Separation of Synchronous Sources

This thesis studies the Separation of Synchronous Sources (SSS) problem, which deals with the separation of signals resulting from a linear mixing of sources whose phases are synchronous. While this study is made in a form independent of the application, a motivation from a neuroscience perspective is presented. Traditional methods for Blind Source Separation, such as Independent Component Analysis (ICA), cannot address this problem because synchronous sources are highly dependent. We provide sufficient conditions for SSS to be an identifiable problem, and quantify the effect of prewhitening on the difficulty of SSS. We also present two algorithms to solve SSS. Extensive studies on simulated data illustrate that these algorithms yield substantially better results when compared with ICA methods. We conclude that these algorithms can successfully perform SSS in varying configurations (number of sources, number of sensors, level of additive noise, phase lag between sources, among others). Theoretical properties of one of these algorithms are also presented. Future work is discussed extensively, showing that this area of study is far from resolved and still presents interesting challenges

Influência da Força e do Controlo Motor na Relação Entre a Atividade Elétrica Cerebral e Muscular

Atualmente, o cérebro e a comunicação neuronal são dos temas mais investigados pela comunidade científica. Nesse âmbito, diversos estudos atribuem um papel importante ao fenómeno de sincronia de fase na relação entre atividade elétrica cerebral e muscular, durante a realização de uma tarefa motora. A presente dissertação enquadra-se numa investigação neste contexto, havendo resultados que apontam para uma prevalência de sincronia, entre sinais de Eletroencefalograma (EEG) e Eletromiograma (EMG), em períodos de maior controlo do movimento. Assim, o principal objetivo desta dissertação incide na validação da teoria de que existe uma relação entre a sincronia e o controlo motor. Foi utilizado um dispositivo experimental lúdico, desenvolvido anteriormente, que possibilita um controlo fino da força, durante períodos de tempo alargados. A aquisição de dados decorreu num laboratório especializado, localizado no Departamento de Engenharia Eletrotécnica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa. O protocolo de aquisição consistiu na recolha de EEG e EMG superficial ao longo do antebraço direito, simultaneamente, enquanto cada um dos 11 sujeitos da amostra (4 do sexo masculino e 7 do sexo feminino) executava tarefas de controlo motor através da utilização do jogo, durante 2 minutos. O jogo – Keep Control – tem como objetivo movimentar um cursor, controlado pela força exercida no atuador, através de gates, dispostas em posições verticais aleatórias. A boa qualidade e concordância dos resultados obtidos após processamento dos sinais com os algoritmos Separação de Fontes por Descorrelação Temporal (do inglês, Time-Delay Separation) (TDSEP) e Análise com Referência de Fase (do inglês, Referenced Phase Analysis) (RPA), em MATLAB, fundamenta a teoria apresentada. Existem dois tipos de fontes de interesse: motoras e pré-frontais (contralaterais, ipsilaterais e bilaterais), verificando-se a prevalência das motoras. Adicionalmente, fontes monopolares localizadas no lobo parietal também aparentam algum interesse. O aumento do número de sujeitos da amostra possibilitou a obtenção de resultados mais robustos e consistentes.Currently, the brain and neuronal communication are one of the most studying topics by scientific community. In this context, several studies attribute an important role to the process of phase synchronization in the relationship between the electrical activity of the brain and the muscles, during the execution of a motor task. The following thesis is part of a research in the context, with results that point to a prevalence of synchrony between Eletroencephalogram (EEG) and Eletromyogram (EMG) signals, in periods of greater control of the movement. Thus, the main objective of this thesis focuses on the validation of the theory that there is a relationship between a synchrony and the control motor. The use of an experimental ludic device, previously developed, allowed precise control of the force, during extended periods of time. The data acquisition took place in a specialized laboratory, located in Departamento de Engenharia Eletrotécnica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa. The acquisition protocol consisted of the simultaneous collection of EEG and superficial EMG along the right forearm, while each of the 11 subjects (4 males and 7 females) performed motor control tasks through the use of the game, for 2 minutes. The game – Keep Control – aims to move a cursor, controlled by the force exerted on the actuator, through gates, arranged in random vertical positions. The good quality and coherence of the results obtained after processing the signals with the algorithms Time-Delay Separation (TDSEP) and Reference Phase Analysis (RPA), in MATLAB, bases the presented theory. There are two types of interesting sources: motor and pre-frontal (contralateral, ipsilateral and bilateral), and motor prevalence is verified. In addition, monopolar sources located in the parietal lobe also appear to have some interest. The increase in the number of subjects in the sample made it possible to obtain more robust and consistent results

Estudo do controlo corticomotor com recurso a eletromiografia multicanal

Atualmente, o sistema nervoso ainda é fonte de muito desconhecimento, no entanto, tem sido realizada muita investigação no sentido de deslindar todas as suas particularidades. A forma como a comunicação entre o sistema nervoso e os músculos ocorre, em particular, também não é totalmente conhecida. Diversos trabalhos têm vindo a comprovar que esta está intimamente ligada a fenómenos de sincronia entre a atividade elétrica neuronal e muscular, nomeadamente, durante o controlo corticomotor. Nesta dissertação pretende-se contribuir positivamente para esta investigação. Para isso, pretende-se recolher sinais de EEG e de EMG durante a realização de uma tarefa motora, a fim de se perceber que áreas do antebraço são mais relevantes para o estudo dos fenómenos de sincronia. Pretende-se ainda perceber se existe alguma relação ou dependência entre o o ajuste em frequência e o ajuste em fase dos sinais. Na dissertação, construiu-se uma manga eletromiográfica e recorreu-se a um cap eletroencefalográfico para se fazer a recolha dos sinais enquanto os voluntários cumpriam uma atividade motora pedida que consistiu em jogar um jogo obrigando, desta forma, a que exista um controlo motor contínuo durante as recolhas. Em seguida os dados foram analisados com algoritmos de separação por descorrelação temporal (TDSEP) e estudou-se a coerência das fontes em relação a um sinal referência, e de análise com referência de fase (RPA) para se estudar o ajuste em fase. Conclui-se que o ajuste em fase entre sinais efetivamente ocorre durante o controlo corticomotor, no entanto, em nada está relacionado ou dependente do ajuste em frequência dos mesmos. Provou-se, ainda, que as melhores zonas do braço para se verificar o ajuste em fase são a zona proximal do antebraço, distal posterior do antebraço e a zona entre os dedos indicador e polegar da mão. Estas conclusões têm inúmeras aplicações práticas, nomeadamente, ao nível clínico, como por exemplo, em casos de Acidente Vascular Cerebral ou em doentes de Parkinson

A comparison of algorithms for separation of synchronous subspaces

Independent Subspace Analysis (ISA) consists in separating sets (subspaces) of dependent sources, with different sets being independent of each other. While a few algorithms have been proposed to solve this problem, they are all completely general in the sense that they do not make any assumptions on the intra-subspace dependency. In this paper, we address the ISA problem in the specific context of Separation of Synchronous Sources (SSS), i.e., we aim to solve the ISA problem when the intra-subspace dependency is known to be perfect phase synchrony between all sources in that subspace. We compare multiple algorithmic solutions for this problem, by analyzing their performance on an MEG-like dataset