Using EEG-based BCI settings and brain-state dependent stimulation as research tools for hypothesis-testing in cognitive neuroscience: a test-bench for brain-behavioural

Abstract

Spontaneous oscillations in the alpha band (α, 8–12 Hz) reflect ongoing fluctuations in cortical excitability. Several theoretical frameworks and empirical studies have supported the notion that distinct features of α-oscillations (e.g., power, phase, phase-coupling) influence sensory processing and subsequent behavioural performance in visual perception and spatial attention. While the evidence for the role of α-power in perception seems well-established, the roles of the α-phase in perception and the long-range α-phase coupling in spatial attention are still not clearly settled. This dissertation presents EEG-based brain-computer interface systems as a test bench for the predictions of brain-behavioural theories and to understand the connection between brain oscillations and behaviour. Our findings garner mixed support for the roles of features of α-oscillations in visual perception and spatial attention and shed additional light on the use of BCI systems as a promising research tool in cognitive neuroscience.

Las oscilaciones espontáneas en la banda alfa (α, 8 a 12 Hz) reflejan fluctuaciones continuas en la excitabilidad cortical. Varios marcos teóricos y estudios empíricos han respaldado la noción de que las distintas características de las oscilaciones α (p. ej., potencia, fase, acoplamiento de fase) influyen en el procesamiento sensorial y el desempeño conductual posterior en la percepción visual y la atención espacial. Si bien la evidencia del papel del poder α en la percepción parece estar bien establecida, los roles de la fase α en la percepción y el acoplamiento de la fase α de largo alcance en la atención espacial aún no están claramente establecidos. Esta disertación presenta sistemas de interfaz cerebro-computadora basados en EEG como un banco de pruebas para las predicciones de las teorías del comportamiento del cerebro y para comprender la conexión entre las oscilaciones cerebrales y el comportamiento. Nuestros hallazgos obtienen un apoyo mixto para los roles de las características de las oscilaciones α en la percepción visual y la atención espacial y arrojan luz adicional sobre el uso de los sistemas BCI como una herramienta de investigación prometedora en neurociencia cognitiva.

Les oscil·lacions espontànies a la banda d’alfa (α, 8–12 Hz) reflecteixen les fluctuacions en curs en l'excitabilitat cortical. Diversos marcs teòrics i estudis empírics han donat suport a la idea que les característiques diferents de les oscil·lacions α (per exemple, potència, fase, acoblament de fases) influeixen en el processament sensorial i el comportament comportamental posterior en la percepció visual i l'atenció espacial. Tot i que l'evidència del paper del poder α en la percepció sembla ben establerta, els papers de la fase α en la percepció i l'acoblament de la fase α de llarg abast en l'atenció espacial encara no estan clarament resolts. Aquesta tesi presenta sistemes d'interfície cervell-ordinador basats en EEG com a banc de proves per a les prediccions de teories del comportament cerebral i per entendre la connexió entre les oscil·lacions cerebrals i el comportament. Els nostres resultats obtenen un suport mixt pels rols de les característiques de les oscil·lacions α en la percepció visual i l'atenció espacial i aporten llum addicional sobre l'ús de sistemes BCI com a eina de recerca prometedora en neurociència cognitiva.