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The impact of acquired severe motor impairments is pervasive and may lead to a complete loss of communication and voluntary motor control, rendering the patient behaviourally unresponsive. In routine clinical care it may thus be unclear, whether some of these patients are even conscious. Given that finding a cure is unlikely, care focuses on providing the best possible quality of life (QoL), and knowing its predictors might contribute to that aim. Patients who still can communicate often report a high QoL, and several predictors have been identified. However, many instruments used to assess QoL require at least residual verbal and motor abilities. Thus, a method to assess QoL independent of these requirements is desirable. In addition, many instruments assume QoL to be temporarily stable, and little information is available on predictors of instantaneous QoL, i.e. QoL as it fluctuates from moment to moment throughout the day.
Brain-computer interfaces (BCIs) could provide a muscle-independent communication channel to persons with severe paralysis by translating brain activity into device commands. As a means of communication, in particular BCIs based on event-related potentials (ERPs) as control signal have been researched. Most of these BCIs rely on visual stimulation and have been investigated with healthy participants in controlled laboratory environments. In proof-of-principle studies targeted end users gained control over BCI systems; however, these systems are not yet established as an assistive technology for persons who would most benefit from them. The main aim of this thesis is to advance the usability of ERP-BCIs for target users. To this end, five studies with BCIs have been conducted that enabled users to communicate by focusing their attention on external stimuli.
Two studies were conducted in order to demonstrate the advantages and to further improve the practical application of visual BCIs. In the first study, mental workload was experimentally manipulated during prolonged BCI operation. The study showed the robustness of the visual ERP-BCI since users maintained a satisfactory level of control despite constant distraction in the form of background noise. Moreover, neurophysiological markers that could potentially serve as indicators of high mental workload or fatigue were revealed. This is a first step towards future applications in which the BCI could adapt to the mental state of the user (e.g. pauses if high mental workload is detected to prevent false selections). In the second study, a head-mounted display (HMD), which assures that stimuli are presented in the field of view of the user, was evaluated. High accuracies and information transfer rates, similar to a conventional display, were achieved by healthy participants during a spelling task. Furthermore, a person in the locked-in state (LIS) gained control over the BCI using the HMD. The HMD might be particularly suited for initial communication attempts with persons in the LIS in situations, where mounting a conventional monitor is difficult or not feasible.
Visual ERP-BCIs could prove valuable for persons with residual control over eye muscles and sufficient vision. However, since a substantial number of target users have limited control over eye movements and/or visual impairments, BCIs based on non-visual modalities are required. Therefore, a main aspect of this thesis was to improve an auditory paradigm that should enable motor impaired users to spell by focusing attention on different tones. The two conducted studies revealed that healthy participants were able to achieve high spelling performance with the BCI already in the first session and stress the importance of the choice of the stimulus material. The employed natural tones resulted in an increase in performance compared to a previous study that used artificial tones as stimuli. Furthermore, three out of five users with a varying degree of motor impairments could gain control over the system within the five conducted sessions. Their performance increased significantly from the first to the fifth session - an effect not previously observed for visual ERP-BCIs. Hence, training is particularly important when testing auditory multiclass BCIs with potential users.
A prerequisite for user satisfaction is that the BCI technology matches user requirements. In this context, it is important to compare BCIs with already established assistive technology. Thus, the fifth study of this dissertation evaluated gaze dependent methods (EOG, eye tracking) as possible control signals for assistive technology and a binary auditory BCI with a person in the locked-in state. The study participant gained control over all tested systems and rated the ease of use of the BCI as the highest among the tested alternatives, but also rated it as the most tiring due to the high amount of attention that was needed for a simple selection. Further efforts are necessary to simplify operation of the BCI.
The involvement of end users in all steps of the design and development process of BCIs will increase the likelihood that they can eventually be used as assistive technology in daily life. The work presented in this thesis is a substantial contribution towards the goal of re-enabling communication to users who cannot rely on motor activity to convey their thoughts.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es die Wirksamkeit einer Behandlung mit Transkranieller Magnetstimulation bei depressiven Patienten zu untersuchen. Der Behandlungserfolg wurde mit depressionsspezfischen Fragebögen, der Testleistung in einer kognitiven Aufgabe und ereigniskorrelierten Potentialen im EEG objektiviert. Es konnte nicht abschließend geklärt werden, ob die Theta-Burst-Stimulation in der Therapie depressiver Patienten geeignet ist. Es fanden sich allerdings Hinweise darauf, dass die präfrontal applizierte Behandlung Veränderungen in den frontal generierten ereigniskorrelierten Potentialen bewirkte.
Neurophysiologische Evidenz für eine Störung des impliziten Gedächtnis bei Alkoholabhängigkeit
(2011)
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden 21 reine Alkoholpatienten, 6 polytoxikomane Alkoholpatienten und 18 gesunde Kontrollen neurophysiologisch untersucht. Basierend auf einem Paradigma zu Negativem Priming wurden Unterschiede zwischen den genannten Kollektiven bezüglich der Amplitude und Latenz der P300 im EEG untersucht. Kontrollpersonen zeigten in dieser Studie generell eine signifikant kürzere Latenz der P3a als beide Patientenkollektive, was als Hinweis auf eine kognitive Ineffizienz bei Alkoholpatienten gesehen werden kann. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass reine Alkoholpatienten und polytoxikomane Alkoholpatienten bezüglich der Veränderungen der P300 getrennt betrachtet werden müssen, da sich signifikante Unterschiede bezüglich Latenz und Amplitude zwischen den beiden Patientenkollektiven zeigten. Ebenso gibt es Hinweise darauf, dass bei Studien zur P300 Geschlechterunterschiede berücksichtigt werden müssen. Mit vorliegender Studie konnte zudem die Theorie einer prominenten frontocentralen Verteilung der P3a unterstützt werden.
Hintergrund und Ziel der Untersuchung: Patienten mit schizophrenen Erkrankungen zeigen in einer Vielzahl von Untersuchungssituationen eine verminderte Funktion frontaler Hirnregionen (Hypofrontalität), die insbesondere auch den anterioren cingulären Cortex (ACC) betrifft. Verschiedene Arten antipsychotischer Medikation unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Wirkung auf Metabolismus und Funktion des Frontalcortex, wobei es Hinweise darauf gibt, dass atypische Antipsychotika diesen Bereich des Gehirns positiv beeinflussen, während konventionelle Antipsychotika (Typika) hier nur geringe oder sogar negative Effekte zeigen. Hinsichtlich der Auswahl eines Antipsychotikums zu Beginn einer medikamentösen Behandlung gibt es bislang keine etablierten neurophysiologischen/biologischen Marker, die eine Vorhersage der Therapie-Response unter verschiedenen Arten antipsychotischer Medikation erlauben. Ziel der Studie war es daher, die Eignung der NoGo-Anteriorisierung (NGA) als Prädiktor der Therapie-Response schizophrener Patienten unter typischer bzw. atypischer Medikation zu untersuchen. Die NGA ist ein neurophysiologischer Marker, der die Funktion präfrontaler Areale einschließlich des ACC widerspiegeln soll. Unter Zuhilfenahme dieses Parameters wurde an einer Gruppe schizophrener Patienten überprüft, ob das Ausmaß der initialen Hypofrontalität eine Vorhersage der individuellen Therapie-Response erlaubt. Methoden: Es wurden 76 Patienten mit Erkrankungen aus dem schizophrenen Formenkreis zu jeweils drei Messzeitpunkten neurophysiologisch, neuropsychologisch und psychometrisch getestet. Die Baseline-Messung (t1) fand innerhalb der ersten drei Tage eines stationär-psychiatrischen Aufenthalts, die beiden Folgemessungen (t2, t3) drei bzw. sechs Wochen nach Beginn einer Therapie mit typischen (n=36) oder atypischen Antipsychotika (n=40) statt. Im Rahmen der neurophysiologischen Untersuchung führten die Patienten eine Go-NoGo-Aufgabe durch, wobei anhand der durch Go- und NoGo-Stimuli evozierten ereigniskorrelierten Potentiale individuell die NGA ermittelt wurde. Beide Behandlungsgruppen wurden aufgrund der NGA-Werte zu t1 in Patienten mit initial starker vs. schwacher Frontalhirnfunktion unterteilt (Mediansplit). Ergebnisse: Alle Patientengruppen zeigten eine signifikante Besserung der psychotischen Symptomatik im Verlauf des 6-wöchigen Untersuchungszeitraums. Außerdem hatten Atypika hypothesengemäß einen signifikant positiven Einfluss auf die Entwicklung der neuropsychologischen Testleistungen, während Typika oftmals mit einer Verschlechterung entsprechender Maße einhergingen. Atypika hatten zudem eine günstigere Wirkung auf die subjektiv erlebte Lebensqualität der Patienten. Darüber hinaus war die zu t1 erhobene NGA ein signifikanter Prädiktor der Therapie-Response. Niedrige Werte der NGA zu Beginn der Behandlung sagten dabei ein besonders gutes Ansprechen auf atypische Antipsychotika voraus, während hohe Werte der NGA zu t1 mit einer besonders deutlichen klinischen Besserung unter typischer Medikation einhergingen. Die NGA korrelierte zudem signifikant mit den neuropsychologischen Testleistungen, unterlag selbst aber keinen systematischen Veränderungen unter typischer vs. atypischer Medikation. Schlussfolgerung: Der auf der Basis früherer Untersuchungen vermutete Zusammenhang zwischen der NGA und präfrontalen Hirnfunktionen konnte anhand der vorliegenden Befunde bestätigt werden. Außerdem war aufgrund der zu Beginn einer stationär-psychiatrischen Behandlung gemessenen NGA eine signifikante Vorhersage der Therapie-Response unter typischen und atypischen Antipsychotika möglich. Die NGA könnte somit im klinischen Alltag zu einer individualisierten Entscheidungsfindung bei der Auswahl eines antipsychotischen Präparats, unter Berücksichtigung pathophysiologischer Aspekte der Erkrankung, beitragen.
Bei Wahlreaktionszeitaufgaben werden während eines fehlerinduzierenden Paradigmas im Frontallappen Potentialänderungen erzeugt. Diese im EEG sichtbaren Potentiale werden ereignis-korrelierte Potentiale (EKP´s) genannt. Bei den EKP´s nach Fehleingaben ist besonders die „error-related negativity“ (ERN) sowie die Positivität P300 (Pe) hervorzuheben. In dieser Arbeit wurde die ERN sowie die Pe bei 39 Probanden untersucht und genauer klassifiziert. Zusätzlich wurde mit Hilfe der Quellenlokalisationsmethode LORETA dreidimensional die genaue Lokalisation der ERN bestimmt. Auf der Suche nach Beeinflussungsfaktoren der ERN-Amplitude wurden bei den Probanden verschiedene Persönlichkeitsmerkmale sowie die Genpolymorphismen des 5-HTTs (5-Hydroxythryptophantransporter), des D4(Dopamin)-Rezeptors und der MAO A (Monoaminooxidase A) bestimmt und nach möglichen Zusammenhängen zwischen diesen Faktoren gesucht. Es ergab sich ein signifikanter Unterschied (Z = - 2,00, p < 0,05) für zwei nach Geschlecht und Alter angepassten Gruppen des 5-HTT-Polymorphismus in der Höhe der ERN-Amplitude. So hatten Probanden mit ein oder zwei Kopien des kurzen Allels (S/S, S/L) des 5-HTT-Polymorphismus eine höhere Ausbildung der ERN-Amplitude (- 5,44 µV ± 2,99 µV) als Probanden mit zwei Kopien des langen Allels (L/L: - 3,77 µV ± 2,53 µV). Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass Probanden mit einer oder zwei Kopien des kurzen Allels des 5-HTT-Polymorphismus (S/S, S/L: 15,86 ± 3,82) niedrigere Werte für das Persönlichkeitsmerkmal NA (negativer Affekt) besaßen (Z = - 2,899, p < 0,005, L/L: 20,82 ± 5,12). Zwischen der Höhe der ERN-Amplitude und den Werten der Persönlichkeitsmerkmale ergab sich hingegen kein signifikanter Zusammenhang. Somit scheint der 5-HTT-Polymorphismus mit einer erhöhten Ansprechbarkeit des Vorderhirns sowie einem negativeren Affekt einherzugehen. Außerdem stützen diese Ergebnisse die Vorstellung, dass die Funktion des präfrontalen Kortex von der genetischen Variation des Serotonintransporters beeinflusst wird.
Einfluss der Reizdarbietung auf die elektrophysiologischen Korrelate der motorischen Steuerung
(2003)
In dieser Arbeit wurden die motorische Steuerung und ihre vermuteten elektrophysiologischen Korrelate (N200, P300 und NGA) näher untersucht. Dazu wurden fünf verschiedene Paradigmen (Continuous Performance Tests, CPTs)an 23 gesunden Probanden durchgeführt und die ereigniskorrelierten Potentiale aufgezeichnet. Die CPTs unterschieden sich jeweils in der Art der Reizdarbietung (visuelle/akustische Modalität, Präsentationsdauer, Inter-Stimulus-Intervall). Die Ergebnisse dieser Studie deuten auf einen Zusammenhang der elektrophysiologischen Parameter mit der motorischen Steuerung hin. Die elektrophysiologischen Unterschiede zwischen der Ausführung (Go) und der Hemmung (NoGo) einer vorbereiteten motorischen Antwort sind stabil und zeigen, dass ihnen unterschiedliche Prozesse zugrunde liegen.