Online-Schätzung neuronaler Konnektivität und Neurofeedback mit Transkranialer Magnetischer Stimulation


 

Überblick

Die Magnetoenzephalographie (MEG) und die Elektroenzephalographie (EEG) ermöglichen es Forschern, schnelle räumliche und zeitliche Veränderungen der elektrophysiologischen Aktivität im menschlichen Gehirn zu untersuchen. Parallel dazu wächst mit den Fortschritten bei der Offline-MEG / EEG-Analyse das Interesse an der Online-Datenverarbeitung. Die Online-Verarbeitung von MEG / EEG ebnet den Weg für einen schnelleren und intuitiveren Einblick in die augenblicklichen Gehirnfunktionen und schafft gleichzeitig die Grundlage für eine Vielzahl von Neurofeedback-Szenarien. Insbesondere ermöglicht das Online-Neurofeedback Forschern, Hypothesen über bestimmte Gehirneigenschaften (z. B. den Aktivitätszustand bestimmter Gehirnbereiche) zu testen, indem diese Eigenschaft online überwacht und die experimentellen Interventionen an den Zustand dieses Parameters angepasst werden. Dies eröffnet eine neue Möglichkeit, grundlegende Mechanismen der Gehirnfunktionen zu untersuchen, und könnte auch ein wertvolles Instrument in der Neurorehabilitation sein, bei der funktionelle Defizite heterogen sind. Darüber hinaus können Probanden durch Echtzeit-Feedback, das sie während eines Neurofeedback-Szenarios erhalten, lernen, ihre neuronalen Aktivitätsmuster zu modifizieren. Dies ist von großem Nutzen bei der Behandlung von Epilepsie, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS), Schlaganfall und Patienten mit Rückenmarksverletzungen.

Die Online-Verarbeitung von MEG / EEG-Daten bringt jedoch die folgenden nicht wesentlichen Herausforderungen mit sich: das niedrige Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), die große Menge eingehender Daten und die hohen Rechenkosten komplexer Analyseverfahren. Um das SNR zu verbessern, ist eine Online-Vorverarbeitung der Daten durch Arbeiten an einem einzelnen Versuch, einschließlich räumlicher und zeitlicher Filtertechniken, unabdingbar.

In einem früheren DFG-Förderprojekt haben wir Methoden zur Online-Abschätzung der kortikalen Aktivität etabliert und untersucht. In diesem gemeinsamen Projekt mit unserer österreichischen Partnergruppe wollen wir Methoden zur Schätzung der kortikalen Online-Konnektivität basierend auf MEG / EEG etablieren Daten in Verbindung mit EEG- und transkraniellen Magnetstimulationsszenarien (TMS). Zunächst möchten wir neuartige Methoden zur Schätzung der Online-Konnektivität zur Analyse von Netzwerkstrukturen im Gehirn etablieren. Mit der neuartigen Online-Konnektivitätsschätzung möchten wir Input für die robuste Merkmalsextraktion in Neurofeedback-Szenarien liefern. Darüber hinaus möchten wir die Ergebnisse in einer Online-3D-Anzeige für eine unmittelbarere Analyse visualisieren. Zweitens möchten wir die vom Gehirnzustand abhängige kortikale Stimulation in unsere Online-Verarbeitungspipeline aufnehmen. Bisher wurden nur wenige Arbeiten zur direkten Integration der kortikalen Stimulation in ein Neurofeedback- oder Brain Computer Interface (BCI) -Szenario vorgeschlagen. Durch die Aufnahme der neuen Online-Methoden in TMS möchten wir uns auf bevorstehende EEG / TMS-Studien und die Integration von TMS in Neurofeedback-Szenarien vorbereiten.