[論文レビュー] Is the P300 Speller Independent?

Stefan Frenzel, Elke Neubert|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2010

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、認知的注意に依存する脳-コンピュータインターフェースとしてのP300スイマーが、眼動画に依存しないかどうかを検証する。3×3の文字マトリクスを用いて注意と視線を分離することで、著者らはN200成分（約200msにピーク）が、自発的注意ではなく、注視中の文字の不随意的視覚処理によって駆動されることを示した。これは、P300スイマーが完全に独立しているという仮定に反するものであり、視線の方向がEEG反応、特にN200成分に顕著に影響することを示している。

ABSTRACT

The P300 speller is being considered as an independent brain-computer interface. That means it measures the user's intent, and does not require the user to move any muscles. In particular it should not require eye fixation of the desired character. However, it has been shown that posterior electrodes provide significant discriminative information, which is likely related to visual processing. These findings imply the need for studies controlling the effect of eye movements. In experiments with a 3x3 character matrix, attention and eye fixation was directed to different characters. In the event-related potentials, a P300 occurred for the attended character, and N200 was seen for the trials showing the focussed character. It occurred at posterior sites, reaching its peak at 200ms after stimulus onset. The results suggest that gaze direction plays an important role in P300 speller paradigm. By controlling gaze direction it is possible to separate voluntary and involuntary EEG responses to the highlighting of characters.

研究の動機と目的

• P300スイマーが提唱者によって主張されているように、眼動画に依存しないかどうかを検証すること。
• イベント関連電位（ERPs）におけるN200成分が、注視中の文字の不随意的視覚処理に関連しているか、それとも自発的注意に関連しているかを調査すること。
• P300スイマー課題中のEEG反応における内省的注意と眼の注視の寄与を解明すること。
• 視線方向が制御されていない場合、標準的なP300スイマー・システムが真正に独立したBCIと見なせるかどうかを特定すること。

提案手法

• 注意と注視を同じ文字に合わせるための3×3文字マトリクスを用い、注意の制御を向上させ、認知的負荷を低減した。
• 2段階の実験フェーズを実施：最初のフェーズでは注意と注視が同じ文字に一致させ、2番目のフェーズでは注視とは異なる文字に注意を向けるようにした。
• 19電極キャップを用いて10名の健常被験者からEEGを記録し、刺激を600ms間表示し、刺激間隔を最大50msまでランダム化した。
• t検定を用いて、各時間点における注視中、注視対象、非ターゲット文字の間でERPsの差を統計的に比較した。
• ERP波形とトポグラフィーを分析して、N200およびP300成分を特定し、遅延および振幅の違いに注目した。
• グランド平均ERPsおよびトポグラフィック図を用いて、N200およびP300成分の空間的・時間的ダイナミクスを可視化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 P300スイマーのパラダイムにおけるN200ERP成分は、ターゲットへの自発的注意ではなく、注視中の文字の不随意的処理を反映しているか？
• RQ2 N200成分が視線方向に影響を受ける場合、P300スイマーは視線に依存しないと見なせるか？
• RQ3 P300スイマー課題において注意と注視が分離された場合、ERP反応はどのように異なるか？
• RQ4 P300成分は自発的注意によってのみ誘発されるのか、それとも注視関連の視覚処理によっても影響を受けるのか？

主な発見

• 注視中の文字に対しては、注視と注意が分離された状況でも、N200成分（刺激開始後約200msにピーク）が注視中の文字に対して著しく大きかった。
• 刺激開始後280msまでに、注視中の文字に対するEEG反応は、2つの実験フェーズにおいてほぼ同一であり、N200が主に注視によって駆動されていることが示された。
• P300成分（約400–450msにピーク）は、注視中の文字でなくとも、注視対象の文字に対してのみ誘発された。これは、P300が自発的注意に起因することを確認した。
• 注視中の文字に対するN200反応は、1回目と2回目の実験フェーズの間で有意差がなく、N200が注意状態に依存せず、視覚的注視に依存することが示された。
• 2番目のフェーズにおいて、注視対象の文字に対してPz電極で明確なP300成分が観察された。これは、ターゲットの注視がなくてもP300が誘発されることを示している。
• 本研究では、N200成分が自発的注意とは関係がなく、注視点の視覚刺激に対する不随意的反応であることが判明し、P300スイマーの独立性に疑問を呈した。