ES2639644A1 - Procedure for estimating brain noise through ambiguous images (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Procedimiento de estimación del ruido cerebral a través de imágenes ambiguas. Procedure for estimating brain noise through ambiguous images.
5 SECTOR DE LA TÉCNICA La siguiente invención está relacionada con el campo del entendimiento del cerebro, más en particular con el entendimiento de los estados relacionados con el ruido cerebral. 5 SECTOR OF THE TECHNIQUE The following invention is related to the field of brain understanding, more in particular with the understanding of the states related to brain noise.
10 Los procesos y mecanismos biológicos subyacentes al cambio entre las diferentes percepciones visuales son objeto de la investigación moderna. Según los modelos más recientes, el origen biológico de los cambios de percepción se encontraría en el ruido cerebral que se genera debido a la aleatoriedad en la actividad espontánea de las células neuronales y que es inherente a la función cognitiva del cerebro. 10 The biological processes and mechanisms underlying the change between different visual perceptions are the subject of modern research. According to the most recent models, the biological origin of the perceptual changes would be found in the brain noise that is generated due to the randomness in the spontaneous activity of the neuronal cells and that is inherent in the cognitive function of the brain.
15 El ruido cerebral juega un papel importante en el procesamiento de los estímulos para la toma de decisiones, permitiendo diferentes interpretaciones de una sola imagen. Ejemplos clásicos de imágenes ambiguas son el conejo/pato, el Jarrón de Rubin, el cubo de Necker y la esfera transparente rotada horizontalmente. La interpretación de imágenes ambiguas 15 Brain noise plays an important role in processing stimuli for decision making, allowing different interpretations of a single image. Classic examples of ambiguous images are the rabbit / duck, the Rubin Vase, the Necker cube and the horizontally rotated transparent sphere. The interpretation of ambiguous images
20 tiene un carácter probabilístico, caracterizado por los tiempos de duración de cada apreciación de una imagen ambigua y la frecuencia de los cambios entre diferentes apreciaciones. El nivel de ruido cerebral es por lo tanto un indicador importante para determinar problemas cognitivos y diagnosticar algunas enfermedades mentales. 20 has a probabilistic character, characterized by the duration times of each assessment of an ambiguous image and the frequency of changes between different assessments. The level of brain noise is therefore an important indicator to determine cognitive problems and diagnose some mental illnesses.
25 La solicitud de patente US2014107521 (A1) está relacionada con el uso de biomarcadores para predecir la existencia de enfermedades, tales como epilepsia o autismo, según la conectividad funcional del cerebro y su ruido de fondo. El procedimiento descrito en esta solicitud, sin embargo no permite la medición directa del ruido efectivo del cerebro. The patent application US2014107521 (A1) is related to the use of biomarkers to predict the existence of diseases, such as epilepsy or autism, according to the functional connectivity of the brain and its background noise. The procedure described in this application, however, does not allow direct measurement of effective brain noise.
30 OBJETO DE LA INVENCIÓN El objetivo principal de la presente invención es proponer un método de estimación de ruido inherente a la función cognitiva del cerebro a través de imágenes ambiguas que resuelva los problemas descritos anteriormente. Para ello, la invención comprende los pasos de: mostrar una imagen ambigua a un sujeto, aplicar un cambio continuo durante un tiempo T al OBJECT OF THE INVENTION The main objective of the present invention is to propose a method of estimating noise inherent in the cognitive function of the brain through ambiguous images that solves the problems described above. For this, the invention comprises the steps of: showing an ambiguous image to a subject, applying a continuous change for a time T to
35 parámetro de control responsable del cambio en la percepción de dos interpretaciones de dicha imagen, registrar la actividad cerebral de dicho sujeto a través de una magneto35 control parameter responsible for the change in the perception of two interpretations of said image, record the brain activity of said subject through a magnet
encefalografía, calcular mediante un análisis espectral el tiempo entre dos interpretaciones de la imagen y representar la curva /T respecto a T para obtener el valor N en el que la curva se satura. En un ejemplo de puesta en práctica, la imagen ambigua es el cubo de Necker y el parámetro de control el contraste entre aristas de la cara frontal y la cara posterior. En otro ejemplo, la imagen ambigua es la esfera rotada horizontalmente y el parámetro de control es la diferencia de iluminación de los pixeles de las caras frontal y posterior. Encephalography, calculate by means of a spectral analysis the time mediante between two interpretations of the image and represent the curve / T with respect to T to obtain the N value in which the curve is saturated. In an example of implementation, the ambiguous image is the Necker cube and the control parameter is the contrast between edges of the front and back sides. In another example, the ambiguous image is the horizontally rotated sphere and the control parameter is the difference in illumination of the pixels of the front and back faces.
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente: In order to help a better understanding of the features of the invention in accordance with a preferred example of practical realization thereof, the following description of a set of drawings is attached, where the following has been represented by way of illustration:
La figura 1 es un diagrama de flujo del procedimiento de la invención. Figure 1 is a flow chart of the process of the invention.
La figura 2 es una representación de la técnica de aplicar etiquetas a imágenes ambiguas, como ejemplo, se usa el cubo de Necker. Figure 2 is a representation of the technique of applying labels to ambiguous images, as an example, the Necker cube is used.
La figura 3 es un espectro de frecuencias obtenido cuando el sujeto observa la imagen central de la figura 2. Figure 3 is a spectrum of frequencies obtained when the subject observes the central image of Figure 2.
La figura 4 es una gráfica de los cambios espectrales en la magneto-encefalografía de un sujeto durante la variación de contraste en la figura 2. Figure 4 is a graph of the spectral changes in magneto-encephalography of a subject during the contrast variation in Figure 2.
La figura 5 es una gráfica de la saturación N para tres sujetos distintos. Figure 5 is a graph of saturation N for three different subjects.
El procedimiento de la invención permite medir el nivel de ruido presente en el cerebro e inherente a la función cognitiva. Para ello hace uso de imágines ambiguas y el tiempo que tarda el cerebro en cambiar la interpretación de las mismas, medido gracias a un análisis espectral a través de magneto-encefalografías (MEG). The method of the invention allows measuring the level of noise present in the brain and inherent in cognitive function. For this it makes use of ambiguous images and the time it takes for the brain to change their interpretation, measured thanks to a spectral analysis through magneto-encephalography (MEG).
La percepción visual comienza con la conversión de paquetes de energía electromagnética en una señal que puede ser analizada por el cerebro. Esta conversión es llevada a cabo por las células fotorreceptoras del ojo, un conjunto de células especializadas que se localizan en la retina. El estimulo visual que recibe una persona activa las neuronas del cerebro. El cerebro interpreta los estímulos recibidos de acuerdo a los conocimientos previos y experiencia de esa persona. En caso de coexistir varias interpretaciones del mismo Visual perception begins with the conversion of electromagnetic energy packets into a signal that can be analyzed by the brain. This conversion is carried out by the photoreceptor cells of the eye, a set of specialized cells that are located in the retina. The visual stimulus that a person receives activates brain neurons. The brain interprets the stimuli received according to the previous knowledge and experience of that person. If several interpretations of the same coexist
estimulo, las neuronas responden de manera diferente. El cerebro necesita un tiempo determinado para poder discernir cada interpretación. No es posible que el cerebro interprete simultáneamente el mismo estímulo de diferentes maneras, así como no es posible que una neurona se encuentre simultáneamente en diferentes estados, por ejemplo, excitación y reposo. stimulus, neurons respond differently. The brain needs a certain time to be able to discern each interpretation. It is not possible for the brain to simultaneously interpret the same stimulus in different ways, just as it is not possible for a neuron to be simultaneously in different states, for example, excitation and rest.
El procedimiento de la invención se muestra en la figura 1. La actividad cerebral del sujeto se detecta a través de la magneto-encefalografía (MEG) y el análisis espectral de dicha encefalografía permite medir los tiempos de cambio en la interpretación de la imagen ambigua, que dependen de la velocidad del cambio del parámetro de control. The method of the invention is shown in Figure 1. The brain activity of the subject is detected through magneto-encephalography (MEG) and the spectral analysis of said encephalography allows measuring the change times in the interpretation of the ambiguous image, which depend on the rate of change of the control parameter.
El procedimiento utiliza una imagen ambigua que puede ser interpretada por un sujeto de dos maneras distintas. Primero, se busca un parámetro de control responsable de la interpretación de la imagen y se aplica un cambio continuo a este parámetro para que el sujeto cambie su apreciación de dicha imagen. Simultáneamente, la actividad cerebral del sujeto es observada a través de la MEG. The procedure uses an ambiguous image that can be interpreted by a subject in two different ways. First, a control parameter responsible for the interpretation of the image is sought and a continuous change is applied to this parameter so that the subject changes his appreciation of said image. Simultaneously, the subject's brain activity is observed through the MEG.
En el caso del cubo de Necker mostrado en la figura 2, se usa como parámetro de control el contraste de las aristas interiores del cubo, responsable por la orientación de las caras. El contraste de tres aristas interiores en la imagen izquierda se hace disminuir de forma continua, mientras que el contraste de tres aristas interiores de la imagen derecha aumenta. Cuando las aristas interiores del cubo tienen el mismo contraste (como en la imagen central de la figura 2), las posiciones de las orientaciones de las caras R y A pueden ser interpretadas por un sujeto de dos maneras diferente: la cara R puede ser vista por delante como en la imagen izquierda o la cara A puede ser vista por delante como la imagen derecha. Cuando el contraste de tres aristas interiores del cubo de lado izquierdo disminuye de manera continua, mientras que el contraste de tres aristas interiores del cubo del lado derecho aumenta simultáneamente, la imagen del cubo se trasforma desde el cubo del lado izquierdo al cubo del lado derecho. El sujeto que está observando esta transformación ve un cambio en la posición de las caras R y A en un momento del tiempo que depende de la velocidad del cambio del contraste y del ruido interno del cerebro. In the case of the Necker cube shown in Figure 2, the contrast of the inner edges of the cube, responsible for the orientation of the faces, is used as a control parameter. The contrast of three inner edges in the left image is decreased continuously, while the contrast of three inner edges of the right image increases. When the inner edges of the cube have the same contrast (as in the central image of Figure 2), the positions of the orientations of the R and A faces can be interpreted by a subject in two different ways: the R face can be seen in front as in the left image or face A can be seen in front as the right image. When the contrast of three inner edges of the left side cube decreases continuously, while the contrast of three inner edges of the right side cube increases simultaneously, the image of the cube is transformed from the cube on the left side to the cube on the right side . The subject who is observing this transformation sees a change in the position of the R and A faces at a time of time that depends on the speed of the contrast change and the internal noise of the brain.
Para poder detectar el cambio en la interpretación de la imagen a través de la MEG, se aplica una modulación aleatoria (ruido externo) a la iluminación de los pixeles de la imagen, (este paso se conoce como aplicación de etiquetas), con frecuencias distintas para cada parte de la imagen asociada con diferente apreciación y se miden los componentes In order to detect the change in the interpretation of the image through the MEG, a random modulation (external noise) is applied to the lighting of the image pixels, (this step is known as label application), with different frequencies for each part of the image associated with different appreciation and the components are measured
espectrales de las señales corticales registradas por la MEG en las frecuencias de las etiquetas correspondientes. El ruido dinámico utilizado distorsiona la imagen sólo mínimamente, se mantienen tanto las percepciones y su conmutación espontánea. spectral of the cortical signals recorded by the MEG at the frequencies of the corresponding tags. The dynamic noise used distorts the image only minimally, both perceptions and their spontaneous switching are maintained.
Cuando el parámetro de control cambia continuamente, el sujeto identifica un cambio en la imagen en un cierto momento del tiempo que depende de la velocidad del cambio del parámetro de control. Los mecanismos que subyacen a los cambios entre diferentes percepciones visuales se encuentran en el ruido, inherente a la actividad de las células neuronales del cerebro, que resulta a la activación espontánea al azar de neuronas individuales. Así, el cambio entre diferentes interpretaciones es un proceso estocástico, donde cada interpretación particular tiene una cierta probabilidad que depende del ruido cerebral. When the control parameter changes continuously, the subject identifies a change in the image at a certain moment of time that depends on the speed of the change of the control parameter. The mechanisms that underlie changes between different visual perceptions are found in noise, inherent in the activity of the brain's neuronal cells, which results in the spontaneous random activation of individual neurons. Thus, the change between different interpretations is a stochastic process, where each particular interpretation has a certain probability that depends on brain noise.
El tiempo de duración de cada interpretación de un estimulo depende del ruido cerebral de la persona. Cuanto más alto es el nivel del ruido, más cortos resultan los intervalos de duración de cada interpretación. Sin ruido no sería posible ningún cambio de decisión con respecto al mismo estímulo. Además, los intervalos del tiempo de interpretación dependen del parámetro responsable de la interpretación de una imagen ambigua. Como se verá más adelante, en el cubo de Necker es el contraste de las aristas, en la esfera giratoria es la iluminación de los pixeles en las superficies. The duration of each interpretation of a stimulus depends on the brain noise of the person. The higher the noise level, the shorter the duration intervals of each interpretation. Without noise, no change in decision regarding the same stimulus would be possible. In addition, the interpretation time intervals depend on the parameter responsible for the interpretation of an ambiguous image. As will be seen later, in the Necker cube is the contrast of the edges, in the rotating sphere it is the illumination of the pixels on the surfaces.
El tiempo de respuesta de la actividad cerebral a los estímulos visuales (tiempo cognitivo) detectados por la MEG es de aproximadamente 150-250 ms. Debido al efecto de ralentización de bifurcación cerca del punto crítico, cuando el parámetro de control (el contraste de las aristas en el caso del cubo de Necker) cambia en el tiempo, el cerebro no puede reaccionar instantáneamente y por lo tanto el sujeto tarda en su respuesta. La disminución de la velocidad (el aumento del tiempo del cambio del contraste T) nivela el efecto de ralentización porque el parámetro del control no cambia mucho durante el tiempo necesario para que el sujeto tome una decisión, lo que a su vez resulta en una saturación de The response time of brain activity to visual stimuli (cognitive time) detected by the MEG is approximately 150-250 ms. Due to the bifurcation slowing effect near the critical point, when the control parameter (the contrast of the edges in the case of the Necker cube) changes over time, the brain cannot react instantaneously and therefore the subject takes time your answer. The decrease in speed (the increase in the time of changing the contrast T) levels the slowing effect because the control parameter does not change much during the time necessary for the subject to make a decision, which in turn results in saturation from
los tiempos normalizados de respuesta T tal y como muestra la figura 5. En este caso, el tiempo normalizado de cambio de la orientación del cubo de Necker N se determina solo por el ruido cerebral. the normalized response times T as shown in Figure 5. In this case, the normalized time for changing the orientation of the Necker N cube is determined only by brain noise.
El análisis espectral de la MEG muestra los tiempos del cambio de los componentes espectrales en las frecuencias de las etiquetas (figura 4), asociados con el cambio de interpretación de la imagen. Los datos de la MEG se registran con diferentes tiempos T del cambio del parámetro de control y se representan gráficamente los tiempos normalizados The spectral analysis of the MEG shows the times cambio of the change of the spectral components in the frequencies of the tags (figure 4), associated with the change of interpretation of the image. The MEG data is recorded with different T times of the change of the control parameter and the normalized times are plotted
T en función de la duración T del cambio del parámetro de control. Con el aumento de T, esta dependencia se satura en un valor N relacionado con el ruido del cerebro. T as a function of the duration T of the change of the control parameter. With the increase in T, this dependence becomes saturated at an N value related to brain noise.
En una puesta en práctica particular en la que se usa el cubo de Necker, para poder medir a través de la MEG el tiempo cuando se cambia rápidamente la razón entre las potencias de las componentes espectrales en las frecuencias de las etiquetas (figura 2), se utilizan dos etiquetas con igual valor de intensidad y frecuencias de aparición 15 y 10 Hercios, que se aplican a las caras frontal y trasera R y A respectivamente. Un análisis espectral de la MEG permite representar gráficamente en el tiempo los diferentes componentes espectrales de las señales emitidas por el cerebro, como muestra la figura 3. In a particular implementation in which the Necker cube is used, to be able to measure the time through the MEG when the ratio between the powers of the spectral components in the frequencies of the tags is rapidly changed (Figure 2) , two labels with the same intensity value and frequencies of appearance 15 and 10 Hertz are used, which are applied to the front and rear faces R and A respectively. A spectral analysis of the MEG allows the different spectral components of the signals emitted by the brain to be plotted over time, as shown in Figure 3.
Cuando el sujeto identifica el cambio en la imagen, el espectro del MEG muestra un cambio en los componentes espectrales en las frecuencias 15 y 10 Hercios, como se observa en la figura 4. En el momento en el que el sujeto cambia la percepción, se produce un salto en el valor de las componentes espectrales de cada etiqueta; una componente aumenta mientras que la otra disminuye. Este cambio ocurre en el tiempo que depende de la velocidad del cambio del contraste. When the subject identifies the change in the image, the MEG spectrum shows a change in the spectral components at frequencies 15 and 10 Hertz, as seen in Figure 4. At the moment when the subject changes the perception, produces a jump in the value of the spectral components of each label; One component increases while the other decreases. This change occurs over time which depends on the speed of the contrast change.
Los valores de para cada sujeto se obtienen a través de las MEGs registradas para diferentes tiempos T de cambio del contraste (figura 4). Seguidamente, para obtener N, se representan gráficamente los tiempos normalizados /T en función de T, como muestra la figura 5. Cuando el contraste cambia lentamente (T > 20 segundos), la razón /T casi no depende de T y es determinada solo por el ruido interno del cerebro. El valor de saturación N en la figura 5 está relacionado directamente con el ruido efectivo del cerebro. Es un parámetro relativo que influye a la decisión de la interpretación de la imagen de cada individuo determinado por los procesos estocásticos cognitivos en su cerebro. El valor normalizado /T no tiene dimensión y se pueden comparar los ruidos de diferentes sujetos comparando sus valores de N. Por ejemplo, el sujeto 1 tiene el ruido más alto que los sujetos 2 y 3, N1 > N2 ≈ N3. Esto puede significar que el sujeto 1 es más flexible en sus decisiones, pero no puede concentrarse como los sujetos 2 y 3. The values of for each subject are obtained through the MEGs recorded for different times T of contrast change (Figure 4). Then, to obtain N, the normalized times / T are plotted as a function of T, as shown in Figure 5. When the contrast changes slowly (T> 20 seconds), the ratio / T almost does not depend on T and is determined only by the internal noise of the brain. The saturation value N in Figure 5 is directly related to the effective noise of the brain. It is a relative parameter that influences the decision of the interpretation of the image of each individual determined by the cognitive stochastic processes in their brain. The normalized value / T has no dimension and the noise of different subjects can be compared by comparing their values of N. For example, subject 1 has the loudest noise that subjects 2 and 3, N1> N2 ≈ N3. This may mean that subject 1 is more flexible in their decisions, but cannot concentrate as subjects 2 and 3.
En otro ejemplo de puesta en práctica de la invención se usa una esfera rotada horizontalmente a ambos lados. La esfera tiene los pixeles en ambos lados, frontal y posterior rotando horizontalmente en diferentes direcciones. Si se observa esta esfera durante un tiempo prolongado parece que la esfera cambia la dirección de rotación. La In another example of implementation of the invention a sphere rotated horizontally on both sides is used. The sphere has the pixels on both sides, front and back rotating horizontally in different directions. If this sphere is observed for a long time it seems that the sphere changes the direction of rotation. The
diferencia entre iluminación de los pixeles de dos lados es en este caso el parámetro de control. Cuando aumenta la iluminación de los pixeles del lado frontal, simultáneamente disminuye la iluminación de los pixeles del lado posterior. Esto induce un cambio en la probabilidad en la dirección de rotación de la esfera. Las etiquetas de ruido externo se The difference between lighting of the two-sided pixels is in this case the control parameter. When the illumination of the pixels on the front side increases, simultaneously the illumination of the pixels on the rear side decreases. This induces a change in the probability in the direction of rotation of the sphere. External noise tags are
5 colocan de la misma manera que en el caso del cubo de Necker. Es decir, los pixeles en el lado frontal se marcan con un ruido de 15 Hz, mientras que los pixeles en el lado posterior se marcan con de 10 Hz. Los resultados son concordantes con la prueba realizada con el cubo de Necker. 5 placed in the same way as in the case of the Necker cube. That is, the pixels on the front side are marked with a noise of 15 Hz, while the pixels on the back side are marked with 10 Hz. The results are consistent with the test performed with the Necker cube.
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2639644B2 (en) | 2018-06-07 |
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