不同年龄组机制在一个SSVEP-Based BCI场景:证据从自发的节奏和神经元振荡器

文摘

利用稳态视觉诱发电位(ssvep)的变化是一个既定的方法操作脑-机接口(BCI)。本研究阐明了development-specific背景EEG变化的影响在多大程度上适当的刺激驱动处理BCI的能力。因此我们调查的影响广泛的光推动儿童6到10年相比,成年对照组。结果显示不同的驱动配置文件显然密切沟通与特定类型的间歇刺激。年龄增长影响因素与减少刺激频率,即性能优越的成年人似乎决心很大程度上阐述了驾驶反应在10和11赫兹,匹配的主导共振频率相应的背景EEG。这只是部分功能相互作用中获得更高的频率范围和缺席的诱导驾驶30到40 Hz,指示操作原则和发展变化的区别底层神经元振荡器。

1。介绍

生物电子振荡与脑电图(EEG)记录可分为对刺激的关系(1]。因此,振荡活动可以与任何外部(自发的背景活动)或发布,而不是这个,寿命及其情境事件。断断续续的光刺激(IPS)的速度变频4赫兹或更高唤起一个同步的皮层反应组成的节律性活动与刺激频率相同或谐波相关的触发事件(2,3]。脑电图活动起源于这样重复的刺激被称为稳态视觉诱发电位(ssvep)。似乎最大后地区的头上,可以认定为高峰的幅频光谱图脑电图(4]。普遍接受的自然共振诱导驾驶的反应是有据可查,并通过实验证实了几个调查人员(5]。最有可能的是,所述的效果发生由于神经振子,最好是在特定的振荡频率,所谓共振频率(3]。虽然承认IPS提高脑电图振子的共振特性,引起驾驶的潜在机制反应继续讨论。在所有概率的共振出现不同的神经回路,承担各种功能角色,它假定SSVEP的活动,而来自stimulus-induced阶段重置在持续的动态脑电图比添加剂振幅调制(6- - - - - -9]。

经验表明,共振现象的发展极其选择性较强响应预定的频率。逐渐增加刺激频率在整个脑电图范围允许计算反应的个体特征和响应基于脑电图的山峰引起谱图(2]。赫曼(3]报告明显闪烁刺激的皮层反应10,20、40、80 Hz范围比相邻的频率。根据(10枕地区]SSVEP的振幅峰值在15赫兹。虽然这些振子似乎长期稳定(11),开车前调查观察大量个人间变化响应(5),这一发现可能导致不同的结果在较小的样本。然而,大量的研究(其中2,11,12])描述EEG透光的驱动与自发的α功率谱呈正相关,这意味着最大振幅的增加刺激附近主要的休息期间脑电图频率(连接部。虽然行动的确切机制构成的功能之间的交互驱动配置文件和正在进行的脑电图活动尚未理解,首选的直接接近共振频率峰值α活动表明,假设两个节奏共享类似的经营原则同步神经活动(12]。Birca et al。13)没有找到相当的主导频率之间的相关性休息脑电图和IPS的频率引起最好的驾驶的反应。然而,类似于其他研究[3,14]他们报告说,三分之二的主题特征休息α峰值周围10 Hz透露一个首选的共振频率波。此外,大多数研究人员持续报告,IPS背景EEG抑制α频率峰值附近的自发脑电活动的急剧下降幅度在个人背景α(峰值的频率2,15]。

考虑到光的驾驶与正在进行脑电图的组成如前所述,使用功能相互作用应该受到development-specific背景内的脑电图变化。众所周知,个人间变异性定量脑电图参数随着年龄的增加(16)有明显的变化(相对)乐队在认知发展力量。从而人们普遍认为,大脑的成熟与替换速度缓慢的活动,特别是在低频率范围减少(δθ)和continuous-though不是equable-increase更快乐队(α和β),因为脑电图通常是非线性的发展(17]。Matthis et al。18)观察最接近的相对数量与年龄相关的活动快α乐队。这是伴随着个人发现枕阿尔法节律从8赫兹频率增加3-5-year-old孩子大约10赫兹在受试者年龄超过10岁。不过,量化的大小引起SSVEP的反应导致没有相当大的与年龄相关的变化在3岁以上儿童,而相位对齐值显示,随着年龄的增长逐渐增加在枕叶区域(13]。

“诱导多能性”是最重要的一个功能测试用于临床脑电图检查人口(特别是癫痫检测photoparoxysmal反应19]。之外,利用ssvep的变化是一个既定的方法操作脑-机接口(BCI)。在这个主题改变他/她的视觉注意力的光源在不同恒定频率振动,分别。如上所示,聚焦闪烁刺激展品frequency-specific能被探测到的光推动枕叶区域,随后转化为一个特定的命令(20.]。这个特定的视觉引起BCI方法已成功验证在不同的一系列测试在健康受试者20.- - - - - -24),目前在欧盟项目的大脑适应残疾用户(http://www.brain-project.org/)(第一开端[25,26])。后者努力对应的经典目标BCI研究,大多数研究的主要焦点团体,为重度残疾用户提供通信和控制(20.]。然而,一个系统的调查成果不同年轻的年龄组的SSVEP-based BCI场景描述的生理机制的背景下,必须我们的知识并不被进行。

本研究的主要目的是评估development-specific背景EEG变化的影响在多大程度上能够妥善处理刺激驱动BCI软件处于初期阶段。这意味着我们都优先考虑,个人BCI性能等级的准确性以及可能的因果关系的年龄相关性动态振荡活动强调相关的不同频率同步。弄清这些衔接手段我们正在调查一系列光驾驶的影响,分为三个街区的刺激:低频部分,涵盖了常见α范围(7 - 11 Hz),中频部分(第13 - Hz)已知生产著名SSVEP的反应,因此主要是咨询相应的出版物(3,10,20.,27)和高频率范围(30-48 Hz)调查等最近以来的快速重复刺激超过30 Hz是更少的视觉烦人和减少用户疲劳以及癫痫发作的风险为光敏科目(28,29日]。作为一个处理算法,我们咨询了不来梅BCI,尝试和测试的软件模块在几位过去一系列测试20.,24,30.]。用户应用程序由一个基于拼写装置,在先前的研究评估,允许用户编写文本通过连续选择单个字符(24,30.]。

2。方法和材料

2.1。主题

共有51个成人和儿童年龄在6岁到33年包含在目前的横断面研究。表1描述(在生理属性)的男性/女性比率和参与者在不同年龄组的分布。所有受试者右手和正常或与BCIs corrected-to-normal愿景,没有经验。加入这项研究是基于以下标准:没有明显的躯体疾病,没有头部受伤的历史,没有神经或精神障碍,没有与毒品有关的疾病。没有参与者时服用任何形式的药物测试。所有受试者被告知,重复的视觉刺激可能导致癫痫发作和证实,他们从未遭受癫痫或各种光敏反应。这项研究是不莱梅大学的伦理委员会批准。从成人获得书面知情同意是参与者(心理学学生)和孩子的法定监护人。

2.2。显示和程序

成年受试者在早晨来实验室,而孩子们测试最好相应的时候在工作空间的基本学校,这两种环境中表现出高水平的背景噪音。以确保类似闪烁的刺激之下,闪电条件保持类似的在这两个环境:真光但没有阳光直射。受试者坐在舒适的椅子大约三英尺从17′′明基Q7T5液晶显示器和一个60 Hz刷新率。二次帧配备五个矩形发光二极管(led)(四定位在中间的每条边,第五在左上角)是安装在屏幕,因此周围的字母显示字段。每个领导都有一条边的长度毫米。特定的振荡是由单片机控制(美国亚利桑那州PIC16F877,微芯片,钱德勒)。拼字的人安排决心通过之前的工作(30.,31日]:人物安排关于他们的发病率在德国字母在外围很少使用字母和E(常见)的中心。每次运行之初,光标出现在这个位置。图1描绘了咨询显示。每个领导都关联到一个特定的命令,特别是左,右,上,下,选择(左上角)。根据测试条件的五个led振荡频率分配:7,8,9,10,11赫兹(以下称为“低频刺激”),13日,14日,15日,16日和17日Hz,(以下称为“中频刺激”)和30,32岁,34岁,36岁,38赫兹(以下称为“高频刺激”)。受试者被要求拼写完全通过LED与所需的命令相关联,意味着移动光标,下来,左移或右移。光标所反映出的一个角色可以选择通过LED加上选择命令。不莱梅BCI软件自动确定最佳空间滤波器每个主题,随后计算信噪比(信噪比)的各种刺激频率(30.]。如果一个特定频率的信噪比超过定义的阈值,执行相应的命令(详情参见处理算法2.4)。澄清这一点,在中频条件(图一个例子1 (b))和导航光标向上,受试者集中上层领导。如果相应的频率活动(15赫兹)超过预定的阈值时,该命令执行;例如,如果相应的高值检测17赫兹,当前选中的字符被选中。屏幕底部的边缘显示字母字符串,已经选择了。除了集团最年轻的主题(示例1:6.73岁)目前使用的所有参与者BCI系统拼六个字,分别是两个的三个条件(低、中、高频率感应驱动)。刺激的条款确定随机在整个测试。这个词材料选择考虑两个前提:一个年龄适当的组成和相关命令的均匀分布;因此保证所有频率的贡献几乎同样的拼写。整个会议(包括准备阶段)花了45分钟。在实践阶段之前的研究,我们提供机会拼科目名称,确保SSVEP-based系统的工作原理被发现。每个实验运行结束,正如主题所需的短语拼写(无论是否准确或近似正确)或选择停止拼写。但是,没有跑了不到两分钟,至少20每一命令被执行死刑。最年轻的主题(示例1:6.73岁)是一个完全相同的操作程序,然而;由于老年性拼写熟练拼写他们分配给不同的材料和每个条件。只有一个词以确保最终的组内差异性能完全源于内生频率开发而不是从不同年龄组赤字在视觉搜索能力,年轻受试者辅助调查员对字符或领导选择。SSVEP的调查之前我们记录脑电图在休息放松的觉醒与受试者集中固定交叉一分钟,然后保持相同的有限段闭上眼睛。

2.3。数据收集

脑电图数据被记录从头皮表面通过八个烧结Ag / Ag-Cl脑电图电极。作为地面;输入电极P_Z,,,阿,_Z,,,安装根据国际10 - 20系统电极放置的32]。标准磨料电解电极凝胶应用;屏蔽电缆连接电极和高阻抗放大器系统(Porti32,特文特医疗系统国际)。采样频率为2048赫兹;在脑电图收购在0.1 Hz高通滤波器和数字FIR低通滤波器应用在552.96赫兹(0.27×采样率)是直接应用于放大器。通用软件平台BCI2000 [33)是咨询的数据采集、存储和实时数据处理。SSVEP的信号处理模块(不来梅BCI软件;见下一章)BCI2000框架实现。

2.4。在线计算:不来梅BCI

不莱梅BCI信号处理算法的c++和编程实现BCI场景中检测SSVEP的活动。Friman et al。30.)提出了多通道信号检测SSVEP的应用程序使用以下分解测量信号的线性模型分为三个部分: 这个模型的第一部分是诱发SSVEP的响应信号建模为正弦信号的频率的刺激频率和大量的谐波频率和相应的振幅和相位。第二部分描述了大脑活动背景和麻烦的信号,它被添加到每个电极信号和扩展加权因子。讨厌的大脑信号并发流程或外部干扰如呼吸工件和电力线路的干扰。最后一部分描述了测量中的噪声组件,这是特定的电极数量。

在这项工作中,8个输入电极用于记录头皮的枕叶区域的神经活动。确保适当的性能分析记录电极信号组合成通道信号(30.]。为此,Bremen-BCI使用最低能源组合(MEC),一个空间滤波器,调整输入通道,以减少损害的影响。因此,电极与电极接触不足说传播差信号的接收低权重或甚至可能被忽略。此外,结合矩阵是随着时间的推移不断适应变化的信号质量。这个过程被执行每125毫秒。正确的分析,提供足够的脑电图数据分类总是基于一个2 s滑动窗口显示125 ms的记录数据的步骤。换句话说,系统刺激的主题一定频率和估计位于每个通道的信号功率而在th SSVEP的谐波频率, 在哪里包含的正弦和余弦双SSVEP的谐波频率。检验统计量,平均的力量空间过滤组件SSVEP的谐波频率,测试的存在SSVEP的反应可以被计算 这个过程总结每接收一个价值125 ms,这意味着系统计算一个绝对值为每个检查的频率。信号处理的最后一步是绝对值转换成相对的归一化值,以产生可比性。

2.5。统计分析

回顾经验分布的数据基础咨询Kolmogorov-Smirnov测试显示,行为数据集(准确率)不是由一个正态分布。之外,列文测试显示方差同质性的程度并不总是足够的。由于不同样本大小不符合要求还进行参数检验,我们使用单独的克鲁斯卡尔-沃利斯单向方差分析其次是Games-Howell事后测试来检查年龄对诱导驾驶的影响反应在所有三个实验条件。确定差别有关生理数据(连接部,我们咨询了一个双向方差分析(方差分析)重复测量因素电极位置和主题之间年龄因素。Greenhouse-Geisser过程违规的球形假设应用。配对t测试隔离进行了相当大的差异;使用Bonferroni调整校正的重要性水平。

3所示。结果

3.1。行为数据

图2描述了所有咨询年龄组的平均准确率在不同种类的刺激。参数“准确性”被定义为correct-to-complete比在一个运行的命令。确保一个全面的数据记录,我们也咨询了流产的尝试(未完成的话),因为完成任务的数量尤其年轻组相当小。更准确地说,取消任务总数(独立于应用频率集)稳步减少与年龄:虽然最年轻的参与者(组1:6.73岁)断绝了79%的尝试(组2:71%;组3:41%),成年受试者(第四组:22.36岁)取消了只有38%的试验。安排根据频率集我们确定最轻微的高频率谱的差异。在本实验条件所有年龄组表现出类似的高辍学率。相比之下,较低的工作频率会导致相当大的影响随着年龄不断下降的辍学生的利率()。然而,事后分析指定的组差异不显著。

分析个人准确率产生稳定的年龄影响,显然取决于各自的频率(图2)。我们观察到的一个重要的年龄效应在低频刺激条件(图2(一个))()。成年人获得持续高准确率相比,所有三个孩子样品(与组1:平均差;;与组2:;;与集团3:;)。相比之下,使用基于中频范围的系统会导致相当大的成年人之间的差异只和最年轻的示例(图2 (b))(;)。最后,我们发现没有明显的年龄差异的基础上(图高频刺激2 (c))。比较“低”内的各种刺激频率的频率范围(7、8、9、10和11 Hz)成人样本显示不同的效果:工作的基础上10或11赫兹刺激是伴随着持续高准确率的结果相比7赫兹()(与10 Hz:;;与赫兹11:;)。由于小数量的命令在年轻组,一个类似的细分每个频率的准确率可能只在有限的程度上。然而,所有儿童平均样本也达到更高的准确率的基础上10和11赫兹刺激相比,他们的表现与7,8或9赫兹。然而,到目前为止一直没有统计确认。

3.2。生理数据

DRF高峰时α范围可以很容易地确定在所有的测试组,作为模范地用图表表示出图3第1组(A)和4 (B)。重叠信号的谱图描绘曲线代表的主题,表明一个特定年龄段的转变同步峰值频率。表1包含清单的平均值DRFs枕选择地点为所有年龄组(示例2除外)。显然,DRF增加从8赫兹(组1:6.73岁)到9 - 10赫兹(集团3:9.86年),到达高原在成年后10至11赫兹(第四组:22.36年)。因此,我们观察到的一个重要的年龄效应对DRF在每个选定的大脑区域之间的成年人组和儿童样本(;)。然而,各种各样的儿童样本没有显著差异。

4所示。讨论

我们的结果表明明显驾驶反应在所有参与本研究的主题。因为咨询参数“准确率”描述了正确的和不正确的命令之间的比率,它构成了一种间接测量的诱发神经元活动。然而,尽管我们不详细观察生理活动,SSVEP的分类过程中可以推断出底层共振的动力学行为表现。在目前调查一个虚构的纵向研究的四组从7 - 22年让我们重建功能相互作用development-specific背景EEG和不同种类的特点唤起SSVEP的反应。从而我们观察不同的驱动配置文件显然密切沟通与特定类型的间歇刺激。特别是,相当低的分类精度内所有年轻的样品(7到10年)的基础上刺激7和11赫兹之间。这支持了假设年龄组(至少)十年有困难产生锁相驱动反应耦合触发事件在这个特定的带宽;发现同样观察到(34]类似的样本和频率范围,但在不同的传感器模式。作者强调,儿童6年还不能够同步诱发α振荡成人水平。Birca et al。13]表明,相位对齐作为SSVEP的成熟的良好指标,尤其是在儿童枕叶区域7至10年,建议这一现象反映了结构和功能成熟的大脑区域。这些发现可能扮演重要的角色在当前的赤字小孩子同步低频稳态诱发振荡,从而发现表达显著降低分类精度。因此赤字主要反映在10和11赫兹的范围。在成年人的示例他们两个负责分类率最高相比其他刺激频率低,表明优秀的底层神经元振荡器的谐振特性。因此,高于平均水平的成人群体的性能很大程度上是由阐述驾驶反应在10和11赫兹,匹配完全自发EEG DRF的相应的样本。因此,和以往的研究中所描绘的一样12,13)诱导驾驶似乎密切相关的特征背景活动,积极意义与进化机制的内生频率同步。年轻的参与者似乎也实现更高准确率的基础上10和11赫兹相比,他们的表现与7,8或9赫兹刺激。虽然这些观测尚未统计验证,它表明该振荡器早期服饰展览其共振特性已经处于初期阶段。

人们普遍认为枕阿尔法节律增加频率从8到11赫兹童年和青春期之间(4,35]。Nunez et al。36)建议增加有关corticocortical髓鞘形成期间大脑成熟。我们目前的研究结果还表明DRF的发展增加从8赫兹(7年)9多赫兹(10年),最后水准之间10和11赫兹(成年人)。目前尚不清楚是否同一神经元组件负责,代自发和诱发活动(如提出的(12]);不过,我们国家之间的平行进化能力同步自发和稳态诱发振荡在10和11赫兹的频率范围。Birca et al。15]添加类似的考虑发展过程中两个脑节奏不一定指向共同的经营原则;然而,在手头的案子可能认为诱发振荡是以足够的内生同步机制。因此,年轻的成就,样品应该逐步近似成人表现一旦DRF达到10和11 Hz之间的高原。因此,能够同步α活动在这个频率范围似乎之前能够控制frequency-based BCI系统的性能预测的形式。

此外,一些研究[2,15)表明,间歇性的光刺激影响选择性地抑制DRF自发的活动。除了孩子们的能力有限样本同步诱发上α范围的活动,一个没有发育完全的抑制机制也可能导致糟糕的结果通过增加误分类的风险通过相邻的频率。不管怎样,这必须是一个假设,因为我们的数据不允许这种假设的验证。

它是合理的假设观察同龄组差异也可能源自development-specific赤字在处理视觉搜索任务,报道()(37十岁以下儿童)。虽然拼写的能力妥善处理领域和相应的命令提示当然是一个影响变量,年龄差异变得明显更如缓慢的刺激频率增加的数量。这表明神经元振荡器,首先要找到特定年龄段相当大的变化上的部分α范围。因此、我们做观察只有轻微的组差异在高频刺激。虽然按照部分可用的文学(15]这与公认的观点随着年龄增加高频光驾驶的发生作为大脑成熟的指标(38]。然而,在当前的调查我们发现年龄因素的影响相对小的驾驶30到40 Hz的反应。行为表现的比较(准确率)揭示了组无显著差异。我们的最近的研究团队发现了一个神经振荡器在成人32赫兹(未发表的数据)与明显的皮质反应比相邻的频率闪烁的刺激。类似的结果报告(3)对诱导开车40 Hz。的背景下,目前的研究结果表明,32赫兹振荡器不受发展变化观察到的在较低的频率范围。然而,目前的频谱扩展只有38赫兹;不同年龄组变化在40 Hz振荡器尚不清楚。

会,流产的尝试(未完成的话)增加减少的精度水平。这是特别明显的高辍学率低频率刺激下的最年轻的年龄组和构成直接反应完全无法控制BCI充足的需求。因此它可以强调年龄增长影响因素与减少刺激频率。因此,产业之间的框架显然不刺激接近α范围只要内生同步机制防止诱发驾驶反应成人水平。相比之下,13到17岁之间的视觉刺激赫兹(中频条件)在孩子八和九年已经导致分类精度与我们的发现在成人。根据(3]15赫兹之间引起稳态振荡频率与振幅最大。由于这个频率范围是最有效的引出广义photoparoxysmal反应可以采用视觉神经网络有一个性格在这个特定频率产生共鸣(39]。我们观察与成人之间的区别只在这个范围内和七岁的科目。这指向age-differentiated神经元振荡器的机制;然而,共振属性显然更早达到成熟的技能相比,上面的α范围。

总之,中频条件似乎是最适合SSVEP框架8年及以上的孩子对一个可靠的BCI操作。然而,用户视觉烦恼和疲劳仍然构成问题,特别是在这个特定频率区域。我们最小的主题报告后续会话证实这个问题(如前所报道(20.]成人受试者)。因此,观察到的问题的背景下,低和高频率的刺激,一个合适的基于SSVEP的BCI系统的问题儿童,类似于成年人,这种情况下纯粹的学术。

确认

作者要感谢Basar-Eroglu教授有用的讨论,Saskia Duehl统计支持,和Tatsiana Malechka和托尔斯滕Luth宝贵的编程援助。他们特别感谢去Ilse-Lichtenstein-Rother基本学校顺利合作。

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