Modelling prefrontal cortex functions by using neural networks

Korteks işlevlerinin yapay sinir ağları ile modellenmesi

Tez No: 139083
Yazar: GÜLAY KAPLAN BÜYÜKAKSOY
Danışmanlar: PROF. DR. CÜNEYT GÜZELİŞ, YRD. DOÇ. DR. NESLİHAN ŞENGÖR
Tez Türü: Doktora
Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2003
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Sayfa Sayısı: 117

Özet

İşlemsel modelleme, beyni bir hesaplama aracı olarak ele alır ve beynin çalışma prensipleri konusunda özgün fikirler üretilmesine olanak sağlar. Bu tezin amacı, değerlendirme testleri ile ölçülmeye çalışılan prefrontal korteks işlevleri için işlemsel modeller önermektir. Modelleme aracı olarak yapay sinir ağları kullanılmaktadır. Prefrontal korteks, beynin amaca yönelik davranış geliştirme için gerekli olan yüksek seviyeli yönetsel işlemlerle ilişkilendirilen bölgesidir. Yönetsel işlemler, insan davranşmm zaman içindeki oluşumu ile ilgilidir. Yönetsel işlemlerin kullanılması, insana planlama ve bu plana göre davranma, kurallara uyma, problem çözme ve değişen koşullara göre adapte olabilme özelliklerini sağlar. İnsanlarda prefrontal korteks hasarı tek tipte bir davranış bozukluğu oluşturmaz. Dikkat, bellek, uygun davranışın oluşturulması, planlama ve istenmeyen davranışı bastırma gibi birçok değişik işlevin bozulması ile sonuçlanır. Bu yüzden prefrontal korteks işlevlerindeki bozukluklar yönetsel işlemler (executive processes) cinsinden tanımlanır. Bu tez çalışmasında, Wisconsin Kart Sıralama Testi, Stroop testi ve Hanoi Kulesi testi ele alınmıştır. Bu testlerin seçilme nedeni, zihinsel (mental) esneklik, istenmeyen davranışı bastırma ve planlama özelliklerinin değerlendirilmesinde kullanılan tipik testler olmalarıdır. Tezde kullanılan modelleme yaklaşımında, ilk olarak testleri başarıyla gerçekleştirmek için gerekli olduğu düşünülen hipotetik iş/alt-işler önerilmiştir. Sağlıklı ve prefrontal hasarlı deneklerin test sırasındaki davranışlarını mo- delleyebilmek için, bu iş/alt-işlerin prefrontal devrelerce gerçekleştirilen işlevler cinsinden tanımlanması gerekmektedir. Modelleme yaklaşımındaki ikinci adım, tanımlanan bu alt işleri gerçekleştiren yapay sinir ağlan veya sinir yapıları önermektir. Kullanılan sinir yapıları, bilinen yapay sinir ağlarına karşı düşmeyen, ancak belirli bir işlevi gerçekleştirmek amacıyla bir araya getirilen sinir hücresi gruplarıdır. Son olarak, alt-işler için önerilen ağlar ya da yapılar birbirleriyle bağlanarak sanal prefrontal korteks devreleri oluşturulur. Tezde M AT LAB® kullanılarak, testler için bir yazılım ortamı oluşturulmuş ve önerilen işlemsel modellere bu ortam aracılığı ile testler uygulanmıştır. Testler tamamlandıktan sonra, gerçek deneklere uygulanan test sonucunu değerlendirme kurallarıkullanılarak, modele ait test sonuçlan puanlandırılmıştır. Modellemede en önemli nokta, modelin prefrontal hasarlı hasta davranışlarını üretebilme yeteneğine de sahip olması gerektiğidir. Bu amaçla, prefrontal hastalarda bozulduğu düşünülen işlevlere karşı gelen sinir devrelerinde bir takım değişiklikler yapılmıştır. Bu değişiklikler modele ait çeşitli parametre değerlerinin değiştirilmesi yoluyla gerçekleştirilmiştir. Wisconsin Kart Sıralama Testi, kavram oluşturma, zihinsel esneklik ve dış dünyadan gelen uyanlara göre davranışı düzenleyebilme yeteneklerini ölçmek amacıyla kullanılır. Testte, üzerinde farklı renkte ve farklı sayıda şekiller bulunan kartlar kullanılır. Her üç özelliğin de farklı olduğu kartlar şablon kart olarak adlandırılırken, diğer kartlar cevap kartları olarak adlandırılır. Testte denekten istenen, bu üç özelliğe göre cevap kartlarını, şablon kartlarla eşleştirmektir. Her eşleştirme sonrasında test yürütücüsü seçimin kendi eşleştirme kuralına uygunluğuna göre“doğru”ya da“yanlış”diyerek deneğe seçiminin doğruluğu hakkında bilgi verir. Eşleştirme kuralı deneğe söylenmez ve test boyunca belirli kurallara göre değiştirilir. Cevap kartları farklı özellikleri dikkate alınarak farklı şablon kartlarıyla eşleştirilebilirler, her zaman geçerli olan tek bir uyaran-cevap eşleştirmesi mümkün değildir. Denek, test sırasında eşleştirmede bir kuralın varlığını farketmeli ve test yürütücüsünün cevabına göre kendi önerdiği eşleştirme kuralını değiştirmeli ya da korumalıdır. Deneğin amacı mümkün olduğunca fazla sayıda olumlu cevap alabilmektir. Prefrontal hasarlı hastalar kendi önerdikleri eşleştirme kuralını değiştiremezler ve bu kuralda ısrar ederler. Bu ısrarın nedeni, planlama, soyutlama ve zihinsel esneklikteki eksiklikler yüzünden, hipotez önerme ve bu hipotezi test etme yeteneklerinde oluşan sorunlardır. Bu sorunlar yüzünden hastalar, eşleştirme kuralının değiştiğini farkedemez ve kendi önerdiği eşleştirme kuralına aldığı olumsuz cevaplara göre önerisini değiştiremeyip onda ısrar ederler. Bu şekildeki davranış biçimi WCST ile ölçülmeye çalışılan tipik bir davranış şeklidir ve ısrar (perseveration) olarak adlandırılır. WCST ile yakalanmaya çalışılan bir başka davranış bozukluğu ise zihinsel dağınıklıktır (distractibility). Bazen hastalar eşleştirme kuralını bulsalar bile zihinsel dağınıklıkları yüzünden bir süre sonra buldukları kuralı koruyamayarak başka bir kurala göre seçimlerini yapabilirler. Bu tipteki davranışlar WCST'de“kuralı korumada başarısızlık”(FMS: Failure to Maintain Set) puanı ile değerlendirilirler. Tezde önerilen modelde, deneğin davranışlarını iki aşamada gerçekleştirdiği öne sürülmüştür. Denek, önce eşleştirmede kullanacağı kriteri belirler daha sonra da bu kritere göre cevap kartıyla uyuşan şablon kartını seçer. Bu iki aşama, modelde“seçim”(selection) ve“kural belirleme”(rule determination) birimleri tarafından gerçekleştirilmektedir. Kural belirleme işlemi, deneğin bir önceki seçimine test yürütücüsünün verdiği cevaba göre belirlenir. Eğer test yürütücüsü bir önceki seçim için“doğru”cevabim vermişse seçim kriteri korunmalı, aksi taktirde değiştirilmelidir. Modelde mevcut kuralın korunması Hopfield ağı ile gerçekleştirilirken yeni kuralın önerilmesi Hamming ağı tarafından Hopfield ağma yeni başlangıç koşulları sağlamak yoluyla gerçekleştirilmektedir.Belirlenen kurala göre ilgili şablon kartın seçilmesi, bir çeşit Kazanan-Hepsini- Alır (Winner- Take- Ali) ağı olan seçim birimi tarafından gerçekleştirilir. Bu ağda, herbir sinir hücresi bir şablon karta karşı düşürülmüştür ve çıkışı aktif olan sinir hücresi, deneğin seçtiği şablon kart olarak algılanır. Bu yüzden önerilen ağda dört sinir hücresi kullanılmıştır. Sinir hücrelerinin girişlerine eşleştirilmesi istenen cevap kartı ve kural belirleme birimi tarafından belirlenmiş seçim kriteri giriş bilgisi olarak gelir. Her nöron temsil ettiği şablon kart ile cevap kartı arasındaki benzerliği, seçim kriteri kullanılarak ağarlaştırılmış uzaklık tanımına göre hesaplar. Son olarak, cevap kartına uzaklığı en küçük olan sinir hücresi deneğin seçimi olarak belirlenmiş olur. Önerilen modelde, Hopfield ağı“çalışma belleği”(working memory) olarak kullanılmış ve bir takım değişiklikler yapılarak gerçekleştirilen benzetimlerde, hastalarda görülen zihinsel dağınıklığın model tarafından da üretilebildiği görülmüştür. Zihinsel dağınıklığın ölçüsü hasta için elde edilen sonuçlarda arttığı gözlenen FMS sayısıdır. Diğer yandan Hammming ağında yapılan değişiklikler, ısrar davranışının artması şeklinde gözlenmiştir. Modelin gerçekçiliğini sınamak amacıyla çok sayıda benzetim gerçekleştirilmiştir. Benzetim sonuçları, modelin denek davranışları olarak esnekden çok“katı”(rigit) davranışh hastalara kadar oldukça geniş bir değer aralığında sonuçlar üretebildiğim göstermektedir. Prefrontal korteksin temel işlevlerinden biri amaca yönelik davranış geliştirmektir. Amaca yönelik davranışın gerşekleştirilebilmesi için amaçla ilgili aktivasyonun bozucu etkilerden korunması gerekmektedir. Günlük yaşamımız boyunca gerçekleştirdiğimiz birçok işte, etraftan gelen ancak bizim amacımıza uygun olmayan uyaranları gözardı ederek, ilgilendiğimiz uyarana odaklanmamız gereken işler yapmak durumunda kalırız. Bu göz ardı etme işlemi prefrontal korteksin yönetsel ve düzenleyici fonksiyonları ile ilişkilidir. Stroop testi, amaca uygun olmayan ve gözardı edilmek istenen uyaranın davranışlarımızı düzenlemesine engel olma yeteneğinin ölçülmesinde kullanılmaktadır. Stroop testinde, deneklere üzerinde değişik renkteki mürekkeplerle yazılmış renk isimlerinin bulunduğu kartlar sunulur. Kartlarda kullanılan mürekkepler, kelimenin belirttiği renklerden farklıdır. Denekten kelimelerin renklerini olabildiğince çabuk söylemesi istenir. Renk söyleme işleminde, kelimenin anlamı bozucu etki göstererek istenen işin gerçekleştirilmesine olumsuz etkide bulunur. Kelimeleri okumak daha sık yaptığımız ve o yüzden otomatikleşen bir davranıştır. Ancak testin başarıyla gerçekleştirilebilmesi için, alışık olduğumuz bu davranışın bastırılarak, daha seyrek yaptığımız renk söyleme işleminin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Prefrontal korteksi hasarılı denekler, otomatik davranışlarının önüne geçmeyi çoğunlukla başaramazlar. Bazen bu başarısızlıklarının ardından, hatalarını düzelterek ikinci adımda da olsa kelimelerin renklerini söyleyebilmeyi başarırlar. Çoğunlukla hastalar, istenmeyen davranışın bastırılmasında yetersiz oldukları için, cevap oluşturma aşamasında tereddüt yaşarlar ve bu yüzden testi tamamlamaları uzun sürer. Hastalarda gözlenen bir başka davranış biçimi ise,yapılması istenen işe aldırmaksızın alışık, oldukları davranış biçimine göre cevap vermeleridir. Bu durumdaki hastalar tereddüt etmeksizin kelimeleri okurlar ve bunun sonucu olarak ta test süreleri kısa ancak yanlış sayıları çok olur. Testin başarısı, testi tamamlama süresi, yapılan yanlış ve düzeltme sayıları ile belirlenir. Bu doktora tezinde Stroop testini başarmak için gerekli olan prefrontal korteks işlevleri modellenmiştir. Bu amaçla dikkatin yönlendirilmesi, otomatik cevabın bastırılması, geliştirilen davranışın istenilen davranışa uygunluğunun kontrolü ve uygunsuzluğun söz konusu olduğu durumlarda düzeltici işlemlerin başlatılması işlevlerini yerine getiren bir model önerilmiştir. Modelde dikkatin alışa gelinmeyen uyarana yönlendirilmesini sağlamak amacıyla dikkat-yönlendirme birimi önerilmiştir. Bu birim renk söyleme işinde kelime uyaranına cevap verilmesi şeklinde olan otomatik cevabın bastırılması için bastırma biriminin (inhibition module) aktif hale gelmesini sağlar. Bastırma biriminin işlevini modellemek için Hopfield ağı kullanılmıştır. Hopfield ağının görevi, otomatik olarak yapılmak istenen kelime okuma davranışını bastırmak amacıyla, yeterince büyük bir işaret üretmektir. Alışılagelmiş davranışların yürütülmesinden sorumlu olan bazal çekirdekler (basal ganglia) işlevleri MAX- NET ağı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Duyusal ve hareketsel devrelerin (sensory and motor networks) gerçekleştirdiği algılama ve okuma/renk söyleme işlemleri için de ayrı ayrı Hopfield ağları kullanılmıştır. Hata-sezinleyici üç algılayıcıdan (perceptron) oluşturulmuştur. Test sırasında denek istenmeyen bir davranışta bulunduğunda hata-sezinleyici devreye girer ve bastırma biriminini uyarır. Modelde hata-sezinleyici raslantısal olarak aktif olur. Bu amaçla hata işaretinin üretilme olasılığına karşı düşen bir parametre kullanılmıştır. Raslantısal olarak belirlenen bu değer daha önceden belirlenmiş değerden yüksekse, hata sinyali üretilir ve bastırma birimi yeniden devreye girer. Stroop testi için gerçekleştirilen benzetimlerde, bastırma birimininin kelime okumayı bastırma üzerine olan etkisi, bu birimin aktivasyonun azaldığı durumlarda yapılan yanlış sayısının artmasından, benzer şekilde yüksek aktivitede yanlış sayısının azalmasından gözlenmektedir. Benzetimlerde ele alınan bir diğer etken ise hata işaretinin sonuçlar üzerindeki etkisidir. Hata işaretinin üretilme olasılığının düşük olduğu durumlarda, test süresi kısa, yüksek olduğu durumlarda ise sürenin uzun olduğu benzetim sonuçlarından görülmektedir. Yapılan çok sayıda benzetim, modelin sağlam ve çeşitli prefrontal hasta davranışlarını geniş bir alalıkta üretebilme yeteneğine sahip olduğunu göstermiştir. Hanoi Kulesi testi prefrontal korteksin. planlama yeteneğini değerlendirmek amacıyla kullanılır. Planlama; bellek, problem çözme, zihinsel temsil ve amaca yönelik davranış gibi birçok kognitif işlemin birarada kullanılmasını gerektiren karmaşık bir işlevdir. Hanoi Kulesi testinin temel özelliği problemi çözmek için, başlamadan önce bir dizi hareketi planlamanın gerekmesidir.Hanoi Kulesi testinde, denekten üç çubuk üzerinde dizili bulunan bir grup halkanın başlangıç konumundan bitiş konumuna en az sayıda halka hareketiyle getirmesi istenir. Ancak denek bu hareketler sırasında birtakım kurallara uymak zorundadır. Her adımda yalnızca bir halka hareket ettirilebilir, hareket ettirilen halkanın üstünde bir başka halkanın olmaması gereklidir ve küçük halkanın üstüne büyük halka konulamaz. Test sırasında gerçekleştirilen karmaşık kognitif işlemleri daha temel alt işlemlere ayırmak mümkündür. Test sırasında deneğin başarılı olabilmesi için kurallara uygun olası hareketleri zihninde canlandırabilmesi ve bunları birbiri ardısıra yaparak hareketler dizisi oluşturması gereklidir. Bunlara ek olarak oluşan bu dizilerin, istenilen bitiş konumuna yaklaşmaları açısından değerlendirilmeleri de gerekmektedir. Bazı durumlarda hedefe ulaşmak için gerekli optimal adım, geçici olarak hedeften uzaklaşılmasına neden olabilir. Bir başka çelişki hedef çubuğa, konulması gerekenden başka bir halkanın, geçici olarak konulmasının gerektiği durumlarda ortaya çıkar. Böyle durumlarda, yapılması doğalmış gibi gelen davranışın bastırılması gerekmektedir. Olası hareketlerin ve onların ardışıl olarak birbirlerine eklenmeleri çalışma belleği (working memory) olarak adlandırılan bir çeşit belleği gerektirir. Çalışma belleği, bilginin kısa bir süre için saklanması ve bu sırada amaca yönelik olarak işlenmesi için kullanılan bir bellek tanımlamasıdır. Prefrontal hasarlı hasta verileri ve beyin görüntüleme çalışmaları göstermiştir ki dorsolateral prefrontal korteks, planlamanın zihinde gerçekleştirilmesi için önemli bir bölgedir. Sağlıklı kişilerde gerçekleştirilen fonksiyonel görüntüleme teknikleri, dorsolateral prefrontal korteksin ön bölgesinin, alt işler gerçekleştirilirken ana amacın çalışma belleğinde tutulmasında başlıca rolü oynadığım göstermiştir. Bu tezde çalışma belleğinin işlevlerini yerine getirebilmek amacıyla, Hopfield ağlarından oluşmuş bir çalışma belleği önerilmiştir. Bu bellek kullanılarak, kurallara uygun olası hareketlerden oluşan hareket dizileri oluşturulabilmektedir. Bunu yanı sıra oluşturulan dizilerin, hedefe yakınlığının değerlendirilmesine yönelik iki mekanizma denenmiştir. Bu tezde üç farklı nöropsikolojik test ele alınmış ve bu testlerin başarıyla geçilmesi için gerekli hipotetik iş/alt- işler önerilmiştir. Literatürde önerilen bazı iş/ alt işler için sorumlu tutulan beyin bölgeleri bulunmaktadır. Ancak bazıları için böyle bir eşleştirme söz konusu değildir. Test sırasında gerçekleştirildiği düşünülen davranışları modellemek amacıyla bütünleşik işlemsel modeller Önerilmiştir. Bu modeller yapay sinir ağları kullanılarak oluşturulmuştur. MATLAB® kullanılarak, testlerde kullanılan materyal ve testin uygulanış biçimini içeren benzetim ortamı geliştirilmiştir. Modellerin başarısını test etmek amacıyla çok sayıda benzetim gerçekleştirilmiş ve elde edilen sağlıklı ve prefrontal hasarlı denek davranışları klinik denek verileri ile karşılaştırılmıştır.İnsan prefrontal korteksinin işlevlerine karşı düşen işlemsel modelleri geliştirmek, yüksek seviyeli yönetsel işlevlerin nasıl oluştuğunu anlamanın yanısıra. zeki sistemlerin oluşturulmasına da katkıda bulunacaktır.

Özet (Çeviri)

Computational modelling provides novel sources of insight to working principles of the brain by considering it, as a computational device. The aim of this dissertation is to propose the computational models of the prefrontal cortex functions during some assessment tests. The artificial neural networks are used as modelling tools. The prefrontal cortex is the area of the brain associated with high level,“executive”processes needed for goal-directed behavior. Executive processes are the mental processes which allow us to generate the appropriate behavior to attain a specific goal in novel situations. The use of executive functions give human beings the opportunity to behave flexible in contrast to reflexive or fixed reactions to external events. In humans, the damage of PFC does not produce a single, characteristic deficit. Rather, it results in disturbances in a variety of functions, including attention, memory, response selection, planning and inhibitory control. So the deficits of PFC functions are defined in terms of the executive functions. In this dissertation Wisconsin Card Sorting Test (WCST), Stroop test and Tower of Hanoi (ToH) tests are considered. They are selected since they are representative tests for measuring the mental flexibility, inhibition and planning abilities. The first step of modelling is to propose the hypothetical tasks/subtasks which are supposed to be required to perform the test successfully. At the same time these tasks should be defined in terms of the prefrontal cortex's processes in order to simulate the performance of both normal and prefrontal lesioned people. The second step in modelling is to have the artificial neural networks or the artificial neural structures carry out these tasks. The artificial neural structure term is used to define a group of neurons which are combined to perform a specific task. These are different from the conventional artificial neural networks. Finally, all of these neural components are combined to generate the virtual PFC circuits. The test materials and application of the tests are simulated in a software environment using M AT LAB®. The tests are applied to the models and the results are scored following the test evaluation rules. The most important point of the modelling is to simulate the behavior of the PFC damaged subjects. For this purpose, some components of the model which are matched to the parts of the prefrontal cortexresponsible for behavioral dysfunctions. are modified. These modifications are done by tempering the value of some parameters. The WCST requires the concept formation, mental flexibility and the ability to change responses based on reinforcement. The test material is a deck of cards, bearing geometric figures that vary in color, shape, and number. The cards which are different from each other in all three features are called template cards and the rest are called response cards. The template cards are presented to the subject through the test. The task is to match each response card with one of the four template cards. The matching rules are not told to the subject and also varied according to some rules. The experimenter responses as“right”or“wrong”according to her/his matching rule after the subject selects a template card. Any given card can be associated with several possible actions, no single stimulus-response mapping will work. The subject should discover the criterion for selection and keep or change it according to the experimenter's response. The goal for the subject is to get as many right responses as possible. The prefrontal lesioned subjects are not able to change the criteria, instead they insist on their own proposed criteria. Poor planning, poor abstraction, deficient mental flexibility and hence poor hypothesis generation and testing would prevent the subject deciphering the valid rule. So she/he would be unable to respond appropriately to the negative feedback after the rule change and would tend to insist on the previous response pattern. This kind of behavior is called perseveration which is the most salient measure of the WCST. The other type of behavior anomaly is distractibility which is difficulty in keeping up responding in the valid rule, hence commits“failure to maintain set”(FMS). Due to distractibility the subject cannot maintain the rule and reach the criterion of completing a category even after displaying that she/he conceptualized the new rule by responding a number of consecutive correct matchings. In the proposed model, it is assumed that the subject's behavior is completed in two phases for each card. In the first phase, the rule, which the subject proposes for selecting a template card, is determined. In the next phase, the template card which matches the represented card regarding the selection rule is chosen. These two phases are realized by“selection”and“rule determination”modules. The first phase, i.e., the process of determining the selection rule, is performed considering the experimenter's response to the previous decision of the subject. If the experimenter's response is“right”, the subject should maintain the current rule, if not, the alternatives should be considered. Maintenance of the valid rule in the proposed model is realized by a Hopfield network. The model has another network namely Hamming network, which. offers to the Hopfield network a set of alternatives via setting up its initial states when the experimenter's response is“wrong”. The action of card selection is done by the selection module which is a kind of Winner-Take- All (WTA) network. Each neuron of the selection module matches to a template card, in turn. So the outputs of selection module correspond tothe subject's choice for current response card. The neurons of selection unit take the response card vector and the determined criterion vector which is the output of the rule determination module as inputs. The four neurons in the selection module compute a weighted norm of difference between the response card vector and template card vector. The neuron with minimum distance is selected as subject's decision. In the proposed model, Hopfield network is utilized for the working memory module, the tempering of which gave rise to distractibility as reflected by the increasing number of FMS's committed. On the other hand, the Hamming network served as the hypothesis generator, the inefficiency of which was reflected in the increasing percentage of perseverative errors. In order to validate the model for WCST a large amount of simulations are performed. According to the simulation results the model has capability of simulating the performances of a wide array of normal subjects and prefrontal patients on a continuum of most flexible to most rigid. Goal-directed behavior is one of the fundamental functions of the prefrontal cortex. Moreover, the ongoing activity relevant to the goal-directed behavior has to be actively guarded against the competing stimuli. In daily life, it is required to inhibit the irrelevant or interfering stimuli and to focus on the currently relevant one in the environment. This inhibitory process is associated with executive or modulatory functions of the frontal lobe. The Stroop test has been used to explore the limitations of inhibitory process on irrelevant responses. In the Stroop test, the subjects are presented a set of color names printed in different colors and asked to name the print colors as quickly as possible. When asked to name the color in which a word is printed, subjects are influenced by what the word means. Correct response requires to inhibit the automatic tendency to read the words in favor of color naming which is the less practiced task. The patients with the prefrontal lesions hardly inhibit the automatic response. Sometimes they correct the erroneous behavior, i.e., they name the color after they read the word. Hesitancy arising from ineffective inhibitory control prolongs the duration. The other observed behavior of prefrontal patients is impulsive reading. In this case, they read the words fast because no error signal is issued and/or no inhibitory control is possible. The time to complete the tasks, the number of errors and corrections in the course of tasks are the different measures of the Stroop test. In this dissertation the PFC functions demanded during Stroop test are modelled. For this purpose attention direction, automatic response inhibition, response monitoring, error detection and correcting are considered. The proposed model for the Stroop test is designed by arranging artificial neural networks corresponding to related frontal circuits to perform the tasks. Themodel's ability to simulate the performance of a spectrum from normal subjects to a variety of prefrontal patients on the Stroop task is also tested. In the test, the subject has to focus on the task- relevant feature, for example, she/he should pay attention to color during the color-naming task. To realize this the attention direction module is formed. The aim of the attention directing module is to alert the related PFC regions to take control of the non-automatic task. A simple neural network with predefined weights are used for this purpose. The inhibition module is modelled by the Hopfield network. The aim is to generate a sufficiently large output in order to inhibit the word reading tendency. The BG is responsible for mediating routine behavior. In the model the BG is realized by a MAX-NET network. The sensory motor networks of the model are simulated by two Hopfield networks; one for word reading and the other for color naming. The error-detector takes turn when the subject generates an improper response i.e she/he cannot inhibit the undesired response. In the model the error- detector is activated randomly. The error-detector generates an error signal if the produced likelihood of generating error signal parameter value is greater than a pre-specified value. The error-detector is composed of three perceptrons. During the simulations, using different parameter values the graded effects of inhibition on committed errors are observed. The other fact considered is generating the error signal. The varied likelihood of generating error signal affects the corrections and this prolongs the duration. The results of simulation show that the proposed model is capable to simulate the performance of a spectrum of normal and variety of prefrontal patients on the Stroop test. The Tower of Hanoi (ToH) test is used to assess the planning ability of the PFC. Planning is a complex ability since it requires the cooperation of a number of cognitive process. It includes memory, problem solving, sequencing of representations and goal-directed behavior. The key feature of the ToH task is planning the complete sequence of steps required to solve the problem before giving any response. The task is transferring from initial disc configuration to desired configuration in as few moves as possible following certain rules. The rules constrain the movements and also require the planning of subsequent steps. The subject can move one disc at a time and there must be no disc on top of this one, while never placing a disc onto one smaller than itself. The complex cognitive process involved in the performance of the test can be broken down into subtasks. The subject should be able to generate internal representations of possible moves following the rules and arrive at the sequences of them and finally to evaluate them with respect to reaching the goal. Forming a mental image of the possible moves also requires a control mechanism to inhibit the rule violations. In addition, the assessment of sequences with respect to attainment of the goal is required.Generating the internal representations of possible moves and consequences of them requires the working memory which is the mechanism for temporary storage and manipulation of the information. Lesion and functional imaging studies show that dorsolateral (Dİ) PFC is important for mental act of planning, which is the prospective construction and mental testing of a series of intermediate steps required to achieve a goal. The functional imaging in normal humans has suggested that anterior D1PFC may have a unique role in maintaining goals in working memory while proceeding with subgoals. During the test, the subjects should also assess the possible moves while considering the number of steps used to reach the goal state. Sometimes the optimal action requires moves that take the disc configuration temporarily further away from the goal state and/or to block the goal peg with a disc that must later be cleared. In such cases the natural tendency to make more obvious, perceptually congruent moves, should be inhibited. In the dissertation, for ToH problem a framework to implement the working memory is proposed using Hopfield networks. In this framework, producing the mental representations of legal movement sequences are possible. Two mechanisms are examined to evaluate the generated sequences which aim to reach the goal. In this dissertation, three different neuropsychological tests are considered and the hypothetical tasks/subtasks required to perform these tests successfully are proposed. In the literature, there are some circuits of the brain that are suggested to be responsible for these tasks. However, for some of the tasks corresponding brain circuits have not been introduced yet. In order to model the behavior of subjects' during the tests, the composite computational models have been proposed. These models are implemented by artificial neural networks. Using MATLAB® the materials of the tests and their application are simulated. In order to validate models' performance many simulations are carried out. Through the simulations normal and prefrontal deficits subjects' behavior are obtained and these results are compared to clinical data. Developing the computational models of the human prefrontal cortex functions is not only beneficial in understanding the underlying mechanisms taking place during human cognition but also this comprehension of brain activities with this method would be a step in forming a basis for intelligent systems.

Benzer Tezler

Tez No
338217
Sinirileticilerin etkisinin matematiksel modellenmesi: Orta boy dikensi hücrelere dopaminin etkisi
Modelling the effect of neurotransmitters: Effect of dopamine on medium spiny neurons
RAHMİ ELİBOL
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
DOÇ. DR. NESLİHAN SERAP ŞENGÖR
Tez No
886940
Superior frontal girus medial alan subkortikal anatomisi: Fiber diseksiyon ve traktografik olarak 3 boyutlu mimarisinin incelenmesi
Superior frontal gyrus medial area subcortical anatomy: Examination of its 3d morphology via fiber dissection and tractographic analysis
TEMIRLAN CHYNDOLOTOV
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
Nöroşirürji Atatürk Üniversitesi
Beyin-Sinir ve Omurilik Cerrahisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN HADİ KADIOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET KÜRŞAT KARADAĞ
Tez No
339599
Erken dönem stresli ve ambivalan yaşam olaylarının davranışsal ve nörogelişimsel etkileri
Behavioral and neurodevelopmental effects of stressful and ambivalent early life events
ASLIHAN SAYIN
Doktora
Türkçe
2013
Psikiyatri Gazi Üniversitesi
PROF. DR. SELÇUK CANDANSAYAR
Tez No
412507
Erken dönem stresli ve ambivalan yaşam olaylarının davranısşal ve nörogelişimsel etkileri
Behavioral and neurodevolopmental effects of early stressful and ambivalence life events
MELİKE KÜÇÜKKARAPINAR
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2015
Psikiyatri Gazi Üniversitesi
Ruh Sağlığı ve Hastalıkları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK CANDANSAYAR
Tez No
756139
Yaygın anksiyete bozukluğu olgularının elektroensefalografi (EEG) alfa dalga gücünün ve asimetrisinin sağlıklı kontrol grubu ile karşılaştırılması
Comparison of electroencephalography (EEG) alpha power and asymmetry in patients with generalized anxiety disorder and healthy control group
RECEP ARIKANER
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2022
Psikiyatri Sağlık Bilimleri Üniversitesi
Ruh Sağlığı ve Hastalıkları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN YETKİN

Geri Dön