Mózg wie, co zobaczy, zanim to nastąpi: anomalie w EEG

W świecie neuronauki linia bazowa (baseline), która pozwala porównać stan początkowy z wynikami uzyskanymi po zadziałaniu jakiegoś czynnika, jest traktowana jako stan spokoju przed burzą wywołaną bodźcem. Jednak badanie przeprowadzone przez Mariosa Kittenisa z Aston University sugeruje, że ten „spokój” może skrywać coś znacznie bardziej tajemniczego: anomalną aktywność antycypacyjną, która wyprzedza pojawienie się obrazu na ekranie.

• Wykrycie anomalnej aktywności antycypacyjnej: Podczas badania zidentyfikowano nieoczekiwany efekt w zapisie EEG, polegający na istotnych różnicach w synchronizacji fazowej mózgu jeszcze przed pojawieniem się bodźca na ekranie. Różnice te występowały w pasmach częstotliwości odpowiadających rytmom theta, alfa i beta w zależności od tego, czy kolejnym obrazem była twarz „nowa”, czy „stara”.   
• Analiza potencjalnych artefaktów technicznych: Autorzy podjęli szczegółowe kroki w celu wykluczenia błędów pomiarowych, takich jak zniekształcenia wynikające z filtrowania sygnału lub nierówna liczba prób w grupach. Chociaż wyrównanie liczby epok spowodowało zanik efektu, badacze sugerują, że mogło to być wynikiem pogorszenia stosunku sygnału do szumu po odrzuceniu znacznej części danych, a nie dowodem na błąd. 
• Krytyka standardowej metodologii badań EEG: Istnienie tego efektu podważa powszechną praktykę przyjmowania okresu bezpośrednio poprzedzającego bodziec jako neutralnej linii bazowej (baseline). Wykazano, że traktowanie tego okresu jako punktu odniesienia może prowadzić do błędnych wniosków, w tym do uznania rzeczywistych, późniejszych reakcji mózgu za nieistotne statystycznie.

Dowód na szósty zmysł: prekognitywne zdalne widzenie w Chicago

Przebieg badania i nieoczekiwane odkrycie

Badanie, które pierwotnie miało analizować wpływ nastroju na pamięć rozpoznawania twarzy, dostarczyło danych, których naukowcy się nie spodziewali. W eksperymencie wzięło udział dziesięciu zdrowych ochotników oraz dziesięciu pacjentów z chorobą afektywną dwubiegunową. Uczestnicy przechodzili procedurę indukcji nastroju (neutralnego lub smutnego), a następnie wykonywali zadanie rozpoznawania twarzy.

Zadanie polegało na rozróżnianiu twarzy nieznanych (nowych) od tych, które widzieli wcześniej (starych). Kolejność prezentacji twarzy była pseudolosowa, co teoretycznie uniemożliwiało przewidzenie kolejnego bodźca. Podczas analizy danych EEG, przeprowadzonej za pomocą zaawansowanej metody Empirical Mode Decomposition (EMD), badacze zauważyli coś dziwnego: mózgi uczestników różnie reagowały na twarze nowe i stare jeszcze zanim te pojawiły się na ekranie.

Na czym polegała anomalia?

Efekt ten zaobserwowano w okresie jednej sekundy przed prezentacją bodźca. Różnice dotyczyły synchronizacji fazowej w trzech pasmach częstotliwości, które odpowiadają tradycyjnym rytmom mózgowym:

Pasmo IMF	Częstotliwość	Odpowiednik EEG
IMF 5	3-6 Hz	Theta
IMF 4	6-12 Hz	Alpha
IMF 3	12-22 Hz	Beta 1

Zjawisko to było szeroko rozproszone i jest trudne do wyjaśnienia za pomocą znanych procesów neurofizjologicznych.

Poszukiwanie błędów: czy to tylko artefakt?

Autor raportu rzetelnie podszedł do tematu, starając się wykluczyć potencjalne błędy techniczne, które mogłyby udawać „przewidywanie przyszłości”.

• Filtrowanie danych i zniekształcenia czasowe

Badacze musieli wykluczyć możliwość, że proces czyszczenia sygnału przesunął efekty post-stymulacyjne (pojawiające się po obrazie) na okres przed stymulacją.

Tradycyjne filtrowanie liniowe może zniekształcać czas występowania komponentów EEG zarówno w przód, jak i w tył, zależnie od kierunku filtrowania.

W tym badaniu nie stosowano filtrowania dolnoprzepustowego, ponieważ proces EMD (Empirical Mode Decomposition) sam w sobie usuwa szumy o wysokiej częstotliwości bez zniekształcania czasu trwania sygnałów.

Zastosowano filtrowanie górnoprzepustowe (0,5Hz) w celu usunięcia dryftu wolnych potencjałów, jednak użyto filtra o zerowym przesunięciu fazowym (zero phase-shift), który filtruje dane w obu kierunkach, aby zniwelować zniekształcenia fazowe.

• Nierówna liczba prób

Zidentyfikowano błąd polegający na tym, że w badaniu zarejestrowano konsekwentnie mniejszą liczbę epok dla bodźców „nowych” w porównaniu do bodźców „starych”.

Taka rozbieżność może fałszować wyniki, ponieważ mniejsza liczba epok w średniej wiąże się z większym szumem resztkowym.

Aby to sprawdzić, przeprowadzono ponowną analizę na wyrównanym zbiorze danych, losowo odrzucając nadmiarowe próby.

Po wyrównaniu liczby epok efekt anomalii zniknął , jednak autor zauważa, że mogło to wynikać z drastycznego pogorszenia stosunku sygnału do szumu, gdyż odrzucono około jednej trzeciej wszystkich danych.

Wskazuje na to fakt, że w tym mniejszym zbiorze danych zniknęły również główne, oczywiste efekty rozpoznawania twarzy występujące po pokazaniu bodźca.

• Problem linii bazowej

Korekcja linii bazowej po uśrednianiu jest inną metodą radzenia sobie z nierówną liczbą epok, choć trudne jest wybranie odpowiedniego momentu dla efektu, który sam w sobie występuje przed stymulacją.

Naukowcy przetestowali alternatywny okres bazowy, wykorzystując czas między -2000 a -1500 ms przed pojawieniem się obrazu.

Nawet przy takim ustawieniu różnica przedstymulacyjna między warunkami „Nowe” i „Stare” pozostała istotna statystycznie.

Sugeruje to, że błędy związane z wyborem linii bazowej prawdopodobnie nie były przyczyną zaobserwowanej anomalii.

• Randomizacja i podświadome przewidywanie

Ostatnią zidentyfikowaną możliwością błędu była potencjalnie wadliwa metoda losowania kolejności wyświetlanych obrazów.

Gdyby randomizacja była słaba, uczestnicy mogliby podświadomie nauczyć się schematu i przewidywać, czy następna twarz będzie „Nowa”, czy „Stara”, co generowałoby różną aktywność mózgu przed ich zobaczeniem.

Autor uważa to za mało prawdopodobne, choć przyznaje, że jest to możliwe, ponieważ badacze nie zachowali dokumentacji potwierdzającej, czy stosowano losowanie ze zwracaniem.

Kwestia ta jest istotna, ponieważ jeśli efekt jest realny, to używanie okresu tuż przed bodźcem jako punktu odniesienia (co jest standardem w nauce) może fałszować wyniki wielu innych badań psychofizjologicznych.

Dlaczego to odkrycie jest ważne?

Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z autentycznym zjawiskiem typu „psi”, czy z nieodkrytym jeszcze artefaktem, implikacje są poważne dla całej psychofizjologii.

„Obecność tego efektu sugeruje, że powszechna praktyka używania okresu tuż przed bodźcem jako linii bazowej może wprowadzać błąd w ocenie efektów następujących po bodźcu”.

W badanym zbiorze danych użycie tego okresu jako linii bazowej często sprawiało, że rzeczywiste reakcje mózgu na twarze stawały się statystycznie nieistotne. To pokazuje, że musimy lepiej zrozumieć, co zachodzi w naszych mózgach, gdy „nic” się nie dzieje.

Trwają prace nad kolejnym badaniem z użyciem 128-kanałowego czepka EEG oraz lepszych metod randomizacji, aby ostatecznie wyjaśnić tę zagadkę.