Two Different Approaches of Feature Extraction for Classifying the EEG Signals

The focus of this chapter is to study feature extraction and pattern classification methods from two medical areas, Stabilometry and Electroencephalography (EEG). Stabilometry is the branch of medicine responsible for examining balance in human beings. Balance and dizziness disorders are probably two of the most common illnesses that physicians have to deal with. In Stabilometry, the key nuggets of information in a time series signal are concentrated within definite time periods are known as events. In this chapter, two feature extraction schemes have been developed to identify and characterise the events in Stabilometry and EEG signals. Based on these extracted features, an Adaptive Fuzzy Inference Neural network has been applied for classification of Stabilometry and EEG signals.

Brain rhythms alterations and their effect in functional networks: A simultaneous EEG/fMRI study in Fixation-off epilepsy

Fixation-off sensitivity (FOS) denotes the forms of EEG abnormalities, which are elicited by elimination of central vision or fixation. The phenomenon seems to depend on variables that modulate the alpha rhythm, however, the cerebral mechanisms underlying FOS remain unclear [1]. The scarce previous fMRI findings related to FOS have shown activation in extrastriate cortex [2] and also in frontal areas [3][4]. On the other hand, simultaneous EEG-fMRI technique has been used to assess the relationship between spontaneous power fluctuations of electrical rhythms and associated fMRI signal modulations. These studies have identified that lateral frontoparietal networks show a negative correlation with alpha band in healthy subjects. This neuroanatomical pattern is related to attentional processes and cognitive resources. Moreover, a sub-beta band (17-23 Hz) has been identified with posterior cingulate, temporoparietal junction and dorso-medial prefrontal cortex activations, which correspond to the DMN [5][6].

Effects of binaural stimulation in attention and EEG

When two pure tones of slightly different frequency are presented separately to each ear, the listener perceives a third single tone with amplitude variations at a frequency that equals the difference between the two tones, this perceptual illusion is known as binaural auditory beat. There are anecdotal reports that suggest that the binaural beat can entrain EEG activity and may affect the arousal levels, although few studies have been published. There is a need for double-blind, well-designed studies in order to establish a solid foundation for these sounds, as most of the documented benefits come from self-reported cases that could be affected by placebo effect. As BB’s are a cheap technology (it even exists a free open source programmable bin aural-beat generator on the internet named Gnaural), any achievement in this area could be of public interest. The aim in our research was to explore the potential of BB’s in a particular field: tasks that require focus and concentration. In order to detect changes in the brain waves that could relate to any particular improvement, EEG recordings of a small sample of individuals were also obtained. In this study we compare the effect of different binaural stimulation in 7 EEG frequency ranges, 78 participants were exposed to 20 min binaural beat stimulation. The effects were obtained both qualitative with cognitive test and quantitative with EEG analysis. Results suggest no significant statistical improvement in 20 min stimulation.

Influencia del ruido de fondo en ambientes universitarios sobre los procesos cognitivos básicos

En este trabajo, se presenta un estudio cuyo objetivo fue determinar la influencia del ruido de fondo producido dentro de instalaciones universitarias sobre procesos cognitivos básicos tales como: la percepción y la atención. Se realizaron grabaciones de ruido de fondo en aulas de clase, bibliotecas, etc., para luego exponer a estudiantes universitarios a estos ambientes sonoros. Se registró la actividad cerebral a través de electroencefalografías (EEG), estudiando los cambios en las bandas de frecuencia relacionadas con procesos atencionales (beta 13-30 Hz. y theta 4-7 Hz.). Los resultados preliminares aquí presentados, muestran un decremento en estas bandas al exponer a los voluntarios a ruido de fondo. Así mismo, se aplicó una prueba psicométrica para determinar cambios en la atención. Los resultados obtenidos en esta prueba, no permiten relacionar directamente la influencia del ruido de fondo sobre los procesos atencionales.

Estudio Multimodal de la Funcionalidad Cortical en ratones Transgénicos con Síndrome X Frágil y la modulación del dolor

El dolor es un síntoma frecuente en la práctica médica. En España, un estudio realizado en el año 2000 demostró que cada médico atiende un promedio de 181 pacientes con dolor por mes, la mayoría de ellos con dolor crónico moderado1. Del 7%-8% de la población europea está afectada y hasta el 5% puede ser grave2-3, se estima, que afecta a más de dos millones de españoles4. En la consulta de Atención Primaria, los pacientes con dolor neuropático tienen tasas de depresión mucho mayores 5-6-7. El dolor neuropático8 es el dolor causado por daño o enfermedad que afecta al sistema somato-sensorial, es un problema de salud pública con un alto coste laboral, debido a que existe cierto desconocimiento de sus singularidades, tanto de su diagnóstico como de su tratamiento, que al fallar, el dolor se perpetúa y se hace más rebelde a la hora de tratarlo, en la mayoría de las ocasiones pasa a ser crónico. Los mecanismos fisiopatológicos son evolutivos, se trata de un proceso progresivo e integrado que avanza si no recibe tratamiento, ocasionando graves repercusiones en la calidad de vida de los pacientes afectados9. De acuerdo a Prusiner (premio nobel de medicina 1997), en todas las enfermedades neurodegenerativas hay algún tipo de proceso anormal de la función neuronal. Las enfermedades neurodegenerativas son la consecuencia de anormalidades en el proceso de ciertas proteínas que intervienen en el ciclo celular, por lo tanto da lugar al cúmulo de las mismas en las neuronas o en sus proximidades, disminuyendo o anulando sus funciones, como la enfermedad de Alzheimer y el mismo SXF. La proteína FMRP (Fragile Mental Retardation Protein), esencial para el desarrollo cognitivo normal, ha sido relacionada con la vía piramidal del dolor10-11-12. El Síndrome de X Frágil13-14 (SXF), se debe a la mutación del Gen (FMR-1). Como consecuencia de la mutación, el gen se inactiva y no puede realizar la función de sintetizar la proteína FMRP. Por su incidencia se le considera la primera causa de Deficiencia Mental Hereditaria sólo superada por el Síndrome de Down. La electroencefalografía (EEG) es el registro de la actividad bioeléctrica cerebral que ha traído el desarrollo diario de los estudios clínicos y experimentales para el descubrimiento, diagnóstico y tratamiento de un gran número de anormalidades neurológicas y fisiológicas del cerebro y el resto del sistema nervioso central (SNC) incluyendo el dolor. El objetivo de la presente investigación es por medio de un estudio multimodal, desarrollar nuevas formas de presentación diagnóstica mediante técnicas avanzadas de procesado de señal y de imagen, determinando así los vínculos entre las evaluaciones cognitivas y su correlación anatómica con la modulación al dolor presente en patologías relacionadas con proteína FMRP. Utilizando técnicas biomédicas (funcionalestructural) para su caracterización. Para llevar a cabo esta tarea hemos utilizado el modelo animal de ratón. Nuestros resultados en este estudio multimodal demuestran que hay alteraciones en las vías de dolor en el modelo animal FMR1-KO, en concreto en la modulación encefálica (dolor neuropático), los datos se basan en los resultados del estudio estructural (imagen histología), funcional (EEG) y en pruebas de comportamiento (Laberinto de Barnes). En la Histología se muestra una clara asimetría estructural en el modelo FMR1 KO con respecto al control WT, donde el hemisferio Izquierdo tiene mayor densidad de masa neuronal en KO hembras 56.7%-60.8%, machos 58.3%-61%, en WT hembras 62.7%-62.4%, machos 55%-56.2%, hemisferio derecho-izquierdo respectivamente, esto refleja una correlación entre hemisferios muy baja en los sujetos KO (~50%) con respecto a los control WT (~90%). Se encontró correlación significativa entre las pruebas de memoria a largo plazo con respecto a la asimetría hemisférica (r = -0.48, corregido <0,05). En el estudio de comportamiento también hay diferencias, los sujetos WT tuvieron 22% un de rendimiento en la memoria a largo plazo, mientras que en los machos hay deterioro de memoria de un 28% que se corresponden con la patología en humanos. En los resultados de EEG estudiados en el hemisferio izquierdo, en el área de la corteza insular, encuentran que la latencia de la respuesta al potencial evocado es menor (22vs32 15vs96seg), la intensidad de la señal es mayor para los sujetos experimentales FMR1 KO frente a los sujetos control, esto es muy significativo dados los resultados en la histología (140vs129 145vs142 mv). Este estudio multimodal corrobora que las manifestaciones clínicas del SXF son variables dependientes de la edad y el sexo. Hemos podido corroborar en el modelo animal que en la etapa de adulto, los varones con SXF comienzan a desarrollar problemas en el desempeño de tareas que requieren la puesta en marcha de la función ejecutiva central de la memoria de trabajo (almacenamiento temporal). En el análisis del comportamiento es difícil llegar a una conclusión objetiva, se necesitan más estudios en diferentes etapas de la vida corroborados con resultados histológicos. Los avances logrados en los últimos años en su estudio han sido muy positivos, de tal modo que se están abriendo nuevas vías de investigación en un conjunto de procesos que representan un gran desafío a problemas médicos, asistenciales, sociales y económicos a los que se enfrentan los principales países desarrollados, con un aumento masivo de las expectativas de vida y de calidad. Las herramientas utilizadas en el campo de las neurociencias nos ofrecen grandes posibilidades para el desarrollo de estrategias que permitan ser utilizadas en el área de la educación, investigación y desarrollo. La genética determina la estructura del cerebro y nuestra investigación comprueba que la ausencia de FMRP también podría estar implicada en la modulación del dolor como parte de su expresión patológica siendo el modelo animal un punto importante en la investigación científica fundamental para entender el desarrollo de anormalidades en el cerebro. ABSTRACT Pain is a common symptom in medical practice. In Spain, a study conducted in 2000 each medical professional treats an average of 181 patients with pain per month, most of them with chronic moderate pain. 7% -8% of the European population is affected and up to 5% can be serious, it is estimated to affect more than two million people in Spain. In Primary Care, patients with neuropathic pain have much higher rates of depression. Neuropathic pain is caused by damage or disease affecting the somatosensory system, is a public health problem with high labor costs, there are relatively unfamiliar with the peculiarities in diagnosis and treatment, failing that, the pain is perpetuated and becomes rebellious to treat, in most cases becomes chronic. The pathophysiological mechanisms are evolutionary, its a progressive, if untreated, causing severe impact on the quality of life of affected patients. According to Prusiner (Nobel Prize for Medicine 1997), all neurodegenerative diseases there is some abnormal process of neuronal function. Neurodegenerative diseases are the result of abnormalities in the process of certain proteins involved in the cell cycle, reducing or canceling its features such as Alzheimer's disease and FXS. FMRP (Fragile Mental Retardation Protein), is essential for normal cognitive development, and has been linked to the pyramidal tract pain. Fragile X Syndrome (FXS), is due to mutation of the gene (FMR-1). As a consequence of the mutation, the gene is inactivated and can not perform the function of FMRP synthesize. For its incidence is considered the leading cause of Mental Deficiency Hereditary second only to Down Syndrome. Electroencephalography (EEG) is the recording of bioelectrical brain activity, is a advancement of clinical and experimental studies for the detection, diagnosis and treatment of many neurological and physiological abnormalities of the brain and the central nervous system, including pain. The objective of this research is a multimodal study, is the development of new forms of presentation using advanced diagnostic techniques of signal processing and image, to determine the links between cognitive evaluations and anatomic correlation with pain modulation to this protein FMRP-related pathologies. To accomplish this task have used the mouse model. Our results in this study show alterations in multimodal pain pathways in FMR1-KO in brain modulation (neuropathic pain), the data are based on the results of the structural study (histology image), functional (EEG) testing and behavior (Barnes maze). Histology In structural asymmetry shown in FMR1 KO model versus WT control, the left hemisphere is greater density of neuronal mass (KO females 56.7% -60.8%, 58.3% -61% males, females 62.7% -62.4 WT %, males 55% -56.2%), respectively right-left hemisphere, this reflects a very low correlation between hemispheres in KO (~ 50%) subjects compared to WT (~ 90%) control. Significant correlation was found between tests of long-term memory with respect to hemispheric asymmetry (r = -0.48, corrected <0.05). In the memory test there are differences too, the WT subjects had 22% yield in long-term memory, in males there memory impairment 28% corresponding to the condition in humans. The results of EEG studied in the left hemisphere, in insular cortex area, we found that the latency of the response evoked potential is lower (22vs32 15vs96seg), the signal strength is higher for the experimental subjects versus FMR1 KO control subjects, this is very significant given the results on histology (140vs129 145vs142 mv). This multimodal study confirms that the clinical manifestations of FXS are dependent variables of age and sex. We have been able to corroborate in the animal model in the adult stage, males with FXS begin developing problems in the performance of tasks that require the implementation of the central executive function of working memory (temporary storage). In behavior analysis is difficult to reach an objective conclusion, more studies are needed in different life stages corroborated with histologic findings. Advances in recent years were very positive, being opened new lines of research that represent a great challenge to physicians, health care, social and economic problems facing the major developed countries, with a massive increase in life expectancy and quality. The tools used in the field of neuroscience offer us great opportunities for the development of strategies to be used in the area of education, research and development. Genetics determines the structure of the brain and our research found that the absence of FMRP might also be involved in the modulation of pain as part of their pathological expression being an important animal model in basic scientific research to understand the development of abnormalities in brain.

Caracterización de ambientes sonoros en recintos universitarios: influencia del ruido sobre procesos cognitivos básicos

El interés por el estudio de la problemática del ruido en las escuelas y sus efectos sobre los estudiantes a nivel universitarios, es un tema que no ha sido estudiado debidamente. Desgraciadamente, en el ámbito educativo universitario, no existen regulaciones específicas que permitan determinar parámetros preventivos, ni procedimientos de evaluación de ruido dentro de este tipo de instalaciones educativas. Debido a la importancia de los efectos que el ruido tiene sobre la salud y la calidad de vida de los estudiantes universitarios, y consecuentemente en el rendimiento académico; es de suma importancia desarrollar mecanismos que estudien y planteen soluciones que ayuden a garantizar la mejora de la calidad de vida de la población estudiantil. En este trabajo se ha presentado un extenso trabajo que incluye el estudio de los ambientes sonoros a los que los estudiantes universitarios se ven expuestos día a día y se proponen acciones que ayudan a mejorar la calidad acústica en instalaciones educativas. Así mismo se evidencian los efectos que tiene este contaminante sobre la salud psicológica y por consecuencia en el desarrollo intelectual de los estudiantes. Por un lado, se incluye una propuesta de metodología que ayuda a la correcta caracterización de los ambientes sonoros en los cuales se desarrollan los estudiantes a nivel universitario. Esta se realizó haciendo un completo registro de los niveles sonoros durante sus actividades diarias. Así mismo, una encuesta fue aplicada a estudiantes para conocer la percepción que se tiene sobre las condiciones sonoras en ambientes universitarios. Así mismo, se realizó un estudio de la calidad sonora en instalaciones universitarias, el cual deriva la valoración de la molestia al ruido. Se propone una escala de valoración de molestia al ruido, la cual deriva el diseño de una propuesta con acciones de bajo coste frente al ruido. Por otro lado, se evidencian los trastornos que ocasiona este contaminante sobre la salud psicológica de los estudiantes y que afectan el desarrollo académico de estos. Se realizó primeramente la valoración de la atención y la memoria por medio de test psicométricos estandarizados y otros diseñados para este estudio en particular. Por último, con la finalidad de obtener datos objetivos y confiables que permitieron relacionar la influencia negativa del ruido de fondo sobre procesos cognitivos básicos como la atención y la memoria, se llevó a cabo un estudio de la actividad cerebral. Para llevar a cabo esta evaluación se utilizó como principal herramienta el electroencefalograma (EEG), enfocándose en los cambios producidos con y sin exposición a ruido de fondo, específicamente en las bandas de frecuencia relacionadas con procesos cognitivos básicos como los son la atención y la memoria, en este caso la banda theta (4-7 Hz) y la banda beta (13-30 Hz). ABSTRACT The interest in the study of the problem of noise in schools and its impact on students at university level is a topic that has not been properly studied. Unfortunately, there are no specific regulations for determining preventive parameters or noise assessment procedures in university facilities. Due to the importance of the effects that noise has on health and on the quality of life of university students, and consequently on academic performance; is very important to develop mechanisms to evaluate and design solutions that help ensure an improvement in the quality of life of the student population. This thesis has presented an extensive work, which includes the study of the state of the art on the problem of noise in the sound environments to which university students are exposed every day, and the effects on students mainly on attention aspects. On one hand, a general study of the common noise environments of life of university students was carried out, where a methodological proposal is included and that helps in the correct characterization of the sound environments in which university students grow. This proposal includes the assessment of noise exposure, noise dose and a recording of the characteristic sound levels during their daily activities in and out spaces dedicated to their education. Also, a survey was conducted to know the perception that students have on noise conditions in university environments. Also, a method for evaluation of the noise annoyance is proposed, this is through the correlation of two known methods of evaluation. The first method is based on psychoacoustic parameters that allow the evaluation of the sound quality. These parameters were related, obtaining as a result the parameter known as psychoacoustics annoyance. The second method is based on a questionnaire in conjunction with listening tests in specific sound environments. Derived from the correlation of these two methods, a series of indicators of noise annoyance are proposed, which entails the design of a noise annoyance indicator. Furthermore, the effects of this pollutant on psychological health and therefore in the intellectual development of students has been shown. First, an evaluation of attention and memory using standardized psychometric tests were performed and others designed for this particular study. Because it has been evidenced that the use of these psychometric tests are not very reliable, we sought to obtain another objective and reliable data to show the relationship between the negative influence of background noise on basic cognitive processes such as attention and memory. This was achieved by carrying out a study of the brain activity. To carry out this evaluation the electroencephalogram (EEG) was used as the main tool, focusing on the changes produced with and without exposure to background noise, specifically in the frequency bands related to basic cognitive processes such as attention and are memory. In this case the band theta (4-7 Hz) and beta band (13-30 Hz) were studied. The purpose of this thesis is to establish the bases for future studies that allow go deep in the study of the sound conditions in school environments, and enable the design of strategies and measures against noise and the correct evaluation of the effects of noise on aspects for improving the psychological quality of life and academic performance of students.

Desarrollo de un instrumento para adquisición y procesado de EEG (Electro-encefalograma) y ECG (Electro-cardiograma)

Diseño y construcción de un aparato de bajo costo para adquisición y procesamiento de señales bioeléctricas, compuesto por un hardware capaz de amplificar y filtrar las señales, y por un instrumento virtual basado en labVIEW encargado de la adquisición de los distintas bioseñales y de su procesamiento en tiempo real. Este sistema permitirá dar soporte diagnóstico en modelos animales con desórdenes neurológicos sometidos a diferentes tipos de intervención terapéutica.