Nuevos paradigmas para el estudio de artefactos y mecanismos cognitivos relacionados con la marcha a partir de señales EEG

Abstract

En este trabajo se pretende evaluar los mecanismos cognitivos que experimenta el ser humano durante el proceso de la marcha partir de las se ˜ nales electroencefalogr ´aficas (EEG). Uno de los principales objetivos es el desarrollo de interfaces cerebro-m´aquina que permitan determinar el estado cognitivo de un usuario de forma que se pueda utilizar dicha informaci´on con fines de asistencia y rehabilitaci ´on. El registro de se ˜ nales corticales durante la marcha es un campo poco explorado en la actualidad y dado que estas se ˜ nales tienen una relaci ´on se ˜ nal a ruido muy pobre, es necesario realizar una evaluaci´on y validaci´on de las mismas durante la marcha humana. Para ello, esta Tesis Doctoral comienza realizando una evaluaci´on de artefactos corticales producidos principalmente por presiones mandibulares que, en ´ ultima instancia, permiten el desarrollo de dos sistemas de control bidimensional basados en los mismos: uno donde se controla un cursor por pantalla y otro donde se controla un brazo rob´ otico. Ambos demuestran una gran eficiencia en el alcance de objetivos pudiendo ser de gran ayuda como sistemas de asistencia para personas con movilidad reducida. Con los conocimientos sobre artefactos adquiridos con el trabajo anterior se realizan mediciones EEG durante la marcha humana y se comparan con mediciones realizadas durante experimentos en reposo. De esta comparaci´on se descubren dos fuentes de ruido que afectan a las se ˜ nales corticales relacionadas con fallos de conductividad entre el cuero cabelludo y los electrodos utilizados para realizar las mediciones. Su evaluaci´on permite el desarrollo de protocolos de experimentaci ´on que reduzcan la influencia de artefactos durante pruebas en movimiento. Estos protocolos son utilizados posteriormente para realizar una experimentaci ´on en la que se eval ´uan mecanismos cognitivos experimentados por humanos durante la marcha. En este estudio se eval ´ua el nivel de atenci´on que una persona presta a la marcha humana. Se realiza un barrido frequencial de las se ˜ nales registradas para discernir a qu´e frecuencia se produce el fen´omeno buscado. Los resultados muestran una desincronizaci´on en la banda gamma (30-90 Hz) relacionada con X mecanismos de atenci´on selectiva. Las clasificaciones realizadas proporcionan resultados muy prometedores de cara a la implementaci´on de sistemas en tiempo real. En el futuro se pretende dise ˜ nar sistemas que permitan obtener estos par´ametros en tiempo real para utilizarlos como realimentaci´on en terapias de rehabilitaci ´on de miembro inferior. Estudios recientes sugieren que este tipo de trabajos incrementa el grado de involucraci´on de los pacientes en sus terapias, potenciando la plasticidad cerebral y, en ´ ultima instancia, los resultados de la rehabilitaci ´on.

This thesis is focused on the evaluation of electroencephalographic (EEG) signals in order to improve current understanding of cognitive processes experienced by humans during ambulation. The main goal is to set the basis of brainmachine interfaces (BMIs) development that provide information about the user cognitive state during walking. This information could be used as feedback for assistive and rehabilitation technologies. Currently, recording of cortical activity during ambulation has not been widely explored. EEG potentials have a poor signal to noise ratio which makes their recording difficult during movement. It is necessary to develop protocols that asses the validity of these signals during walking. Therefore, the thesis starts with the evaluation of cortical artifacts produced by jaw clenches. This first study was used to develop a system to control a cursor and a robotic arm in a twodimensional workspace through jaw clenches. Both systems show promising results in the field of assistive technologies oriented to physically impaired people. In a second study, cortical signals were measured both during ambulation and movement-free conditions. Both conditions were compared to find unexpected behaviors during walking. After this comparison, two types of noise were found in the signals with higher influence on ambulation recordings. Results suggest that it can be the result of conductivity changes between the scalp and the electrodes during movement. The evaluation of these noises would allow the development of protocols for recording valid EEG signals during ambulation. These protocols were used to evaluate cognitive mechanisms. The mechanism evaluated is related to the level of attention paid by humans in gait process. This work evaluates the whole EEG bandwidth to find evidence of classifiable cortical information related to this phenomenon. Results show a desynchronization in the gamma band (30-90 Hz) associated to selective attention mechanisms. Performed offline classifications provide promising results that could be implemented as a real time system. This study showed promising results in detection of cognitive mechanisms during ambulation. Taken together, these findings could be applied in future brain-machine interfaces for rehabilitation. This kind of interface would provide, in real time, several parameters related to cognitive state of patients. These parameters could be used during the rehabilitation strategy to adapt therapies to patients’ mental state. This would provide patients a way to be involved with their rehabilitation.