Non-invasive estimation of local field potentials for neuroprosthesis control

Recent experiments have shown the possibility of using the brain electrical activity to directly control the movement of robots or prosthetic devices in real time. Such neuroprostheses can be invasive or non-invasive, depending on how the brain signals are recorded. In principle, invasive approaches will provide a more natural and flexible control of neuroprostheses, but their use in humans is debatable given the inherent medical risks. Non-invasive approaches mainly use scalp electroencephalogram (EEG) signals and their main disadvantage is that these signals represent the noisy spatiotemporal overlapping of activity arising from very diverse brain regions, i.e., a single scalp electrode picks up and mixes the temporal activity of myriads of neurons at very different brain areas. In order to combine the benefits of both approaches, we propose to rely on the non-invasive estimation of local field potentials (LFP) in the whole human brain from the scalp measured EEG data using a recently developed inverse solution (ELECTRA) to the EEG inverse problem. The goal of a linear inverse procedure is to de-convolve or un-mix the scalp signals attributing to each brain area its own temporal activity. To illustrate the advantage of this approach we compare, using an identical set of spectral features, classification of rapid voluntary finger self-tapping with left and right hands based on scalp EEG and non-invasively estimated LFP on two subjects using a different number of electrode

Non-Invasive Estimation of Local Field Potentials for Neuroprosthesis Control

Recent experiments have shown the possibility to use the brain electrical activity to directly control the movement of robots or prosthetic devices in real time. Such neuroprostheses can be invasive or non-invasive, depending on how the brain signals are recorded. In principle, invasive approaches will provide a more natural and flexible control of neuroprostheses, but their use in humans is debatable given the inherent medical risks. Non-invasive approaches mainly use scalp electroencephalogram (EEG) signals and their main disadvantage is that these signals represent the noisy spatiotemporal overlapping of activity arising from very diverse brain regions; i.e., a single scalp electrode picks up and mixes the temporal activity of myriads of neurons at very different brain areas. In order to combine the benefits of both approaches, we propose to rely on the non-invasive estimation of local field potentials (LFP) in the whole human brain from the scalp measured EEG data using a recently developed inverse solution (ELECTRA) to the EEG inverse problem. The goal of a linear inverse procedure is to de-convolve or un-mix the scalp signals attributing to each brain area its own temporal activity. To illustrate the advantage of this approach we compare, using identical set of spectral features, classification of rapid voluntary finger self-tapping with left and right hands based on scalp EEG and non-invasively estimated LFP on two subjects using different number of electrodes

Combining brain-computer interfaces and assistive technologies: state-of-the-art and challenges

In recent years, new research has brought the field of EEG-based Brain-Computer Interfacing (BCI) out of its infancy and into a phase of relative maturity through many demonstrated prototypes such as brain-controlled wheelchairs, keyboards, and computer games. With this proof-of-concept phase in the past, the time is now ripe to focus on the development of practical BCI technologies that can be brought out of the lab and into real-world applications. In particular, we focus on the prospect of improving the lives of countless disabled individuals through a combination of BCI technology with existing assistive technologies (AT). In pursuit of more practical BCIs for use outside of the lab, in this paper, we identify four application areas where disabled individuals could greatly benefit from advancements in BCI technology, namely,“Communication and Control”, “Motor Substitution”, “Entertainment”, and “Motor Recovery”. We review the current state of the art and possible future developments, while discussing the main research issues in these four areas. In particular, we expect the most progress in the development of technologies such as hybrid BCI architectures, user-machine adaptation algorithms, the exploitation of users’ mental states for BCI reliability and confidence measures, the incorporation of principles in human-computer interaction (HCI) to improve BCI usability, and the development of novel BCI technology including better EEG devices

Moregrasp: Restoration of Upper Limb Function in Individuals with High Spinal Cord Injury by Multimodal Neuroprostheses for Interaction in Daily Activities

The aim of the MoreGrasp project is to develop a noninvasive, multimodal user interface including a brain-computer interface (BCI) for intuitive control of a grasp neuroprosthesis to support individuals with high spinal cord injury (SCI) in everyday activities. We describe the current state of the project, including the EEG system, preliminary results of natural movements decoding in people with SCI, the new electrode concept for the grasp neuroprosthesis, the shared control architecture behind the system and the implementation of a user-centered design

Closed-loop approaches for innovative neuroprostheses

The goal of this thesis is to study new ways to interact with the nervous system in case of damage or pathology. In particular, I focused my effort towards the development of innovative, closed-loop stimulation protocols in various scenarios: in vitro, ex vivo, in vivo

Bioelectronic medicines: a research roadmap

Realizing the vision of a new class of medicines based on modulating the electrical signalling patterns of the peripheral nervous system needs a firm research foundation. Here, an interdisciplinary community puts forward a research roadmap for the next 5 years

Electromyogram Interference Reduction In Neural Signal Recording Using Simple RC Compensation Circuits

Neuroprosthesis can partially restore lost motor functionalities of individuals such as bladder voiding using functional electrical stimulation (FES) techniques. FES involves applying pattern of electrical current pulses using implanted electrodes to trigger affected nerves that are damaged due to paralysis. A neural signal recorded using tripolar cuff electrodes is significantly contaminated due to the presence of EMG interference from the surrounding muscles. Conventional neural amplifiers are unable to remove such interferences and modifications to the design are required. The modification to the design of the Quasi-tripole (QT) amplifier is considered in this work to minimise the EMG interferences from neural signal recording. The analogy between this modified version of QT known as mQT and Wheatstone bridge claims to neutralise the EMG interference by adding compensation circuit to either end of the outer electrodes of the tripolar cuff and therefore balancing the bridge. In this work, we present simple 3 and 2 stage RC compensation circuits to minimise EMG interference in trying to balance the bridge in the neural frequency band of interest (500-10kHz). It is shown that simple RC compensation circuit in series reduces EMG interference only at the spot frequency rather than linearly in the entire frequency band of interest. However, two and three stages RC ladder compensation circuits mimicking electrode-electrolyte interface, can minimize the EMG interference linearly in the entire frequency band of interest, without requiring any readjustment to their components. The aim is to minimise EMG interference as close to null as possible. Invitro testing of about 20% imbalanced cuff electrode with proposed 3 and 2 stage RC ladder compensation circuits resulted in linear EMG interference reduction atleast by a factor of 6. On an average, this yielded an improvement of above 80% EMG minimisation, in contrast to above 90% observed in the optimisation results, when 1Ω transimpedance (EMG) was introduced into the setup. Further improvements to the setup and design can give more promising results in reliable neural signal recording for FES applications

EEG source analysis during circular rhythmic human arm movements

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Decoding arm movement trajectory from brain signals would allow motor impaired people to control an arm prosthetic. Studies show that we can estimate a vector that points in the direction of arm movements based on single motor neuron activity - the population vector. This type of recording requires the surgical insertion of electrodes in the cerebral cortex. Although such invasive recordings would offer high spatial resolution, noninvasive recording have the advantage of high temporal resolution and no need for surgery. Researchers have managed to decode movement properties from noninvasive brain signals with similar accuracy as from invasive recordings. But can we find a noninvasive analogous of the population vector, a vector that points in the direction of the arm movement? This was the motivation for this thesis. To approach this question we acquired EEG, EOG and kinematic data from 12 healthy subjects while they performed a rhythmic circular right arm movement. We analyzed the data in the time and frequency domains. In the time domain we explored mainly the data averaged over cycles. We found a pattern that looked as if the potentials in the scalp rotated with the arm. To better visualize this rotation, we fit one dipole per time-stamp in the averaged cycle data of each subject to describe the scalp’s potentials. The dipoles rotated along the cycle for all subjects, most of them in the same direction and plane of rotation, with exception for two subjects whose rotation was opposite and three subjects with a slightly different rotation plan. In the frequency domain, we used the Source Power Comodulation algorithm (SPoC), an algorithm that searches for components whose power correlates with a target variable, in our case, the arm kinematics. By applying this algorithm to 20-24 Hz band-pass filtered data, we found two components per subject, each calculated with different kinematic target variables. The results show components that when applied to the non band-pass filtered data, created signals whose power spectrum highly correlated with the given targets (the average of the absolute correlations being 85.5%). The physiological reason for both these phenomena is not entirely understood. To find the analogous of the population vector there is still a long way to go, and we hope this thesis was a first step towards it.O cérebro controla direta ou indiretamente todas as ações do corpo humano, entre elas o nosso movimento. O movimento é uma capacidade fundamental ao ser humano e, por essa mesma razão, indivíduos que sofram de incapacidades motoras têm uma redução considerável da sua qualidade de vida. Uma interface cérebro-computador (mais conhecida pelo seu nome em inglês brain-computer interface (BCI)) é um sistema que permite o controlo de dispositivos externos usando sinais cerebrais. Esta tecnologia é particularmente interessante para pessoas com incapacidade motora uma vez que não necessita de input físico e poderia ser usada para controlar uma neuroprótese ou um braço robótico. Existem várias estratégias que possibilitam o controlo destes sistemas, mas para o controlo de uma prótese do braço seria preferível usar uma estratégia natural, que não implicasse uma aprendizagem exaustiva por parte do utilizador. Para esse fim, é necessário descodificar vários parâmetros motores de acordo com a intenção do utilizador, como por exemplo, a direção do braço. A possibilidade de um dia conseguir descodificar sinais cerebrais para o controlo de dispositivos externos já começa a ganhar forma, mas ainda não é possível a um nível suficientemente eficaz. Usando métodos invasivos de aquisição de sinais cerebrais que requerem cirurgia para implantar elétrodos no córtex cerebral, Georgopoulos et al. conseguiram distinguir entre movimentos direcionais (em 8 direções num plano horizontal) em macacos. Nessas experiências criou o conceito de vetor de população (population vector) que é um vetor calculado a partir da atividade de neurónios motores que tem a particularidade de apontar na direção do movimento executado. Já no campo dos métodos de aquisição não-invasivos podemos destacar o eletroencefalograma (EEG) e o magnetoencefalograma (MEG) que adquirem sinais elétricos e magnéticos (respetivamente) com sensores colocados fora do crânio. Vários investigadores usaram estes métodos de aquisição para descodificar sinais cerebrais durante tarefas de movimento direcionais usando regressões lineares em sinais de baixa frequência, e modulações em frequência para sinais na gama dos 50-90 Hz (banda de frequência ϒ) e em frequência mais baixas para os 10-30 Hz (bandas de frequência α e β). Algo que ainda não foi estudado é a possibilidade de encontrar um análogo ao vetor população usando métodos não-invasivos. Este não teria os mesmos princípios do vetor de Georgopoulos, uma vez que nos é impossível inferir a atividade de neurónios singulares em métodos não-invasivos, mas teria o mesmo objetivo: apontar na direção do movimento executado. Para explorar este conceito realizámos aquisição de dados EEG, eletrooculograma (EOG) e dados cinéticos do braço direito de 12 sujeitos saudáveis, enquanto estes executavam um movimento rítmico, circular, no sentido dos ponteiros do relógio num plano vertical à sua frente. Durante a aquisição, os sujeitos focaram o seu olhar numa cruz mostrada através de um monitor colocado a sua frente, de forma a minimizar os movimentos oculares. Adicionalmente, uma divisória foi colocada perto do lado direito da face de cada sujeito impedindo os mesmos de observarem o seu braço enquanto realizavam o movimento requisitado, não obtendo assim qualquer feedback visual do seu membro superior. Os dados cinéticos foram adquiridos com um sensor Kinect para a Xbox 360 que ao longo da experiência localizou as junções do braço direito dos sujeitos. Os dados cinéticos foram filtrados com um passa-banda 0.3-0.8 Hz e, ao longo dos ciclos do braço, os pontos extremos do braço (i.e., os máximos e mínimos nas coordenadas vertical e horizontal) foram anotados nos dados para possibilitar a associação dos sinais cerebrais com a trajetória do braço em cada ciclo. Para cada sujeito os canais EEG ruidosos foram interpolados, os dados foram referenciados à média comum de todos os canais, e os sinais foram filtrados numa banda de frequência 0.25-100 Hz e com um filtro tapa banda nos 50 e nos 100 Hz, este último para rejeitar o ruído de fundo. Os sinais de EEG e EOG foram separados em épocas conforme a posição do braço, sendo que cada época passou então a consistir num ciclo do braço completo que começa no ponto mais alto da coordenada vertical. Cada época foi depois temporalmente distorcida para que todas tivessem a mesma duração. As épocas com artefactos foram rejeitadas da análise usando métodos automáticos de rejeição. Independent Component Analysis (ICA) foi utilizada para identificar e posteriormente rejeitar componentes independentes referentes a movimentos musculares e oculares. Por fim, os dados foram explorados em ambos os domínios de tempo e frequência. No domínio do tempo, estudámos mais especificamente a média das épocas de EEG e EOG durante os ciclos do braço. Uma vez que sinais não-invasivos são muito sujeitos a ruído, a média elimina artefactos singulares e acentua os sinais que aparecem constantemente nos dados. Os sinais do ciclo médio mostraram um padrão interessante para todos os sujeitos; um comportamento rotacional ao longo da rotação do braço direito. Para acompanhar a rotação dos potenciais, procurámos por um dipolo que descrevesse a distribuição topográfica a cada ponto do tempo. A rotação dos potenciais do EEG ao longo do ciclo médio foram verificados com a rotação da direção do dipolo ao longo do ciclo. A grande maioria dos sujeitos obteve um dipolo a rodar no mesmo sentido no mesmo plano (segundo a regra da mão direita, com um vetor de rotação a apontar para a zona frontal esquerda do cérebro). Cinco sujeitos foram a exceção, 2 desses cujo dipolo rodava no sentido contrário, e os restantes 3 sujeitos cujo dipolo rodava no mesmo sentido, mas num plano ligeiramente diferente. Em todos os sujeitos o dipolo ajustado rodava, de forma relativamente uniforme. No domínio da frequência, estudámos em particular a banda de frequência dos 20 aos 24 Hz. Escolheuse esta banda de frequência pois demonstrou os resultados mais interessantes e já tinha sido utilizada em estudos prévios. Usámos um algoritmo chamado SPoC (Source Power Comodulation) que encontra componentes de atividade cerebral cuja amplitude em frequência correlacione com uma variável alvo. Como variável alvo usámos os dados cinéticos do braço direito, e como input os dados cerebrais filtrados por um filtro passa-banda (20-24 Hz). Os resultados traduziram-se numa série de componentes cuja amplitude correlacionava ou anti-correlacionava com o movimento do braço, muitas delas com projecções topográficas consistentes com as áreas cerebrais motoras. Encontraram-se algumas semelhanças entre os padrões de ativação das componentes do SPoC dos vários sujeitos, ainda que os resultados variassem entre cada um. Ao projetar as componentes aos dados não-filtrados pelo passa-banda, verificamos que as modelações em frequência de facto correlacionam com as variáveis-alvo como esperado, com uma média da norma das correlações de todos os sujeitos a 85,5%. No domínio temporal, ainda que recorrendo à média de todos os ciclos (épocas), este é o primeiro estudo que demonstra de forma não-invasiva, a existência de um dipolo com comportamento rotacional ao longo da rotação do braço. Para o seu uso em tecnologias de BCI, é necessário encontrar o mesmo fenómeno em épocas únicas, tornando possível uma classificação em single-trial e em tempo real. No que toca aos resultados no domínio da frequência, a procura por componentes cuja fonte poderia estar envolvida na criação do movimento circular foi também bem-sucedida. Este estudo abriu portas para uma série de investigações futuras. Para trabalhos posteriores destaco a necessidade de uma análise estatística, de usar mais do que um dipolo para descrever a distribuição de potenciais no domínio temporal, de explorar os dados em cada movimento e não apenas a sua média, e de explorar paradigmas semelhantes durante o movimento do braço esquerdo. Os resultados desta tese serviram, portanto, como primeiro passo na direção de encontrar o análogo não-invasivo do vetor de população

Comparison of tri-polar concentric ring electrodes to disc electrodes for decoding real and imaginary finger movements, A

2019 Spring.Includes bibliographical references.The electroencephalogram (EEG) is broadly used for diagnosis of brain diseases and research of brain activities. Although the EEG provides a good temporal resolution, it suffers from poor spatial resolution due to the blurring effects of volume conduction and signal-to-noise ratio. Many efforts have been devoted to the development of novel methods that can increase the EEG spatial resolution. The surface Laplacian, which is the second derivative of the surface potential, has been applied to EEG to improve the spatial resolution. Tri-polar concentric ring electrodes (TCREs) have been shown to estimate the surface Laplacian automatically with better spatial resolution than conventional disc electrodes. The aim of this research is to study how well the TCREs can be used to acquire EEG signals to decode real and imaginary finger movements. These EEG signals will be then translated into finger movements commands. We also compare the feasibility of discriminating finger movements from one hand using EEG recorded from TCREs and conventional disc electrodes. Furthermore, we evaluated two movement-related features, temporal EEG data and spectral features, in discriminating individual finger from one hand using non-invasive EEG. To do so, movement-related potentials (MRPs) are measured and analyzed from four TCREs and conventional disc electrodes while 13 subjects performed either motor execution or motor imagery of individual finger movements. The tri-polar-EEG (tEEG) and conventional EEG (cEEG) were recorded from electrodes placed according to the 10-20 International Electrode Positioning System over the motor cortex. Our results show that the TCREs achieved higher spatial resolution than conventional disc electrodes. Moreover, the results show that signals from TCREs generated higher decoding accuracy compared to signals from conventional disc electrodes. The average decoding accuracy of five-class classification for all subjects was of 70.04 ± 7.68% when we used temporal EEG data as feature and classified it using Artificial Neural Networks (ANNs) classifier. In addition, the results show that the TCRE EEG (tEEG) provides approximately a four times enhancement in the signal-to-noise ratio (SNR) compared to disc electrode signals. We also evaluated the interdependency level between neighboring electrodes from tri-polar, disc, and disc with Hjorth's Laplacian method in time and frequency domains by calculating the mutual information (MI) and coherence. The MRP signals recorded with the TCRE system have significantly less mutual information (MI) between electrodes than the conventional disc electrode system and disc electrodes with Hjorth's Laplacian method. Also, the results show that the mean coherence between neighboring tri-polar electrodes was found to be significantly smaller than disc electrode and disc electrode with Hjorth's method, especially at higher frequencies. This lower coherence in the high frequency band between neighboring tri polar electrodes suggests that the TCREs may record a more localized neuronal activity. The successful decoding of finger movements can provide extra degrees of freedom to drive brain computer interface (BCI) applications, especially for neurorehabilitation

Prospects of brain–machine interfaces for space system control

The dream of controlling and guiding computer-based systems using human brain signals has slowly but steadily become a reality. The available technology allows real-time implementation of systems that measure neuronal activity, convert their signals, and translate their output for the purpose of controlling mechanical and electronic systems. This paper describes the state of the art of non-invasive brain-machine interfaces (BMIs) and critically investigates both the current technological limits and the future potential that BMIs have for space applications. We present an assessment of the advantages that BMIs can provide and justify the preferred candidate concepts for space applications together with a vision of future directions for their implementation. © 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved