Module 39-Inf-BMI Brain-Machine Interfaces

Die Studierenden erwerben grundlegende Kompetenzen aus den Bereichen (kortikaler) Informationsverarbeitung, Erfassung und Echtzeit-Verarbeitung von Hirnsignalen sowie der technischen Entwicklung von BMI Systemen.
In den Übungsgruppen werden die erworbenen Kenntnisse praktisch erprobt. Schwerpunkte bilden dabei zum Einen die Verarbeitung der Daten am Beispiel von EEG Daten und zum Anderen das Entwickeln und Erproben von einfachen, BCI-gesteuerten Anwendungen. Im Rahmen der Übungen werden die Studierenden in Miniprojekten die Gelegenheit haben, selbstständig einen Teil des Entwicklungszyklus eines BMIs zu erarbeiten und zu erproben.

Die Vorlesung besteht aus 4 grundlegenden Teilen.
(1) Zunächst wird eine Einführung in die Grundlagen der Informationsverarbeitung im (u.a.) menschlichen Gehirn gegeben. Dabei werden sowohl der Aufbau, als auch die Eigenschaften der elektro-magnetischen und metabolischen Prozesse behandelt.
(2) Im Folgenden werden unterschiedliche, invasive und nicht-invasive Messverfahren, welche bei Brain-Computer Interfaces zum Einsatz kommen, vorgestellt. Anhand dieser werden die Eigenschaften der unterschiedlichen Signalarten (Elektrophysiologie: Local-Field-Potentials, EEG, MEG. Bildgebende Verfahren: fMRI, fNIRS) erarbeitet und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile beim Einsatz in Echtzeitsystemen gezeigt.
(3) In diesem Teil lernen die Studierenden den technischen Aufbau und die Spezifikationen eines Brain-Computer Interfaces kennen. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei den Algorithmen (Signalverarbeitung, Merkmalsextraktion, Klassifikation) geschenkt, wobei das Verständnis der praktischen Anwendung der Verfahren im Mittelpunkt steht.
(4) Zum Abschluss werden ausgewählte Studien bzw. Anwendungsbeispiele betrachtet, die das (heutige und zukünftige) Einsatzgebiet solcher Systeme verdeutlichen (z.B. Rollstuhl- und Prothesensteuerung, Rehabilitation, Computerspiele)

Literatur:

• Dornhege et al. (2007). Towards Brain-Computer Interfacing. MIT Press.
• Kandel et al. (1995). Neurowissenschaften-Eine Einführung. Spektrum Verlag.
• Zschoke (2002). Klinische Elektroenzephalographie. Springer.

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