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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-58539
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5853/


Functional Dissociation of Ongoing Oscillatory Brain States Revealed by a Custom-Developed Brain Computer Interface

Funktionale Dissoziation oszillatorischer Gehirnaktivität aufgedeckt durch eine anwendungsspezifische Gehirn-Computer-Schnittstelle

Salari, Neda

Originalveröffentlichung: (2012) Salari N, Büchel C, Rose M (2012) Functional Dissociation of Ongoing Oscillatory Brain States. PLoS ONE 7(5)
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (9.727 KB) 


SWD-Schlagwörter: Gehirn-Computer-Schnittstelle , Elektroencephalographie , Gehirn , Signaltheorie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Visuelle Objektverarbeitung , Gamma , Neuronale Oszillation
Freie Schlagwörter (Englisch): Brain Computer Interface, EEG, Brain, Gamma, Neuronal Oscillations
Basisklassifikation: 54.80 , 54.72
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Stiehl, Hans-Siegfried (Prof. Dr.-Ing.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.08.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 15.10.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Der Zustand eines Nervenzell-Verbandes, welcher einem eintreffenden Reiz vorangeht, kann die Verarbeitung nachfolgend dargebotener Reize beeinflussen. Der Zustand solch eines Zellverbandes kann bezüglich der Frequenz der zugrundeliegenden oszillatorischen neuronalen Aktivität voneinander abweichen. Die Hypothese besteht, dass die oszillatorische Aktivität bestimmter Frequenzbereiche, wie z.B. Alpha- (8-12 Hz) und Gamma- (30-45 Hz) Band Oszillationen, eine funktionale Rolle bei der Verarbeitung visueller Objekte besitzen. Allerdings ist die genaue Rolle der prä-Stimulus Alpha- oder Gamma- Band Oszillationen bei der visuellen Objektverarbeitung nicht vollständig geklärt. Aus diesem Grund könnte eine selektive Modulation dieser prä-Stimulus Aktivität dazu beitragen, die funktionale Rolle dieser Oszillationen zu klären. Dabei nahmen wir an, dass eine Erhöhung der Gamma-Band Aktivität im visuellen Kortex mit Hilfe der Brain-Computer-Interface (BCI)-Methode zu einer anschließenden Verbesserung der visuellen Objektverarbeitung führt.


In Abgrenzung zu früheren Studien, in denen die Korrelation zwischen der prä-Stimulus Oszillationen und der visuellen Leistung bestimmt wurde, versuchten wir, den Versuchsteilnehmern die direkte Kontrolle ihrer oszillatorischen Hirnaktivität zu ermöglichen. Zu diesem Zweck entwickelten wir eine nicht-invasive BCI-Methode. Durch diese lernt der Versuchsteilnehmer, die eigene Alpha- oder Gamma- Band Aktivität im visuellen Kortex selektiv zu erhöhen.
Während des Trainings wurde die oszillatorische Hirnaktivität geschätzt und für den Versuchsteilnehmer auf dem Bildschirm visualisiert, um eine bewusste Modulation der Alpha- oder Gamma- Band Oszillationen zu ermöglichen. Danach wurden visuelle Reize während bestimmter Zustände des Gehirns präsentiert. Während der Testphase, die im Anschluss an die Trainingsphase erfolgte, wurde die Alpha- oder Gamma- Band Aktivität „online“ klassifiziert. Visuelle Reize wurden während vordefinierten Stufen der Aktivität präsentiert, um den Einfluss dieser Frequenzmodulation auf die nachfolgende visuelle Objektverarbeitung zu untersuchen.


Während der Entwicklung einer BCI-Methode auf der Basis von Gamma-Band Oszillationen, mussten einige wichtige Aspekte berücksichtigt werden. Dazu gehören das Auftreten von Artefakten, das experimentelle Design und die topographische Präzision des BCI-Trainings. Aus diesem Grund wurde die BCI-Methode mit einer „online“ Artefakt-Kontrolle zur Artefakt-Unterdrückung ausgestattet. Weiterhin wurde ein spezielles Display-Design entworfen, um den Versuchsteilnehmer nicht abzulenken und um ihn zugleich zu motivieren. Um das Training auf eine spezielle neuronale Region zu beschränken, wurde eine quellen-basierte BCI-Methode eingeführt. In einer Reihe von Experimenten analysierten wir zunächst die Genauigkeit der BCI-Methode und untersuchten daraufhin die spezifische Wirkung des Gamma-Band-Trainings auf die visuelle Objektverarbeitung. Schließlich verglichen wir die spezifische Wirkung des Gamma-Band-Trainings auf die visuelle Objektverarbeitung mit dem eindeutig definierteren Alpha-Band.


Im Hinblick auf den Frequenzbereich und die Lokalisation lernten die Versuchsteilnehmer mit einem hohen Grad an Genauigkeit eine selektive Modulation der Alpha- und Gamma- Band Oszillationen im visuellen Kortex. In Phasen erhöhter Gamma-Band Aktivität wurde die visuelle Objektverarbeitung verbessert. Die funktionale Spezifität der Gamma-Band Oszillationen wurde durch einen direkten Vergleich zu den Alpha-Band Oszillationen nachgewiesen


Die BCI-Methode ermöglicht eine selektive Modulation der Gamma-Band Oszillationen im visuellen Kortex und belegt die funktionale Relevanz der Gamma-Band Aktivität für die visuelle Objektverarbeitung.
Kurzfassung auf Englisch: The state of a neural assembly in the human brain preceding an incoming stimulus is assumed to modulate the processing of subsequently presented stimuli. The nature of this state can differ with respect to the frequency of ongoing oscillatory activity. Oscillatory activity of specific frequency range such as alpha (8-12 Hz) and gamma (30-45 Hz) band oscillations is
hypothesized to play a functional role in visual object processing. However, the precise role of prestimulus alpha or gamma band oscillations for visual object processing is not completely understood. Therefore, a selective modulation of this prestimulus activity could clarify the functional role of these oscillations. We hypothesized that an increase in gamma band activity as compared to an increase in alpha band activity over the visual cortex by BCI manipulation would enhance subsequent visual object processing.

In contrast to previous studies in which oscillations of prestimulus activity were correlated with visual performance, we attempted to put the volunteers directly in control of the oscillatory brain activity. To this end, we designed and implemented a non-invasive brain computer interface (BCI) method to train volunteers to selectively increase their alpha or gamma band activity in the occipital cortex. During training, oscillatory brain activity was estimated online and fed back to the volunteers to enable a deliberate modulation of alpha or gamma band oscillations. The visual stimuli were presented during specific brain states in an individually adapted manner. During the testing phase which followed the training phase, alpha or gamma band activity was classified online and at predefined levels of activity, visual objects embedded in noise were presented in order to assess the influence of frequency modulation on subsequent visual object processing.

In the process of developing a BCI method based on gamma band oscillations, several important aspects had to be considered, including presence of artifacts, experimental design and topographical precision of BCI training. We therefore perfected our BCI method with online artifact control for artifact suppression, a special visual display design to avoid distraction yet motivate volunteers, and a source-based BCI method to limit training to a distinct neural area in the visual cortex. In a series of experiments, we first evaluated the accuracy of the BCI method and then explored the specific effect of gamma band training on visual object perception. Finally, we compared the specific effect of gamma band training to the well defined alpha band.

Our results demonstrated that volunteers learned to selectively modulate alpha or gamma band oscillations in the visual cortex with a high level of specificity regarding frequency range and localization. During phases of increased gamma band activity, visual object processing was improved. The functional specificity of gamma band oscillations was demonstrated by a direct comparison to alpha band oscillations.

Hence, the BCI method allows a selective manipulation of gamma band activity in the visual cortex and supports a prominent role of prestimulus gamma band activity for visual object processing.

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