TY - JOUR A1 - Martens, Suzanne A1 - Bensch, Michael A1 - Halder, Sebastian A1 - Hill, Jeremy A1 - Nijboer, Femke A1 - Ramos-Murguialday, Ander A1 - Schoelkopf, Bernhard A1 - Birbaumer, Niels A1 - Gharabaghi, Alireza T1 - Epidural electrocorticography for monitoring of arousal in locked-in state JF - Frontiers in Human Neuroscience N2 - Electroencephalography (EEG) often fails to assess both the level (i.e., arousal) and the content (i.e., awareness) of pathologically altered consciousness in patients without motor responsiveness. This might be related to a decline of awareness, to episodes of low arousal and disturbed sleep patterns, and/or to distorting and attenuating effects of the skull and intermediate tissue on the recorded brain signals. Novel approaches are required to overcome these limitations. We introduced epidural electrocorticography (ECoG) for monitoring of cortical physiology in a late-stage amytrophic lateral sclerosis patient in completely locked-in state (CLIS) Despite long-term application for a period of six months, no implant related complications occurred. Recordings from the left frontal cortex were sufficient to identify three arousal states. Spectral analysis of the intrinsic oscillatory activity enabled us to extract state-dependent dominant frequencies at <4, similar to 7 and similar to 20 Hz, representing sleep-like periods, and phases of low and elevated arousal, respectively. In the absence of other biomarkers, ECoG proved to be a reliable tool for monitoring circadian rhythmicity, i.e., avoiding interference with the patient when he was sleeping and exploiting time windows of responsiveness. Moreover, the effects of interventions addressing the patient's arousal, e.g., amantadine medication, could be evaluated objectively on the basis of physiological markers, even in the absence of behavioral parameters. Epidural ECoG constitutes a feasible trade-off between surgical risk and quality of recorded brain signals to gain information on the patient's present level of arousal. This approach enables us to optimize the timing of interactions and medical interventions, all of which should take place when the patient is in a phase of high arousal. Furthermore, avoiding low responsiveness periods will facilitate measures to implement alternative communication pathways involving brain-computer interfaces (BCI). KW - temporal-lobe epilepsy KW - neuroprosthetic devices KW - brain computer interface KW - event-related potentials KW - intraoperative electrocoicography KW - electrocorticography KW - epidural recording KW - locked-in state KW - coma KW - consciousness KW - paralyzed patients KW - EEG KW - sleep KW - communication KW - frequencies KW - amyotrophic-lateral-sclerosis Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-114863 VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Real, Ruben G. L. A1 - Kotchoubey, Boris A1 - Kübler, Andrea T1 - Studentized continuous wavelet transform (t-CWT) in the analysis of individual ERPs: real and simulated EEG data N2 - This study aimed at evaluating the performance of the Studentized Continuous Wavelet Transform (t-CWT) as a method for the extraction and assessment of event-related brain potentials (ERP) in data from a single subject. Sensitivity, specificity, positive (PPV) and negative predictive values (NPV) of the t-CWT were assessed and compared to a variety of competing procedures using simulated EEG data at six low signal-to-noise ratios. Results show that the t-CWT combines high sensitivity and specificity with favorable PPV and NPV. Applying the t-CWT to authentic EEG data obtained from 14 healthy participants confirmed its high sensitivity. The t-CWT may thus be well suited for the assessment of weak ERPs in single-subject settings. KW - electroencephalogram KW - wavelet KW - EEG KW - t-CWT KW - significance KW - detection KW - ERP Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-113581 ER - TY - THES A1 - Schreppel, Theresa T1 - Der Einfluss von Aufmerksamkeit und Interferenzkontrolle auf die Verarbeitung visueller Stimuli T1 - The influence of attention and interference control on the processing of visual stimuli N2 - Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Frage, inwieweit die neuronale Verarbeitung visueller Stimuli durch Prozesse der Aufmerksamkeit und des Arbeitsgedächtnisses moduliert werden kann. Darüber hinaus wurde untersucht, welche „top down“ Prozesse diese Modulation steuern. Dabei wurden zwei konkurrierende Ansichten als mögliche Erklärungsmodelle zugrunde gelegt und überprüft. Zum einen wäre es möglich, dass selektive Aufmerksamkeit zwei qualitativ unterschiedliche Mechanismen beinhaltet. Demnach würde neben dem Fokussieren auf relevante Informationen auch ein aktiver Prozess der Inhibition der Verarbeitung irrelevanter Stimuli existieren. Zum anderen ist es aber auch denkbar, dass aufgrund begrenzter Verarbeitungsressourcen das Fokussieren auf relevante Reize automatisch mit dem Nichtbeachten irrelevanter Stimuli einhergeht und nur ein Mechanismus existiert. In einem ersten Experiment wurde vorab die Alertness als ein grundlegender Prozess der Aufmerksamkeit mit der Nah-Infrarot Spektroskopie (NIRS) untersucht. Mittels eines zweigestuften Studiendesigns wurden in einem ersten Schritt für die Alertness relevante Regionen über fronto-temporalen Hirnarealen definiert. Als relevant erwiesen sich Areale des mittleren und superioren temporalen Kortex der rechten Hemisphäre und der ventrale Teil des inferioren frontalen Kortex der linken Hemisphäre. In einer zweiten Datenerhebung konnte für diese Regionen eine signifikant höhere Aktivierung während der Alertnessbedingung im Vergleich zu einer visuellen und motorischen Kontrollbedingung gefunden werden. Mit dem zweiten Experiment sollten bestehende, mit dem Elektroenzephalogramm (EEG) erhobene, Befunde zur Modulation der neuronalen Verarbeitung visueller Stimuli repliziert werden. Dies geschah mithilfe eines neu entwickelten Untersuchungsparadigmas, einer modifizierten n-back Aufgabe. Wie erwartet fand sich eine erhöhte Verarbeitung aufgaben-relevanter Reize im Vergleich zu einer perzeptuellen Kontrollbedingung. Die Verarbeitung irrelevanter Reize wurde allerdings nicht unterdrückt. Explorativ fand sich ein entsprechendes Korrelat der Aufmerksamkeitslenkung über frontalen Elektroden. In einem dritten Experiment wurde das modifizierte n-back Paradigma an die Anforderungen einer NIRS Messung angepasst, um frontale Effekte der Aufmerksamkeitslenkung direkter erfassen zu können als mit dem EEG. Wie erwartet fand sich bezüglich des Beachtens wie auch des Ignorierens von Stimuli eine Beteiligung frontaler Strukturen. Auf beachtete Stimuli folgte eine bilaterale Aktivierung des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DL-PFK) und eine Aktivierung des linken inferioren frontalen Kortex bis hin zum prä- und postzentralen Kortex. Das Ignorieren visueller Stimuli führte zu einer weitläufigen Aktivierung des rechten präfrontalen Kortex (PFK). Eine Beteiligung des linken inferioren frontalen Gyrus an der Interferenzkontrolle konnte nicht wie erwartet nachgewiesen werden. Der Vergleich der beiden Aktivierungsmuster ergab keine signifikanten Unterschiede. Die zugrunde liegenden Prozesse des Arbeitsgedächtnisses und der Interferenzkontrolle führten also zu einer Aktivierung stark überlappender Hirnregionen. Nachdem die Ergebnisse der Experimente 2 und 3 keinerlei Hinweise auf einen aktiven Prozess der Interferenzinhibition nachweisen konnten, wurde im Experiment 4 die bisher genutzte 1-back Aufgabe durch eine schwierigere 2-back Aufgabe ersetzt. Aufgrund der erhöhten Auslastung des Arbeitsgedächtnisses sollte eine stärkere Anstrengung und damit eine verstärkte frontale Aktivierung bei der Interferenzinhibition auftreten. Diese Hypothese wurde mit einer frontalen NIRS Messung überprüft (Experiment 4a). Wie erwartet führte die erhöhte Auslastung des Arbeitsgedächtnisses zu einer verstärkten Aktivierung des PFK bezüglich beachteter Reize. Hinsichtlich ignorierter Reize fand sich allerdings keine frontale Beteiligung. Parallel erhobene EEG Daten zeigten keinen Unterschied zwischen der Verarbeitung beachteter und ignorierter Gesichter. Die Verarbeitung passiv betrachteter Gesichter war im Gegensatz zu beachteten und ignorierten Gesichtern vermindert. Im zweiten Teil der Studie (Experiment 4b) wurden erstmals die okzipitalen Effekte der Aufmerksamkeitslenkung mit der NIRS erfasst. Im Einklang mit den Ergebnissen der ersten EEG Studie (Experiment 2) fand sich zwar eine verstärkte Verarbeitung beachteter, aber keine verminderte Verarbeitung ignorierter Reize. Zusammengenommen sprechen die fehlende aktive Inhibition von Distraktorreizen im okzipitalen Kortex und die vergleichbaren neuronalen Korrelate von Prozessen des Arbeitsgedächtnisses und der Interferenzinhibition im frontalen Kortex für die Hypothese einer Aufteilung von begrenzten Verarbeitungsressourcen zugunsten beachteter Reize. N2 - The aim of the present work was to investigate, to what extend the neural processing of visual stimuli could be modulated by processes of attention and working memory and which top down processes control this modulation. Two competing explanatory models were proved in the present work. On the one hand it is possible that selective attention comprise two qualitatively different mechanisms, the focussing on relevant information and the active inhibition of irrelevant stimuli. On the other hand it is possible that the limited processing capacities lead to an automatic disregard of irrelevant stimuli when focussing on relevant information. According to this, there would be only one mechanism. In a first experiment alertness was investigated with near-infrared spectroscopy (NIRS) as a basic process of attention. In a two step design relevant areas for alertness over the fronto-temporal cortex were defined first. Alertness related activity was found in the middle and superior temporal cortex of the right hemisphere and in the ventral part of the inferior frontal cortex of the left hemisphere. The analyses of a second measurement for these specific regions revealed a significantly increased activation for alertness in contrast to a visual and a motor control condition. The aim of a second experiment was to replicate existing electroencephalographic (EEG) results of the modulation of the neural processing of visual stimuli with a new developed paradigm, a modified version of the n-back task. As expected there was a higher processing of relevant stimuli in comparison to a perceptual control condition. The processing of irrelevant stimuli was not suppressed. Explorative, there was an analogue result of the modulation of attention over frontal electrodes. In a third experiment the modified n-back paradigm was adjusted to the standards of NIRS measurements to capture frontal effects of attentional modulation more immediate than with EEG. As expected both attended and ignored stimuli were associated with activation of frontal structures. Relevant stimuli were linked with a bilateral activation of the dorsolateral prefrontal cortex (DL-PFC) and activation from the left inferior frontal cortex to the pre- and postcentral cortex. Irrelevant stimuli were linked with a distributed activation of the right PFC. An involvement of the left frontal gyrus could not be verified. The comparison of the two activation patterns revealed no significant difference, the basic processes of working memory and interference control led to an activation of highly overlapping brain regions. The results of the experiments 2 and 3 revealed no evidence of an active process of interference control. Therefore, the 1-back task was replaced by a more difficult 2-back task in experiment 4. Due to the higher working memory load, there should be a stronger effort and therefore a stronger frontal activation during interference inhibition. This hypothesis was proved with a frontal NIRS measurement (experiment 4a). As expected, the higher working memory load led to a stronger activation of the PFC in respect of the relevant stimuli. Concerning irrelevant stimuli, there was no frontal activation. EEG data that were collected simultaneously showed no difference between the processing of attended and ignored faces. In comparison to that the processing of passively viewed faces was decreased. The second part of this study examined occipital effects of attentional modulation with NIRS for the first time. In line with the results of the first EEG study (experiment 2) there was an enhanced processing of relevant, but no decreased processing of ignored stimuli. In sum, the absent active inhibition of distractors in the occipital cortex and the similar neural correlates of processes of working memory and interference inhibition in the frontal cortex argue for the hypothesis of one uniform mechanism of focussing attention without an active and independent mechanism of interference inhibition. KW - Arbeitsgedächtnis KW - Visuelle Aufmerksamkeit KW - Elektroencephalographie KW - Bildgebendes Verfahren KW - Hirnforschung KW - working memory KW - visual attention KW - EEG KW - brain mapping Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-32496 ER - TY - THES A1 - Herrmann, Martin Josef T1 - Neurophysiologische Korrelate der Verarbeitung von Gesichtern und emotionalen Gesichtsausdrücken bei Gesunden und Patienten mit schizophrenen Erkrankungen T1 - Neurophysiologic correlates of face processing and facial affect decoding in healthy controls and schizophrenic patients N2 - Ausgangspunkt für diese Arbeit war die Diskrepanz zwischen der vielfach belegten Schwierigkeit schizophrener Patienten bei der Dekodierung emotionaler Gesichtsausdrücke und dem mangelhaften Wissen über die hierfür verantwortlichen Prozesse. In der Literatur der letzten Jahre gab es einige viel versprechende Ergebnisse, die nahe legten, dass mit dem Elektroenzephalogramm (EEG) sowohl die Verarbeitung von Gesichtern, als auch der Mimik messbar ist. Somit wäre das EEG eine geeignete Methode den Prozess der Emotionsdekodierung bei schizophrenen Patienten zu untersuchen. Diese Arbeit untersucht folgende zwei Hauptfragestellungen. Erstens, wie lassen sich die für die Verarbeitung von Gesichtern und das Erkennen von emotionalen Gesichtsausdrücken verantwortlichen kognitiven Prozesse mit Hilfe ereigniskorrelierter Potentiale des EEGs reliabel messen? Zweitens, sind diese Prozesse bei schizophrenen Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden beeinträchtigt? Zur Klärung der ersten Fragestellung wurden drei Stichproben gesunder Personen untersucht. Es zeigte sich in allen drei Untersuchungen, dass sich die Verarbeitung von Gesichtern im Vergleich zu Kontrollreizen in einer negativen Komponente um 170 ms über temporalen Elektrodenpositionen widerspiegelt (Gesichterpeak, N170). Die N170 konnte mit dem Quellenlokalisationsprogramm LORETA unter anderem im Gyrus Fusiformis, der entsprechenden Hirnregion für die Gesichtsverarbeitung, lokalisiert werden. Für die Dekodierung emotionaler Gesichtsausdrücke konnten keine wiederholbaren Effekte nachgewiesen werden. Im Weiteren wurde die Gesichtsverarbeitung bei schizophrenen Patienten untersucht. 22 als schizophren diagnostizierte Patienten wurden mit einer nach dem Alter, dem Geschlecht und dem Bildungsstatus angepassten Kontrollgruppe verglichen. In dieser Auswertung deutete sich bei schizophrenen Patienten ein Defizit in den frühen Verarbeitungsschritten von Gesichtern an. Dieses Ergebnis wurde in dieser Art noch nicht gezeigt und reiht sich ein in Studien, die sowohl strukturelle Veränderungen in den für die Gesichtsverarbeitung wesentlichen Hirnregionen bei schizophrenen Patienten zeigen konnten als auch ein allgemeines Defizit früher visueller Verarbeitung nahe legen. N2 - This study was based on the fact that schizophrenic patients show severe deficits in facial affect recognition and face processing but the affected processes are still unknown. Recent studies claimed that face processing as well as facial affect recognition can be measured with the electroencephalogram (EEG). Therefore this study had two main aims. First, we tried to measure face processing and facial affect recognition in a reliable manner in three independent samples of healthy controls. Secondly, we investigated whether these processes are impaired in schizophrenic patients. For face processing we replicated in all three samples the face specific N170 component, with higher negative amplitudes in the event-related potentials at 170 ms after face presentation. LORETA source localisation revealed higher activity for the N170 in the Gyrus Fusiformis, a region well known for face processing. For the facial affect recognition no reliable parameters could be reported. The comparison between 22 schizophrenic patients and 22 healthy controls revealed deficits in the N170 component and therefore for face processing in the group of patients. This result has not been reported before but is accordance with reduced volumes of the Gyrus Fusiformis in schizophrenic patients KW - Schizophrener KW - Mimik KW - Gesunder KW - Neurophysiologie KW - Emotionserkennung KW - Gesichtsverarbeitung KW - EEG KW - EKP KW - Schizophrenie KW - facial affect decoding KW - face processing KW - EEG KW - ERP KW - schizophrenia Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-8202 ER -