This dissertation addresses user responses to the introduction of Brain-Computer Interface technologies (BCI) for gaming and consumer applications in the early part of the 21st century. BCI technology has emerged from the contexts of interrelated medical, academic, and military research networks including an established computer and gaming industry. First, I show that the emergence and development of BCI technology are based on specific economic, socio-cultural, and material factors, and secondly, by utilizing user surveys and interviews, I argue that the success of BCI are not determined by these contextual factors but are dependent on user acceptance and interpretation. Therefore, this project contributes to user-technology studies by developing a model which illustrates the interrelations between producers, users, values, and technology and how they contribute to the acceptance, resistance, and modification in the technological development of emerging BCI technologies. This project focuses on human computer interaction researchers, independent developers, the companies producing BCI headsets, and neuro-gadget companies who are developing BCI's for users as an alternative interface for the enhancement of human performance and gaming and computer simulated experience. Moreover, BCI production and use as modes of enhancement align significantly with social practices of play which allows an expanded definition of technology to include cultural dimensions of play. / Ph. D.

Alcohol use disorder (AUD) remains a major public health concern globally with substantially increased mortality and a significant economic burden. The low rates of treatment and the high rates of relapse mean that excessive alcohol consumption detrimentally affects many aspects of the user's life and the lives of those around them. One reason for the low efficacy of treatments for AUD could be an unclear understanding of the neural correlates of the disease. As such, the studies in this dissertation aim at elucidating the neural mechanisms undergirding AUD, which could lead to more efficacious treatment and rehabilitation strategies. The propensity for impulsive decision making (choosing smaller, sooner rewards over larger, later ones) also known as delay discounting (DD), is an established risk-factor for a variety of substance abuse disorders, including AUD. Brain mapping of DD routinely uses modalities such as blood-oxygenation-level-dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI). However, the extent to which these brain activation maps reflect the characteristics of impulsive behavior has not been directly studied. To examine this, we used multi-voxel pattern analysis (MVPA) methods such as multivariate classification using Support Vector Machine (SVM) algorithms and trained accurate classifiers of high vs. low impulsivity with individual fMRI brain maps. Our results demonstrate that brain regions in the prefrontal cortex encode neuroeconomic decision making characterizing DD behavior and help classify individuals with low impulsivity from individuals with high impulsivity. Individuals suffering from addictive afflictions such as AUD are often unable to plan for the future and are trapped in a narrow temporal window, resulting in short-term, impulsive decision making. Episodic future thinking (EFT) or the ability to project oneself into the future and pre-experience an event, is a rapidly growing area of addiction research and individuals suffering from addictive disorders are often poor at it. However, it has been shown across healthy individuals and disease populations (addiction, obesity) that practicing EFT reduces impulsive decision making. We provided real-time fMRI neurofeedback to alcohol users while they performed EFT inside the MR scanner to aid them in successfully modulating their thoughts between the present and the future. After the scanning session, participants made more restrained choices when performing a behavioral task outside the scanner, demonstrating an improvement in impulsivity. These two neuroimaging studies interrogate the brain mechanisms of delay discounting and episodic future thinking in alcohol use disorder. Successful classification of impulsive behavior as demonstrated in the first study could lead to accurate prediction of treatment outcomes in AUD. The second study suggests that rtfMRI provides direct access to brain mechanisms regulating EFT and highlights its potential as an intervention for impulsivity in the context of AUD. The work in this dissertation thus investigates important cognitive process for the treatment of alcohol use disorder that could pave the way for novel therapeutic interventions not only for AUD, but also for a wide spectrum of other addictive disorders. / Doctor of Philosophy / Alcohol use disorder (AUD) remains a major public health concern globally with substantially increased mortality and a significant economic burden. The low rates of treatment and the high rates of relapse mean that excessive alcohol consumption detrimentally affects many aspects of the user’s life and the lives of those around them. One reason for the low efficacy of treatments for AUD could be an unclear understanding of the brain regions affected by it. As such, the studies in this dissertation aim at elucidating the neural mechanisms undergirding AUD, which could lead to more efficacious treatment and rehabilitation strategies. The propensity for impulsive decision making (choosing smaller, sooner rewards over larger, later ones) also known as delay discounting (DD), is an established risk-factor for a variety of substance abuse disorders, including AUD. Brain mapping of DD routinely uses modalities such as blood-oxygenation-level-dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI). However, the extent to which these brain activation maps reflect the characteristics of impulsive behavior has not been directly studied. To examine this, we searched for highly reproducible spatial patterns of brain activation that differ across experimental conditions (multi-voxel pattern analysis) and trained accurate classifiers of high vs. low impulsivity with individual fMRI brain maps. Our results demonstrate that brain regions in the prefrontal cortex encode neuroeconomic decision making and help classify individuals with low impulsivity from individuals with high impulsivity. Individuals suffering from addictive afflictions such as AUD are often unable to plan for the future and are trapped in a narrow temporal window, resulting in short-term, impulsive decision making. Episodic future thinking (EFT) or the ability to project oneself into the future and pre-experience an event, is a rapidly growing area of addiction research. However, it has been shown across healthy individuals and disease populations (addiction, obesity) that practicing EFT reduces impulsive decision making. We provided v real-time fMRI neurofeedback to alcohol users while they performed EFT inside the MR scanner to aid them in successfully modulating their thoughts between the present and the future. After the scanning session, participants made more restrained choices when performing a behavioral task outside the scanner, demonstrating an improvement in impulsivity. These two neuroimaging studies interrogate the brain mechanisms of delay discounting and episodic future thinking in alcohol use disorder. Successful classification of impulsive behavior as demonstrated in the first study could lead to accurate prediction of treatment outcomes in AUD. The second study suggests that rtfMRI provides direct access to brain mechanisms regulating EFT and highlights its potential as an intervention for impulsivity in the context of AUD. The work in this dissertation thus investigates important cognitive process for the treatment of alcohol use disorder that could pave the way for novel therapeutic interventions not only for AUD, but also for a wide spectrum of other addictive disorders.

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Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist ein nicht-invasives Bildgebungsverfahren, mit dem Veränderungen der neuronalen Aktivität im Gehirn mit hoher räumlicher Auflösung erfasst werden können. Mit der fMRT-Bildgebung bei neurowissenschaftlichen Experimenten wurden in den letzten beiden Jahrzehnten bedeutende Erkenntnisse für die Hirnforschung und Medizin gewonnen. Mit Hilfe dieser Methode werden neuronale Aktivitätsunterschiede bei der Durchführung einer bestimmten Aufgabe, z. B. dem Betrachten von Bildern mit emotionalen Inhalten, erfasst und die Daten unabhängig von der Messung zu einem späteren Zeitpunkt statistisch ausgewertet. Mit Hilfe des technischen Fortschritts im letzten Jahrzehnt ist es darüber hinaus möglich geworden, fMRT-Daten direkt zur Aufnahmezeit zu verarbeiten und auszuwerten. Dies wird als Echtzeit-fMRT bezeichnet, wenn die Datenverarbeitung schneller erfolgt als die Aufnahme eines Hirnvolumens (aktuell ca. zwei Sekunden). Die Ergebnisse der Echtzeitdatenverarbeitung können dann wiederum als Steuerbefehle für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Daher wird dies auch als Hirn-Computer-Schnittstelle (Brain Computer Interface, BCI) mittels fMRT bezeichnet. Die Echtzeitverarbeitung von fMRT-Daten ermöglicht mehrere neue Anwendungen. Dazu gehören unter anderem die Qualitätskontrolle zur Laufzeit von fMRT-Experimenten, die schnelle funktionelle Lokalisierung von Hirnarealen entweder für neurowissenschaftliche Experimente oder intraoperativ, die Kontrolle des Experimentes mittels des Probandenverhaltens und insbesondere die Möglichkeit, sogenannte fMRT-Neurofeedbackexperimente durchzuführen. Bei diesen Experimenten lernen Probanden, die Aktivität von definierten Hirnarealen willentlich zu beeinflussen. Das Ziel dabei ist, Veränderungen in ihrem Verhalten zu generieren. Die Umsetzung eines BCIs mittels Echtzeit-fMRT ist eine interdisziplinäre Aufgabenstellung von MR-Physik, Informatik und Neurowissenschaften um das Verständnis des menschlichen Gehirns zu verbessern und neue Therapieansätze zu gestalten. Für diese hard- und softwaretechnisch anspruchsvolle Aufgabe gibt es einen enormen Bedarf an neuen Algorithmen zur Datenverarbeitung und Ansätzen zur verbesserten Datenakquise. In diesem Zusammenhang präsentiert die vorliegende Arbeit ein neues Softwareframework, das einerseits eine integrierte Gesamtlösung für die Echtzeit-fMRT darstellt und in seinen Teilmodulen eine abstrakte Basis für eine universelle Methodenentwicklung anbietet. Diese Arbeit beschreibt die grundlegenden abstrakten Konzepte und die Implementierung in ein neues Softwarepaket namens ’Brain Analysis in Real-Time’ (BART). Der Fokus der Arbeit liegt auf zwei Kernmodulen, die für universelle Gestaltung von sogenannten adaptiven Paradigmen und die Einbindung von Echtzeit-fMRT-Datenverarbeitungsalgorithmen konzipiert sind. Bei adaptiven Paradigmen werden zur Laufzeit eines Experiments physiologische Parameter (z. B. Herzrate) oder Verhaltensdaten (z. B. Augenbewegungen) simultan zu den fMRT-Daten erfasst und analysiert, um die Stimulation eines Probanden entsprechend zu adaptieren. Damit kann die Zuverlässigkeit der Daten, die zur Auswertung zur Verfügung stehen, optimiert werden. Die vorliegende Arbeit präsentiert das dazu notwendige abstrakte Grundkonzept des neuen Softwareframeworks und die ersten konkreten Implementierungen für die Datenverarbeitung und adaptive Paradigmen. Das Framework kann zukünftig mit neuen methodischen Ideen erweitert werden. Dazu gehören die Einbindung neuer Datenverarbeitungsalgorithmen, wie z. B. Konnektivitätsanalysen und die Adaption von Paradigmen durch weitere physiologische Parameter. Dabei ist insbesondere die Kombination mit EEG-Signalen von großem Interesse. Außerdem bietet das System eine universelle Grundlage für die zukünftige Arbeit an Neurofeedbackexperimenten. Das in dieser Arbeit entwickelte Framework bietet im Vergleich zu bisher vorgestellten Lösungsansätzen ein Ein-Computer-Setup mit einem erweiterbaren Methodenspektrum. Damit wird die Komplexität des notwendigen technischen Setups reduziert und ist nicht auf einzelne Anwendungsfälle beschränkt. Es können flexibel neue Datenverarbeitungsalgorithmen für ein fMRT-BCI eingebunden und vielgestaltige Anwendungsfälle von adaptiven Paradigmen konzipiert werden. Eine Abstraktion der Stimulation und die Kombination mit der Echtzeitauswertung ist bisher einzigartig für neurowissenschaftliche Experimente. Zusätzlich zu den theoretischen und technischen Erläuterungen werden im empirischen Teil der vorliegenden Arbeit neurowissenschaftliche Experimente, die mit dem Softwarepaket BART durchgeführt wurden, vorgestellt und deren Ergebnisse erläutert. Dabei wird die Zuverlässigkeit und Funktionsweise der Implementierung in allen Teilschritten der Datenerfassung und -verarbeitung validiert. Die Ergebnisse verifizieren die Implementierung einer parallelisierten fMRT-Analyse.Weiterhin wird eine erste konkrete Umsetzung für ein adaptives Paradigma vorgestellt, bei dem zur Laufzeit die Blickrichtung der Probanden berücksichtigt wird. Die Ergebnisse zeigen die signifikanten Verbesserungen der Reliabilität der fMRT-Ergebnisse aufgrund der optimierten Datenqualität durch die Adaption des Paradigmas. Zusammengefasst umfasst die vorliegende Arbeit eine interdisziplinäre Aufgabe, die sich aus der Verarbeitung von MR-Daten in Echtzeit, einem neuen abstraktes Softwarekonzept für Entwicklung neuer methodischer Ansätze und der Durchführung von neurowissenschaftlichen Experimenten zusammensetzt.

Title: The use of biofeedback in physical therapy Objectives: The aim of this thesis is to summarize the accessible literary sources mapping the area of use of biofeedback in physical therapy and forms of its use. Furthermore, it aims to make a research and evaluate the effect of biofeedback therapy of woman urinary incontinence and neurofeedback therapy with children with Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD syndrome). Methods: This thesis is a descriptive analysis based on a literature review. The first part includes theoretical background dealing with the description, principle of operation and the possibilities of influence the therapy using biofeedback. The next chapter focuses on different areas of use of biofeedback in physical therapy and identifies the different forms of use. Subsequent research contains a presentation of studies, their comparison and critically evaluation of the effect of therapy using biofeedback for selected diagnoses. Results: Based on 69 found studies were clearly mapped using various forms of biofeedback in physical therapy. From the research findings which involved a total of 24 studies with the corresponding criteria, it was found that the method of biofeedback has a positive effect on the treatment of urinary incontinence in women. However, compared with...

The aim of this diploma thesis is real-time fMRI neurofeedback. In this case, the activity of amygdala is monitored and controled by an emotional regulatory visual task. A procedure to process measured data online and to incorporate it into the stimulus protocol has been proposed. A pilot study was carried out. Offline analysis of measured data was performed, including evaluation of the results of the analysis. The data is processed in MATLAB using the functions of the SPM library.

Le neurofeedback (NF) suscite actuellement un vif intérêt dans la prise en charge du trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité (TDAH) chez l’enfant. Proposée comme méthode alternative à la médication par de nombreux cliniciens, notamment aux États-Unis, le NF est une intervention non-invasive de type électrophysiologique qui repose sur l’apprentissage par conditionnement opérant de l’autorégulation d’ondes cérébrales déviantes. Les études empiriques qui étayent cette pratique font toutefois l’objet de virulentes critiques de la part de spécialistes dans le domaine du TDAH en raison de résultats systématiquement positifs mais non spécifiques, auxquels s’ajoutent de nombreuses lacunes méthodologiques. Les travaux de cette thèse visent à appliquer une méthodologie stricte de type essai clinique contrôlé avec assignation aléatoire afin d’isoler les effets particuliers du NF, en appliquant un protocole d’entraînement propre au déficit primaire sous-tendant le TDAH, soit l’inhibition motrice, dans le but d’évaluer la spécificité de cette intervention. Dans un premier temps, les connaissances relatives à la nosologie du TDAH, à ses principaux traitements, au NF et aux capacités d’inhibition chez l’enfant ayant un TDAH sont présentées (Chapitre 1). Ensuite, les études réalisées dans le cadre de cette thèse sont exposées. Dans l’étude initiale, la spécificité du NF est évaluée sur les capacités d’inhibition grâce à des mesures subjectives, soit des questionnaires de comportements complétés par les parents, ainsi que des mesures objectives, à savoir des tâches neuropsychologiques (Chapitre 2). Afin de préciser davantage les conséquences d’un entraînement à l’autorégulation d’ondes cérébrales, l’étude subséquente s’est intéressée à l’impact neurophysiologiques de l’amélioration des capacités d’inhibition, par le biais d’une étude en potentiels évoqués employant une tâche de performance continue de type Stop-signal (Chapitre 3). Les principaux résultats reflètent un recrutement sous optimal, avec une puissance statistique insuffisante pour réaliser des statistiques quantitatives de groupe. Néanmoins, l’appréciation des données selon une approche d’étude de cas multiples permet de mettre en évidence la présence d’une réponse placebo sur les capacités d’inhibition suite à un entraînement en NF. Finalement, les implications de la taille de l’échantillon, ainsi que les limites et les critiques de ces études sont discutées au Chapitre 4. / In recent years, there has been a lively interest in the use of neurofeedback (NF) as an alternative treatment to pharmacotherapy in pediatric Attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD). NF is defined as an operant conditioning procedure whereby an individual learns to self-regulate electrical brain activity. Yet, empirical studies supporting its practice are harshly criticized in the field of ADHD research due to systematic unspecific positive results associated to numerous methodological flaws. Studies presented in this dissertation aim at applying a randomized placebo-controlled clinical trial to the investigation of NF specific effects. In order to further establish treatment specificity, we trained the participants using a NF protocol characteristic to motor-inhibition functioning since it has repeatedly been described as the core deficit in ADHD. The fist part of this thesis comprises a brief review of knowledge concerning ADHD, principal treatments offered for this disorder, NF research in pediatric ADHD and inhibition abilities in these children (Chapter 1). Following are the two studies conducted as part of this dissertation. In the initial study, effects of NF training are investigated on inhibition capacities by means of behavior rating scales and neuropsychological tests (Chapter 2). With the aim of further defining the consequence of training to self-regulate ones brain activity, the subsequent study looks at the neurophysiologic impact of improving inhibition capacities with an event-related potential study using a Stop-signal continuous performance task (Chapter 3). The principal results reveal a non optimal recruitment, with insufficient statistical power, thus precluding quantitative group statistics. Nevertheless, appreciating the data from a multiple case study perspective enables to suggest that a placebo response could be at play following NF training, such as measured by improvements on inhibition capacities. Finally, the implications of such a small sample size, limits and critics of these studies are discussed in Chapter 4.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le neurofeedback (NF) suscite actuellement un vif intérêt dans la prise en charge du trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité (TDAH) chez l’enfant. Proposée comme méthode alternative à la médication par de nombreux cliniciens, notamment aux États-Unis, le NF est une intervention non-invasive de type électrophysiologique qui repose sur l’apprentissage par conditionnement opérant de l’autorégulation d’ondes cérébrales déviantes. Les études empiriques qui étayent cette pratique font toutefois l’objet de virulentes critiques de la part de spécialistes dans le domaine du TDAH en raison de résultats systématiquement positifs mais non spécifiques, auxquels s’ajoutent de nombreuses lacunes méthodologiques. Les travaux de cette thèse visent à appliquer une méthodologie stricte de type essai clinique contrôlé avec assignation aléatoire afin d’isoler les effets particuliers du NF, en appliquant un protocole d’entraînement propre au déficit primaire sous-tendant le TDAH, soit l’inhibition motrice, dans le but d’évaluer la spécificité de cette intervention. Dans un premier temps, les connaissances relatives à la nosologie du TDAH, à ses principaux traitements, au NF et aux capacités d’inhibition chez l’enfant ayant un TDAH sont présentées (Chapitre 1). Ensuite, les études réalisées dans le cadre de cette thèse sont exposées. Dans l’étude initiale, la spécificité du NF est évaluée sur les capacités d’inhibition grâce à des mesures subjectives, soit des questionnaires de comportements complétés par les parents, ainsi que des mesures objectives, à savoir des tâches neuropsychologiques (Chapitre 2). Afin de préciser davantage les conséquences d’un entraînement à l’autorégulation d’ondes cérébrales, l’étude subséquente s’est intéressée à l’impact neurophysiologiques de l’amélioration des capacités d’inhibition, par le biais d’une étude en potentiels évoqués employant une tâche de performance continue de type Stop-signal (Chapitre 3). Les principaux résultats reflètent un recrutement sous optimal, avec une puissance statistique insuffisante pour réaliser des statistiques quantitatives de groupe. Néanmoins, l’appréciation des données selon une approche d’étude de cas multiples permet de mettre en évidence la présence d’une réponse placebo sur les capacités d’inhibition suite à un entraînement en NF. Finalement, les implications de la taille de l’échantillon, ainsi que les limites et les critiques de ces études sont discutées au Chapitre 4. / In recent years, there has been a lively interest in the use of neurofeedback (NF) as an alternative treatment to pharmacotherapy in pediatric Attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD). NF is defined as an operant conditioning procedure whereby an individual learns to self-regulate electrical brain activity. Yet, empirical studies supporting its practice are harshly criticized in the field of ADHD research due to systematic unspecific positive results associated to numerous methodological flaws. Studies presented in this dissertation aim at applying a randomized placebo-controlled clinical trial to the investigation of NF specific effects. In order to further establish treatment specificity, we trained the participants using a NF protocol characteristic to motor-inhibition functioning since it has repeatedly been described as the core deficit in ADHD. The fist part of this thesis comprises a brief review of knowledge concerning ADHD, principal treatments offered for this disorder, NF research in pediatric ADHD and inhibition abilities in these children (Chapter 1). Following are the two studies conducted as part of this dissertation. In the initial study, effects of NF training are investigated on inhibition capacities by means of behavior rating scales and neuropsychological tests (Chapter 2). With the aim of further defining the consequence of training to self-regulate ones brain activity, the subsequent study looks at the neurophysiologic impact of improving inhibition capacities with an event-related potential study using a Stop-signal continuous performance task (Chapter 3). The principal results reveal a non optimal recruitment, with insufficient statistical power, thus precluding quantitative group statistics. Nevertheless, appreciating the data from a multiple case study perspective enables to suggest that a placebo response could be at play following NF training, such as measured by improvements on inhibition capacities. Finally, the implications of such a small sample size, limits and critics of these studies are discussed in Chapter 4.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal