A robust brain pattern for brain-based authentication methods using deep breath

Security authentication involves the process of verifying a person's identity. Authentication technology has played a crucial role in data security for many years. However, existing typical biometric authentication technologies exhibit limitations related to usability, time efficiency, and notably, the long-term viability of the method. Recent technological advancements have led to the development of specific devices capable of reproducing human biometrics due to their visibility and tactile nature. Consequently, there is a demand for a new biometric method to address the limitations of current authentication systems. Human brain signals have been utilized in various Brain-Computer Interface (BCI) applications. Nevertheless, this approach also faces challenges related to usability, time efficiency, and most importantly, the stability of the method over time. Studies reveal that the stability of brain patterns poses a significant challenge in EEG-based authentication techniques. Stability refers to the capacity to withstand changes or disruptions, while permanency implies a lasting and unchanging state. Notably, stability can be temporary and subject to fluctuations, whereas permanency suggests a more enduring condition. Research demonstrates that utilizing alpha brainwaves is a superior option for authentication compared to other brainwave types. Many brain states lack stability in different situations. Interestingly, deep breathing can enhance alpha waves irrespective of the brain's current state. To explore the potential of utilizing deep breathing as a security pattern for authentication purposes, an experiment was conducted to investigate its effects on brain activity and its role in enhancing alpha brainwaves. By focusing on bolstering the permanency of brain patterns, our aim is to address the challenges associated with stability in EEG-based authentication techniques. The experimental results exhibited a high success rate of 91 % and 90 % for Support Vector Machine and Neural Network classifiers, respectively. These results suggest that deep breathing not only enhances permanency but could also serve as a suitable option for a brainwave-based authentication method

Eine EEG-Studie zu der Verarbeitung von Kinder- und Erwachsenengesichtern bei Jugendlichen mit sexueller Präferenz für das kindliche Körperschema

Although juveniles with a sexual preference for the childlike body scheme (PP) are at greater risk of committing child sexual offending (CSO) than adolescents without this sexual preference, they have been underrepresented in research so far. In particular, aberrant neural processes have been uncovered in adults with pedophiliac interest, but it is not known whether this is also the case for PP. In this study, attractiveness ratings and electroencephalographic data were obtained for a passive face viewing task, in which pictures of adult and child faces with neutral, happy, and angry facial expressions were presented. Data of 25 male PP and 22 male juveniles with age-adequate sexual preference (AA) were included. Event-related potentials were analyzed in the framework of early and late neural face processing stages and a source analysis was conducted. PP showed different attractiveness ratings compared to AA. While AA rated adult faces as more attractive compared to child faces, there was no significant difference in attractiveness ratings for child vs. adult faces in PP. At the neural level, there was no difference of neural responsiveness between both groups for early processing stages (102-122 ms, i.e., the time window of the P1 component) as both groups showed elevated responses to adult vs. child faces. The activity appeared to be evoked mainly in the occipital cortex. However, there was a late frontal negativity (340-426 ms) which was stronger for child compared to adult faces only in PP, whereas no amplitude difference between child and adult faces was observed in AA. Source level analysis suggested an involvement of primary and higher-order visual areas for this late negativity in both groups. The findings of this study support the assumption that enhanced attentional capture for child faces within PP is reflected by increased neural responsiveness for later face processing stages. Hence, the basic understanding of neural face processing within PP and the influence of sexual age preferences could be improved. The results of this study should be replicated and validated in a larger study sample. This would furthermore help to evaluate whether this neurophysiological approach to examining sexual responsiveness to childlike body schemes in juveniles could also be used as a supplementary tool in diagnostic assessments.Obwohl Jugendliche mit einer sexuellen Präferenz für das kindliche Körperschema (PP) einem höheren Risiko ausgesetzt sind, sexualisierte Gewalt gegen Kinder (CSO, im Englischen child sexual offending) auszuüben als Jugendliche ohne diese sexuelle Präferenz, sind sie in der Forschung bisher unterrepräsentiert. Insbesondere ist unbekannt, ob von der Norm abweichende neuronale Verarbeitungsschritte, die bei Erwachsenen mit pädophilem Interesse gefunden wurden, auch bei PP nachweisbar sind. In dieser Studie wurden Attraktivitätsratings und elektroenzephalografische Daten für ein passives Gesichter-Paradigma erhoben, welches aus Kinder- und Erwachsenengesichtern mit neutralen, glücklichen und ärgerlichen Gesichtsausdrücken bestand. Die Daten 25 männlicher PP und 22 männlicher Jugendliche mit altersentsprechender sexueller Präferenz (AA) wurden ausgewertet. Ereigniskorrelierte Potenziale wurden in der frühen und späten Phase der neuronalen Gesichterverarbeitung analysiert und ebenso wurde eine Quellenanalyse durchgeführt. Die PP zeigten divergierende Attraktivitätsbewertungen im Vergleich zu den AA. Während die AA Erwachsenengesichter attraktiver als Kindergesichter bewerteten, gab es bei den PP keinen signifikanten Unterschied im Attraktivitätsrating der Kinder- und Erwachsenengesichter. Auf neuronaler Ebene wurde in der frühen Verarbeitungsphase (102-122 ms, entsprechend dem Zeitfenster der P1) kein Unterschied zwischen beiden Gruppen deutlich, da für beide Gruppen erhöhte neuronale Antworten auf Erwachsenen- im Vergleich zu Kindergesichtern ermittelt wurden. Die Aktivität schien vor allem im okzipitalen Kortex hervorgerufen worden zu sein. Jedoch gab es eine späte frontale Negativität (340-426 ms), die ausschließlich bei den PP stärker für Kinder- im Vergleich zu Erwachsenengesichtern war, während bei den AA kein Amplitudenunterschied zwischen Kinder- und Erwachsenengesichtern beobachtet wurde. Die Quellenanalyse legte für diese späte Negativität eine Beteiligung primärer und höherer visueller Kortizes in beiden Gruppen nahe. Die Ergebnisse dieser Studie lassen vermuten, dass die Betrachtung von Kindergesichtern bei PP verstärkte Aufmerksamkeit generiert und sich dies auf neuronaler Ebene in stärkeren Antworten der späteren Gesichterverarbeitung widerspiegelt. Damit konnte das grundlegende Verständnis der neuronalen Gesichterverarbeitung und deren Modulation durch sexuelle Alterspräferenzen bei PP erweitert werden. Diese Befunde sollten mit größeren Stichproben repliziert und validiert werden, auch um die Eignung dieses neurophysiologischen Ansatzes als Ergänzung für die Diagnostik der sexuellen Ansprechbarkeit auf das kindliche Körperschema bei Jugendlichen zu evaluieren

Learning EEG Biometrics for Person Identification and Authentication

EEG provides appealing biometrics by presenting some unique attributes, not possessed by common biometric modalities like fingerprints, retina and face scan, in terms of robustness against forgery, secrecy and privacy compliance, aliveness detection and potential of continuous authentication. Meanwhile, the use of EEG to provide cognitive indicators for human workload, fatigue and emotions has created an environment where EEG is well-integrated into systems, making it readily available for biometrics purposes. Yet, still, many challenges need to be properly addressed before any actual deployment of EEG-based biometric systems in real-life scenarios: 1) subjects' inconvenience during the signal acquisition process, 2) the relatively low recognition rates, and 3) the lack of robustness against diverse human states. To address the aforementioned issues, this thesis is devoted to learn biometric traits from EEG signals for stable person identification and authentication. State of the art studies of EEG biometrics are mainly divided into two categories, the event-related potential (ERP) category, which relies on a tight control of the cognitive states of the subjects, and the ongoing EEG category, which uses continuous EEG signals (mainly in resting state) naturally produced by the brain without any particular sensory stimulation. Studies in the ERP category focus more on the design of proper signal elicitation protocols or paradigms which usually require repetitive sensory stimulation. Ongoing EEG, on the contrary, is more flexible in terms of signal acquisition, but needs more advanced computational methods for feature extraction and classification. This study focuses on EEG biometrics using ongoing signals in diverse states. Such a flexible system could lead to an effective deployment in the real world. Specifically, this work focuses on ongoing EEG signals under diverse human states without strict task-specific controls in terms of brain response elicitation during signal acquisition. This is in contrast to previous studies that rely on specific sensory stimulation and synthetic cognitive tasks to tightly control the cognitive state of the subject being reflected in the resulting EEG activity, or to use resting state EEG signals. The relaxation of the reliance of the user's cognitive state makes the signal acquisition process streamlined, which in turn facilitates the actual deployment of the EEG biometrics system. Furthermore, not relying on sensory stimulation and cognitive tasks also allows for flexible and unobtrusive biometric systems that work in the background without interrupting the users, which is especially important in continuous scenarios. However, relaxing the system's reliance on the human state also means losing control of the EEG activity produced. As a result, EEG signals captured from the scalp may be contaminated by the active involvement of the tasks and cognitive states such as workload and emotion. Therefore, it becomes a challenge to learn identity-bearing information from the complicated signals to support high stability EEG biometrics. Possible solutions are proposed and investigated from two main perspectives, feature extraction and pattern classification. Specifically, graph features and learning models are proposed based on the brain connectivity, graph theory, and deep learning algorithms. A comprehensive investigation is conducted to assess the performance of proposed methods and existing methods in biometric identification and authentication, including in continuous scenarios. The methods and experiments are reported and detailed in the corresponding chapters, with the results obtained from data analysis

Niedrig-frequente repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) über Vertex in der Migräneprophylaxe

Das Krankheitsbild der Migräne hat mit 5-12 % Betroffenen weltweit eine enorme sozioökonomische Bedeutung. Da die verfügbaren Schmerzmittel und Prophylaktika zum Teil von sehr starken Nebenwirkungen begleitet werden, ist es sinnvoll nicht-medikamentöse Therapiealternativen zu erforschen. Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) stellt seit Ende der 1980er Jahre ein Verfahren zur Nervenstimulation dar, mit dem es ermöglicht wird, kortikale Strukturen über einen nicht-invasiven Weg zu reizen. Im Lauf der Jahre gewann die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) an Bedeutung, wobei mindestens drei oder mehr Einzelimpulse mit der gleichen Frequenz nacheinander abgegeben werden können. Hoch-frequente rTMS über 5 Hertz führt zu einer Erhöhung und nieder-frequente rTMS unter bzw. von 1 Hertz zu einer Verminderung der kortikalen Exzitabilität. In zahlreichen Untersuchungen wurde der Wert des Verfahrens für Diagnostik (z.B. Wirkung von Pharmaka; Multisystematrophie) und Therapie (z.B. Depresssion; Epilepsie) aufgezeigt. Die Epilepsie geht mit einer kortikalen Hyperexzitabilität einher. Aufgrund dieser Tatsache ließen sich unter Anwendung von niedrig-frequenter rTMS bei Epileptikern präventiv Anfälle verhindern. Neuropathische sowie experimentelle Schmerzen konnten sowohl durch die Behandlung mit hoch-frequenter als auch nieder-frequenter Stimulation verbessert werden. Einige Hinweise sprechen für das Vorliegen einer kortikalen Hyperexzitabilität bei Migräne, die einen therapeutischen Ansatzpunkt darstellt. Diese Überlegungen wurden für die vorgelegte Studie genutzt und die nieder-frequente rTMS im Rahmen einer placebokontrollierten randomisierten Untersuchung an 27 Migränepatienten erprobt. Primärer Endpunkt war eine Reduktion der Migräneattacken um mindestens 50 %. Sekundär war von Interesse, inwieweit Einfluss auf die Kopfschmerztage und -stunden, die Schmerzintensität und die Schmerzmitteleinnahme genommen werden konnte. Die Teilnehmer dokumentierten ihre Migräneanfälle 2 Monate vor und 2 Monate nach der Behandlung sowie an den Tagen der Stimulation, wobei Nebenwirkungen der Behandlung ebenfalls erhoben wurden. Diese erfolgte an 5 aufeinander folgenden Tagen, wobei je 1000 Impulse appliziert wurden. In der Verumgruppe wurde eine Frequenz von 1 Hertz verwendet (Placebo: 0,6 Hertz). Außerdem wurde mit verschiedenen Spulen stimuliert. Für die Auswertung wurde der Wilcoxon-Test für verbundene Stichproben eingesetzt, um die erhobenen Parameter einer Studiengruppe vor und nach den 5-tägigen Sitzungen zu vergleichen. Im Rahmen der Gegenüberstellung der Parameter der Verum- und Placebogruppe in der Nachbeobachtungsphase fand der Mann-Whitney-U-Test für unverbundene Stichproben Anwendung. Der primäre Endpunkt konnte nicht erreicht werden. Bei den sekundär erhobenen Parametern wurde eine mäßige, jedoch signifikante Reduktion der Migräneattacken, Migränetage und Migränestunden in der Verumgruppe ermittelt, während die Schmerzintensität und die Medikamenteneinnahme in derselben Gruppe keine Veränderung zeigten. Keine Signifikanz lag bei dem Vergleich dieser Resultate mit den Werten der Placebogruppe vor. Zusammenfassend ist die rTMS-Behandlung über Vertex im Vergleich zu Placebo nicht in der Migräneprophylaxe wirksam. Trotz des negativen Resultats geben die dargestellten Überlegungen und Argumente Anlass zu Forschung mit modifizierten Einstellungen, um in der Zukunft möglicherweise ein nicht-medikamentöses Verfahren zur Vermeidung von Migräneanfällen anbieten zu können

Attention and time constraints in performing and learning a table tennis forehand shot

This is a section on p. S95 of article 'Verbal and Poster: Motor Development, Motor Learning and Control, and Sport and Exercise Psychology' in Journal of Sport and Exercise Psychology, 2010, v.32, p.S36-S237published_or_final_versio

EEG coherence between the verbal-analytical region (T3) and the motor-planning region (Fz) increases under stress in explicit motor learners but not implicit motor learners

This journal supplement contains abstracts of NASPSPA 2010Free Communications - Verbal and Poster: Motor Learning and Controlpublished_or_final_versionThe Annual Conference of the North American Society for the Psychology of Sport and Physical Activity (NASPSPA 2010), Tucson, AZ., 10-12 June 2010. In Journal of Sport and Exercise Psychology, 2010, v. 32 suppl., p. S13