Analysis of human posterior EEG alpha frequency as a function of implicit learning of probabilistic lateralized stimuli in a visual detection task

Alpha oscillatory activity has long been associated with perceptual and cognitive processes related to attention control. The aim of this study is to explore the task-dependent role of alpha frequency in a lateralized visuo-spatial detection task. Specifically, the thesis focuses on consolidating the scientific literature's knowledge about the role of alpha frequency in perceptual accuracy, and deepening the understanding of what determines trial-by-trial fluctuations of alpha parameters and how these fluctuations influence overall task performance. The hypotheses, confirmed empirically, were that different implicit strategies are put in place based on the task context, in order to maximize performance with optimal resource distribution (namely alpha frequency, associated positively with performance): “Lateralization” of the attentive resources towards one hemifield should be associated with higher alpha frequency difference between contralateral and ipsilateral hemisphere; “Distribution” of the attentive resources across hemifields should be associated with lower alpha frequency difference between hemispheres; These strategies, used by the participants according to their brain capabilities, have proven themselves adaptive or maladaptive depending on the different tasks to which they have been set: "Distribution" of the attentive resources seemed to be the best strategy when the distribution probability between hemifields was balanced: i.e. the neutral condition task. "Lateralization" of the attentive resources seemed to be more effective when the distribution probability between hemifields was biased towards one hemifield: i.e., the biased condition task.

Online Alpha Wave detector: an Embedded hardware-software implementation

The recent trend on embedded system development opens a new prospect for applications that in the past were not possible. The eye tracking for sleep and fatigue detection has become an important and useful application in industrial and automotive scenarios since fatigue is one of the most prevalent causes of earth-moving equipment accidents. Typical applications such as cameras, accelerometers and dermal analyzers are present on the market but have some inconvenient. This thesis project has used EEG signal, particularly, alpha waves, to overcome them by using an embedded software-hardware implementation to detect these signals in real time

Gestione e analisi di metriche neuroergonomiche EEG-based in cathlab

Il miglioramento dell'assistenza e dei risultati dei pazienti si basano attualmente sullo sviluppo e sulla convalida di nuovi farmaci e tecnologie, soprattutto in campi in rapida evoluzione come la Cardiologia Interventistica. Tuttavia, al giorno d’oggi ancora poca attenzione è rivolta ai professionisti che effettuano tali operazioni, il cui sforzo cognitivo-motorio è essenziale per la riuscita degli interventi. L’ottimizzazione delle prestazioni e dell'organizzazione del lavoro è essenziale in quanto influisce sul carico di lavoro mentale dell'operatore e può determinare l'efficacia dell'intervento e l'impatto sulla prognosi dei pazienti. È stato ampiamente dimostrato che diverse funzioni cognitive, tra cui l'affaticamento mentale comporta alcuni cambiamenti nei segnali elettroencefalografici. Vi sono diversi marcatori dei segnali EEG ciascuno con una determinata ampiezza, frequenza e fase che permettono di comprendere le attività cerebrali. Per questo studio è stato utilizzato un modello di analisi spettrale elettroencefalografica chiamato Alpha Prevalence (AP), che utilizza le tre onde alpha, beta e theta, per mettere in correlazione i processi cognitivi da un lato e le oscillazioni EEG dall’altro. Questo elaborato, condotto insieme all’azienda Vibre, prende in esame il cambiamento dell’AP, all’interno di una popolazione di cardiologi interventisti che effettuano interventi in cath-lab presso l’ospedale universitario di Ferrara, per valutare la condizione di affaticamento mentale o di eccessiva sonnolenza. L’esperimento prevede la registrazione del segnale EEG nei partecipanti volontari durante gli interventi e durante le pause nel corso dell’intero turno di lavoro. Lo scopo sarà quello di rilevare i cambiamenti nella metrica dell’alpha prevalence al variare del carico attentivo: ossia al variare delle risorse attentive richieste dal compito in relazione all’aumentare del tempo.

Modificazioni del segnale EEG in un compito di memoria visiva con distrattori visivi ‘deboli’ e ‘forti’

La valutazione del segnale elettroencefalografico acquisito durante compiti di Working Memory è utile per indagare regioni e meccanismi cerebrali alla base della capacità di immagazzinare le informazioni provenienti dall’ambiente rilevanti per il task da svolgere e di inibire stimoli irrilevanti/distraenti. In questo lavoro di Tesi è stato condotto uno studio su 13 volontari che hanno svolto un compito di memoria di lavoro visiva, consistente di prove ripetute (trial) ognuna composta di diverse fasi: Encoding (memorizzazione del memory set), Retention (mantenimento in memoria) in cui si mostra un distrattore, che può essere weak (poco interferente) o strong (maggiormente interferente). Ciascun trial termina con la comparsa della Probe, a cui il soggetto deve rispondere indicando se apparteneva o meno al memory set. Durante il task è stato acquisito il segnale EEG da 64 elettrodi, ed analizzato per indagare i potenziali evocati (ERPs) e la sincronizzazione/desincronizzazione in banda alpha (8-12 Hz) e theta (4-8 Hz) correlata agli stimoli visivi; è stata svolta anche un’analisi preliminare ricostruendo l’attività delle sorgenti corticali dal segnale EEG. Dalle analisi emerge che gli ERPs sono visibili principalmente nelle fasi di Encoding e Distractor, e nelle regioni fronto-centrali e parieto-occipitali, e che nella fase di Distractor sono maggiori per distrattore weak rispetto a strong. Si conferma la natura inibitoria del ritmo alpha e il ruolo del ritmo theta nei processi cognitivi; infatti la potenza in banda alpha aumenta nella fase pre-distrattore (sia weak che strong) e la potenza in banda theta è sostenuta durante l’intero task. Non si osservano differenze in banda alpha e theta tra i due distrattori nella fase pre-distrattore, mentre si osserva una modulazione durante la presentazione del distrattore.

Effetto di distrattori acustici rispetto a distrattori visivi in un compito di memoria visiva: analisi del segnale EEG

Studi recenti hanno evidenziato cambiamenti nei ritmi alpha (8-12 Hz) e theta (4-8 Hz) in vari processi modulatori top-down e di controllo cognitivo come la memoria di lavoro (WM, working memory) e la soppressione di distrattori. I compiti di WM richiedono attenzione interna sostenuta per dare priorità alle informazioni rilevanti a discapito di quelle interferenti che distraggono dall’obiettivo. I meccanismi di attenzione in tali compiti sono associati ad aumento di potenza alpha, che riflette la funzione inibitoria di tale ritmo, in regioni che elaborano informazioni distraenti, e ad aumento di potenza theta, soprattutto in regioni frontali, che riflette funzioni di controllo cognitivo per raggiungere l’obiettivo pur in presenza di interferenze. Questo lavoro è volto ad indagare gli effetti di distrattori acustici rispetto a distrattori visivi in un compito di visual WM. A tale scopo sono stati acquisiti ed elaborati i segnali EEG di 12 soggetti volontari mentre eseguivano un compito di visual WM, in cui la fase di retention (mantenimento in memoria delle informazioni codificate) veniva interrotta con la presentazione di distrattori di due modalità sensoriali differenti (visiva e acustica), per valutare le variazioni dell’attività cerebrale in termini di ritmi alpha e theta e le regioni coinvolte. Si è osservato un aumento maggiore di potenza alpha (principalmente posteriore) in presenza del distrattore acustico rispetto al visivo sia nella fase pre-distrattore che nella fase distrattore, statisticamente significativo nella fase distrattore. Si è osservato un aumento maggiore di potenza theta (principalmente frontale) in presenza del distrattore acustico rispetto al visivo in tutte le fasi del task, statisticamente significativo nella fase iniziale di retention e nella fase del distrattore. I risultati potrebbero indicare una maggiore necessità di controllo cognitivo e di protezione da stimoli interferenti in caso di distrattore acustico rispetto al visivo.

“Event-Related Spectral Perturbations” nel segnale EEG durante un compito di reaching

Questo elaborato ha analizzato le Event Related Spectral Perturbation (ERSP), cioè le variazioni nella potenza del segnale in corrispondenza di una frequenza o una banda di frequenze, suddivisi in Event Related Synchronization (ERS) nel caso di incremento di potenza e Event Related Desynchronization (ERD) nel caso di decremento di potenza, relative a movimenti di reaching eseguiti con l’arto superiore. In particolare, sono state prese in considerazione le potenze nel ritmo alpha (8-12 Hz) e ritmo beta (12-30 Hz), in quanto ritmi associati alla preparazione ed esecuzione del movimento. I segnali EEG analizzati (60 canali) sono relativi a 14 soggetti a cui è stato chiesto di compiere movimenti di reaching verso una posizione target, secondo una tempistica definita dall’accensione di uno stimolo visivo informativo (CUE, corrispondente al led nella posizione target) e un secondo stimolo visivo imperativo (GO) che dà il via libera all’esecuzione del movimento verso il target. Sono codificate 5 posizioni discrete, a 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, su una semicirconferenza il cui centro rappresenta il punto di partenza e ritorno, chiamato base. I segnali preventivamente preprocessati, sono stati decomposti tramite trasformata wavelet ed elaborati con la tecnica dell’averaging, con lo scopo di evidenziare ERS e ERD in banda alpha e beta associati a eventi visivi e motori. È stata presentata l’evoluzione nel tempo della distribuzione topologica delle ERSP a livello dello scalpo e sono state svolte analisi suddividendo i dati secondo la direzione (destra, centro, sinistra) del target e secondo la profondità (vicino, medio, lontano) del target. I risultati mostrano una desincronizzazione (ERD) nella fase di preparazione del movimento (immediatamente prima dello stimolo GO), sia in banda alpha che beta e suggeriscono una modulazione dell’ERD in funzione della direzione/profondità del target.

Analisi del ritmo alpha in meccanismi di attenzione spaziale e semantica attraverso un modello di massa neuronale

L’analisi dell’attività cerebrale rivela la presenza di oscillazioni sincrone che coprono un ampio spettro di frequenze e che possono essere rilevate mediante elettroencefalografia (EEG), magnetoencefalografia (MEG) o elettrocorticografia (ECoG). Si presume che esse svolgano un ruolo cruciale in molti importanti processi della corteccia e nell’associazione tra diverse funzioni. Il presente lavoro si pone come obiettivo quello di dimostrare come il ruolo di questi ritmi, in particolare di alpha (8-13 Hz) e di gamma (> 30 Hz), sia fondamentale in meccanismi di attenzione spaziale e semantica. A questo scopo, sono stati perfezionati modelli di massa neuronale esistenti per svilupparne uno in grado di simulare i meccanismi alla base dell’ipotesi di “inhibition timing”, secondo la quale un aumento di potenza in banda alpha permette di ignorare input irrilevanti per il compito. Sono stati, poi, simulati meccanismi di neurodegenerazione causati dalla schizofrenia, patologia correlata ad alterazioni nella neurotrasmissione GABAergica e ad una riduzione nella sincronia e nella potenza della banda gamma, riconducibile ai deficit cognitivi tipici della malattia.