Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تحلیل ویژگی‌های مبتنی بر ریزحالت‌های الکتروآنسفالوگرافی در طبقه‌بندی فعالیت‌های شناختی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی، دانشگاه بین المللی امام رضا (ع)، مشهد، ایران

10.22041/ijbme.2026.2091977.2041
چکیده
تحلیل ریزحالت‌های الکتروانسفالوگرافی (EEG) چارچوبی قدرتمند برای بررسی دینامیک‌های سریع مکانی-زمانی مغز که زیربنای فرآیندهای شناختی هستند، فراهم می‌کند. این الگوهای شبه‌پایدار پتانسیل پوست سر، فعال‌سازی‌های گذرای شبکه‌های عصبی در مقیاس بزرگ را منعکس می‌کنند و نشانگرهای زیستی ارزشمندی را برای تحقیقات شناختی و بالینی ارائه می‌دهند. در این مطالعه یک چارچوب یکپارچه مبتنی بر ریزحالت‌ها برای توصیف دینامیک‌های مغز وابسته به وظیفه با استفاده از ثبت‌های EEG با چگالی بالا پیشنهاد شد. داده‌های EEG از 60 بزرگسال جوان سالم در سه جلسه آزمایشی، شامل شرایط استراحت (چشمان باز و بسته) و سه وظیفه شناختی خودمحور (بازیابی خاطرات اپیزودیک، محاسبه ذهنی و موسیقی) جمع‌آوری گردید. سیگنال‌های EEG با استفاده از فیلترینگ استاندارد، حذف مصنوعات و تحلیل مؤلفه‌های مستقل پیش‌پردازش شدند. ریزحالت‌ها با استفاده از خوشه‌بندی کی-میانگین از پیک‌های توان کلی میدان (GFP) استخراج شدند و الگوهای مرجع ایجاد گردیدند. پارامترهای زمانی، شامل میانگین مدت زمان، نرخ وقوع، پوشش زمانی و واریانس توضیح داده شده کلی (GEV)، برای هر کلاس ریزحالت محاسبه شدند. اثرات وضعیت شناختی و جلسه ثبت با استفاده از تحلیل واریانس با اندازه‌گیری‌های تکراری بررسی شدند. طبقه‌بندی با SVM انجام و عملکرد مدل با (Nested LOOCV) آزمودنی‌محور ارزیابی شد. نتایج نشان‌دهنده تغییرات معنادار مرتبط با وظیفه در چندین پارامتر ریزحالت بود که بازسازماندهی شبکه‌های مغزی در شرایط شناختی مختلف را نشان می‌دهد. تفاوت‌های مشخصی میان وظایف حافظه و محاسبات ذهنی مشاهده شد که به مشارکت متفاوت شبکه‌های توجهی و پیش‌فرض مغز اشاره دارد. اثر جلسه ثبت عمدتا غیرمعنادار بود بیشترین صحت 8/85% (SVM RBF؛ چشم باز-حافظه) به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Analysis of features based on electroencephalographic microstates in the classification of cognitive activities

نویسندگان English

Nahid Raouf Salamati
Ateke Goshvarpour
Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Iran.
چکیده English

Electroencephalogram)EEG( microstate analysis provides a powerful framework for investigating the rapid spatiotemporal dynamics of the brain that underlie cognitive processes. These quasi-steady-state scalp potential configurations reflect transient activations of large-scale neural networks and provide valuable neurophysiological biomarkers for cognitive and clinical research. In this study, we propose a unified microstate-based framework for characterizing task-dependent brain dynamics using high-density EEG recordings. EEG data were collected from 60 healthy young adults during three experimental sessions, including resting states with eyes open and closed, as well as three self-generated cognitive tasks: episodic memory retrieval, mental arithmetic, and musical imagery. The EEG signals were preprocessed using standard filtering, artifact rejection, and independent component analysis. Microstates were extracted from global field power (GFP) peaks using k-means clustering, and task-specific microstate patterns were constructed. Temporal microstate parameters, including mean duration, occurrence rate, temporal coverage, and global explained variance (GEV), were calculated for each microstate class. The effects of cognitive state and recording session on microstate dynamics were assessed using repeated-measures analysis of variance. SVM classification was evaluated using nested leave-one-subject-out cross validation (nested LOOCV).The results revealed significant task-related modulations in multiple microstate parameters (p < 0.001), indicating systematic reorganization of large-scale brain networks under cognitive conditions. Clear differences were observed between memory and mental computation tasks, indicating differential interaction of attentional and default mode networks. In contrast, session-related effects were relatively weak, supporting the temporal stability of microstate patterns. The highest binary accuracy was 85.8% (RBF SVM; eyes-open vs memory).

کلیدواژه‌ها English

EEG microstates
cognitive tasks
brain dynamics
machine learning

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 14 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 28 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 07 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش 14 مهر 1405