Badanie zjawiska fizjologicznego i epifenomenalnego sprzężenia typu faza-amplituda w sygnałach elektrofizjologicznych

Przyjmuje się, że sprzężenie typu faza-amplituda (PAC) odgrywa ważną rolę w koordynacji przetwarzania informacji w skali lokalnej i globalnej. W ostatnich latach nastąpił znaczący wzrost zainteresowania metodami detekcji PAC. Jednakże pewne cechy sygnału mogą prowadzić do wykrycia fałszywego, epifenomenalnego sprzężenia. Większość dostępnych metod nie umożliwia określenia genezy PAC, co skutkuje nadinterpretacją uzyskanych wyników. Aby umożliwić przeprowadzenie rzetelnych badań, zaproponowano autorską metodę detekcji PAC, która uwzględnia większość rekomendacji stanowiących o detekcji właściwego sprzężenia. Oryginalna metoda nazwana Rozszerzonym Indeksem Modulacji (eMI) bazuje na klasycznej mierze sprzężenia -- Indeksie Modulacji, ale dodatkowo zawiera innowacyjne rozwiązania, takie jak m.in. heurystyczny algorytm identyfikacji genezy PAC oraz zintegrowane wykresy pomocnicze, które umożliwiają interpretację uzyskanych wyników. Głównym celem niniejszej pracy jest ewaluacja autorskiej metody detekcji sprzężeń typu faza-amplituda. Aby potwierdzić, że eMI jest narzędziem umożliwiającym rzetelną analizę PAC, przeprowadzono szereg badań mających na celu weryfikację następujących hipotez. W pierwszej kolejności sprawdzono, czy autorska metoda poprawnie wykrywa sprzężenie PAC, a jej czułość, swoistość i zależność od parametrów analizowanego sygnału jest porównywalna z metodami referencyjnymi. Następnie zbadano, w jakim zakresie autorska metoda eMI, w przeciwieństwie do metod referencyjnych, wspiera interpretację wykrytego sprzężenia. W następnej kolejności zweryfikowano, czy informacja o fazie wolnej oscylacji, dla której występuje sprzężenie, zapewniona przez autorską metodę, stanowi użyteczną cechę charakteryzującą PAC. Na koniec sprawdzono, czy autorska metoda eMI jest użyteczna do badania dynamiki sprzężeń typu faza-amplituda. Część badań przeprowadzono na sygnałach symulowanych, natomiast część -- na sygnałach elektrofizjologicznych, głównie pochodzących od zespołu, który prowadzi obszerne badania nad działaniem subanastetycznej dawki ketaminy na szczury w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN. Wyniki badań sugerują, że autorska metoda eMI jest narzędziem umożliwiającym dokładną, wielowymiarową i rzetelną analizę PAC. Ponadto pakiet ePAC zawierający autorską metodę eMI, dwie metody referencyjne oraz zestaw przykładowych skryptów i sygnałów jest powszechnie dostępny pod adresem https://github.com/GabrielaJurkiewicz/ePAC.

Phase-amplitude coupling (PAC) is proposed to play an essential role in coordinating the processing of information on local and global scales. In recent years, the methods able to reveal trustworthy PAC has gained considerable interest. However, the intrinsic features of some signals can lead to the identification of spurious-epiphenomenal coupling. Most of the currently accessible methods do not support the discrimination of coupling origins, which results in overinterpretation of the results. In order to assure reliable coupling analysis, we propose the original method, which includes most of the recommendations for detection of proper PAC. This easily accessible tool, called extended Modulation Index (eMI), is based on the classical Modulation Index measure of coupling but additionally, it contains the heuristic algorithm for differentiation between spurious and authentic PAC and integrated auxiliary plots that support further evaluation of the coupling properties. The main goal of this dissertation is to evaluate the novel method for detection of phase-amplitude coupling. In order to confirm that eMI is a tool for reliable coupling analysis, the following hypothesis were verified by conducting appropriate studies. First, we checked whether the novel method correctly detects the PAC coupling, and its sensitivity, specificity and dependence on the parameters of the analyzed signal is comparable with the reference methods. Next, we tested whether the eMI method, unlike the reference methods, supports the interpretation of the detected coupling. Then, we verified whether the information about the phase of slow oscillation for which there is a coupling, provided by the novel method, constitutes an advantageous feature characterizing PAC. Finally, we tested whether the eMI method is useful for studying the dynamics of phase-amplitude couplings. Some of the studies were carried out on the simulated signals, and some on the electrophysiological signals. Most of the in vivo recordings come from a team that conducts extensive research on the effects of a subanasthetic dose of ketamine on rats at the Nencki Institute of Experimental Biology. The results suggest that the novel method eMI is a tool for precise, multidimensional and reliable coupling analysis. Additionally, the toolbox implementing eMI framework, the two reference PAC estimators and a set of sample scripts and signals is freely available at https://github.com/GabrielaJurkiewicz/ePAC.