Cognitive processes associated with spatial orientation can use different reference frames: egocentric, centered on observer and allocentric, centered on objects in the environment. In this thesis, we use EEG to investigate the dynamics of brain processes accompanying spatial orientation based on these reference frames. Participants were instructed to estimate distances between objects or themselves and objects located in a virtual circular arena; this task was presented in both 2D and 3D displays. Task-related EEG changes were analyzed using a time-frequency analysis and event-related potential analysis of 128-channel EEG recordings. Through time-frequency analysis we found significant power differences in delta, theta, alpha, beta and gamma bands amongst the control, egocentric and allocentric testing conditions. We noted a decrease in alpha power in occipital and parietal regions, while a significantly stronger decrease was observed for the allocentric condition compared to both egocentric and control conditions. A similar pattern was also detectable for the beta band. We also report an increase in theta and delta power in temporal, fronto-temporal and lateral frontal regions that was significantly stronger for the egocentric condition compared to control and, in some electrodes, even...

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第19126号 / 情博第572号 / 新制||情||100(附属図書館) / 32077 / 京都大学大学院情報学研究科システム科学専攻 / (主査)教授 石井 信, 教授 田中 利幸, 教授 加納 学 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

This thesis investigated the development of an EEG-based brain controlled switch and the design of a software for nerve conduction study. For EEG-based brain controlled switch, we proposed a novel paradigm for an online brain-controlled switch based on Event-Related Synchronizations (ERDs) following external sync signals. Furthermore, the ERD feature was enhanced by 3 event-related moving averages and the performance was tested online. Subjects were instructed to perform an intended motor task following an external sync signal in order to turn on a virtual switch. Meanwhile, the beta-band (16-20Hz) relative ERD power (ERD in reverse value order) of a single EEG Laplacian channel from primary motor area was calculated and filtered by 3 event-related moving average in real-time. The computer continuously monitored the filtered relative ERD power level until it exceeded a pre-set threshold selected based on the observations of ERD power range to turn on the virtual switch. Four right handed healthy volunteers participated in this study. The false positive rates encountered among the four subjects during the operation of the virtual switch were 0.8±0.4%, whereby the response time delay was 36.9±13.0s and the subjects required approximately 12.3±4.4 s of active urging time to perform repeated attempts in order to turn on the switch in the online experiments. The aim of nerve conduction simulator software design is to create software that can be used by nerve conduction simulator to serve as a medical simulator or education tool to train novice physicians for nerve conduction study test. The real response waveform of 10 different upper limb nerves in conduction studies were obtained from the equipment used in real patient studies. A waveform generation model was built to generalize the response waveform near the standard stimulus site within study interest region based on the extracted waveforms and normal reference parameters of each study and stimulus site coordinates. Finally, based on the model, a software interface was created to simulate 10 different nerve conduction studies of the upper limb with 9 pathological conditions.

The present study aims to explore the relationship between proficiency level and semantic retrieval in the second language. A group of Korean bilinguals who speak English with high proficiency performed semantic relatedness judgement tasks of two hundred English word pairs. Unbeknownst to the participants, half of the words in both the related and the unrelated categories contained a "hidden prime"—a common first syllable shared by the two words, if translated into Korean. Each participant's event-related potential (ERP) was recorded while reading the words. While a former study by Thierry and Wu (2007) found that Chinese-English bilinguals were affected by the hidden primes, thus causing a "N400 reduction effect" in their averaged ERP, the bilingual group of the present study was unaffected by the hidden primes. The difference between the bilingual groups' performance between Thierry and Wu's study and the present study is likely caused by the higher English proficiency of the bilingual group in the present study. This provides additional evidence supporting the Revised Hierarchical Model of semantic retrieval proposed by Kroll and Steward (1994), which suggests that increased proficiency leads to reduced reliance on the first language during second language semantic retrieval.

Contemporary research has been examining potential links existing among sensory, motor and attentional systems. Previous studies using TMS have shown that the abrupt onset of sounds can both capture attention and modulate motor cortex excitability, which may reflect the potential need for a behavioral response to the attended event. TMS, however, only quantifies motor cortex excitability immediately following the deliverance of a TMS pulse. Therefore, the temporal development of how the motor cortex is modulated by sounds can’t be quantified using TMS. Thus, the purpose of the present study is to use time frequency analysis of EEG to identify the time course of cortical mechanisms underlying increased motor cortex excitability after sound onset. Subjects sat in a sound attenuated booth with their hands outstretched at 45-degree angles while frequency modulated sounds were intermittently presented from a speaker either in the left and right hemispace. Our results indicated a transient reduction in EEG power from 18-24 Hz (300-600 ms latency) and then a long lasting increase in EEG power that began at ~800 ms and continued until at least 1.7 sec. The latency of EEG power changes was shorter for sounds presented from the right speaker at both time periods. When sounds were presented from the right speaker the contralateral hemisphere over motor regions also showed greater power increases after 800 ms relative to the ipsilateral hemisphere. In addition, power increases were greater in the left-handed subjects (8-12 Hz). Results showed that sounds increased EEG power at the time of a previously observed increase in motor cortex excitability. Findings also suggest an increased attentional salience to the right hemispace in neurologically normal subjects and asymmetrical hemispheric activations in right and left-handers. / acase@tulane.edu

Τα τελευταία χρόνια, το πρόβλημα της απόκτησης και χρήσης ενός συστήματος ηλεκτροεγκεφαλογραφίας λόγω του υψηλού κόστους του έχει υπερπηδηθεί με την κυκλοφορία πολλών εναλλακτικών συστημάτων λιγότερων δαπανηρών. Το πιο εξελιγμένο από αυτά του μικρού κόστους συστήματα είναι το Emotiv Epoc. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα του Emotiv Epoc έναντι των συμβατικών συστημάτων ηλεκτροεγκεφαλογραφίας αποτελεί το γεγονός ότι είναι ασύρματο. Το γεγονός αυτό ανοίγει καινοτόμες οδούς στο πεδίο το νευροεπιστημών αφού δύναται η εκτέλεση πειραμάτων ευρέων εφαρμογών όπως π.χ. λήψη ηλεκτροεγκεφαλικών μετρήσεων εν κινήσει. Μια τέτοια εφαρμογή μπορεί επίσης να αποτελεί και η εκτέλεση πειραμάτων σε μικρά παιδιά στα οποία η καλωδίωση μπορεί να καταστεί πολύ δύσκολη. Με βάση λοιπόν τα παραπάνω, ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε παιδία για έγκαιρη διάγνωση της δυσλεξίας η οποία κρίνεται επιβεβλημένη σε πολύ μικρές ηλικίες .Μειονέκτημα όμως ενός τέτοιου ασύρματου συστήματος θα μπορούσε να υποθέσει κανείς ότι είναι η αυξημένη παρουσία θορύβου. Ο θόρυβος αυτός θα μπορούσε να πηγάζει τόσο κατασκευαστικά ( αφού η πληροφορία καταγράφεται ασύρματα ) όσο και λόγω του γεγονότος ότι τέτοιου είδους πειράματα δεν λαμβάνουν χώρα σε μονωμένο ηλεκτρομαγνητικά περιβάλλον. Επιπρόσθετα, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές είναι απαραίτητοι προκειμένου να σχεδιαστεί και να εκτελεστεί ένα οποιοδήποτε πείραμα προκλητών δυναμικών και η αξιοπιστία τους ως ένα μεγάλο βαθμό εξαρτάται από αυτούς. Παρόλα αυτά, η πλειοψηφία των ηλεκτρονικών υπολογιστών λόγω του ότι η χρήση τους βρίσκει εφαρμογή σε μια πληθώρα εφαρμογών δεν καθίσταται δυνατό να παρέχει την χρονική ακρίβεια η οποία είναι απαραίτητη σε τέτοιου είδους πειράματα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του κατά πόσο ένα τέτοιο σύστημα ασύρματης ηλεκτροεγκεφαλογραφίας όπως το Emotiv Epoc σε συνδυασμό με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές τους οποίους έχουμε στην διάθεση μας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα προκλητών δυναμικών σε άτομα με δυσλεξία για την ανάκτηση μετρήσεων μεγάλης ακρίβειας. / In recent years, the low-cost wireless EEG systems have become available, spurred by applications in the game industry. These systems offer a wider and more innovative range of options, for example EEG recordings while in motion and are easier to use so they are suitable for children and special populations. For example such systems can in principle be used for mass screening for early diagnosis of dyslexia, an application of tremendous importance for the individual and society. One of the most advanced such systems is the Emotiv Epoc. The wider and more innovative range of options that EEG systems like the Emotiv Epoc provide cannot however be applied to neuroscience experiments, before some technical limitations are overcome. One such drawback is the higher noise levels compared to clinical devices. The source of the noise could be a manufacturing issue (since the data are recorded wirelessly) or the fact that such experiments do not take place in an environment properly insulated from electromagnetic noise. Moreover, computers are necessary in order to design and execute a protocol for evoked response potentials (ERPs) experiments and the precision of the measurements and specifically issues of timing control depend critically on the computer hardware and software. In clinical and research systems specialized software and hardware for this purpose are available and they are the product of decades of highly specialized work. Very few such software exist today for research and clinical applications with wireless EEG systems in general although some simple tools are beginning to appear. The purpose of this thesis is to investigate whether a wireless EEG system like the Emotiv Epoc can be used with general-purpose computers to retrieve and record precise measurements in order to successfully conduct ERP experiments in general, focusing for the sake of an explicit example to an application for dyslexia, that is of interest to the host laboratory today.

Ο ύπνος αποτελεί ένα από τα πιο μυστήρια φαινόμενα της ανθρώπινης ζωής. Η επεξεργασία και ανάλυση του εγκεφαλογραφήματος με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων και αλγορίθμων μπορεί να δώσει μεγάλη ώθηση στην διερεύνηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Στην παρούσα εργασία υλοποιήθηκε ένα γραφικό εργαλείο για την ανίχνευση ρυθμών και κυμάτων που εμφανίζονται στο εγκεφαλογράφημα ύπνου. Το εργαλείο συνδέεται με το πρόγραμμα καταγραφής Neuroscan του εργαστηρίου Νευροφυσιολογίας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Το περιβάλλον περιλαμβάνει αλγορίθμους για την αυτόματη ανάλυση του σήματος και την ανίχνευση επιλεγμένων κυμάτων και ρυθμών. Σκοπός του εργαλείου είναι η αποστολή ακουστικού ερεθισμού στην περίπτωση ανίχνευσης του επιλεγμένου κύματος ή ρυθμού. Το εργαλείο περιλαμβάνει γραφικό περιβάλλον για την εύκολη χρήση και παραμετροποίηση των διαθέσιμων επιλογών. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε εξ ολοκλήρου πρωτότυπα με γνώμονα την ταχύτητα ανίχνευσης και επεξεργασίας του ΗΕΓ. Τελικός στόχος του προγράμματος είναι η χρήση του σε πειράματα διερεύνησης της απαντητικότητας του εγκεφάλου σε ερεθισμούς που συμβαίνουν σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές μετά από την στιγμή ανίχνευσης επιλεγμένου κύματος ή ρυθμού. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να εξερευνηθεί ο ρόλος διαφόρων καταστάσεων του εγκεφάλου (π.χ. αφυπνιστικός ή υπναγωγικός κατά τον ύπνο) χαρακτηριζόμενων από τα επιλεγόμενα ΗΕΓ κύματα και ρυθμούς. / One of the greatest human mysteries is the phenomenon of sleep. The use of computing methods and algorithms in the analysis and processing of electroencephalogram can boost the research of brain activity. The present work presents the graphical program that was developed and used at the Neurophysiology Unit of the University of Patras’ Medical School for the support of EEG studies. The program detects specific rythms and waves during the sleep EEG (online). The tool connects with the Neuroscan Systems that the lab uses for the sleep experiments. The program supports several algorithms for the automatic signal analysis and the specific rythms’ and waves’ detection. The target of the tool is to send sound stimulus in the case of rhythm or wave detection. The user-friendly graphical interface of the tool includes all the parameters for the experiments. The program was developed originally from scratch, aiming to make signal processing as fast as possible. The final goal of the program is to explore the nature of specific brain states i.e. in sleep, by probing brain reactivity at precise times after EEG signs characterizing this brain state.

Η λειτουργία του εγκεφάλου βασίζεται στο σύνολο της ηλεκτροχημικής δραστηριότητας των νευρώνων, που αποτελούν το δομικό λίθο του νευρικού συστήματος. Η καταγραφή των βιολογικών σημάτων, ή βιοσημάτων, τα οποία προκύπτουν από την ηλεκτρική δραστηριότητα των νευρώνων του εγκεφάλου, αποτελούν το αντικείμενο της Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας, η οποία είναι μια μη επεμβατική μέθοδος καταγραφής του παραγόμενου, από τον εγκέφαλο, ηλεκτρικού πεδίου. Η πρώτη επιτυχημένη καταγραφή βιοδυναμικών του ανθρώπινου εγκεφάλου αποδίδεται στο Γερμανό φυσιολόγο Hans Berger, ο οποίος στα τέλη της δεκαετίας του 1930, πραγματοποίησε για πρώτη φορά τη μέτρηση διαφορών δυναμικού από την επιφάνεια του κεφαλιού. Σήμερα, το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) αποτελεί μια ευρέως διαδεδομένη τεχνική κλινικής εξέτασης που χρησιμοποιείται με κύριο σκοπό τη διάγνωση. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η λειτουργία του νευρικού συστήματος, ενώ παρατίθενται στοιχεία ανατομίας του εγκεφάλου. Ακόμα, αναλύεται η φύση και τα χαρακτηριστικά των βιοσημάτων, που λαμβάνονται από την εξωτερική δερματική επιφάνεια του κεφαλιού, ενώ παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας, ο τρόπος καταγραφής και τα κυριότερα χαρακτηριστικά του σήματος του ΗΕΓ. Εν συνεχεία, περιγράφεται η καταγραφή Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, που έγινε με τη χρήση του συστήματος MP150 της Biopac. Ο MP150, σε συνδυασμό με το γραφικό περιβάλλον του Acqknowledge 3.8.2 αποτελεί ένα πλήρες σύγχρονο σύστημα καταγραφής πολλών ειδών βιοδυναμικών από διαφορετικές περιοχές του ανθρώπινου σώματος. Αξιοποιώντας τις δυνατότητες του συστήματος αυτού, καταφέραμε να καταγράψουμε και να παρατηρήσουμε τη ρυθμική δραστηριότητα του εγκεφάλου. Επίσης, γίνεται αναφορά στα σημαντικότερα πακέτα εργαλείων του Matlab, που έχουν σαν αντικείμενο την ανάλυση του Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, ενώ επιχειρείται η περαιτέρω επεξεργασία του σήματος που καταγράφηκε, με τη χρήση ενός από αυτά (eeglab). Επιπλέον, στην εργασία αυτή παρουσιάζονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά κάποιων από τις σημαντικότερες μεθόδους ανάλυσης του σήματος που προκύπτει από το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, ενώ παράλληλα γίνεται μια προσπάθεια σύγκρισης των δυνατοτήτων τους, με σκοπό την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων που μπορούν να αξιοποιηθούν σε επόμενες μελέτες. / The entire function of the human brain is based on the electrochemical activity of the neurons, which form the whole nervous system. The recording of the biological signals resulting from the electrical activity of the brain forms the content of Electroencephalography, which is a non invasive method of recording the electric field produced in the human brain. The first successful recording of human brain’s biodynamics was made by German physiologist Hans Berger, who was the first to measure the electrical potential difference on the human head. Nowadays, Electroencephalography (EEG) is a very common clinical examination technique, which is used for the purpose of diagnosis. One of the objects of the present thesis is the description of the nervous system function, while there are some basic elements of the human brain’s anatomy. There is a brief analysis of the nature and features of the biological signals produced by the brain, as well as a presentation of the basic principles of the Electroencephalography. In addition, there is a description of the recording of the EEG signal, which was made with the use of Biopac MP150 system. MP150 and its graphic interface Acqknowledge 3.8.2 form a complete modern data acquisition system, which offers the possibility to record biodynamics from different parts of the human body. Making use of the Biopac system, we were able to record and analyze the brain rhythmic activity. Moreover, the most common Matlab toolboxes that are used for EEG signal processing are presented, while a further analysis of our EEG signal was attempted through eeglab. Furthermore, in the present thesis, the basic features of some of the most important methods of EEG signal analysis are presented. This quite extended presentation is made in order to be used as information for future study and research on EEG signal analysis. Key words: nervous system, biological signals, Electroencephalography, MP150, Acqknowledge, Matlab toolboxes, eeglab, signal analysis

The goal of this thesis is to investigate if it is possible to use measurements of physiological parameters to accelerate learning of target shooting for novice marksmen in Saab’s Ground combat indoor trainer (GC-IDT). This was done through a literature study that identified brain activity, eye movements, heart activity, muscle activity and breathing as related to shooting technique. The sensors types Electroencephalography (EEG), Electroocculography (EOG), Electrocardiogram (ECG), Electromyography (EMG) and impedance pneumography (IP) were found to be suitable for measuring the respective parameters in the GC-IDT. The literature study also showed that previous studies had found differences in the physiological parameters in the seconds leading up to the shot when comparing experts and novices. The studies further showed that it was possible to accelerate learning by giving feedback to the novices about their physiological parameters allowing them to mimic the behavior of the experts. An experiment was performed in the GC-IDT by measuring EOG, ECG, EMG and IP on expert and novice marksmen to investigate if similar results as seen in previous studies were to be found. The experiment showed correlation between eye movements and shooting score, which was in line with what previous studies had shown. The respiration measurement did not show any correlation to the shooting scores in this experiment, it was however possible to see a slight difference between expert and novices. The other measurements did not show any correlation to the shooting score in this experiment. In the future, further experiments needs to be made as not all parameters could be explored in depth in this experiment. Possible improvements to such experiments are i.e. increasing the number of participants and/or the number of shots as well as marking shots automatically in the data and increasing the time between shots.

This master’s thesis deals with issues of the detection of K-complexes in EEG sleep signals. Record from an electroencephalograph is important for non-invasive diagnosis and research of brain activity. The scanned signal is used to examine sleep phases, disturbances, states of consciousness and the effects of various substances. This work follows the automatic detection of K-complexes, because the manual labeling of graphoelements is complicated. Two approaches were used –Stockwell transform and bandpass filtration followed by TKEO operator application. All algorithms were created in the MATLAB R2014a.