From parametric decoding of simple mental states to neurofeedback: insights into the neuroscience of cognitive control

Abstract

The physiological activity of nervous system is constantly changing in response to contextual changes, which shapes our perception, emotions and cognitive reasoning. Many researchers, clinicians and health professionals have become increasingly interested in translating the understanding of the function of human nervous system and behavior into health technology and human performance. A brain-computer interface (BCI) system uses neurophysiological signals originating in the brain to activate or deactivate external devices or computers. In addition to the assistive functions as communication and control to injured subjects, BCIs offer the opportunity for enhancing neural functions and developing therapies for neural disabilities when applied as a neurofeedback (NF) approach. NF technology allows the participants to observe what their brain is doing in real time. This enables to learn, in an operant manner, how to control brain activity, which might have potential therapeutic impact in disorders of anxiety, attention and motor performance, for example. The voluntary control of brain activity is trained by mean of mental tasks typically known to influence a specific brain network, as for example mental calculation, motor imagery and emotional recalling. Methods to better determine the nature of the brain activity dynamics and plasticity through the formation of self-regulation are still under development. Typically, self-regulation of brain activity is based on binary control: the users try to increase or to decrease/abolish a given brain activity modulation. This thesis presents a research effort developed with the main goal of increase the intrinsic levels of control within each class of volitional brain activity control. Here, we explored the hypothesis of achieve up to three control levels of hMT+/V5 activity using visual motion imagery strategies with different number of motion alternations. We took advantage of the specific recruitment of this brain region to visualized and imagined motion features to go from binary to multilevel/parametric voluntary brain activity control. The performed tests were primarily based on 3 Tesla functional magnetic resonance imaging (fMRI) data and then the proposed brain activity self-regulation approach was also studied using electroencephalography (EEG). Furthermore, the high-resolution 7 Tesla fMRI technique was used to explore with more detail the functional properties of the hMT+/V5 brain region during visual motion perception and to propose a future work to study the possibility of multilevel modulation of functional connectivity. iv The strategies to achieve self-regulation of brain activity can be applied not only in NF approaches but also to achieve more direct and flexible assistive BCI systems. Thus, the increase of volitional brain activity control levels might not only allow for more precise NF but also for improved assistive BCI systems. The research work presented in this thesis may contribute to the technical improvements of BCI systems, to increase their application range and to the understanding of neural mechanisms underlying cognitive control. First, the feasibility of training healthy volunteers to up-regulate and down-regulate the activity of the hMT+/V5 complex using fMRI-based NF and visual motion imagery strategies was tested. We show that hMT+/V5 activity can be volitionally modulated by focused imagery and that a specific brain network is recruited during visual motion imagery leading to successful NF training. The results presented contribute also to the debate on the relative value of sensory versus default-mode brain regions in the NF clinical applications. Then, the hypothesis whether more than two modulation levels can be achieved in a single brain region was tested. Participants performed three distinct imagery tasks with different numbers of motion alternation during fMRI-based NF training. Three control levels (two up-regulation levels and one down-regulation level) of brain activity in the hMT+/V5 complex were achieved. Based on our results we suggest that it is possible to design a multilevel system of control based on brain activity self-regulation of a specific brain region and using similar strategies across participants. Empirical contributions to the comparison between the binary and multilevel control processes and between the passive imagery and the active imagery processes assisted by feedback are also provided. The hypothesis whether visual motion imagery can be used as a tool to at least achieve multiclass (>2) EEG-based BCI was tested. The imagery strategies previously studied with fMRI-based NF were applied. We expected that this would be achieved by detection of differential modulations, regardless of their polarity, in the EEG domain. EEG signals were acquired during passive visual motion imagery in order to identify the evoked brain activity patterns by each imagery strategy. Although we did not find levels of brain activity during the different imagery tasks, we suggest visual motion imagery as a simple tool to achieve a multiclass BCI systems. Furthermore, we contribute for the discussion about the role of frontal alpha activity and for the comparison between the univariate and multivariate signal analyses. Finally, we used high-resolution 7 Tesla fMRI to map functional sub-domains in the hMT+/V5 region and to show that the tuning of these sub-domains is for the interpretation v of the perceptually relevant motion features regardless of the physical stimulation. These results contribute for the discussion about the neural correlates of perceptual switches in hMT+/V5 brain region at columnar-level and can be used as the first step for a NF study aiming to modulate brain connectivity as a function of perceptual decision. Keywords: neurofeedback, brain-computer interfaces, visual motion perception, visual motion imagery.

A atividade fisiológica do sistema nervoso varia constantemente em resposta a mudanças contextuais, moldando a nossa perceção, emoções e raciocínio. O sistema nervoso e comportamento humano têm sido alvo de intensa investigação por parte de neurocientistas, médicos e outros profissionais de saúde, nomeadamente para a melhoria de tecnologias da saúde e do desempenho humano. Uma das aplicações que tem despertado mais interesse na área da neuroengenharia baseia-se nos sistemas de interface cérebro-computador (BCI, do inglês Brain-Computer Interface), que usam sinais cerebrais para codificar a ativação ou desativação de comandos de um aparelho externo ou computador. Para além de permitirem auxiliar pessoas com capacidades reduzidas em tarefas de comunicação e controlo, as BCIs podem ser aplicadas como métodos de neurofeedbcak (NF), permitindo a melhoria da função dos circuitos neuronais e o desenvolvimento de terapias para tratamento de problemas neurológicos e psiquiátricos. Os sistemas de NF permitem a observação em tempo real da atividade cerebral o que facilita a aprendizagem do controlo voluntário da atividade cerebral, tendo por base o condicionamento operante. Estes métodos apresentam potencial terapêutico, por exemplo, em perturbações de ansiedade ou da atenção e em patologias que afetem o desempenho motor. Atualmente, estão em desenvolvimento vários estudos que visam uma melhor compreensão da dinâmica da atividade cerebral e da sua plasticidade, recorrendo a métodos focados na capacidade de regulação voluntária da atividade cerebral, também conhecida como capacidade de neuromodulação voluntária. A neuromodulação voluntária pode ser treinada usando tarefas mentais, como por exemplo o cálculo mental, a imaginação motora e recordações emotivas, que influenciam redes neuronais específicas e conhecidas. Tipicamente, esta capacidade permite dois níveis de controlo voluntário: um baseado no aumento e outro na diminuição de um padrão específico de atividade cerebral. Esta tese teve como principal objetivo o estudo da possibilidade de regular voluntariamente mais do que dois níveis de atividade cerebral. Os trabalhos apresentados nesta tese exploram a hipótese de obter até três níveis de controlo a partir da neuromodulação voluntária da região hMT+/V5, recorrendo para isso a estratégias de imaginação da visualização de movimento não-motor baseadas em diferentes quantidades de alternância de movimento. Tirou-se partido do recrutamento desta região viii cerebral especificamente durante a visualização ou imaginação da visualização de movimento, para estudar estratégias de neuromodulação voluntária que permitam ir do controlo binário (dois níveis de atividade por cada classe de controlo) ao multinível (vários níveis de atividade por cada classe de controlo). Inicialmente, as estratégias de neuromodulação voluntária propostas foram testadas usando imagem por ressonância magnética funcional (fMRI, do inglês functional Magnetic Ressonance Imaging) a 3 Tesla e depois usando a eletroencefalografia (EEG). Além disso, foi usada a técnica de fMRI a 7 Tesla para explorar com mais detalhe as propriedades funcionais da região hMT+/V5 e para propor como trabalho futuro o estudo da possibilidade de controlo multinível baseado na conetividade funcional. As estratégias de neuromodulação voluntária podem ser usadas em sistemas BCI de assistência ou em sistemas BCI aplicados como métodos de NF. Assim, ao aumentarmos os níveis de controlo através da neuromodulação voluntária contribuímos para o desenvolvimento de métodos de NF mais precisos e também para a melhoria dos sistemas BCI de assistência. Os trabalhos apresentados contribuem não só para melhorias metodológicas dos sistemas BCI, como também aumentam as suas possibilidades de aplicação e permitem a melhor compreensão dos mecanismos neuronais relacionados com o controlo cognitivo. Primeiro, testou-se a viabilidade de neuromodulação voluntária da atividade na região hMT+/V5, em participantes saudáveis, com recurso a treino NF e fMRI. Os resultados mostraram que a atividade desta região pode ser voluntariamente regulada usando estratégias de imaginação visual de movimento e nos casos de neuromodulação bemsucedida foi recrutada uma rede neuronal específica. Além disso, este estudo contribui para a discussão do potencial dos métodos de NF focados em regiões sensoriais para aplicações clínicas. De seguida, foi testada a hipótese de obter três níveis de controlo baseados na neuromodulação da mesma região cerebral recorrendo a treino com NF. Os participantes usaram três tarefas de imaginação visual baseadas em diferentes quantidades de variação de movimento. Foram conseguidos três níveis de controlo: dois através do aumento e um da diminuição da atividade na região hMT+/V5. Assim, sugere-se que é possível obter controlo multinível baseado na neuromodulação voluntária da atividade de uma região específica e de forma similar entre participantes. Os resultados apresentados contribuem também para a ix comparação empírica entre processos de controlo binário e multinível e entre imaginação passiva e ativa (assistida por feedback). As estratégias de imaginação propostas foram também estudadas com EEG. Explorámos a hipótese de que os diferentes níveis de neuromodulação seriam também encontrados no sinal elétrico cerebral. Os sinais foram registados durante imaginação passiva. Apesar de não terem sido encontrados três níveis de atividade, usando um algoritmo de classificação foi possível distinguir os padrões evocados por cada tarefa de imaginação. Este fato sugere a viabilidade das estratégias de imaginação visual de movimento para obter múltiplas classes de controlo em sistemas BCI. Para além disso, este estudo contribui também para a discussão do papel da atividade alfa frontal e para a comparação entre análise univariada e multivariada de sinais neurofisiológicos na descodificação de padrões de atividade cerebral. Por fim, foram mapeados subdomínios funcionais da região hMT+/V5 usando fMRI a 7 Tesla e foi demonstrado que a resposta preferencial destes subdomínios a diferentes orientações de movimento corresponde ao movimento percebido, independentemente do padrão de movimento real. Estes resultados contribuem para o estudo dos mecanismos neuronais relacionados com mudanças de perceção de movimento ao nível dos subdomínios percetuais da região hMT+/V5. Adicionalmente, de uma forma preliminar, trazem boas perspetivas para o desenvolvimento de uma nova estratégia de neuromodulação multinível baseada na perceção visual de movimento. Palavras-chave: neurofeedback, interfaces cérebro-computador, perceção visual de movimento, imaginação de movimento vizualizado.