Applications of multi-way analysis for characterizing paediatric electroencephalogram (EEG) recordings

This doctoral thesis outlines advances in multi-way analysis for characterizing electroencephalogram (EEG) recordings from a paediatric population, with the aim to describe new links between EEG data and changes in the brain. This entails establishing the validity of multi-way analysis as a framework for identifying developmental information at the individual and collective level. Multi-way analysis broadens matrix analysis to a multi-linear algebraic architecture to identify latent structural relationships in naturally occurring higher order (n-way) data, like EEG. We use the canonical polyadic decomposition (CPD) as a multi-way model to efficiently express the complex structures present in paediatric EEG recordings as unique combinations of low-rank matrices, offering new insights into child development. This multi-way CPD framework is explored for both typically developing (TD) children and children with potential developmental delays (DD), e.g. children who suffer from epilepsy or paediatric stroke. Resting-state EEG (rEEG) data serves as an intuitive starting point in analyzing paediatric EEG via multi-way analysis. Here, the CPD model probes the underlying relationships between the spatial, spectral and subject modes of several rEEG datasets. We demonstrate the CPD can reveal distinct population-level features in rEEG that reflect unique developmental traits in varying child populations. These development-affiliated profiles are evaluated with respect to capturing structures well-established in childhood EEG. The identified features are also interrogated for their predictive abilities in anticipating new subjects’ ages. Assessing simulations and real rEEG datasets of TD and DD children establishes the multi-way analysis framework as well suited for identifying developmental profiles from paediatric rEEG. We extend the multi-way analysis scheme to more complex EEG scenarios common in EEG rehabilitation technology, like brain-computer interfaces. We explore the feasibility of multi-way modelling for interventions where developmental changes often pose as barriers. The multi-way CPD model is expanded to include four modes- task, spatial, spectral and subject data, with non-negativity and orthogonality constraints imposed. We analyze a visual attention task that elucidates a steady-state visual evoked potential and present the advantages gained from the extended CPD model. Through direct multi-linear projection, we demonstrate that linear profiles of the CPD can be capitalized upon for rapid task classification sans individual subject classifier calibration. Incorporating concepts from the multi-way analysis scheme with child development measured by psychometric tests, we propose the Joint EEG Development Inference (JEDI) model for inferring development from paediatric EEG. We utilize a common EEG task (button-press) to establish a 4-way CPD model of paediatric EEG data. Structured data fusion of the CPD model and cognitive scores from psychometric evaluations then permits joint decomposition of the two datasets to identify common features associated with each representation of development. Use of grid search optimization and a fully cross-validated design supports the JEDI model as another technique for rapidly discerning the developmental status of a child via EEG. We then briefly turn our attention to associating child development as measured by psychometric tests to markers in the EEG using graph network properties. Using graph networks, we show how the functional connectivity can inform on potential developmental delays in very young epileptic children using routine, clinical rEEG measures. This establishes a potential tool complementary to the JEDI model for identifying and inferring links between the established psychometric evaluation of developing children and functional analysis of the EEG. Multi-way analysis of paediatric EEG data offers a new approach for handling the developmental status and profiles of children. The CPD model offers flexibility in terms of identifying development-related features, and can be integrated into EEG tasks common in rehabilitation paradigms. We aim for the multi-way framework and associated techniques pursued in this thesis to be integrated and adopted as a useful tool clinicians can use for characterizing paediatric development

The Biolinguistics of Autism: Emergent Perspectives

This contribution attempts to import the study of autism into the biolinguistics program by reviewing the current state of knowledge on its neurobiology, physiology and verbal phenotypes from a comparative vantage point. A closer look at alternative approaches to the primacy of social cognition impairments in autism spectrum disorders suggests fundamental differences in every aspect of language comprehension and production, suggesting productive directions of research in auditory and visual speech processing as well as executive control. Strong emphasis is put on the great heterogeneity of autism phenotypes, raising important caveats towards an all-or-nothing classification of autism. The study of autism brings interesting clues about the nature and evolution of language, in particular its ontological connections with musical and visual perception as well as executive functions and generativity. Success in this endeavor hinges upon expanding beyond the received wisdom of autism as a purely social disorder and favoring a “cognitive style” approach increasingly called for both inside and outside the autistic community

Characterisation of the Haemodynamic Response Function (HRF) in the neonatal brain using functional MRI

Background: Preterm birth is associated with a marked increase in the risk of later neurodevelopmental impairment. With the incidence rising, novel tools are needed to provide an improved understanding of the underlying pathology and better prognostic information. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) with Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) contrast has the potential to add greatly to the knowledge gained through traditional MRI techniques. However, it has been rarely used with neonatal subjects due to difficulties in application and inconsistent results. Central to this is uncertainity regarding the effects of early brain development on the Haemodynamic Response Function (HRF), knowledge of which is fundamental to fMRI methodology and analysis. Hypotheses: (1) Well localised and positive BOLD functional responses can be identified in the neonatal brain. (2) The morphology of the neonatal HRF differs significantly during early human development. (3) The application of an age-appropriate HRF will improve the identification of functional responses in neonatal fMRI studies. Methods: To test these hypotheses, a systematic fMRI study of neonatal subjects was carried out using a custom made somatosensory stimulus, and an adapted study design and analysis pipeline. The neonatal HRF was then characterised using an event related study design. The potential future application of the findings was then tested in a series of small experiments. Results: Well localised and positive BOLD functional responses were identified in neonatal subjects, with a maturational tendency towards an increasingly complex pattern of activation. A positive amplitude HRF was identified in neonatal subjects, with a maturational trend of a decreasing time-to-peak and increasing positive peak amplitude. Application of the empirical HRF significantly improved the precision of analysis in further fMRI studies. Conclusions: fMRI can be used to study functional activity in the neonatal brain, and may provide vital new information about both development and pathology

Recent Advances in Autism Spectrum Disorders

The pace of research on Autism Spectrum Disorders (ASD) has expanded exponentially in recent years. It is difficult for anyone to keep up with all developments. This book will assist the experienced and non-specialist reader to keep up with recent developments. The book opens with a focus on the evolutionary aspects of autism and then focuses on the public's attitude towards autism including the stigma issue. Then there is a focus on cortical modularity and electrophysiology followed by treatment issues including sensory, medical and community-based interventions. Finally, forensic issues are dealt with and the importance of the built environment is focused on. The book will be relevant to psychiatrists, psychologists, paediatricians, social workers, speech and language therapists, occupational therapists and care workers

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

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 für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. 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 Geräte 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/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre 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 für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte

Objectivation of Visual Perception

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 für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. 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 Geräte 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/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre 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 für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte