Integration of simultaneous fMRİ, EEG and physiology measures to determine and verify vigilance state
Eşzamanlı fMRI, EEG ve fizyoloji ölçümlerinin entegrasyonu ile uyanıklık durumunun belirlenmesi ve doğrulanması
- Tez No: 941668
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR SENAY ÖZBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Biyo-Medikal Mühendislik Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Dinlenim durumundaki fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (resting- state fMRI, rsfMRI), belirli görevlerin yokluğunda beynin işlevsel organizasyonunu incelemek için güçlü bir araçtır. Fonksiyonel bağlantı ve global sinyal varyansı gibi yaklaşımlar, bilişsel işlevler ve hastalık durumlarını incelemek için yaygın olarak kul- lanılır. Kan oksijenlenme seviyesi-bağımlı (BOLD) sinyallerdeki korelasyonları yansı- tan bu ölçümler, katılımcıların aktif katılımını gerektirmediği için klinik ve araştırma bağlamlarında özellikle çekicidir. Ancak, rsfMRI'daki büyük bir zorluk, uyanıklık ve dikkat durumundaki dalgalanmalara olan hassasiyetidir. Uyanıklığa bağlı değişiklikler, BOLD sinyal genliklerini ve beyin bölgeleri arasın- daki korelasyonları değiştirebilir. Bu etkiler, genellikle sistemik fizyoloji sinyallerınden- den etkilenir ve uygun bir şekilde dikkate alınmazsa tamamen nöral kaynaklı olarak yanlış şekilde yorumlanabilir. Bu çalışma, uyanıklık durumlarının sağlıklı ve genç bir popülasyonda rsfMRI metriklerini ve fizyolojik sinyalleri nasıl modüle ettiğini ortaya koymayı amaçlamıştır. EEG tabanlı bir uyanıklık indeksi kullanarak, BOLD sinyalleri üzerindeki uyanıklık etkilerini ve bu etkilerin fizyolojik dinamiklerle bağlantısını açık- ladık. Kalp hızı ve solunum hacmi gibi kardiyak ve solunumsal sinyallerin yanı sıra damar tonunun bir göstergesi olan fotopletismografi (PPG) sinyal genliği, bu dinamik- lere olan katkılarını anlamak için analiz edilmiştir. Çalışmamız, alanı birkaç kilit yenilikle ileri taşımaktadır, bunlar: sınıflandırma metodolojilerinin geliştirilmesi, dördüncü ventrikülden gelen beyin omurilik sıvısı (BOS) akış osilasyonlarının sistemik bir sinyal olarak entegrasyonu, rsfMRI çalışmalarında genellikle göz ardı edilen fizyolojik biyogöstergelerin kullanımı ve uzamsal-zamansalix beyin dinamiklerini ortaya çıkarmak için zaman gecikmeli korelasyon matrislerinin kul- lanılmasıdır. 17 katılımcıdan elde edilen, birden fazla kısa süreli gözler açık dinlenme durumu taraması verileri analiz edilmiştir. Bulgularımız, uyanıklıktan uykulu duruma geçiş sırasında fMRI sinyalleri ve fizyolojik göstergeler arasındaki anlamlı korelasyonları ortaya koymaktadır. Özellikle, BOS osilasyonları ile solunum hacmi arasındaki eş değişimler, duyusal bölgeler ile kalp hızı arasındaki korelasyonlar ve varsayılan mod ağı (default mode network, DMN) ile fotopletismografi genliği (PPG-AMP) arasındaki ilişkiler gözlemlenmiştir. Ek olarak, kısa süreli taramalarda bile, uyanık durumlara kıyasla uykulu durumlar sırasında bağlan- tının azaldığı gösterilmiştir; bu da uyanıklık geçişlerinin rsfMRI sonuçları üzerindeki etkisini vurgulamaktadır. Bu bulgular, uyanıklık durumları boyunca sistemik fizyoloji ve nöral etkinlik arasındaki etkileşimi vurgulamaktadır. Uyanıklığa bağlı değişkenlikleri ele alarak, yak- laşımımız rsfMRI'nın yorumlama hassasiyetini artırmakta ve hem araştırma hem de klinik alanlardaki potansiyel uygulamalarını genişletmektedir.
Özet (Çeviri)
Resting-state fMRI (rsfMRI) is a powerful tool for investigating the brain's functional organization in the absence of specific tasks. Approaches such as functional connectivity (FC) and global signal variance are commonly used to study cognitive functions and disease states. These measures, which reflect correlations in blood oxy- genation level-dependent (BOLD) signals across brain regions, are particularly appeal- ing in clinical and research settings due to their ability to capture brain activity without requiring active participant engagement. However, a major challenge in rsfMRI lies in its sensitivity to fluctuations in vigilance-the state of wakefulness and attention. Vigilance-driven variations can alter BOLD signal amplitudes and correlations between brain regions. These effects, often influenced by systemic physiological signals, may be mistakenly interpreted as purely neural in origin if not properly accounted for. This study aimed to demonstrate how vigilance states modulate rsfMRI metrics and physiological signals in a healthy young population. Using an EEG-based vigilance index, we delineated the effects of vigilance on BOLD signals and their links to physi- ological dynamics. Systemic markers, including cardiac and respiratory signals such as heart rate and respiratory volume, as well as the photoplethysmogram (PPG) signal amplitude-an indicator of vascular tone-were analyzed to understand their contribution to these dynamics. Our work advances the field through several key innovations: developing clas- sification methodologies, integrating cerebrospinal fluid (CSF) flow oscillations from the fourth ventricle as a systemic signal of interest, utilizing physiological biomarkers often overlooked in rsfMRI studies, and leveraging time-lagged correlation matrices tovii uncover spatio-temporal brain dynamics. Data from 17 participants across multiple short eyes-open resting-state scans were analyzed. Our findings reveal significant correlations between fMRI signals and physiolog- ical markers during transitions from wakefulness to drowsiness. Notably, we observed co-variations between CSF oscillations and respiratory volume, correlations between sensory regions and heart rate, and associations between the default mode network (DMN) and photoplethysmography amplitude (PPG-AMP). Additionally, we demon- strated reduced connectivity during drowsy states compared to wakefulness, even in short-duration scans, underscoring the influence of vigilance transitions on rsfMRI out- comes. These findings highlight the interplay between systemic physiology and neural activity across vigilance states. By addressing these vigilance-driven variations, our approach enhances the interpretative accuracy of rsfMRI and broadens its potential applications in both research and clinical domains.
Benzer Tezler
- Kısa süreli bellek ile ilişkili elektriksel salınımların hemodinamik karşılıklarının EEG-fMRI eşzamanlı ölçüm yöntemi ile analizi
Analysis of hemodynamic correlates of electrical oscillations related with short-term memory using simultaneous EEG-fMRI
ITIR KAŞIKÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Fizyolojiİstanbul ÜniversitesiSinir Bilimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAMER DEMİRALP
- Neuroimaging of brain activity using spatio-temporal signal modelling
Uzay-zamansal işaret modelleme ile beyin etkinliğinde nörogörüntüleme
ADİL DENİZ DURU
Doktora
İngilizce
2012
BiyomühendislikBoğaziçi ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ADEMOĞLU
- Sensitivity analysis and multi contrast imaging of magnetic resonance magnetohydrodynamic flow velocimetry at 3 Tesla
3 Teslada manyetik rezonans manyetohidrodinamik akış hızı ölçümünün duyarlılık analizi ve çoklu kontrast görüntülenmesi
MERT ŞİŞMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEHÇET MURAT EYÜBOĞLU
- Dikkat ağları modelinin rekabet kuramı, temsil düzeyi ve yaş değişkenleri açısından incelenmesi: fMRI destekli bir çalışma
Investigation of attentional network model in terms of competition theory, levels of representation and age variables: An fMRI based study
FUNDA SALMAN
- Subjective intensity and pleasantness in taste
Tatta öznel yoğunluk ve hoşluk' konulu
MARİA GERALDİNE VELDHUİZEN