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Topics in Brain-Computer Interfacing

Termine und Informationen

Es handelt sich um ein Blockseminar im Umfang von 2 SWS. Beantragt ist die Anerkennung als Modul mit 3 ECTS.

Themen

Ein Brain-Computer Interface (BCI) soll gelähmten Menschen die Steuerung einer einfachen Computeranwendung oder eines Geräts ermöglichen, auch wenn sie keine willkürliche Muskelkontrolle mehr besitzen. Dazu werden die Hirnsignale des BCI-Benutzers (z.B. Signale des Elektroenzephalogramms, EEG) abgelesen und in Echtzeit durch Methoden des Maschinellen Lernens als Steuersignale für verschiedene Anwendungen interpretiert. Die Forschung im BCI-Bereich ist noch sehr jung und expandiert stark. Wir möchten in diesem Seminar Gelegenheit geben, sich mit den Grundprinzipien eines BCI Systems vertraut zu machen. Einige BCI-Ansätze nutzen Signalveränderungen des EEG aus, die durch eine gerichtete Aufmerksamkeit des BCI-Anwenders entsteht. Je nachdem, ob sich um die Aufmerksamkeit z.B. auf Bereiche des Sehfeldes handelt oder um die aufmerksamkeit auf auditorische Ziele, werden unterschiedliche Hirnregionen diese gerichtete Aufmerksamkeit widerspiegeln. Im Rahmen des Seminars werden die Grundlagen für diese Signalveränderungen erarbeitet und präsentiert.

Die Seminarteilnehmer wählen aus den folgenden Themen, die individuell vorbereitet und an Sammelterminen präsentiert werden:

1. Grundlagen EEG: Signalentstehung, Signaleigenschaften, Messmethoden
2. Grundlagen von auditorischen ERPs: beteiligte Areale und ERP Abfolgen
3. Grundlagen von visuellen ERPs: beteiligte Areale und ERP Abfolgen
4. Oszillatorische Korrelate von auditorischer gerichteter Aufmerksamkeit
5. Oszillatorische Korrelate von visueller gerichteter Aufmerksamkeit
6. BCI-Anwendungen, die gerichtete Aufmerksamkeit erfordern
7. Signalvorverarbeitung des EEGs durch Frequenzfilterung
8. Signalvorverarbeitung des EEGs durch räumliche Filterung
9. Klassifikation von EEG-Merkmalen mit Methoden des Maschinellen Lernens

Literatur und Links

In der Vorbesprechung wird Literatur für die einzelnen Themen ausgegeben. Zudem können folgende Überblicksarbeiten einen Einblick in das Thema geben:

Oszillatorische Korrelate für gerichtete Aufmerksamkeit:

• Sauseng, P. and Klimesch, W. and Stadler, W. and Schabus, M. and Doppelmayr, M. and Hanslmayr, S. and Gruber, W. R. and Birbaumer, N.: A shift of visual spatial attention is selectively associated with human EEG alpha activity. European Journal of Neuroscience, 22:11, 2917--2926, 2005. http://dx.doi.org/10.1111/j.1460-9568.2005.04482.x

• Gregor Thut, Annika Nietzel, Stephan A. Brandt, Alvaro Pascual-Leone: α-Band Electroencephalographic Activity over Occipital Cortex Indexes Visuospatial Attention Bias and Predicts Visual Target Detection. The Journal of Neuroscience, 26(37): 9494-9502, 2006. http://www.jneurosci.org/content/26/37/9494.full

• Snigdha Banerjee, Adam C. Snyder, Sophie Molholm, John J. Foxe: Oscillatory Alpha-Band Mechanisms and the Deployment of Spatial Attention to Anticipated Auditory and Visual Target Locations: Supramodal or Sensory-Specific Control Mechanisms? The Journal of Neuroscience, 6 July 2011, 31(27): 9923-9932; doi: 10.1523/​JNEUROSCI.4660-10.2011. http://www.neuro.cjb.net/content/31/27/9923.full

ERP-Korrelate für gerichtete Aufmerksamkeit:

• Wolfgang A Teder-Sälejärvi, Thomas F Münte, Franz-Jürgen Sperlich, Steven A Hillyard: Intra-modal and cross-modal spatial attention to auditory and visual stimuli. An event-related brain potential study. Cognitive Brain Research 8, 327–343, 1999. http://dx.doi.org/10.1016/S0926-6410(99)00037-3

ERP Allgemein:

• Salil H. Patel1 and Pierre N. Azzam. Characterization of N200 and P300: Selected Studies of the Event-Related Potential. Int J Med Sci. 2005; 2(4): 147–154. 2005. pdf

Datenanalyse:

• Benjamin Blankertz, Steven Lemm, Matthias Sebastian Treder, Stefan Haufe, and Klaus-Robert Müller. Single-trial analysis and classification of ERP components -- a tutorial. Neuroimage, 2010. pdf