Induced brain activity as indicator of cognitive processes : experimental-methodical analyses and algorithms for online-applications

Perez Marcos, Daniel

Die Signalverarbeitung von elektroenzephalographischen (EEG) Signalen ist ein entscheidendes Werkzeug, um die kognitiven Prozessen verstehen zu können. Beispielweise wird induzierte Hirnaktivität in mehreren Untersuchungen mit kognitiver Leistung assoziiert. Deshalb ist die Gewinnung von elektrophysiologischen Parametern grundlegend für die Charakterisierung von kognitiven Prozessen sowie von kognitiven Dysfunktionen in neurologischen Erkrankungen. Besonders bei Epilepsie treten häufig Störungen wie Gedächtnis-, oder Aufmerksamkeitsprobleme auf, zusätzlich zu Anfällen. Neurofeedback (bzw. EEG-Biofeedback) ist eine Therapiemethode, die zusätzlich zu medikamentösen- und chirurgischen Therapien bei der Behandlung vieler neurologischer Krankheiten, einschließlich Epilepsie, erfolgreich praktiziert wird. Neurofeedback wird jedoch meist dafür angewendet, eine Anfallsreduzierung zu erzielen. Dagegen wird eine Verbesserung kognitiver Fähigkeiten auf der Basis elektrophysiologischer Änderungen selten vorgesehen. Darüber hinaus sind die aktuellen Neurofeedbackstrategien für diesen Zweck ungeeignet. Der Grund dafür sind unter anderem nicht adäquate Verfahren für die Gewinnung und Quantifizierung induzierter Hirnaktivität. Unter Berücksichtigung der oben genannten Punkten wurden die kognitiven Leistungen von einer Patientengruppe (Epilepsie) und einer Probandengruppe anhand der ereignisbezogenen De-/Synchronisation (ERD/ERS) Methode untersucht. Signifikante Unterschiede wurden im Theta bzw. Alpha Band festgestellt. Diese Ergebnisse unterstützen die Verwertung von auf ERD/ERS basierten kognitiven Parametern bei Epilepsie. Anhand einer methodischen Untersuchung von dynamischen Eigenschaften wurde ein onlinefähiger ERD/ERS Algorithmus für zukünftige Neurofeedback Applikationen ausgewählt. Basierend auf dem ausgewählten Parameter wurde eine Methodik für die online Gewinnung und Quantifizierung von kognitionsbezogener induzierter Hirnaktivität entwickelt. Die dazugehörigen Prozeduren sind in Module organisiert, um die Prozessapplikabilität zu erhöhen. Mehrere Bestandteile der Methodik, einschließlich der Rolle von Elektrodenmontagen sowie die Eliminierung bzw. Reduktion der evozierten Aktivität, wurden anhand kognitiver Aufgaben evaluiert und optimiert. Die Entwicklung einer geeigneten Neurofeedback Strategie sowie die Bestätigung der psychophysiologischen Hypothese anhand einer Pilotstudie sollen Gegenstand der zukünftigen Arbeitschritte sein.

Processing of electroencephalographic (EEG) signals is a key step towards understanding cognitive brain processes. Particularly, there is growing evidence that the analysis of induced brain oscillations is a powerful tool to analyze cognitive performance. Thus, the extraction of electrophysiological features characterizing not only cognitive processes but also cognitive dysfunctions by neurological diseases is fundamental. Especially in the case of epilepsy, cognitive dysfunctions such as memory or attentional problems are often present additionally to seizures. Neurofeedback (or EEG-biofeedback) is a psychological technique that, as a supplement to medication and surgical therapies, has been demonstrated to provide further improvement in many neurological diseases, including epilepsy. However, most efforts of neurofeedback have traditionally been dedicated to the reduction of seizure frequency, and little attention has been paid for improving cognitive deficits by means of specific electrophysiological changes. Furthermore, current neurofeedback approaches are not suitable for these purposes because the parameters used do not take into consideration the relationship between memory performance and event-induced brain activity. Considering all these aspects, the cognitive performance of a group of epilepsy patients and a group of healthy controls was analyzed based on the event-related de /synchronization (ERD/ERS) method. Significant differences between both populations in the theta and upper alpha bands were observed. These findings support the possible exploitation of cognitive quantitative parameters in epilepsy based on ERD/ERS. An algorithm for the online ERD/ERS calculation was selected for future neurofeedback applications, as the result of a comparative dynamic study. Subsequently, a methodology for the online extraction and quantification of cognitive-induced brain activity was developed based on the selected algorithm. The procedure is functionally organized in blocks of algorithms in order to increase applicability. Several aspects, including the role of electrode montages and the reduction or minimization of the evoked activity, were examined based on cognitive studies as part of the optimization process. Future steps should include the design of a special training paradigm as well as a pilot study for confirming the theoretical approach proposed in this work.

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Perez Marcos, Daniel: Induced brain activity as indicator of cognitive processes. experimental-methodical analyses and algorithms for online-applications. 2007.

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