Dynaamiset kausaaliset mallit aivojen tutkimuksessa Aiheesittely Ilmari Prnnen

Dynaamiset kausaaliset mallit aivojen tutkimuksessa (Aihe-esittely) Ilmari Pärnänen 1. 6. 2010 Ohjaaja: prof. Jouko Lampinen Valvoja: prof. Ahti Salo S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Mind and Brain Lab q. Osa Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitosta (BECS) S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Aivojen aktivaatioverkko q. Alimman tason alueet aktivoituvat ärsykkeistä q. Informaatio etenee aktivaatioverkkoa pitkin ylemmälle tasolle q. Myös ylempi taso voi aktivoida alempaa (esimerkiksi keskittyminen) S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Aktivaatioverkon tutkiminen q. Aikaisemmissa tutkimuksissa – Käytetty keinotekoisia ärsykkeitä – Tutkittu aivojen eri osien korrelaatiota q. Meitä kiinnostaa – Luonnollisen kaltaista tavoittelevat ärsykkeet – Tutkia korrelaation sijaan kausaalisuutta eli syy - ja seuraussuhteita S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Ärsykeympäristö q. Keinotekoisia ärsykkeitä ovat esimerkiksi tietyntaajuiset äänet tai tietynmuotoiset kuvat (yksinkertaisia) q. Mittaustilanteessa koehenkilöä on vaikeaa saada käyttäytymään luonnollisesti q. Käytetään ärsykkeenä elokuvapätkiä, joissa on dominoitu tutkittavaa ominaisuutta (monimutkaisia) S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Mittaukset q. Functional magnetic resonance imaging (f. MRI) – Käytetään mittaamaan aivojen verisuonten happitasoa q. Aktivaatio aivoalueessa => Reaktio kuluttaa happea => Aivoalueesta ulos virtaava veri vähähappisempaa => Muutos havaitaan f. MRI: llä S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Kausaalisuus q. Tällä hetkellä aivotutkimuksessa valloilla kaksi eri lähestymistapaa kausaalisuuteen – Granger-kausaalisuus (GCM) • Mallivapaa • Voidaan tutkia vain kahden välistä riippuvuutta – Dynaaminen kausaalisuus (DCM) • Vahvasti malliriippuvainen • Mallin tavoitteena kuvata kaikki systeemin riippuvuussuhteet S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Granger-kausaalisuus (GCM) q. Aikasarja X Granger-aiheuttaa aikasarjan Y, jos X: n menneisyydellä voidaan ennustaa Y: n tulevaisuutta – Yleensä tutkitaan X: n menneisyyttä F-testien avulla q. Menetelmän alkuperä ekonometriassa – Clive Grangerille myönnettiin taloustieteen Nobel 2003 S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Dynaaminen kausaalisuus (DCM) q. Sovitetaan differentiaaliyhtälö annettuun dataan q. Matriisit A, B ja C sisältävät mallin parametrit – Estimoidaan käyttäen Bayesin teoreemaa S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Bayesin teoreema q. Olkoon tapahtumalla A prioritodennäköisyys P(A) q. Tapahtuu B, jolla on riippuvuussuhde A: han q. Priori on korvattava posteriorilla P(A|B), joka on Bayesin kaavan perusteella S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Lähteet q. Tietolähteinä pääasiassa professori Karl Fristonin artikkelit aiheesta ”Dynamic causal models” q. Malliaineistona Mind and Brain Labin f. MRI -mittaukset koehenkilöille luonnollisen kaltaisissa mittauksissa (elokuvapätkät) S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Tavoitteet q. Selvitetään olemassa olevien GCM- ja DCM-työkalujen soveltuvuutta tutkimukseen q. Lopullisena tavoitteena kausaalinen malli aivojen aktivaatioverkosta (eli mitkä aivoalueet aktivoituvat toisistaan ja mitkä ärsykkeistä) S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X

Aikataulu q 5/2010 Aiheeseen tutustuminen q. Kesä 2010 Töitä mallien parissa q. Elokuu 2010 Kandityö valmis S ysteemianalyysin Laboratorio Teknillinen korkeakoulu Esitelmöijän nimi Systeemitieteiden kandidaattiseminaari – Syksy/Kevät 200 X