Interdyscyplinarne Centrum Nowoczesnych TechnologiiLaboratorium NeuroKognitywne

Interdyscyplinarne Centrum Nowoczesnych TechnologiiLaboratorium NeuroKognitywne

Włodzisław Duch & CoKatedra Informatyki Stosowanej, WFAiIS, UMK

Cel i Grupa Badawcza

• Laboratorium zorganizowała Katedra Informatyki Stosowanej, Google: Katedra KIS UMK

• Jest to samodzielna jednostka Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, istnieje od 1991 roku.

• 3 profesorów: W. Duch, O. Sokolov i J. Meller, pracujący w KIS oraz Uni. Cincinnati + Children's Hospital Research Foundation.

2 dr hab. (R. Adamczak, N. Jankowski), 3 dr i 2 mgr. • Laboratorium ma być bazą eksperymentalną dla

badań neurokognitywistycznych, wspierając rozwój naukowy kadry związanej z unikatowym kierunkiem studiów „Kognitywistyka”, prowadzonym na UMK od 2009 roku.

• Wykorzystywane będzie przez współpracowników z innych jednostek UMK i spoza UMK, również z zagranicy.

FMRI – analiza sygnału• Siła sygnału fMRI jest zależna od poziomu

utlenienia krwi w obserwowanych wokselach, stąd określenie „sygnał BOLD” = Blood Oxygen Level Dependent”.

• Utlenienie krwi jest przyjmowane za miarę aktywności neuronalnej w niedawnej (5-7 sek) przeszłości w danym obszarze, np. aktywność przez 300 sek.

• Informacja zbierana jest co kilka sekund i pozwala na lokalizację miejsca aktywności w przestrzeni z dokładnością do kilku mm (mln neuronów, 10 mld synaps).

• Połączenie z EEG pozwala na lokalizację zdarzeń w czasie, ale jest technicznie trudne (silne zakłócenia).

FMRI – trudności interpretacji

• Zarówno pobudzanie jak i hamowanie aktywności zużywa energię, widzimy tylko różnice pomiędzy dwoma stanami.

• Zmiany są bardzo małe i potrzeba wielokrotnych powtórzeń by zebrać jednoznaczną informację.

• Utlenienie krwi jest przyjmowane za miarę aktywności neuronalnej ale brakuje odniesienia do geometrii układu krwionośnego: gdzie może dopływać krew, jak szybko, w jakich ilościach, czy wszędzie w mózgu jednakowo?

• Wiele innych czynników wpływa na sygnał BOLD: ruchy głowy, oddychanie, poziom glukozy, CO2 i kofeiny we krwi, zmiany ciśnienia i przepływu krwi, pobudzenie emocjonalne i dodatkowe procesy myślowe nie związane z samym eksperymentem … duża wariancja wyników, trudno uśredniać.

Neuronalny determinizmNeuronalny determinizm

Ogranicza nas genetyczny i neuronalny determinizm.

Neuronalny determinizm:

wynik doświadczeń życiowych, wychowania, prania mózgu; nie możemy myśleć inaczej, niż pozwala nam na to aktywność neuronalna.

Genetyczny determinizm częściowo ma wpływ na neuronalny.

Co zostało do odkrycia?

• Pierwsze badania ludzi w 1992, mamy 20 lat opóźnienia. • Pomimo trudności technicznych fMRI doprowadził do wielu

odkryć pozwalających lepiej zrozumieć mózgi. Nadal jest wiele do zrobienia, nie tylko w medycynie: • Lepsze zrozumienie relacji sygnał–aktywność neuronalna.• Zwiększenie powtarzalności wyników przez odpowiednie

przygotowanie badanych (poziom glukozy, stan mentalny, neurofeedback, TMS?)

• Indywidualne różnice konektomu i przepływu informacji przez mózgi w różnych warunkach, procesy spontaniczne.

• Świadomość, relacje przeżyć subiektywnych i stanów mózgu. • Wyobraźnia: agnozje, nowa dziedzina w neuropsychologii,

przydatna do oceny talentu muzycznego i artystycznego.

NCOB, Kajetany

Naukowe Centrum Obrazowania BiomedycznegoŚwiatowe Centrum Słuchu, Kajetany

Podpisano umowę naukową z Instytutem Fizjologii i Patologii Słuchu w ramach którego działa Naukowe Centrum Obrazowania Biomedycznego.

Centrum w Kajetanach powstało w 2009 rokui specjalizuje się w badaniach czynnościowych mózgu z wykorzystaniem techniki fMRI oraz jednoczesnych rejestracji EEG/fMRI (ponad 2 tysiące przeprowadzonych badań).

Ścisła współpraca interdyscyplinarnych zespołów z Kajetan i Torunia gwarantuje wysoką jakość badań i wykorzystanie najnowocześniejszych technologii i metod analizy badań MR i EEG.

NCOB, Kajetany

Naukowe Centrum Obrazowania BiomedycznegoŚwiatowe Centrum Słuchu Kajetany

Doświadczenie:• Metodologia wspólnej rejestracji EEG i fMRI• Badania plastyczności ośrodków korowych• Badania czynnościowe wyższych funkcji

poznawczych• Badania funkcji ośrodków drogi słuchowej• Badania czasowego przesunięcia progu słyszenia

w wyniku zmęczenia słuchowego• Monitorowanie zmian w korze ruchowej i

czuciowej w wyniku rehabilitacji pacjentów po uszkodzeniach mózgu

• Badania lateralizacji mózgowej• Badanie emocji• Przetwarzanie informacji symbolicznej związanej

z językiem u osób zdrowych oraz osób z zespołem Aspergera.

Lab. EEG-ERP-BCI-neurofeedback• Badanie wyobrażeniowej agnozji

słuchowej za pomocą analizy potencjałów wywołanych ERP, wpływ różnic na strategie uczenia.

• Interfejsy mózg-komputer (BCI, Brain-Computer Interface) w rehabilitacji po udarze.

• Neuroekonomia: wpływ nieuświadomionych bodźców na reakcje fizjologicznych i podejmowane decyzje.

• Wczesna diagnostyka i terapia dysleksji w oparciu o metody kognitywistyczne.

• Neurofeedback jako forma terapii dzieci nadpobudliwych, do korekcji słuchu i wymowy, do wspomagania procesów uczenia się, analizy i regulacji emocji, wzmacniania woli i kreatywności.

Rozwój niemowląt• Projekt inteligentnej kołyski i zabawek

kognitywnych, do wczesnej diagnostyki, wykrywania nieprawidłowości rozwoju, ciągłego monitorowania dziecka i ukierunkowania rozwoju.

• Inteligentna kołyska: czujniki ruchu, smoczek telemetryczny, mikrofony i kamery, analiza sygnałów.

• Stymulacja słuchu, wzroku i dotyku, analiza reakcji.• Stymulacje rozwoju słuchu fonematycznego umożliwią

dzieciom naukę dowolnego języka, w tym języków tonalnych.

• Stymulacje rozwoju słuchu muzycznego.• Rozwój inteligencji przez stymulację pamięci roboczej.• Rozwój ciekawości i potrzeby działania dziecka. • Patent: Układ aktywnego stymulatora ośrodków mowy,

zwłaszcza niemowląt i dzieci (2002).

Telemetric pacifier

Control unit la-la … la-ra-ra… sound sequences

Database of speech sounds A/D converter receiver

Speaker

Audiovisual device (reward)

D/A converter

Wireless communication

Non-volatile memory

Database of reward patterns

RAM

Lab. badań psycho-akustycznych

• Opracowanie systemu diagnostyczno -doradczego wspomagającego ocenę stanu i planowanie terapii pacjentów z ubytkami słuchu, uczenia mowy z implantami ślimakowymi, badań audiometryczne, testy sprawności umysłowej, zdolności muzycznych.

• Chronometria, badania rozdzielczości czasowej i częstotli-wościowej dźwięków, przetwarzania bodźców muzycznych, synchronizacji senso-motorycznej, związku z inteligencją.

• Badania agnozji klasycznych i agnozji wyobrażeniowych połączone z badaniami słuchowych potencjałów wywołanych (ERP) – nowa dziedzina w neuropsychologii, przydatna do oceny talentu muzycznego i artystycznego.