Goal-directed reaching arm movements: an EEG study

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015The natural control of neuroprostheses is currently a challenge in both rehabilitation engineering and brain-computer interfaces (BCIs) research. One of the recurrent problems is to know exactly when to activate such devices. For the execution of the most common activities of daily living, these devices only need to be active when in the presence of a goal. For that reason, and since goals drive our motor behaviors, the distinction between the planning of goal-directed and aimless movements, using non-invasive recordings, can be useful for the implementation of a simple and effective activation method for these devices. In this thesis, the differences between goal-directed and aimless movements were investigated, using high-density electroencephalography (EEG) measurements in 10 healthy subjects, in a reach-and-touch task. Event-related potentials and oscillatory activity changes were studied. Furthermore, different feature extraction methods are used to train linear classifiers and test offline classification in a single-trial basis. The results show that there are statistically significant differences between the ERP waveforms of both Goal and No-Goal tasks, specifically in the N200-P300 complex. Furthermore, those differences are possible to classify using linear discriminant analysis, reaching average accuracies higher than 80%, and per-subject accuracies above 90% depending on the features and channels used for classification. In respect to the ERD/ERS phenomena, the upper alpha rhythm suppression is more prolonged and stronger with the goal-directedness of the task in the electrodes over the posterior parietal cortex. Furthermore, it was clear that distinct beta ERS waveforms were observed in contralateral central electrodes after movement execution. The synchronization in the middle beta band was stronger after the execution of aimless movements. These promising results could be used for new BCIs implementation. Combining the results in this study with movement decoding would be useful to achieve a more natural control strategy for BCIs, exclusively relying on the cognitive processes behind movement preparation and execution.O controlo natural de dispositivos como neuropróteses é actualmente um desafio, não só para a engenharia de reabilitação mas também para a investigação na área das interfaces cérebro-computador (BCIs). Um dos problemas recorrentes é saber quando activar os equipamentos controlados pelas BCIs. Para a execução da maioria das actividades diárias, estes aparelhos apenas precisam de estar activos quando na presença de um alvo ou quando o movimento tem um objectivo em concreto. Por essa razão, e dado que os nossos comportamentos motores estão dependentes do objetivo do movimento, a distinção neurofisiológica entre movimentos orientados por objectivos e movimentos sem objectivo, é importante no desenvolvimento de novos métodos de controlo para BCIs. Vários estudos têm investigado estas diferenças, estando maioritariamente centrados em encontrar evidências do sistema de "neurónios espelho" humano. Por essa razão, utilizam-se paradigmas que têm como base a observação de movimentos. As diferenças encontradas dizem marioritariamente respeito à supressão do ritmo mu, numa banda de frequências entre 10 a 12 Hz, com distribuição topográfica associada ao sistema sensoriomotor. Esta supressão é encontrada sempre que movimentos são observados, executados ou imaginados, representando uma dessincronização das populações neuronais e indicando uma carga de processamento neuronal elevada. Nestes estudos, ficou provado que a supressão do ritmo um é maior durante a observação de movimentos orientados por objectivos. Estas diferenças estão ainda associadas ao lobo parietal e ao giro frontal inferior. Apesar dos estudos se centrarem em observação de movimentos e não na sua execução, eles sugerem que os mecanismos por detrás de movimentos com um objectivo são diferentes ou mais salientes do que acções motoras iguais, não orientadas para alvos específicos. Outros estudos, efectuados durante a execução de movimento, referem que a supressão do ritmo um é mais prolongada no caso de movimentos com objectivo. Tendo como motivação estes resultados, foi conduzido um estudo electroencefalográfico para determinar quais as diferenças, se detectáveis, entre a execução de movimentos com objectivo (orientados a um alvo específico) de movimentos sem objectivo.A presente tese reflecte o trabalho realizado no Laboratory of Brain-Computer Interfaces, parte do Institute for Knowledge Discovery, sob orientação do Professor Gernot Müller-Putz da Technical University of Graz, Áustria, e ainda sob orientação do Professor Pedro Cavaleiro Miranda da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Portugal - num período de estágio de duração de 7 meses, em Graz. A tese reflecte os métodos, resultados e conclusões do estudo de EEG de alta densidade, conduzido em 10 voluntários saudáveis, que executaram movimentos de alcance e toque a um determinado alvo num ecrã ou então o mesmo tipo de movimento mas sem indicação de um alvo específico. Os dados foram processados utilizando algoritmos avançados de correção de artefactos, com recurso a métodos como a análise por componentes independentes. Dois tipos de filtros espaciais foram testados: a referência comum média e o filtro de laplace para 4 pontos vizinhos. Após o processamento dos sinais, a análise prosseguiu para o estudo dos potenciais evocados (ERPs) e ainda de mudanças de actividade oscilatória, através do estudo da dessincronização e sincronização (ERD/ERS) cortical. Os resultados mostram que existem diferenças estatisticamente significativas entre as duas condições, correspondentes a duas componentes características do traçado dos ERPs: o potencial N200 e o potencial P300, que juntos formam o complexo N200-P300. Enquanto que a condição sem-objectivo provoca uma defleção negativa no traçado do ERP (N200), essa deflecção não existe na maioria dos participantes ou, existindo, esta é de menor magnitude, no caso da condição onde existe um alvo. A distribuição topográfica desta componente mostra influência dos eléctrodos localizados nas regiões anterior-frontal e centro-parietais. Amplitudes aumentadas do N200 reflectem processos inibitórios. Uma possível explicação é então o facto de na condição sem objectivo não ser necessária tanta informação para preparação da resposta motora, como no caso da condição onde existe um objectivo. Para além das diferenças registadas no potencial N200, o potencial P300 - que existe em ambas as condições - é de maior amplitude e surge mais cedo no caso da condição orientada para um objectivo. Vários estudos referem o facto da amplitude do P300 aumentar e a latência diminuir com o aumento da necessidade de processamento cognitivo superior. Os objectivos, ou alvos, estão então associados a esses processos. Para além das diferenças a nível temporal e de magnitude, a distribuição espacial parece também ser diferente, sugerindo que na condição com objectivo a distribuição é localizada nas regiões frontais e centrais enquanto que na condição sem objectivo há uma contribuição superior dos eléctrodos localizados nos lobos parietais. Tendo em conta as diferenças registadas, diferentes métodos de extração de features foram utilizados para treinar classificadores lineares (shrinkage linear discriminant analysis, sLDA) e avaliar a possibilidade de discriminação das duas classes: Objectivo, Sem-Objectivo. Estes procedimentos foram testados offline e os resultados parecem promissores, já que a exatidão da classificação atinge uma média superior a 80%, sendo que em alguns participantes os resultados ultrapassam os 90%, dependendo do tipo de features utilizadas bem como dos diferentes conjuntos de canais de EEG utilizados para treinar o classificador. No que diz respeito aos fenómenos oscilatórios, os resultados mostram que durante a execução do movimento a supressão do ritmo alpha (ERD) é mais prolongada na condição onde existe um objectivo, nos eléctrodos localizados sobre o córtex parietal posterior. Para além disso, esta supressão aumenta para movimentos orientados para um alvo. Este resultado é consistente com os resultados obtidos nos estudos atrás mencionados. Para além da diferença na duração da supressão do ritmo alpha, após a execução do movimento sem objectivo há indução de uma actividade de sincronização superior na gama de frequências beta, possivelmente representando maior inibição do córtex motor. Os resultados são de interesse para a comunidade neurocientífica, dando novas informações sobre os componentes característicos dos potenciais evocados e possíveis mecanismos de atenção selectiva e preparação da ação motora. Estes mecanismos merecem investigação futura, no que diz respeito à determinação da sua origem cerebral e possível conectividade entre as principais áreas do córtex sensoriomotor com o lobo parietal. O trabalho aqui descrito pretende também encorajar investigações futuras nesta área. Para além do interesse empírico acima mencionado, este trabalho poderá vir a ter interesse prático na área das BCIs, já que os resultados da classificação offline são promissores. Os resultados obtidos, aliados à descodificação dos parâmetros associados ao movimento, como posição e velocidade, poderão vir a ser úteis na implementação de uma nova estratégia de controlo em BCIs, que confie exclusivamente nos processos cognitivos associados ao planeamento, preparação e execução do movimento