Durağan Hal Yanıtlarına Dayalı Hızlı Beyin Bilgisayar Arayüzü Algoritmalarının Geliştirilmesi
Development of Fast Brain Computer Interface Algorithms Based on Steady State Responses
Yazar: ZÜBEYİR BAYRAKTAROĞLU
Danışman: PROF. DR. TAMER DEMİRALP
İstanbul Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Fizyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Fizyoloji = Physiology

Özet:
Beyin bilgisayar arayüzleri (BBA), kullanıcılarının beynin normal çıktı yolaklarını kullanmadan dış dünyaya komut verebilmesini sağlayan sistemlerdir. Bu çalışmada, durağan-hal uyarılma-potansiyellerinin (DHUP) mekânsal-dikkate ve uyarım frekansına bağlı özellikleri incelenerek, BBA sisteminin bilgi transfer hızının arttırılması amaçlandı. Bu amaçla, bireylerin 4-44 Hz arasındaki uyaran sıklıklarında DHUP yanıtları kaydedilerek genliklerin maksimuma ulaştığı uyarım frekansları belirlendi. Tüm katılımcılarda alfa (8-13 Hz) bandında en yüksek genlik tepesi bulunurken, düşük-beta (14-21 Hz), yüksek-beta (22-29 Hz) ve gamma (30-44 Hz) bantlarında üç genlik tepesi daha belirlendi. fMRG'de en geniş aktivasyon alanı DHUP'daki alfa maksimumundan farklı olarak düşük-beta bandında bulundu ve uyarım frekansı arttıkça küçüldü. Son olarak, arka planda durağan hal uyarımı uygulanırken, eşzamanlı mekânsal oddball ödeviyle dikkatin sağ veya sol görme alanlarına yönlendirildiği bir Olaya İlişkin Potansiyel (OİP) ölçümü gerçekleştirildi. DHUP topografisinin mekânsal dikkatin yönünden etkilendiği ve bu etkilenimin uyarım frekansına bağlı olduğu gösterildi. Alfa bandındaki uyarımda yanıtlar dikkatin yönüyle aynı hemisferde artarken, diğer uyarım frekanslarında karşı hemisferde büyüdü. Ayrıca, dikkatin yönü aynı hemisferde düşük-beta bandında DHUP fazını öne kaydırmaktaydı. Dikkatin yönüne bağlı olarak OİP'nin P1 ve N1 genliklerinin kontralateral hemisferde büyüdüğü gösterildi. Ayrıca, alfa bandında uyarım uygulanırken OİP'nin N1 genliğinin en küçük olduğu, dolayısıyla görme korteksi eksitabilitesinin en düşük olduğu sonucuna varıldı. Literatürden faklı olarak, tek frekansta difüz ışık titreşimiyle DHUP'lerin topografilerinde dikkatin yönlendirildiği görme alanına bağlı değişimler saptandı. Ayrıca, DHUP uyarım frekanslarının görme korteksinin eksitabilitesini etkilediği gösterildi. Bu bilgiler ışığında, DHUP genliklerinin seçici olarak büyüdüğü uyarım frekanslarının kullanılması ve DHUP frekansına özgü dikkat modülasyonlarının bilinmesi ile daha etkin BBA sistemleri tasarlanabileceği sonucuna varıldı.

Abstract:
Brain computer interfaces (BCI) enable users to control their environment using ways independent of brain?s normal output channels. In this study, properties of steady-state evoked-potentials (SSEP) that depend on spatial-attention and stimulation frequency were investigated to increase the information transfer rate of BCIs. To this end, SSEP responses of individuals were recorded using stimulation frequencies between 4-44 Hz to identify maximum responses. The highest amplitude was obtained in the alpha (8-13 Hz) band with local peaks in the low-beta (14-21 Hz), high-beta (22-29 Hz) and gamma (30-44 Hz) bands. In contrast, widest activation area in the fMRI was in the low-beta band. Finally, Event Related Potentials (ERPs) were recorded with a spatial oddball task to direct the subject?s attention to visual hemifields on a background of steady-state stimulation. The direction of spatial attention affected SSEP topography in relation to stimulation frequency. For alpha stimulation, SSEP amplitudes increased ipsilateral to attended hemifield, whereas for others, amplitudes increased in contralateral hemisphere. Furthermore, SSEP phase moved forward in ipsilateral hemisphere with low-beta stimulation. ERP P1 and N1 amplitudes increased contralateral to attention. Additionally, smallest N1 amplitude during alpha stimulation suggested visual cortex excitability was also lowest. Departing from literature, attentional modulations in SSEP topography could be obtained with a diffuse flickering light at a single frequency, and SSEP stimulation frequencies were shown to affect visual cortex excitability. In conlucison, more efficient BCIs can be designed using stimulation frequencies which especially enhance SSEP amplitude and taking into account attentional modulations specific to stimulation frequencies.