Spectral analysis for characterizing electroencephalographic oscillations in cognitive processes
- 주제(키워드) electroencephalography , spectral analysis , cognitive processes
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 Christian Wallraven
- 발행년도 2015
- 학위수여년월 2015. 8
- 학위구분 박사
- 학과 대학원 뇌공학과
- 세부전공 뇌컴퓨터인터페이스
- 원문페이지 110 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000059800
- 본문언어 영어
- 제출원본 000045841497
초록/요약
Electroencephalographic (EEG) signals contain a variety of oscillatory rhythms. Detailed analysis of these rhythms can provide valuable evidence that may help to elucidate the neural mechanisms underlying many human cognitive processes, as most of these processes are based on neural circuits in the cerebral cortex, which cause modulation of EEG oscillatory rhythms. This thesis aims to demonstrate the fundamental mechanism underlying three high-level cognitive processes, viz., emotion regulation, facial preference, and recognition memory, for which the relationship of EEG oscillatory rhythms with the relevant process is not yet fully understood. To this end, I examined the temporal and spatial changes in frequency-specific characteristics of EEG oscillatory rhythms by using spectral analysis that can characterize not only the amount of local activity, but also the degree of large-scale neural communication, quantitatively. In the first part of the study, I examined how three types of cognitive reappraisal goals, i.e., decrease, maintain, and increase conditions, might influence the significance of an upcoming emotional stimulus, and how it might modulate the induced EEG oscillations. Spectral analysis using complex wavelet transform revealed that these regulatory goals mainly modulated the left frontal gamma power (decrease < maintain < increase). In particular, the active cognitive reappraisal goals, i.e., a decrease and increase conditions, produced greater large-scale gamma-phase synchronization compared to the neutral condition. These effects might be caused by the reflection of conscious awareness of emotional states on the induced gamma oscillations. In the second part of the study, I describe the effect of facial preference on the modulation of alpha oscillations during two facial preferences tasks, consisting of a passive viewing task and an active choice task. In this study, significant differences in oscillatory power between the preferred and non-preferred face groups were only observed in the alpha oscillations. In addition, left frontal lateralization in alpha power occurred in the passive viewing task, while the posterior regions played an important role in facial preferences during the active choice task. These results demonstrated that the modulation of alpha activity by facial preference is a top-down process, which requires more cognitive resources to facilitate information processing of the preferred faces that capture more visual attention than non-preferred faces. In the third part of the study, I investigated theta phase synchronization while subjects recognized old items compared to when they correctly identified new items. Specifically, the retrieval of recognition memory task led to higher theta phase synchronization between the right frontal and left parietal regions. These results support the role of theta phase synchronization between the posterior and frontal cortices in recognition memory. The findings reported here demonstrated the critical role of EEG oscillatory rhythms in human cognitive process in the cortex. It seems that a specific cognitive process depends on a specific brain oscillatory rhythm. Moreover, the study demonstrates the temporal and spatial characteristics of the relevant neural oscillations, shedding new light on human cognitive processing in the cortex.
more초록/요약
뇌파는 다양한 동조리듬으로 이루어져 있기에, 이러한 리듬에 대한 정교한 분석은 많은 인간의 인지적 작용의 기저를 이루는 신경 메커니즘의 이해를 돕는 귀중한 증거를 제공해 줄 수 있다. 왜냐하면, 대부분 인간의 인지적 작용들은 대뇌 피질내의 신경 회로 작용에 그 근거를 두며 뇌파 동조 리듬을 유도한다. 본 연구에서는 뇌파 동조 리듬과 연관성이 잘 알려져 있지 않는 세가지 고등인지 작용, 즉, 감성 조절, 얼굴 선호도, 재인 기억, 에서 뇌파 동조 리듬 분석을 통하여 근본적인 신경 메커니즘을 밝히는데 목적을 두고 있다. 이를 위해 국소적 활동량 뿐만 아니라 광범위 신경 통신량 정도를 정량화 할 수 있는 주파수 분석 기법을 이용하여 뇌파 동조 리듬에 대한 시간적 공간적 주파수 특성 변화를 조사하였다. 첫번째 연구는 세가지 인지 재해석 조건, 즉, 감소, 유지, 증가 조건,에 의해서 후에 제시되는 감성 자극에 대한 의미 해석이 어떻게 영향을 받는지, 그리고 이는 뇌파 동조 리듬에 어떤 영향을 주는지에 대해서 조사하였다. 웨이블렛 변환을 이용한 주파수 분석 기법을 통해서 감정 조절 조건에 의해 왼쪽 전두엽의 감마 파워이 주로 영향을 받고 있는 사실을 밝혔냈다 (감소 < 유지 < 증가). 또한 능동적 재해석 조건인 감소와 증가 조건은 유지 조건보다도 더 큰 광범위 감마 위상 동조화를 발생시키고 있었다. 이러한 현상은 감성 상태에 대한 의식적 각성 상태가 감마 동조 리듬에 반영되고 있다고 할 수 있다. 두번째 연구는 얼굴 선호도가 알파 동조 리듬에 어떤 영향을 미치는지를 밝히고자 하는 연구로 수동적 얼굴 보기과 능동적 선택 실험으로 이루어진 두 가지 얼굴 선호도 실험이 실시되었다. 본 연구에서는 선호 얼굴 그룹과 비선호 얼굴 그룹간에는 오로지 알파 동조 리듬만이 뚜렷한 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 게다가, 수동적 얼굴 보기 실험에서는 알파 파워의 좌측 전두엽 지역의 기능 분화를 확인할 수 있었던 반면에 능동적 선택 실험에서는 후두엽 지역이 얼굴 선호도 관련하여 중요한 역할을 담당하고 있음을 발견하였다. 이러한 얼굴 선호도에 따른 알파 동조리듬 변화 현상은 비선호 얼굴보다 선호 얼굴이 더 많은 시각적 집중을 가능하게 더 원활한 얼굴 정보 처리를 할 수 있도록 하는 하향식 인지적 자원 활용이 있었음 확인시켜주고 있다. 세번째 연구에서는 피험자가 새로운 물건을 정확하게 새롭게 봤다고 인지할 때보다 봤던 것을 정확하게 봤다고 인지할 때 더 큰 세타 위상 동조화가 있음을 보여주는 연구이다. 특히 재인 기억의 회상 실험은 오른쪽 전두엽과 왼쪽 두정엽 지역간의 더 큰 세타 위상 동조화를 발생시키며 이러한 결과는 재인 기억에서의 전두엽과 두정엽 사이의 세타 위상 동조 역할의 중요성을 확인할 수 있다. 세 연구 주제에 대한 주요 결과는 대뇌 피질에서 주로 일어나는 인간의 인지 작용에서의 뇌파 동조 리듬의 중요한 역할을 보여주고 있으며 이는 특정 인지 작용은 특정 뇌파 동조 리듬과 연관성이 있음을 말해주고 있다. 이 연구를 통해 뇌파 동조 리듬의 시간 및 공간 특성은 인간의 대뇌 피질내의 인지 작용의 원리를 밝히는 중요한 역할을 밝히고 있음을 확인시켜 주고 있다.
more목차
Chapter 1. General Introduction
1.1. Introduction
1.2. Origin of EEG signals
1.3. EEG oscillations in neural circuits
1.3.1. Delta oscillations
1.3.2. Theta oscillations
1.3.3. Alpha oscillations
1.3.4. Beta oscillations
1.3.5. Gamma oscillations
1.4. Relevant EEG oscillations in three basic cognitive processes
1.4.1. Emotion
1.4.2. Attention
1.4.3. Memory
Chapter 2. Spectral Analyses for Power and Phase Synchrony
2.1. Hilbert transform
2.2. Complex wavelet transform
2.3. Phase locking value and phase locking statistics
Chapter 3. Emotion Regulation and Gamma Oscillations
3.1. Introduction
3.2. Materials and Methods
3.2.1. Participants
3.2.2. Experimental procedure
3.2.3. Task procedure
3.2.4. EEG recording
3.2.5. Statistical analyses
3.3. Results
3.3.1. Behavior results
3.3.2. Topographic map of gamma power associated with the three reappraisal goals
3.3.3. Spectral power and statistical analyses
3.3.4. Gamma phase synchrony
3.4. Discussion
Chapter 4. Facial Preference and Alpha Oscillations
4.1. Introduction
4.2. Materials and Methods
4.2.1. Participants 44
4.2.2. Stimuli
4.2.3. Tasks
4.2.4. Face preference analysis
4.2.5. EEG preprocessing
4.2.6. Statistical analysis of EEG data
4.3. Results
4.3.1. Behavior results
4.3.2. Modulation of EEG oscillatory powers with facial preference
4.4. Discussion
4.4.1. Alpha activity reflects top-down processes dependent on cognitive resources
4.4.2. The more preferred faces need greater attentional resources
4.4.3. Motivational significance of the presented face makes a difference in the left frontal alpha ERD
4.4.4. Formation of facial preference reflected on the alpha ERD in the posterior region
4.4.5. Limitations and future works
Chapter 5. Recognition Memory and Theta Oscillations
5.1. Introduction
5.2. Materials and Methods
5.2.1. Experiment
5.3. Results
5.4. Discussion
Chapter 6. Concluding Remarks
