Praca doktorska
Ewolucja wzrokowych potencjałów wywołanych stanu ustalonego podczas długotrwałej periodycznej stymulacji świetlnej
| dc.abstract.en | Steady State Visually Evoked Potentials (SSVEPs) are the brain responses to a periodically flashing visual stimulus. They are measured in electroencephalographic (EEG) signals and their oscillation rate corresponds to the rate of stimulation and its harmonics and subharmonics. SSVEPs are used in two areas of science. First, they are used in psychological research as an indicator of attention. Secondly, they are used in brain-computer interfaces - devices that allow paralyzed people to communicate with the world. Despite the wide application in these fields, many aspects of SSVEPs are not well described. The dissertation presents four experiments, the aim of which was to obtain a better understanding of the elementary properties of SSVEP potentials. The most commonly used stimuli used to generate SSVEPs are periodic signals with rectangular envelope. While the power spectrum of a sinusoidal stimulus contains only the maximum located in the stimulation frequency, the spectrum of a rectangular periodic function also contains odd multiples of its frequency. Thus, the question arises whether the presence of harmonics in the SSVEP potential can be caused, at least in part, by their presence in the stimulus itself. In the first experiment presented in the dissertation, brain responses to periodic light stimuli with two types of signal envelopes, rectangular and sinusoidal, were compared. It was shown that the influence of the stimulus envelope on the harmonic content in SSVEP exists, but is small. Specifically, there are both odd and even harmonics in the SSVEP evoked by a sinusoidal stimulus. This result excludes the possibility of harmonics originating only from the input signal and proves the non-linear operation of the visual system. The next three experiments, constituting an essential part of the dissertation, concerned the time evolution of SSVEPs. In psychological applications, it is still commonly assumed that SSVEPs are, as their name suggests, stable and their amplitude does not change over time and can only be modulated by attention. This assumption is crucial for their proper application. In the second experiment, responses to 1 minute flashing light stimulation at 15 Hz were examined with repeated measurements to reduce the effects of fluctuations in the EEG signal. It has been shown that for many subjects there are significant changes in the amplitude of the SSVEP. Both a decrease in signal amplitude, i.e., habituation, and a slight increase in amplitude during stimulation were observed. For some of the subjects, SSVEP potentials remained stable over time. Instances of different behavior of the fundamental component and the second harmonic were also observed. In the data from individual subjects, the amplitude of the second harmonic could increase while the amplitude of the fundamental component simultaneously decreased. In the following experiment, the experimental procedure was extended to multiple stimulation frequencies, i.e., 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz and 40 Hz. It has been shown that SSVEPs evoked by stimuli of different frequency can evolve differently. In response to 5 Hz stimulation, an increase in amplitude was observed throughout the 60-second stimulation period, and for stimuli of 15 Hz or more, a decrease in amplitude predominated. Based on these results, a hypothesis was put forward that the differences in the processing of stimuli at different stimulation frequencies may result from the participation of two visual pathways (magno- and parvocellular) and their different neuronal properties. The obtained results are crucial for the correct design and interpretation of the results of psychological experiments using SSVEP potentials. They can also contribute to an improvement of procedures used in brain-computer interfaces, leading to an increase in their effectiveness. |
| dc.abstract.pl | Wzrokowe potencjały wywołane stanu ustalonego (ang. SSVEP, Steady State Visually Evoked Potentials) są odpowiedziami mózgu na periodycznie migający bodziec wzrokowy. Są one mierzone w sygnale elektroencefalograficznym (EEG), a ich częstość oscylacji odpowiada częstości stymulacji oraz jej harmonicznym i subharmonicznym. Potencjały SSVEP są wykorzystywane w dwóch obszarach nauki. Po pierwsze, stosuje się je w badaniach psychologicznych jako wskaźnik uwagi. Po drugie, wykorzystuje się je w interfejsach mózg–komputer – urządzeń umożliwiających osobom sparaliżowanym komunikację ze światem. Mimo szerokiego zastosowania w tych dziedzinach, wiele aspektów potencjałów SSVEP jest mało poznanych. W rozprawie przedstawiono cztery eksperymenty, których celem było pogłębienie wiedzy na temat elementarnych własności potencjałów SSVEP. Najczęściej używanymi bodźcami stosowanymi do generowania potencjałów SSVEP są bodźce o obwiedni prostokątnej. O ile widmo mocy bodźca sinusoidalnego zawiera w sobie jedynie maksimum położone w częstości stymulacji, o tyle widmo funkcji prostokątnej zawiera również nieparzyste wielokrotności tej częstości. Nasuwa się więc pytanie, czy obecność harmonicznych w potencjale SSVEP może być spowodowana, przynajmniej częściowo, przez ich obecność w samym bodźcu. W pierwszym eksperymencie prezentowanym w rozprawie porównano odpowiedzi mózgu na periodyczne bodźce świetlne dwóch rodzajów – o obwiedni prostokątnej oraz sinusoidalnej. Pokazano, że wpływ rodzaju bodźca na zawartość harmonicznych w SSVEP istnieje, ale jest niewielki. W potencjale SSVEP wywoływanym przy pomocy bodźca sinusoidalnego występują harmoniczne – zarówno parzyste jak i nieparzyste. Wynik ten wyklucza możliwość pochodzenia harmonicznych wyłącznie od sygnału wejściowego i świadczy o nieliniowym działaniu układu wzrokowego. Trzy kolejne eksperymenty, stanowiące zasadniczą część rozprawy, dotyczyły ewolucji czasowej SSVEP. W zastosowaniach psychologicznych nadal powszechnie zakłada się, że potencjały SSVEP są, zgodnie ze swoją nazwą, stabilne a ich amplituda nie zależy od czasu i może być modulowana jedynie przez uwagę. Założenie to jest kluczowe dla ich poprawnego zastosowania. W drugim omawianym eksperymencie zbadane zostały odpowiedzi na stymulację światłem migającym z częstością 15 Hz, o czasie trwania 60 s. Wykonane zostały wielokrotne pomiary w celu zmniejszenia wpływu fluktuacji występujących w sygnale EEG. Pokazano, że u wielu badanych dochodzi do istotnych zmian amplitudy SSVEP. Obserwowano zarówno przypadki spadku amplitudy sygnału tj., habituacji, jak i delikatnego wzrostu amplitudy w trakcie stymulacji. Dla części badanych potencjały SSVEP pozostawały stabilne w czasie. Zaobserwowano również przypadki odmiennego zachowania składowej podstawowej oraz drugiej harmonicznej. W danych pochodzących od pojedynczych badanych amplituda drugiej harmonicznej potrafiła rosnąć podczas gdy amplituda składowej podstawowej malała. W kolejnym eksperymencie rozszerzono procedurę eksperymentalną na dodatkowe częstości stymulacji tj., 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz i 40 Hz. Pokazano, że potencjały SSVEP wywoływane przez bodźce o różnych częstościach mogą ewoluować w inny sposób. W odpowiedzi na stymulację 5 Hz obserwowany był wzrost amplitudy podczas całego 60-sekundowego okresu stymulacji a dla bodźców o częstości 15 Hz lub większej, dominował spadek amplitudy. Na podstawie otrzymanych wyników postawiona została hipoteza, że różnice w przetwarzaniu bodźców o poszczególnych częstościach stymulacji mogą wynikać z różnic w udziale dwóch dróg wzrokowych (drobnokomórkowej i wielkokomórkowej) oraz różnic we własnościach neuronów tworzących poszczególne szlaki wzrokowe. Uzyskane rezultaty są kluczowe dla poprawnego przygotowania i interpretacji wyników eksperymentów psychologicznych wykorzystujących potencjały SSVEP. Mogą również pozwolić na lepsze projektowanie procedur działania interfejsów mózg-komputer, pozwalając na zwiększenie ich skuteczności. |
| dc.affiliation | Uniwersytet Warszawski |
| dc.affiliation.department | Wydział Fizyki |
| dc.contributor.author | Łabęcki, Maciej |
| dc.date.accessioned | 2024-11-07T11:26:14Z |
| dc.date.available | 2024-11-07T11:26:14Z |
| dc.date.defence | 2024-11-19 |
| dc.date.issued | 2024-11-07 |
| dc.date.submitted | 2024-10-29 |
| dc.description.promoter | Suffczyński, Piotr |
| dc.description.reviewer | Tkacz, Ewaryst |
| dc.description.reviewer | Wójcik, Daniel |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/160611 |
| dc.language | pl |
| dc.language.other | en |
| dc.subject.en | steady state visual evoked potentials |
| dc.subject.en | SSVEP |
| dc.subject.en | electroencephalography |
| dc.subject.en | EEG |
| dc.subject.en | habitution |
| dc.subject.en | brain |
| dc.subject.en | nonlinearity of the visual system |
| dc.subject.en | harmonic frequencies |
| dc.subject.pl | wzrokowe potencjały wywołane stanu ustalonego |
| dc.subject.pl | elektroencefalografia |
| dc.subject.pl | habituacja |
| dc.subject.pl | mózg |
| dc.subject.pl | nieliniowość układu wzrokowego |
| dc.subject.pl | czestości harmoniczne |
| dc.title | Ewolucja wzrokowych potencjałów wywołanych stanu ustalonego podczas długotrwałej periodycznej stymulacji świetlnej |
| dc.title.alternative | Time evolution of the steady state visual evoked potentials during prolonged flicker stimulation |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |