Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5115
Main Title: Optimizing the detection of corticomuscular coherence (CMC) with the use of EEG and EMG recordings
Subtitle: application for normal subjects and patients
Translated Title: Die Detektion von kortikomuskulärer Kohärenz mithilfe von EEG und EMG Aufnahmen
Translated Subtitle: Anwendung bei gesunden Probanden/innen und Patienten
Author(s): Carlowitz-Ghori, Katherina von
Advisor(s): Nikulin, Vadim
Curio, Gabriel
Müller, Klaus-Robert
Referee(s): Herrojo Ruiz, Maria
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The work of this thesis is centered around corticomuscular coherence (CMC), a neurophysiological phenomenon that refers to the phase synchronization between cortical and muscular activity. Aiming at improving the detection of CMC both in healthy subjects and in stroke patients, this thesis introduces the new method regression CMC (R-CMC) for the extraction of spatial filters that optimize the coherence. The R-CMC method thereby outperformed other conventional methods such as Laplacian filtering in terms of CMC amplitude measures and sensitivity with respect to recovering relevant sources. The thesis further provides empirical evidence against the full-wave EMG rectification, a commonly used but highly disputed pre-processing step in CMC analysis. Moreover, this thesis addresses basic neurophysiological questions in healthy subjects, such as the role of local and distal neuronal synchronization in corticospinal interaction. Here, it was shown that amplitude-envelope correlations may serve as a complementary measure of non-linear relationship. We also applied the R-CMC method in a clinical setting. In stroke patients, experiments were performed both directly after the stroke and 6 months later to obtain a CMC pattern at different stages of motor recovery and to identity cortical areas that are relevant for establishing a strong CMC. Building on the knowledge gained from offline recordings, CMC was used in the form of a neurofeedback, where online CMC was visualized enabling subjects to learn how to modify their CMC strength and thus voluntarily control the efficacy of corticomuscular interactions. The results contribute to neurophysiological understanding and open up new perspectives for clinical application by providing a basis for a novel motor rehabilitation approach in stroke patients: using CMC neurofeedback could allow associating CMC strength with certain motor commands, and thereby facilitating the process of motor recovery.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die kortikomuskuläre Kohärenz (englisch corticomuscular coherence, Abk.: CMC), ein neurophysiologisches Phänomen, das sich auf die Phasensynchronisation zwischen kortikaler und muskulärer Aktivität bezieht. Mit dem Ziel, die Erkennung von CMC sowohl bei gesunden Probanden/innen als auch bei Schlaganfallpatienten/innen zu verbessern, stellt diese Arbeit die neue Methode regression-CMC (R-CMC) zur Extrahierung räumlicher Filter, die die Kohärenz optimieren, vor. Die R-CMC-Methode übetraf dabei andere übliche Methoden wie Laplace-Filter im Bezug auf CMC-Amplitudenwerte und Sensibilität bei derWiederherstellung relevanter Quellsignale. Diese Arbeit liefert desweiteren empirische Hinweise gegen die Vollwellen-Rektifikation des EMG-Signals, ein weit verbreiteter und zugleich kontrovers diskutierter Schritt bei der Vorverarbeitung der Daten in der CMC-Analyse. Außerdem geht diese Arbeit auf grundsätzliche neurophysiologische Fragen bei gesunden Probanden/innen ein, wie die Rolle von lokaler und distaler Synchronisation bei der kortikomuskulären Interaktion. Hier wurde gezeigt, dass die Korrelation der Amplitudenhüllkurven ein ergänzendes Maß nonlinearer Zusammenhänge darstellen könnte. Die R-CMC-Methode wurde auch in klinischer Umgebung angewendet: Bei Schlaganfallpatienten/innen wurden Experimente sowohl direkt nach dem Schlaganfall als auch 6 Monate später durchgeführt, um ein CMC-Muster in verschiedenen Stadien der Wiedererlangung motorischer Fähigkeiten zu erhalten und die kortikalen Areale zu identifizieren, die relevant für die Erzeugung einer starken CMC sind. Basierend auf dem Wissen der offline-Messungen, wurde CMC in Form eines Neurofeedbacks angewendet, bei dem CMC online visualisiert wurde, sodass Probanden/innen in der Lage waren, die Stärke ihrer CMC zu beeinflussen und damit die Effizienz kortikomuskulärer Interaktion willentlich zu steuern. Die Ergebnisse tragen zum neurophysiologischen Verständnis bei und eröffnen neue Perspektiven zur klinischen Anwendung, indem sie eine Grundlage für einen neuartigen Rehabilitationsansatz bei Schlaganfallpatienten/innen bieten: CMC-Neurofeedback könnte es ermöglichen, die CMC-Stärke mit bestimmten motorischen Befehlen in Verbindung zu bringen und dabei den Prozess der motorischen Genesung zu erleichtern.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5440
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5115
Exam Date: 8-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 28-Apr-2016
DDC Class: DDC::000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::004 Datenverarbeitung; Informatik
Subject(s): corticomuscular coherence
EEG
EMG
synchronization
stroke
neurofeedback
kortikomuskuläre Kohärenz
Synchronisation
Schlaganfall
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