dc.contributor.advisor | Kutsal, Tülin | |
dc.contributor.advisor | Arıkan, Kutluk Bilge | |
dc.contributor.author | Bayer, Gözde | |
dc.date.accessioned | 2017-10-17T13:07:31Z | |
dc.date.available | 2017-10-17T13:07:31Z | |
dc.date.issued | 2017 | |
dc.date.submitted | 2017-09-14 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11655/4014 | |
dc.description.abstract | Mirror neurons, discovered on prefrontal cortex and subsequently on
inferior parietal lobule of macaque monkey, are a class of neurons that
become activated with both performing an action and observing the same
action. A similar system of neurons also exists in humans. On the basis
of features of the putative mirror neuron system (MNS) and its role in
action understanding and internal rehearsal (motor imagery) of actions,
this action observation-execution matching system has been proposed as
a new approach for training in the rehabilitation of patients with motor
impairment of the upper limb after stroke.
This thesis investigates the mu and/or beta frequency band suppression as
an index of the human mirror neuron system (MNS) in
Electroencephalography (EEG). Several experimental design and control
procedures were applied with the primary objective that the study might
be beneficial to motor rehabilitation programs of upper extremities for
stroke patients.
v
In the first experiment, subjects observed different types of objectdirected
hand actions in order to explore whether observation of any of
these actions may have a relatively strong effect on MNS activity. Here,
EEG was recorded at electrode locations C3, C4, P3, P4, F7 and F8. The
results showed that all conditions were associated with a significant mu
band (8-12 Hz) desynchronization over the somatosensory cortex.
Further investigation of the effect of the visual stimuli on MNS revealed
the main effect of video stimuli of hand squeezing soft and hard springs,
at the frontal channels nearly corresponding to ventral premotor cortex
(vPMC) area of the brain. The activation of mirror neurons in this area
during action observation plays a crucial role in observational learning.
Based on these results, it was proposed that specific type of visual stimuli
may be implemented in the action observation-based treatment of stroke
patients to have a positive additional impact.
Recent evidence suggests that motor imagery might be beneficial to
recovery of motor functions after stroke. The implemented strategy in
imagery-based rehabilitation may have a crucial role to optimize the
imagery performance. In the second experiment, it has been explored if
prior execution facilitates the subsequent imagery performance when the
motor task to be imagined was associated with a symbolic cue. 10 healthy
participants were divided into two groups and performed the execution
and imagery of a sequential pinch grip task: one group started the
experiment by execution of the task (group named GEF) and the other
group performed the imagery session at first stage (group named GIM).
Event Related Spectral Perturbations (ERSPs) at mu (8-12 Hz) and beta
(15-25 Hz) frequency bands from EEG data were extracted for imagery
and execution conditions of 10 subjects over central, parietal and frontal
brain regions. The results showed that both simple execution and imagery
conditions were associated with a significant (p<0.05) mu and beta band
desynchronization over the somatosensory cortex. A significant main
effect of frequency was found during imagery condition of 10 subjects
and over all relevant channels. This supplies evidence that mu and beta
rhythms might have different functional properties for mental rehearsal
of actions. ERSP data from two experimentally manipulated groups
showed that brain activity (desynchronization) for imagery condition was
slightly higher for group GEF. Significant differences between two groups
were found at contralateral parietal and bilateral frontal sides. It was
concluded that for a cue-based simple motor task, a prior execution of
the motor task might facilitate the subsequent imagery task and frontal
regions appears to reflect the motor imagery performance. The results
will have further implications in imagery-based rehabilitation of patients
with stroke.
In the last experimental study of this thesis, a fully actuated finger
exoskeloton robot ExoPinch was utilized to investigate the anticipatory
vi
effect of execution on observation. The results showed that the
observational condition (with or without anticipation) interacted with
hemisphere at central channels near somatosensory cortex. Additionally,
the response of MNS was explored on the kinetics features of visual
stimuli. The results revealed an interaction effect of kinetics features and
hemisphere at frontal channels corresponding nearly to the ventral
premotor cortex area of the brain. The activation of mirror neurons in
this area plays a crucial role in observational learning. Based on the
results, it was proposed that specific type of visual stimuli can be
combined with the functional abilities of the MNS in the action
observation based treatment of hand motor dysfunction of stroke
patients to have positive functional motor responses. | tr_TR |
dc.description.sponsorship | TÜBİTAK-PROJE NO: 114E621 | tr_TR |
dc.language.iso | en | tr_TR |
dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
dc.title | Investigation And Assessment Of Mirror Neuron Activity For Rehabilitation Purposes | tr_eng |
dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | tr_TR |
dc.description.ozet | İlk olarak makak maymununun prefrontal korteksinde ve daha sonra da
inferior parietal lobülünde keşfedilen ayna nöronlar hem bir eylemin
gerçekleştirilmesi hem de aynı eylemin izlenmesi sırasında aktive olan
bir grup nöronlardır.Buna benzer bir nöral sistem insanlarda da
bulunmaktadır.Bu gözlem-eylem eşlenim sistemi, hareketin anlaşılması
ve motor imgelemi gibi oynadığı birçok role dayanarak, inme sonrası üst
uzuvlarında hareket kaybı olan hastaların rehabilitasyonu için yeni bir
yaklaşım yöntemi olarak önerilmiştir.
Bu tez çalışması ayna nöron sistemi (ANS)’nin Elektroensefalografi
(EEG)’de bir göstergeci olan mu ve/veya beta frekans bandındaki güç
baskılanmasını incelemektedir. Bu çalışmada uygulanan deney
tasarımları ve kontrol düzeneklerinde temel hedef, inmeli hastaların üst
ii
uzuvlarının motor rehabilitasyonuna faydalı olabilecek bilgiler elde
edebilmektir.
İlk deneyde, deneye katılan gönüllüler objeye yönelik bir elin hareketini
içeren videolar izlemişlerdir. Bu görsel stimulasyonlardan hangisi veya
hangilerinin ANS üzerinde nispeten etkili olduğu araştırılmıştır. Bu
amaçla C3, C4, P3, P4, F7 ve F8 elektrot lokasyonlarında dört farklı video
stimulasyonu için EEG ölçülmüştür. Sonuçlar, dört farklı hareket
videosunun, duyumotor korteks üzerinde, mu (8-12 Hz) frekans
bandında anlamlı derecede baskılanmaya sebep olduğunu göstermiştir.
Görsel stimulasyonların ANS üzerindeki etkisinin detaylı incelenmesinde
yumuşak ve sert yayların gösterildiği video stimulasyonlarının beynin alt
premotor korteksine karşılık gelen beyin bölgesinde ana etkiye sebep
olduğu bulunmuştur. Ayna nöronların premotor kortekste hareketin
gözlenmesi sırasındaki aktivasyonu gözlemsel öğrenmede önemli bir rol
oynamaktadır. Bu sonuçlara dayanarak, belirli görsel stimulasyonların,
eylemin gözlemi içerikli rehabilitasyon protokollerine uygulanabilirliği
önerisinde bulunulmuştur.
Motor imgelemin inme sonrası motor fonksiyonların geri kazanılmasında
yararlı olabileceği önerilmektedir. İmgelem tabanlı rehabilitasyona
uygulanan yöntemsel yaklaşım, imgelemin etkinliğini en uygun hale
getirebilir. Bu kapsamda, imgelemin eylemden sonra yapılmasının
imgelem performansı üzerinde etkisi olup olmadığı araştırılmıştır.
İmgelemi yapılacak hareket sembolik bir görsel (ipucu) ile bağdaştırılmış
ve bu koşul altında çalışma yapılmıştır. Deneye katılan 10 kişi, iki gruba
ayrılarak bir grup önce eylemi sonra imgelemi yapmış (GEF grubu), diğer
grup ise deneye imgelem ile başlamıştır (GIM grubu). Olaya Bağlı
Spektral Pertürbasyon (OBSP) değerleri, mu (8-12 Hz) ve beta (15-25
Hz) frekans bandında eylem ve imgelem koulları için merkezi (orta),
parietal (arka) ve frontal (ön) beyin bölgeleri için çıkarılmıştır. Sonuçlar,
hem eylemin yapılması hem de imgelemi koşulları için anlamlı derecede
(p<0.05) mu ve beta band baskılanması göstermiştir. 10 kişiden alınan
verilerin analizi, imgelem koşulu altındaki baskılanmada, frekansın tüm
elektrot bölgelerinde ana etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Bu
sonuç, mu ve beta ritimlerinin imgelem sırasında farklı fonksiyonel
özeliklerinin olduğu görüşünü desteklemektedir. Deney sırasında ayrılan
iki gruptan alınan imgelem koşulu OBSP değerleri göstermiştir ki,
baskılanma miktarı GEF grubunda biraz daha fazladır. İki grup arasında
anlamlı fark kontralateral parietal ve iki taraflı ön beyin bölgelerinde
bulunmuştur. Bir ipucu ile bağdaştırılan basit bir motor hareket için
eylemin öncelikle yapılmasının sonra gelen imgelemin yapılmasını
kolaylaştırdığı ve ön beyin bölgelerinin imgelem performansını yansıttığı
sonucuna varılmıştır. Sonuçlar, inmeli hastaların imgelem tabanlı
rehabilitasyonunda ilave içerik oluşturacaktır.
iii
Son deneyde, tam tahrikli harici iskelet yapısına sahip ExoPinch parmak
robotu kullanılarak hareket beklentisinin gözlem üzerindeki etkisi
araştırılmıştır. Sonuçlar göstermiştir ki duyu-motor korteks civarındaki
merkezi kanallarda gözlemsel koşul (beklenti var veya yok) beyin
yarıküresi etkileşimi anlamlıdır. Ek olarak, ayna nöron sisteminin görsel
stimulasyonların kinetik özelliklerine göre verdiği cevaplar da
incelenmiştir. Sonuçlar, yaklaşık ventralpremotor korteks’e karşılık
gelen ön kanallarda kinetik özellikler ile beyin yarıküresi arasında anlamlı
bir etkileşim göstermiştir. Bu alandaki ayna nöron aktivitesi gözlemsel
öğrenmede önemli bir rol oynamaktadır. Bu sonuçlara dayanarak, belirli
görsel stimulasyonlar ve ayna nöronların fonksiyonel becerileri
birleştirilerek, inmeli hastalarda el motor fonksiyon kaybının
iyileştirilmesinde olumlu motor cevaplar alınabileceği önerisi
getirilmiştir. | tr_TR |
dc.contributor.department | Biyomühendislik | tr_TR |