Departamento de Computación

En este trabajo se presenta un sistema integral diseñado para automatizar el procesamiento de datos requerido para detectar ondas lentas y husos de sueño, y analizar las relaciones temporales y fase-amplitud entre estas oscilaciones en registros EEG del sueño humano. Investigaciones recientes relacionan a las ondas lentas, oscilaciones con frecuencias menores a 1 Hz presentes en las fases 3 y 4 del sueño, y a los husos de sueño, ráfagas de actividad entre 11 Hz y 15 Hz con duración de 0.5 a 3 segundos, con el proceso de consolidación de memoria durante el sueño humano. Para comprobar estas hipótesis, los neurocientíficos requieren herramientas de cómputo que automaticen las tareas de procesamiento de datos sobre los registros de electroencefalografía. El sistema presentado ofrece herramientas para reportar la estructura del sueño, detectar ondas lentas y husos del sueño durante las etapas NREM del sueño y para analizar la relación temporal mediante histogramas de correlación y la relación fase-amplitud usando una métrica de acoplamiento multifrecuencia. Todos los resultados son validados estadísticamente para evaluar la confiabilidad de los datos al ser comparados entre grupos o condiciones experimentales. Las herramientas, desarrolladas en lenguaje Matlab, pueden ser utilizadas por medio de interfaces intuitivas en línea de comandos diseñadas para permitir al usuario configurar y ejecutar todas las etapas de procesamiento y análisis de datos. Finalmente, el conjunto de herramientas que componen al sistema, al cual hemos llamado EEGTools, se entrega como una caja de herramientas con licencia GNU pública para uso no comercial acompañado de un manual de usuario y documentación técnica.

Abstract

In this thesis we present a comprehensive set of tools designed to automate the processes required to detect slow waves and sleep spindles, and to analyze temporal and phase-amplitude relations between these oscillations in human sleep EEG recordings. Recent studies postulate the existence of a relation between slow waves, oscillations with frequencies below 1 Hz that appear in sleep stages 3 and 4, and sleep spindles, burst of activity between 11 Hz and 15 Hz with 0;5 to 3 seconds length, with the process known as memory consolidation during human sleep. In order to test these hypothesis, neuroscientists require computational tools to automate processing tasks on electroencephalography recordings. The system described here others tools to report sleep structure, to detect slow waves and sleep spindles during NREM sleep stages and to analyze temporal relations through correlation histograms and phase-amplitude relations using cross-frequency coupling. The results of each task, after being compared between groups or experimental conditions, are validated to find statistical significance. All tools, written in Matlab , other intuitive command line interfaces designed to allow the user configure and execute every step of the workflow. Finally, all the tools that compose the system, called EEGTools, are packed as a Matlab toolbox available with a GNU public license for noncommercial use, and accompanied with documentation and a user manual.