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    Contribution du cortex prémoteur à la locomotion entravée chez le chat

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    La locomotion est une composante fondamentale de la vie animale : elle permet l’accĂšs continu aux ressources nĂ©cessaires Ă  la survie ainsi que l’évitement de pĂ©rils variĂ©s. Les milieux naturels comme anthropiques regorgent toutefois d’obstacles s’élevant contre notre progression. Pour l’humain et les autres mammifĂšres terrestres naviguant principalement par la vision, le franchissement efficace de ces obstacles repose critiquement sur la capacitĂ© de modifier proactivement le positionnement et la trajectoire des pas en fonction des informations visuelles extraites durant leur approche. Au niveau du systĂšme nerveux, cette capacitĂ© implique un processus complexe oĂč le traitement des signaux visuels reflĂ©tant les paramĂštres de l’obstacle spĂ©cifie un cours d’action sĂ©curisant son franchissement, lequel est ultimement exĂ©cutĂ© par des altĂ©rations prĂ©cises Ă  l’activitĂ© musculaire. Des Ă©tudes approfondies chez le chat, l’un des modĂšles animaux les plus dĂ©veloppĂ©s et investiguĂ©s vis-Ă -vis du contrĂŽle locomoteur, ont prĂ©sentement impliquĂ© deux structures corticales dans ce processus. Le cortex pariĂ©tal postĂ©rieur contribuerait ainsi Ă  dĂ©terminer la position relative de l’obstacle et le cortex moteur primaire serait central Ă  l’exĂ©cution des modifications de la dĂ©marche. Cependant, notre comprĂ©hension du substrat neural impliquĂ© dans la transformation sensorimotrice joignant ces deux Ă©tapes est extrĂȘmement limitĂ©e. Plusieurs lignes d’évidences, particuliĂšrement dĂ©rivĂ©es de travaux chez le primate investiguant le contrĂŽle des mouvements volontaires du bras, pointent cependant vers une contribution potentiellement majeure du cortex prĂ©moteur Ă  cette fonction. Cette thĂšse entreprend de dĂ©terminer directement la contribution prĂ©motrice aux modifications de la dĂ©marche. Deux Ă©tudes rapportent ainsi l’activitĂ© de neurones individuels enregistrĂ©s dans deux larges subdivisions du cortex prĂ©moteur, les aires 6iffu et 4delta, chez le chat Ă©veillĂ© accomplissant librement une tĂąche de nĂ©gociation d’obstacles sur tapis roulant. Ces Ă©tudes font Ă©tat de changements d’activitĂ© distincts d’une subdivision Ă  l’autre et corrĂ©lĂ©s Ă  des aspects spĂ©cifiques de la tĂąche, incluant des changements prĂ©paratoires liĂ©s Ă  l’approche finale de l’obstacle et d’autres liĂ©s Ă  une ou plusieurs Ă©tapes des ajustements locomoteurs sĂ©quentiels entourant sa nĂ©gociation. Une troisiĂšme Ă©tude investigue par microstimulation intracorticale la capacitĂ© des diffĂ©rentes subdivisions prĂ©motrices du chat Ă  modifier la dĂ©marche. Cette Ă©tude expose une variĂ©tĂ© de rĂ©ponses Ă©lectromyographiques complexes s’intĂ©grant en phase avec la marche, oĂč plusieurs subdivisions prĂ©sentent des signatures distinctes d’effets multi-membres contrastant avec l’influence focale du cortex moteur primaire. Chacune de ces trois Ă©tudes est finalement complĂ©mentĂ©e d’investigations par traçage rĂ©trograde de connexions anatomiques dĂ©cisives Ă  l’interprĂ©tation fonctionnelle des subdivisions investiguĂ©es. Ensemble, ces travaux soutiennent et prĂ©cisent une contribution centrale du cortex prĂ©moteur aux modifications de la dĂ©marche sous guidage visuel. D’une part, ils rapportent pour la premiĂšre fois que l’activitĂ© neuronale de multiples subdivisions du cortex prĂ©moteur reflĂšte diffĂ©rentes Ă©tapes de la planification locomotrice stipulant les altĂ©rations Ă  entreprendre Ă  l’approche d’un obstacle et durant son franchissement. D’autre part, ils rĂ©vĂšlent complĂ©mentairement que l’activation de ces subdivisions a le pouvoir d’influencer profondĂ©ment la marche. Les donnĂ©es collectĂ©es soulignent finalement plusieurs points de comparaison entre les aires prĂ©motrices du chat et du primate, suggĂ©rant un degrĂ© d’analogie fonctionnelle extensible Ă  la locomotion humaine.Locomotion is a fundamental component of animal life: it provides continuous access to the resources necessary for survival as well as the means to elude potential perils. However, both natural and built environments teem with obstacles impeding one’s progress. For humans and other terrestrial mammals navigating primarily through vision, efficiently negotiating these obstacles critically requires the capacity to proactively adapt the positioning and trajectory of each step on the basis of visual information extracted during their approach. In the nervous system, this capacity involves a complex process through which the integration of visual signals reflecting the parameters and location of an obstacle specifies a course of action to ensure its negotiation, Extensive studies in the cat, one of the most common models used to study the neural mechanisms involved in the control of locomotion, have currently implicated two cortical structures to this process. The posterior parietal cortex is suggested to contribute to the determination of the obstacle’s relative position (with respect to the body) while the primary motor cortex is central to the execution of the gait modifications. However, our comprehension of the neural substrate implicated in the sensorimotor transformation linking these defined stages is extremely limited. Several lines of evidence, predominantly derived from work in the primate investigating the voluntary control of arm movements, nonetheless point towards a potentially major contribution of the premotor cortex to this function. This thesis sets out to directly determine the premotor contribution to the control of gait modifications. Two studies report the activity of individual neurons recorded in two large subdivisions of premotor cortex, areas 6iffu and 4delta, in awake cats freely performing an obstacle negotiation task on treadmill. These studies describe distinct changes in activity across subdivisions that correlate with specific aspects of the task, including preparatory changes related to the final approach of the obstacle and others related to one or more stages of the sequential locomotor adjustments surrounding its negotiation. A third study used intracortical microstimulation to investigate the capacity of different premotor subdivisions of the cat to modify gait. This study reveals a variety of complex electromyographic responses that are integrated into the gait cycle. Moreover, several subdivisions show distinct signatures of multi-limb effects that contrast with the focal influence of the primary motor cortex. Each of these three studies is finally complemented by retrograde tracing investigations of anatomical connections critical to the functional interpretation of the subdivisions examined. Together, these studies support and clarify a central contribution of the premotor cortex to the modification of gait under visual guidance. We report for the first time that the neural activity of multiple subdivisions of the premotor cortex reflects different stages of the locomotor plan specifying the gait alterations to perform during the approach and crossing of an obstacle. In addition, we reveal that activation of these subdivisions has the power to profoundly influence walking. The data collected finally highlight several points of comparison between the premotor areas of the cat and the primate, suggesting a degree of functional analogy extensible to human locomotion

    Earables: Wearable Computing on the Ears

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    Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private AudiokanĂ€le anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme wĂ€hrend dem Pendeln oder zum freihĂ€ndigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primĂ€ren Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stĂ€rker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese GerĂ€te sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die FunktionalitĂ€t von Kopfhörern zu erweitern. Die rĂ€umliche NĂ€he von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform fĂŒr die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und AktivitĂ€ten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollstĂ€ndig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche SensorikansĂ€tze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugĂ€nglichen PhĂ€nomenen ermöglichen. Durch die EinfĂŒhrung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher FĂ€higkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage fĂŒr die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-PhĂ€nomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und AktivitĂ€t, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesĂŒnderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. DarĂŒber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher AktivitĂ€tserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige AnsĂ€tze. DarĂŒber hinaus wird ein Regressionsmodell eingefĂŒhrt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten fĂŒr Forschung, welche sich nahtlos in das tĂ€gliche Leben integrieren lĂ€sst und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lĂ€sst, um neuartige PhĂ€nomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusĂ€tzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihĂ€ndige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mĂŒndet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform fĂŒr Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die fĂŒr verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die EinstiegshĂŒrden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trĂ€gt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. DarĂŒber hinaus trĂ€gt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen fĂŒr Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die LĂŒcke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. DarĂŒber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten GerĂ€te zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher SensorfĂ€higkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und AktivitĂ€ten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen FĂ€higkeiten wird somit zunehmend realer

    Experiential Perspectives on Sound and Music for Virtual Reality Technologies

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    This thesis examines the intersection of sound, music, and virtuality within current and next-generation virtual reality technologies, with a specific focus on exploring the experiential perspectives of users and participants within virtual experiences. The first half of the thesis constructs a new theoretical model for examining intersections of sound and virtual experience. In Chapter 1, a new framework for virtual experience is constructed consisting of three key elements: virtual hardware (e.g., displays, speakers); virtual software (e.g., rules and systems of interaction); and virtual externalities (i.e., physical spaces used for engaging in virtual experiences). Through using and applying this new model, methodical examinations of complex virtual experiences are possible. Chapter 2 examines the second axis of the thesis through constructing an understanding of how sound is designed, implemented, and received within virtual reality. The concept of soundscapes is explored in the context of experiential perspectives, serving as a useful approach for describing received auditory phenomena. Auditory environments are proposed as a new model for exploring how auditory phenomena can be broadcast to audiences. Chapter 3 explores how inauthenticity within sound can impact users in virtual experience and uses authenticity to critically examine challenges surrounding sound in virtual reality. Constructions of authenticity in music performance are used to illustrate how authenticity is constructed within virtual experience. Chapter 4 integrates music into the understanding of auditory phenomena constructed throughout the thesis: music is rarely part of the created world in a virtual experience. Rather, it is typically something which only the audience – as external observers of the created world – can hear. Therefore, music within immersive virtual reality may be challenging as the audience is placed within the created world.The second half of this thesis uses this theoretical model to consider contemporary and future approaches to virtual experiences. Chapter 5 constructs a series of case studies to demonstrate the use of the framework as a trans-medial and intra/inter-contextual tool of analysis. Through use of the framework, varying approaches to implementation of sound and music in virtual reality technologies are considered, which reveals trans-medial commonalities of immersion and engagement with virtual experiences through sound. Chapter 6 examines near-future technologies, including brain-computer interfaces and other full-immersion technologies, to identify key issues in the design and implementation of future virtual experiences and suggest how interdisciplinary collaboration may help to develop solutions to these issues. Chapter 7 considers how the proposed model for virtuality might allow for methodical examination of similar issues within other fields, such as acoustics and architecture, and examines the ethical considerations that may become relevant as virtual technology develops within the 21st Century.This research explores and rationalises theoretical models of virtuality and sound. This permits designers and developers to improve the implementation of sound and music in virtual experiences for the purpose of improving user outcomes.<br/

    Social convergence in times of spatial distancing: The rRole of music during the COVID-19 Pandemic

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    Applied Cognitive Sciences

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    Cognitive science is an interdisciplinary field in the study of the mind and intelligence. The term cognition refers to a variety of mental processes, including perception, problem solving, learning, decision making, language use, and emotional experience. The basis of the cognitive sciences is the contribution of philosophy and computing to the study of cognition. Computing is very important in the study of cognition because computer-aided research helps to develop mental processes, and computers are used to test scientific hypotheses about mental organization and functioning. This book provides a platform for reviewing these disciplines and presenting cognitive research as a separate discipline

    Influence of sensorimotor ” rhythm phase and power on motor cortex excitability and plasticity induction, assessed with EEG-triggered TMS

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    In dieser Arbeit werden zwei Experimente vorgestellt, bei denen EEG-getriggerte transkranielle Magnetstimulation (TMS) an gesunden Probanden eingesetzt wurde, um die Rolle des sensomotorischen 8-14Hz ”-Rhythmus auf die kortikospinale Erregbarkeit (CSE) und die Induktion positiver PlastizitĂ€t zu untersuchen. Unser Ziel war es, fĂŒr PlastizitĂ€tsinduktion gĂŒnstige Zeitpunkte im EEG zu identifizieren, um in Zukunft die EffektivitĂ€t solcher zurzeit oft noch unzuverlĂ€ssigen Anwendungen zu steigern. Unser EEG-TMS System interpretierte Oszillationen im EEG in Echtzeit und löste einen Stimulus aus, wenn bestimmte, vorher festgelegte Eigenschaften zutrafen. Die ‘Gehirnwellen’ im EEG entstehen durch synchronisierte Fluktuationen des Membranpotentials kortikaler Neurone, welche aufgrund ihrer intrakortikalen Kommunikationsfunktion wertvolle Informationen ĂŒber neuronale Erregbarkeit vermitteln. Im Gegensatz zu “open-loop” TMS ermöglicht EEG-TMS nicht nur eine prĂ€zisere Erforschung der Funktion von Gehirnwellen, sondern auch die Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse in effizientere therapeutische Anwendungen. Speziell Oszillationen im Alpha-Frequenzbereich (8-14Hz) spielen eine bedeutsame Rolle, indem sie den Informationsfluss im Gehirn durch Hemmung aktuell irrelevanter Areale steuern, und zwar laut einer fĂŒhrenden Theorie als “asymmetrisch gepulste Inhibition” mit einem Maximum der Hemmung wĂ€hrend der Hochpunkte (“Peaks”) und wĂ€hrend hoher “Power” (∌ Amplitude). Der “”-Rhythmus”, Wellen in alpha-Frequenz ĂŒber dem sensomotorischen Kortex, scheint fĂŒr diese Areale eine analoge Rolle wie das okzipitale Alpha fĂŒr den visuellen Kortex zu spielen. Die CSE lĂ€sst sich durch die Amplitude der ausgelösten kontralateralen Muskelzuckungen (MEPs im EMG) quantifizieren. Im Vorexperiment erforschten wir den Einfluss der Power der ”-Wellen auf die CSE. 16 Teilnehmer wurden in einer Sitzung mit Einzelpuls-TMS des linken M1 stimuliert. Die Pulse wurden durch die momentane Power ausgelöst, 10 Dezile des individuellen ”-Powerspektrums wurden in pseudorandomisierter Reihenfolge angesteuert, verteilt auf 4 Stimulationsblöcke. Nach BerĂŒcksichtigung der “Inter-Trial-Intervalle” (ITIs, bekannter “Confounder”) und Normalisierung pro Block zeigten unsere Daten eine schwache positiv-lineare Korrelation zwischen ” Power und MEP-Amplitude, welche somit im Widerspruch zur angenommenen hemmenden Wirkung von ” steht, aber mittlerweile in mehreren anderen Studien repliziert wurde. Diese Diskrepanz kann z.B. durch eine tatsĂ€chlich fazilitatorische Wirkung erklĂ€rt werden, oder auch durch eine anatomisch dem sensorischen Kortex (S1) zuzuordnende Quelle der angesteuerten ”-Wellen, was ĂŒber hem- 83mende Interneurone von S1 auf M1 zu einer ‘Vorzeichenumkehrung’ der Effektrichtung fĂŒhren könnte. Weiterhin wird eine AbhĂ€ngigkeit der ‘erregbarsten’ Power-Werte von der StimulusstĂ€rke diskutiert. Im Hauptexperiment sollte mit ‘paarig-assoziativer Stimulation’ (PAS) (intervallsensitive Kombination von Elektrostimulation des rechten Nervus medianus mit TMS des linken M1) positive PlastizitĂ€t (die Intervention ĂŒberdauernde StĂ€rkung von Synapsen) induziert werden. Dem ging ein umfangreiches “Screening” zur Identifikation geeigneter Probanden mit ausgeprĂ€gtem ”-Rhythmus (fĂŒr prĂ€zise EEGTriggerung) voraus. Letztlich absolvierten 16 Teilnehmer je 4 Sitzungen (eine pro Trigger-Bedingung). Unsere Hypothese war hierbei, mehr PlastizitĂ€t nach Stimulation wĂ€hrend der Tiefpunkte (“Troughs”) als wĂ€hrend der Peaks zu erzielen, also mehr synaptische ‘Formbarkeit’ wĂ€hrend höherer Erregbarkeit. In Anbetracht der schwachen Ergebnisse des Vorexperiments sowie einer widersprĂŒchlichen Beweislage bezĂŒglich einer fazilitatorischen oder inhibitorischen Funktion wurden hohe und niedrige Power nicht explizit miteinander verglichen. TMS wĂ€hrend PAS wurde durch (1) ”-Peaks, (2) ”-Troughs, (3) mittlere ”-Power und (4) open-loop getriggert. (3) und (4) dienten jeweils als Kontrollbedingung. PAS konnte, unabhĂ€ngig von der EEG-Bedingung, keine signifikante VerĂ€nderung der MEP-Amplituden vom Ausgangswert hervorrufen. Die fehlende Wirkung könnte durch intra- und interindividuelle Schwankungen gewisser Parameter zwischen den Sitzungen erklĂ€rt werden (z.B. MEP-Ausgangswerte, absolute ”-Power wĂ€hrend PAS), die sich jedoch nicht als systematische Confounder zwischen EEG-Bedingungen herausstellten. Die, im Gegensatz zu open-loop-Studien, schwankenden ITIs wĂ€hrend der PAS könnten die Wirkung ebenfalls beeintrĂ€chtigt haben. Weiterhin waren zwei verschiedene Kortexareale (S1 und M1) am Protokoll beteiligt, was die Identifikation einer relevanten EEG-Eigenschaft erschwerte. GegenwĂ€rtig rufen PlastizitĂ€ts-induzierende TMS-Protokolle in der Forschung und in Studien mit Schlaganfallpatienten schwankende und zeitlich begrenzte Wirkungen hervor. Durch EEG-Triggerung und / oder die Kombination mit klassischer Physiotherapie könnte eine verbesserte EffektivitĂ€t und somit eine routinemĂ€ĂŸige Anwendung erreicht werden. Trotz unserer negativen Ergebnisse bleibt EEG-getriggerte TMS ein vielversprechendes Instrument in Forschung und Klinik.This thesis presents two experiments employing real-time EEG-triggered transcranial magnetic stimulation (TMS) on healthy volunteers to investigate the role of sensorimotor 8-14Hz ” rhythm in EEG at rest on corticospinal excitability and induction of positive plasticity. We intended to identify brain states favorable to induction of positive plasticity to inform development of more efficient TMS protocols for clinical application e.g. in stroke patients. Applying TMS triggered by pre-determined EEG brain states in real time (opposed to open-loop TMS with post-hoc trial sorting) offers not only more precise research into the role of certain brain waves, but also translation into more efficient therapies. The membrane potential of superficial cortical neurons fluctuates rhythmically, visible as oscillations in surface EEG. Different brain areas seem to communicate through these synchronized fluctuations. ‘Brain waves’ therefore convey valuable information about the excitability of said areas. Oscillations in the alpha frequency range (8-14Hz) play a crucial role in this, gating information by inhibiting brain areas irrelevant to the current task. According to an influential hypothesis, this function is exerted as an ‘asymmetric pulsed inhibition’, with a maximum of inhibition during the peaks and during high alpha power (∌ amplitude). Sensorimotor alpha frequency waves (” rhythm) play a similar role as the well-researched occipital alpha does for the visual cortex. The primary motor cortex (M1) provides a quantifiable measure of (corticospinal) excitability, the amplitude of TMS-elicited contralateral muscle twitches (appearing as MEPs in the EMG). The first experiment investigated the role of ” power for M1 excitability. 16 participants underwent one session of single-pulse TMS of the left M1, triggered by overall 10 individual power deciles in pseudorandomized order, partitioned into 4 ‘blocks’ of stimulation over time. The data revealed, after stratification for confounding inter-trial-intervals (ITIs) and normalization to block average, a weak positive linear relationship contrary to the proposed inhibitory role of ”, which has however since been replicated several times in other studies. This discrepancy can be explained e.g. by an in fact facilitatory nature of ”, by a postcentral and thus sensory cortical (S1) source of the targeted oscillations, reversing the inhibitory effect in sign to a facilitatory one through S1-to-M1 feedforward inhibition, or by a shift of most excitable power values dependent on stimulus strength. For the main experiment, we applied a paired associative stimulation (PAS) pro- 81tocol intended to induce positive plasticity (strengthening of synaptic connection outlasting the intervention), combining electrical stimulation of the right median nerve at the wrist with a TMS of the left M1 in a temporally sensitive manner. After an extensive screening to pre-select suitable subjects with a sufficiently strong ” rhythm (to ensure accurate performance of the real-time EEG targeting), 16 participants completed 4 sessions (one condition each). We expected to induce more positive plasticity during more excitable brain states, i.e., ” troughs rather than ” peaks. In light of our findings on ” power from the first experiment (weak influence as compared to ITIs and intrinsic variability over time) and overall contradictory evidence as to its (facilitatory versus inhibitory) role, high vs. low power were not explicitly compared. TMS during PAS was applied at (1) ” peaks, (2) ” troughs, (3) at medium ” powers and (4) open-loop. (3) and (4) both served as controls. The intervention failed to evoke a significant change in MEP amplitudes from baseline irrespective of condition. Possible explanations can be found in the intra- and interindividual variability of decisive parameters across sessions (e.g. baseline amplitudes and absolute ” powers during PAS), which however did not significantly depend on the targeted condition and were thus not true confounders. The number of sessions might still have introduced a further measure of variability. Varying PAS ITIs (due to EEG-triggering) could have also impeded plasticity induction, and the involvement of two cortical regions (S1 and M1) might have complicated the identification of one relevant brain state. Currently, plasticity-inducing TMS protocols in research and clinical trials evoke variable and transient effects. Improvements to enable routine application might come from EEG-triggering and/or combining with traditional motor training (physiotherapy). Regardless of our nil results in plasticity induction, EEG-triggered TMS remains a promising instrument in research and therapy

    Stinging the Predators: A collection of papers that should never have been published

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    This ebook collects academic papers and conference abstracts that were meant to be so terrible that nobody in their right mind would publish them. All were submitted to journals and conferences to expose weak or non-existent peer review and other exploitative practices. Each paper has a brief introduction. Short essays round out the collection

    An Objectivation of Visual Perception using Virtual Reality, Brain-Computer Interfaces and Deep Learning

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    Der Sehsinn ermöglicht eine detailgenaue Wahrnehmung der Welt. Virtual Reality (VR), Brain-Computer Interfaces (BCI) und Deep Learning sind neue Technologien, die uns hierbei neue Möglichkeiten fĂŒr die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System fĂŒr die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch HinzufĂŒgen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von GesichtsfeldausfĂ€llen ermöglicht. FĂŒr ein besseres VerstĂ€ndnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingefĂŒhrt. Innerhalb des Modells werden Schnittstellen zwischen der biologisch-realen und der technologisch-virtuellen Welt evaluiert. Besteht heutzutage bei einem Patienten der Verdacht auf einen Gesichtsfeldausfall (Skotom), so werden ophthalmologische GerĂ€te wie das Perimeter zur Ausmessung des Gesichtsfeldes eingesetzt. Das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren liegt dem subjektiven Feedback des Patienten zugrunde. Entsprechend können Lerneffekte beim Patienten das Ergebnis nicht unwesentlich beeinflussen. Um diese Problematiken zu umgehen, wurde in dieser Dissertation ein objektives Perimetriesystem auf Basis von VR, BCI und Deep Learning erfolgreich implementiert und evaluiert. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems ist die Möglichkeit zur Einsetzung bei Menschen mit Schwerbehinderung, Kindern und Tieren. Der Lösungsansatz dieser Dissertation ist die Simulation (pathologischer/eingeschrĂ€nkter) SehzustĂ€nde. HierfĂŒr wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle GlaukomverlĂ€ufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des UniversitĂ€tsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum VerstĂ€ndnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefĂŒgt. Erzeugte stationĂ€re visuelle Stimuli wurden hierbei eingesetzt, um (simulierte) Sehfehler durch ein Elektroenzephalographie (EEG)-basiertes BCI zu erkennen. Das System wurde in einer internationalen Laborstudie (\textit{N}=15) in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology getestet und validiert. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass das System fĂŒr die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, wĂ€hrend es fĂŒr periphere Positionen aufgrund der TechnologiesensitivitĂ€t zu EinschrĂ€nkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System fĂŒr Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit fĂŒr einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformĂŒbergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-VerhĂ€ltnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwĂŒnschten RĂŒckstĂ€nde im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein fĂŒr ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit EinschrĂ€nkungen zum Einsatz kommen könnte

    Multi-Sensory Interaction for Blind and Visually Impaired People

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    This book conveyed the visual elements of artwork to the visually impaired through various sensory elements to open a new perspective for appreciating visual artwork. In addition, the technique of expressing a color code by integrating patterns, temperatures, scents, music, and vibrations was explored, and future research topics were presented. A holistic experience using multi-sensory interaction acquired by people with visual impairment was provided to convey the meaning and contents of the work through rich multi-sensory appreciation. A method that allows people with visual impairments to engage in artwork using a variety of senses, including touch, temperature, tactile pattern, and sound, helps them to appreciate artwork at a deeper level than can be achieved with hearing or touch alone. The development of such art appreciation aids for the visually impaired will ultimately improve their cultural enjoyment and strengthen their access to culture and the arts. The development of this new concept aids ultimately expands opportunities for the non-visually impaired as well as the visually impaired to enjoy works of art and breaks down the boundaries between the disabled and the non-disabled in the field of culture and arts through continuous efforts to enhance accessibility. In addition, the developed multi-sensory expression and delivery tool can be used as an educational tool to increase product and artwork accessibility and usability through multi-modal interaction. Training the multi-sensory experiences introduced in this book may lead to more vivid visual imageries or seeing with the mind’s eye
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