Η μελέτη της οργάνωσης και λειτουργίας του εγκεφάλου και του νευρικού συστήματος
των ζωντανών οργανισμών αποτελούσε ανέκαθεν το βασικό στόχο αλλά και τη μεγαλύτερη
πρόκληση της Νευροεπιστήμης και των συγγενών της επιστημονικών πεδίων. Η δομική
πολυπλοκότητα του νευρικού συστήματος αλλά και η κλίματα μεγέθους των θεμελιωδών
φαινομένων και αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα πλαίσια της λειτουργίας του, αποτελούν σύνθετες προκλήσεις του συγκεκριμένου πεδίου έρευνας. Προς την κατεύθυνση
αντιμετώπισης των προκλήσεων αυτών, σημαντικότατη έχει αποδειχθεί τα τελευταία χρόνια
η συμβολή των επιστημών της Ιατρικής Απεικόνισης και η Υπολογιστική επιστήμη οι οποίες, με πληθώρα διατάξεων υλικού και υπολογιστικών μεθόδων, βασιζόμενες στις φυσικές
αρχές λειτουργίας των συστημάτων των βιολογικών οργανισμών, συμβάλλουν καθοριστικά
στην ερευνητική περιοχή της Νευροεπιστήμης. Η όλο και μεγαλύτερη ανάγκη επέκτασης
της χωροχρονικής ευαισθησίας και της φορητότητας των κλασικών μεθόδων λειτουργικής
απεικόνισης του εγκεφάλου οδήγησε στην καθιέρωση, σε ερευνητικό επίπεδο μέχρι προσφάτως, του λειτουργικού απεικονιστικού υπερήχου σαν μια από τις μεθόδους ανίχνευσης
και μέτρησης του όγκου εγκεφαλικού αίματος με δυναμικό τρόπο, και κατά συνέπεια της
ανίχνευσης νευρικής ενεργοποίησης στο σύστημα του εγκεφάλου. Στην παρούσα έρευνα
διερευνώνται οι δυνατότητες της μεθόδου Independent Component Analysis (ICA) όσον
αφορά την ανάλυση και εξαγωγή συμπερασμάτων από δεδομένα λειτουργικού υπερήχου,
σχετικά με την εγκεφαλική λειτουργία ποντικιών, κατά τη διάρκεια οπτικής διέγερσης.
Η διερεύνηση της ICA σε συνδυασμό με την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων, ποσοτικοποιείται με τη χρήση του πακέτου λογισμικού Icasso και πραγματοποιείται σε τρεις
κύριους άξονες: Διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων προεπεξεργασίας του σήματος
λειτουργικού υπερήχου στα αποτελέσματα της ICA, διερεύνηση του ρόλου του θορύβου
του σήματος λειτουργικού υπερήχου στην έξοδο της ICA και διερεύνηση της μεθόδου
όσον αφορά τη δυναμική ανάλυση των δεδομένων λειτουργικού υπερήχου στο χρόνο. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε μια εκτενής βιβλιογραφική μελέτη στην ερευνητική περιοχή
εφαρμογής λειτουργικού υπερήχου στη μελέτη του εγκεφάλου αλλά και των μεθόδων ανάλυσης των αποτελεσμάτων λειτουργικής απεικόνισής του. Τα πειραματικά αποτελέσματα
στα οποία βασίζεται η ανάλυση της παρούσας έρευνας αποτελούνται από πέντε σύνολα δεδομένων (λήψεις) λειτουργικού απεικονιστικού υπερήχου, που παρήχθησαν από πειράματα
σε ποντίκια και πραγματοποιήθηκαν στο Erasmus Medical Center στο Rotterdam.
(EL)
The study of functional configuration of the brain and the nervous system of living organisms, has been the principal target as well as the biggest challenge of Neuroscience
and its corresponding scientific fields. The structural complexity of the nervous system
and also the scale of its fundamental phenomena and interactions comprise some of the
biggest challenges related to this research area. In recent years there has been a surge
in hardware set-up and computational methods development in the fields of Medical
Imaging and Computational Science, paving the way for rapid advancement in approaching these challenges. The increasing need for greater spatio-temporal resolution
and portability potential is the main reason that the functional ultrasound modality
was introduced as a novel approach in mapping the functional responce of the brain
through the dynamic quantification of the cerebral blood volume. In the present study
we explore the potential of the ICA method with regard to the analysis and information extraction from functional ultrasound data, regarding the cerebral functionality of
rats, in a visual stimulation experimental set-up. The exploration of the ICA modality
in combination with the analysis of the resulting fUS datasets, is quantified using the
Icasso clustering software, and it revolves around three basic axis: Researching the
effect of different preprocessing parameters of the functional ultrasound signal, in the
ICA results, research of the effect of added noise in the ICA output and exploration of
the ICA modality from a dynamic analysis perspective of the fUS data, with respect
to time. In addition, we performed an extensive review of the existing research in the
field of mapping the brain functionality using fUS, as well as in the area of brain functional data analysis. The five datasets which we use in the present study have resulted
from 2D visual-stimulation conducted on mice at the Neuroscience department of the
Erasmus Medical Center in Rotterdam.
(EN)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
