[論文レビュー] Simultaneous induction of SSMVEP and SMR Using a Gaiting video stimulus: a novel hybrid brain-computer interface

Xin Zhang, Guanghua Xu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 57被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、頭頂皮質における定常状態運動視覚誘発電位（SSMVEP）と運動覚皮質における運動覚リズム（SMR）を同時に誘発する画期的なゲーティング動画刺激を提案する。SSMVEP分類には標準相関分析（CCA）を、SMR検出にはイベント関連スペクトル摂動（ERSP）分析を用い、4クラスのSSMVEPタスクで88.9％の分類精度を達成した。また、特にSSMVEP精度が高かった被験者において、マグネト・ベータ帯域で顕著で持続的なイベント関連脱同期（ERD）を誘発した。これは、神経リハビリテーション分野におけるハイブリッドBCI応用に向けた二重皮質活性化の可能性を示している。

ABSTRACT

We proposed a novel visual stimulus for brain-computer interface. The stimulus is in the form gaiting sequence of a human. The hypothesis is that observing such a visual stimulus would simultaneously induce 1) steady-state motion visual evoked potential (SSMVEP) in the occipital area, similarly to an SSVEP stimulus; and 2) sensorimotor rhythm (SMR) in the primary sensorimotor area, because such action observation (AO) could activate the mirror neuron system. Canonical correlation analysis (CCA) was used to detect SSMVEP from occipital EEG, and event-related spectral perturbations (ERSP) were used to identify SMR in the EEG from the sensorimotor area. The results showed that the proposed visual gaiting stimulus-induced SSMVEP, with classification accuracies of 88.9 $\pm$ 12.0% in a four-class scenario. More importantly, it induced clear and sustained event-related desynchronization/synchronization (ERD/ERS) in the EEG from the sensorimotor area, while no ERD/ERS in the sensorimotor area could be observed when the other two SSVEP stimuli were used. Further, for participants with sufficiently clear SSMVEP pattern (classification accuracy > 85%), the ERD index values in mu-beta band induced by the proposed gaiting stimulus were statistically different from that of the other two types of stimulus. Therefore, a novel BCI based on the proposed stimulus has potential in neurorehabilitation applications because it simultaneously has the high accuracy of an SSMVEP (~90% accuracy in a four-class setup) and the ability to activate sensorimotor cortex. And such potential will be further explored in future studies.

研究の動機と目的

• ハイブリッド脳インターフェース（BCI）の開発を目的とし、同時にSSMVEPとSMRを誘発することで、神経リハビリテーションの応用を向上させること。
• ゲーティング動画刺激を観察することで、頭頂皮質にSSMVEPと運動覚皮質にSMRが誘発されるかどうかを調査すること。
• 従来のSSVEP点滅刺激およびチェッカーボード運動刺激と比較して、ゲーティング刺激が誘発する神経反応を評価すること。
• 個々の被験者におけるSMR活性化強度を予測する指標として、SSMVEP分類精度が有効かどうかを評価すること。

提案手法

• 16枚の連続する歩行フレームを用いて、60 Hzのスクリーンリフレッシュレートで表示されるゲーティング動画刺激を作成し、ストライド周波数を符号化するための可変フレーム時間間隔を設定した。
• 最適化されたテンプレート信号（基本周波数、フレームレート、側band周波数（和周波数・差周波数））を用いた標準相関分析（CCA）によりSSMVEPを検出した。
• 運動覚皮質におけるマグネ（8–13 Hz）およびベータ（13–30 Hz）帯域のイベント関連脱同期（ERD）を計算するために、イベント関連スペクトル摂動（ERSP）分析を用いてSMRを定量化した。
• 被験者には4つの条件（点滅刺激、チェッカーボード運動、ゲーティング動画、ゲーティング動画に運動想起を併用）を提示し、刺激特異的効果を分離した。
• ERDインデックスは、ベースライン期間と比較して刺激提示期間におけるマグネ・ベータ帯域の平均パワー低下として計算した。
• ゲーティング刺激と2つの対照刺激との間でERDインデックスの統計的差を比較し、SMR活性化の差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲーティング動画刺激は、頭頂皮質に検出可能なSSMVEPと運動覚皮質にSMRを同時に誘発できるか？
• RQ2 従来のSSVEP点滅刺激およびチェッカーボード運動刺激と比較して、ゲーティング刺激はより顕著なSMR（ERDで測定）を誘発するか？
• RQ3 ゲーティング刺激によって誘発されるSSMVEP分類精度とSMR活性化強度（ERDインデックス）との間に相関関係があるか？
• RQ4 SSMVEP分類性能は、個々の被験者がゲーティング刺激に対してSMRを生成できる能力を予測できるか？

主な発見

• ゲーティング刺激は、4クラス周波数識別タスクにおいて、平均88.9 ± 12.0％のSSMVEP分類精度を達成した。
• SSMVEP分類精度が85％を超えた被験者では、点滅刺激およびチェッカーボード刺激に比べてマグネ・ベータ帯域のERDインデックスが統計的に有意に高かった。
• 明確で持続的なイベント関連脱同期（ERD）は、ゲーティング刺激の下でのみ運動覚皮質に観察された。
• 本研究では、SSMVEP分類精度とSMR活性化強度の間に有意な正の相関関係が確認され、SSMVEP性能が個々の被験者がSMRを誘発できる潜在能力を予測できる可能性を示唆した。
• ERSP分析の結果、ゲーティング刺激はマグネ帯域およびベータ帯域に明確なERDパターンを誘発した。これは、ミラーニューロン系の活性化を示唆している。
• 本研究の結果は、ゲーティング刺激が、高精度なSSMVEPと強固なSMR誘発を同時に実現できることを示しており、二重神経調節の可能性を有する画期的なハイブリッドBCIの構築に貢献している。