mayor cantidad de electrodos se encuentran en el hemisferio izquierdo, en el l´obulo temporal y en el giro temporal superior. Con respecto a la cantidad de electrodos en los l´obulos parietal y frontal, se puede ver que estos corresponden ´unicamente a un 6 y 7 %, lo cu´al, si se considera que en total son 338 electrodos, no brinda informaci´on concluyente acerca de la activaci´on regional en estas ´areas.
Los resultados obtenidos para la distribuci´on de electrodos se muestran en la figura 6.1
Figura 6.1: Distribuci´on porcentual de electrodos por hemisferior, l´obulo y ´area del cerebro.
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 25
6.2
Resultados de medias de la potencia y ubicaci´
on espacial
Para ilustrar la activaci´on regional para cada banda, se van a mostrar los resultados de las medias, medianas y ubicaci´on espacial de los electrodos. En estos resultados se van a poder encontrar las regiones m´as y menos activadas, y su ubicaci´on en el mapa 3D del cerebro.
Banda 0.3-4.0 Hz (Delta)
En la figura 6.2 lo que se puede ver es que la mayor activaci´on regional se presenta en los l´obulos temporal y l´ımbico. Esto, pues las ´areas con medias mayores se encuentran en el Uncus, el Giro Fusiforme y los Giros superior, medio e inferior temporales. Adicionalmente, se puede ver una actividad media en el giro parahipocampal, el giro inferior frontal y el l´obulo parietal, pues hay activaci´on del giro Angular y del l´obulo occipital por el giro lingual. Adi-cionalmente, se puede ver que la mayor activaci´on se presenta en el hemisferio derecho.
Los resultados obtenidos del an´alisis de medias se pueden corroborar con los resultados que arrojan las medianas, pues los mayores valores de mediana se registran para regiones del l´obulo temporal y l´ımbico.
Figura 6.2: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 0.3-4.0 Hz
Banda 4.0-8.0 Hz (Theta)
Al igual que en el caso de la banda delta, se puede ver que la mayor actividad se da para el hemisferio derecho en las regiones relacionadas con el l´obulo temporal y l´ımbico. En esta
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 26
banda la regi´on m´as activada es la localizada en el Uncus, seguida por el giro fusiforme y el Giro inferior temporal y lingual (l´obulo occipital). As´ı mismo se registra una actividad elevada del giro parahipocampal. Con respecto a las ´areas relacionadas con la zona fronto parietal, se puede decir que los giros medio e inferior frontales tienen hipoactividad; mientras que el l´obulo parietal inferior presenta una actividad media (comparado con la del Uncus) y el giro angular presenta una activaci´on alta. Sigue habiendo hipoactividad en las regiones sub-lobulares y el cerebelo.
Si se comparan los resultados obtenidos con las medias con los de las medianas, se puede ver que hay una congruencia en los hallazgos, pues en ambos casos la mayor actividad se registra para el Uncus y el giro inferior frontal.
Figura 6.3: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 4-8 Hz
Banda 8.0-12 Hz (Alpha)
Se puede ver que como es de esperarse, esta banda presenta actividad de menor potencia que las frecuencias m´as bajas. Esta banda, junto con la beta, es caracter´ıstica del estado conciente de una persona.
En esta banda se observa una din´amica diferente a la de las bandas delta y theta. En este caso varios de los l´obulos presentan una actividad alta: el primero, el l´obulo l´ımbico comenzando con el Uncus; seguido por el l´obulo temporal con el giro fusiforme; despu´es el giro lingual
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 27
del l´obulo occipital; y por ´ultimo, de las regiones con mayor actividad, se encuentra el l´obulo parietal con el giro angular. Ahora bien, tambi´en se puede ver lo que ocurre un aumento en la activaci´on de regiones sub-lobulares, como el T´alamo, el Extra-n´ucleo, el culmen o el caudate; as´ı como de regiones cerebelares, como el tuber.
De las regiones fronto-parietales, se pudo encontrar una activaci´on media del giro inferior y medio frontales, mientras que el giro precentral sigue hipoactivo (l´obulo frontal).
Con respecto a la informaci´on que brinda e estudio de las medianas, se puede ver que tambi´en muestra resultados de activaci´on mayor para el Uncus y el giro fusiforme.
Figura 6.4: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 8-12 Hz
Banda 12-18 Hz (Beta)
En este caso, de ondas m´as lentas y de menor energ´ıa, se puede ver una mayor activaci´on del giro parahipocampal, en comparaci´on con el Uncus. Sin embargo se sigue viendo una actividad alta del l´obulo l´ımbico y el temporal. Sin embargo, en este caso se puede ver una actividad disminuida de regiones sub-lobulares y cerebelares (T´alamo, Caudate, Insula). A pesar de esto, se puede ver que la actividad fronto parietal sigue siendo mayor a las ´ultimas regiones mencionadas, pues en comparaci´on con el giro parahipocampal, estas ´areas muestra actividad media.
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 28
corresponde a la del l´obulo l´ımbico seguido del temporal. Esto es congruente con los resultados de las medias.
Figura 6.5: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 12-18 Hz
Banda 18-30 Hz (Beta)
Figura 6.6: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 18-30 Hz
Se contin´ua con ondas r´apidas y de menor potencia. Son las caracter´ısticas del sue˜no REM y es en esta donde m´as activaci´on de las ´areas de inter´es debe haber. Sin embargo, en la banda de 12-18Hz se pudo ver que, aunque hay una activaci´on media, no hay una forma estad´ıstica
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 29
de afirmar este resultado.
En este caso, el ´area m´as activada seg´un la media sigue siendo el giro parahipocampal seguido por el Uncus. Estas dos regiones pertenecen al l´obulo l´ımbico. Ahora, para del resto de ´areas se puede decir que hay una actividad pronunciada del l´obulo temporal (con el giro inferior, superior y medio temporal y fusiforme), una actividad media del l´obulo occipital (Giro infe-rior occipital y el giro lingual), del l´obulo parietal (Giro Postcentral, Angular y supramarginal y el l´obulo inferior parietal) y l´obulo frontal (Giro Precentral y giro frontal inferior). Sigue habiendo hipoactividad de regiones sub-lobulares y cerebelares.
Ahora, de la informaci´on arrojada por las medianas, se puede decir que el ´area m´as activada est´a en la regi´on del giro fusiforme y el Uncus. Ambos resultados comprueban el resultado de las medias, sin embargo el giro parahipocampal muestra medianas de menor valor.
Banda 30-49 Hz (Gamma)
Figura 6.7: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 30-49 Hz
La activaci´on de la banda 30-49 Hz, muestra ser en la regi´on del giro parahipocampal y el Uncus. Con respecto a las otras bandas, en este caso, hay dos regiones activadas: el de-clive y el culmen (cerebelo) y extra-n´ucleo y tuber (sub-lobulares). Ahora bien, la regi´on parietal (giro angular y postcentral) muestra una activaci´on cercana a la del Uncus y el giro parahipocampal, por lo que en este caso se puede decir que estad´ısticamente hablando, esta ´
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 30
En este caso, de la evaluaci´on de las medianas se puede ver que las regiones m´as activadas siguen siendo el Uncus, el giro parahipocampal y las regiones del giro superior, inferior y medio temporales. Sin embargo, como seg´un la media hay una activaci´on del declive, en los niveles de medianas tambi´en aparece cercano al uncus esta regi´on del cerebelo.
Banda 51-99 Hz
Se observa que la regi´on m´as activada es el giro parahipocampal y el uncus, seguido del declive y de los giros temporales superior, inferior y medio. Adicionalmente, se puede ver que sigue habiendo una importante actividad del declive y el tuber (Cerebelo). Adicionalmente, de las regiones en el l´obulo parietal se puede ver una actividad entre media (l´obulo parietal inferior) y alta (giro postcentral y angular). Sin embargo, para el ´area del l´obulo frontal no sucede lo mismo, pues el giro precentral sigue estando hipoactivo mientras que los giros frontales inferior y medio presentan una actividad media.
Si se contrasta con los resultados obtenidos con las medianas, se puede ver que sigue un orden muy similar al encontrado con las medias.
Figura 6.8: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 51-99 Hz
Banda 101-199 Hz
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 31
el l´obulo l´ımbico y el temporal y el cerebelo (declive y el tuber).
Figura 6.9: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 101-199 Hz
Banda 201-420 Hz
Como no hay una diferencia significativa entre las diferentes ´areas, no se puede hablar de hipoactividad o actividad media. Sin embargo se observa que las regiones m´as activadas siguen siendo el Uncus y el Giro Parahipocampal, seguido de las regiones temporales, las cerebelares (incluyendo el culmen en este caso), las parietales, frontales, occipitales y, por ´
ultimo, las sub-lobulares.
En general, los electrodos que se observan haciea el centro de la vista inferior, perteneces al l´obulo l´ımbico. Si nos acercamos hacia los bordes, en esta misma vista, tocamos el l´obulo temporal y hacia atr´a el cerebelo. Ahora bien, de las vistas izquierda y derecha se sabe que la parte del l´obulo frontal solo tiene algunos electrodos (Giro Precentral, inferior y medio frontal); y el l´obulo parietal se encuentra arriba del temporal y atr´as del frontal con apenas algunos electrodos en el l´ımite con el temporal. Hacia atr´as se encuentra el l´obulo occipital. Si se examinan de cerca los resultados obtenidos para todas las bandas se pueden encontrar las dos ´areas m´as y menos activadas para cada una. Este resultado se condensa en la tabla mostrada en 6.11 y muestra que las regiones m´as activadas pertenecen a la regi´on del l´obulo l´ımbico y el l´obulo temporal. Si se sigue mirando el orden de activaci´on se puede ver que sigue el l´obulo occipital, el l´obulo frontal, el l´obulo parietal, el cerebelo y las regiones sub-lobulares en ´ultimo lugar.
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 32
Figura 6.10: Resultados de medias, medianas y activaci´on espacial de los electrodos para la banda 201-420 Hz
Figura 6.11: Las dos regiones m´as y menos activadas para cada una de las bandas estudiadas.
6.3
Resultados de matrices de adyacencia
En este caso, como la cantidad de electrodos y de horas de sue˜no es diferente para cada una de las noches, no se pudo hacer un an´alisis unificado para todos los electrodos. Es por esto que los resultados obtenidos en este caso, son 9 matrices de adyacencia (por noche) en las que se muestra: en los ejes x y y, el n´umero correspondiente a cada electrodo; de rojo, la mayor interacci´on; y de azul, la menor interacci´on. Un ejemplo de como se obtienen los resultados se observa en la figura 6.12
En este caso no se van a mostrar todas las matrices de adyacencia, pues al revisar las in-teracciones se encontr´o que todas son similares entre noches. Sin embargo, como las bandas de frecuencia que m´as tiene relevancia en sue˜no REM son theta y beta, en estas se centr´o el an´alisis.
Resultados matrices de ayacencia para todas las bandas
1. 0.3-4 Hz (Delta): la mayor cantidad de interacciones ocurre entre regiones l´ımbicas y temporales. S´olo existe una excepci´o de una interacci´on entre el giro angular y el uncus
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 33
Figura 6.12: Ejemplo de matrizde adyacencia: matriz de adyacencia para la noche 81802
(noche 54802)..
2. 4-8 Hz (Theta): al igual que en las ondas delta, se encuentra la mayor cantidad de interacciones entre las ´areas l´ımbicas y temporales, pero adem´as se pueden encontrar algunas relaciones entre el l´obulo parietal inferior, el giro fusiforme y supramarginal (noches 54802, 81802).
3. 8-12 Hz (Alpha): en este caso se observaron algunas diferencias con respecto a las dos primeras bandas, y fue que no hay una interacci´on con el giro temporal superior, pero si con el resto de ´areas de este l´obulo estudiadas. Entonces, al igual que en las dos primeras bandas se encontr´o una interacci´on entre las ´areas l´ımbicas y temporales, as´ı como una peque˜na interacci´on entre el giro frontal inferior, el giro temporal superior y el giro fusiforme (noche 44202).
4. 12-30 Hz (Beta): tiene la mayor interacci´on con electrodos en el giro parahipocampal, el uncus, el giro temporal superior y medio y el giro fusiforme. Estas ´areas pertencen otra vez a las regiones l´ımbicas y temporales, pero tambi´en se encontr´o una peque˜na interacci´on con el giro angular, el supremarginal y los giros temporales medio y superior (noche 44202).
CAP´ITULO 6. RESULTADOS 34
5. 30-49 (Gamma): al igual que en las primeras bandas, se encuentra una iteracci´on entre los l´obulos l´ımbicos y temporales. Pero en este caso tambi´en se encontraron interacciones entre las ´areas localizadas en los l´obulos temporal y l´ımbico, con regiones cerebelares como el Tuber y el Declive.
6. 51-420 Hz: las interacciones que ocurren en estas bandas frecuenciales muestran los mismo resultados que para los primeros electrodos. Sin embargo, como la diferencia entre las medias es muy peque˜na pues los valores de potencia RMS son m´as peque˜nos, se encuentran m´as cantidad de interacciones entre varios grupos de electrodos de diferentes regiones. Es por esto que el resultado tendr´ıa que ser verificado con otros estudios estad´ısticos.
7. Discusi´
on
Las regiones m´as activadas, seg´un los resultados de interacciones y del an´alisis de medias, se encuentran en la zona l´ımbica y temporal. Que esto ocurra comprueba que s´ı existe una relaci´on entre el sue˜no REM y la consolidaci´on de memorias y, adem´as que los sue˜no que ocurren en esta etapa est´an relacionados con activaciones emocionales y de la personalidad. Esto se puede decir pues el l´obulo temporal est´a ampliamente relacionado con la memoria de largo plazo y, en el giro fusiforme, con el reconocimiento de rostros. Adicionalmente el uncus y el giro parahipocampal, en el l´obulo l´ımbico y cerca del hipocampo, muestran relaciones con las memorias: asociativa, epis´odica y sem´antica.
Ahora bien, otras regiones ubicadas sub-lobularmente en el hipocampo, como el T´alamo, el extra-n´ucleo, insula, caudate, entre otros, no tienen una activaci´on seg´un las medias estudi-adas. Esto pudo deberse a que la cantidad de electrodos en este estudio, para cada una de las ´areas mencionadas, es de 1 o 2 lo cual hace que la media sea el valor de potencia RMS calculada inicialmente.
Adem´as de esto se pudo observar, en bandas de frecuencia mayores a beta, un aumento en la actividad del cerebelo. Exactamente en las regiones del declive, culmen y el tuber, las cu´ales se encuentran en el l´obulo posterior. La activaci´on de esta ´area est´a relacionado con la postura y el movimiento del cuerpo.
7.1
Bandas theta y beta
Lo que se encontr´o para la activaci´on regional en la banda theta y beta fue:
• Activaci´on de regiones en la zona l´ımbica y temporal. M´as que todo en el Uncus y en los giros superior, inferior y medio temporales.
• Hay una activaci´on considerable de regiones parietales: giro angular y giro postcentral. • Hay una interacci´on entre ´areas l´ımbicas y temporales, pero tambi´en con regiones pari-etales. Hay una peque˜na interacci´on entre el giro inferior frontal y los giros inferior y medio superiores.
8. Conclusiones y trabajo futuro
Se encontraron las ´areas m´as y menos activadas durante sue˜no REM, para 9 bandas de fre-cuencia y en 5 noches. Sin embargo, con respecto a la activaci´on de la zona fronto-parietal se encontr´o que no hay suficientes electrodos para hacer afirmaciones, basadas en hechos es-tad´ısticos, acerca de la actividad registrada para las ´areas relacionadas con estos l´obulos. Esto se dice, pues si se compara la cantidad de electrodos en el l´obulo temporal con respecto a los de los l´obulos parietal y frontal, se encontr´o que estos son apenas un 6% de la totalidad de los electrodos en la primera ´area mencionada.
A pesar de esto, se pudo encontrar que las regiones activadas son aquellas relacionadas con regiones l´ımbicas y temporales. Estos hallazgos son similares a lo reportado en la literatura, pues el l´obulo l´ımbico incluye el complejo amigdaloide y el ´Area de Brodmann 28 se encuentra en justo debajo del hipocampo. Ahora bien, una diferencia encontrada con la literatura, fue que en el caso de este proyecto varias de las ´areas menos activadas se encuentran en regiones sub-lobulares, cercanas al T´alamo. Pero esto se debi´o a que de estas estructuras solo hay registros de 1 o 2 electrodos en total (para todas las 5 noches).
8.1
Trabajo Futuro
A partir de los resultados observados acerca de la activaci´on en la zona fronto-partietal, se pudo establecer que la cantidad de electrodos no es suficiente para hacer afirmaciones sobre las activaciones de zonas como el giro angular, postcentral y l´obulo parietal inferior, as´ı como el giro frontal inferior, medio y precentral. Es por lo anterior, que si se quiere continuar con esta investigaci´on en proyectos fututos es importante seleccionar una base de datos que contenga m´as electrodos en ´areas relacionadas al sue˜no REM del ´area blanco de estudio, y no pudieron ser estudiadas como: el giro frontal superior, en el surco parietal y en la corteza parietal superior.
Ahora bien, como los electrodos inter-sujetos son diferentes, se propone que todos los sujetos o noches analizadas tengan el mismo n´umero y ubicaci´on de electrodos, con el fin de poder hacer un an´alisis estad´ıstico m´as profundo acerca de la interacci´on que ocurre entre los sujetos y comprobar que las regiones son iguales para todas las bandas.
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A. Matrices de adyacencia
Figura A.1: Matriz de adyacencia para la noche 44202
AP ´ENDICE A. MATRICES DE ADYACENCIA 40
AP ´ENDICE A. MATRICES DE ADYACENCIA 41
AP ´ENDICE A. MATRICES DE ADYACENCIA 42
