Kapazitives EEG-Helmsystem für BCI-Anwendungen

Brain-Computer Interfaces (BCI) are novel additional communication systems between human and machine, which means between human and his environment. They work without using the peripheral nervous system, thus without moving extremities or using language. Instead, they allow sending commands from brain to computer directly. For patients with locked in syndrome or paraplegia, this is in many cases the only way to communicate with their environment. Further applications could be for machine control or computer games.
Due to high time resolution and direct reflection of neural processes, in this work non-invasive capacitive electroencephalography (cEEG) is used for signal acquisition directly at the head surface. The electrodes are integrated in a helmet, made by rapidprototyping. The applied development of the wireless 25-channel cEEG helmet is therefore one key aspect of this work. After data transfer to a PC, the developed software translates them into control commands. Their execution gives a biofeedback to the user, with it he can keep the control over the complete system.
In this work, the realization of an application for writing (speller) by steady-state visually evoked potentials (SSVEP) is in focus. The measured signals are visually evoked by a flickering checkerboard pattern. For optimal functionality, adjustment of stimulation and software based data analysis to the particular user is necessary. This was proven by color-frequency scans (CFS). Here, individual reactions of the brain to signals with different colors and frequencies are evaluated and best combinations for application control are identified.
Due to consideration of different interfaces and subprocesses of the complete system, a multidisciplinary work emerged. It covers electrotechnical and design-based as well as mechanical and medical challenges. Thus, BCI is with its multitude of application areas a promising topic, however the ethical questions have to be focused as well. They arise essentially with the identification and realization of human will without visual impulse exclusively by brain signals. Die Untersuchung von Nano-Bio-Wechselwirkungen hat in den vergangenen Jahren immer mehr an Relevanz gewonnen. Diese Entwicklung wird einerseits durch die immer weitere Verbreitung von Nanopartikeln in Alltagsprodukten, in den Materialwissenschaften sowie in der biomedizinischen Forschung und andererseits durch besser werdende Analyseverfahren vorangetrieben.
Dennoch gibt es über die potentiellen Risiken von nanopartikulärem Material und die damit verknüpften Folgen für Mensch und Umwelt zahlreiche offene Fragen. Während eine grundlegende Gefährdung für die Gesundheit bereits erwiesen ist, sind mögliche Mechanismen der Aufnahme, des Transports und der Toxizität von verschiedenen Nanomaterialien in unterschiedlichen biologischen Systemen teilweise unbekannt. Das zytotoxische Wirkungsspektrum von Nanopartikeln reicht von metabolischen Einflüssen bis hin zu DNA‐Schädigungen, da sie aufgrund ihrer Größe die Zellmembran und andere intrazelluläre Barrieren durchdringen können.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss verschiedener Nanopartikel auf komplexe biologische Systeme, wie lebende Zellen, durch die Verwendung komplementärer analytischer Verfahren zu betrachten. Als biologisches Referenzsystem werden verschiedene Zelllinien, 3T3 Fibroblasten und J744 Makrophagen, sowie aus Blut isolierte rote Blutkörperchen verwendet. Diese Zelltypen zeichnen sich durch unterschiedliche biologische Funktionen und Mechanismen der Partikelaufnahme aus, so dass Rückschlüsse auf die Wechselwirkung von Nanopartikeln in komplexeren Organismen gezogen werden können. Für die Untersuchung der Nano-Bio-Wechselwirkungen werden Gold-, Silber-, Silica- und Polystyren-Nanopartikel mit unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften (chemische Zusammensetzung, Größe, Oberflächenmodifikation, Form) eingesetzt, die entsprechend ihrer spezifischen Eigenschaften unterschiedliche Analysemethoden erfordern.
Mit oberflächenverstärkter Raman-Streuung (engl. surface-enhanced Raman scattering, SERS) soll die biochemische Umgebung von Gold- und Silber-Nanopartikeln charakterisiert werden. Diese Materialien sind aufgrund ihrer plasmonischen Eigenschaften als SERS-Substrate sehr gut geeignet. Anhand der SERS-Daten sollen Änderungen der molekularen Zusammensetzung auf der Partikeloberfläche bei Aufnahme und Transport von Nanopartikeln in lebenden Zellen verfolgt werden. Neben der endozytotischen Aufnahme von Gold- und Silber-Nanopartikeln soll auch die in situ-Bildung von Nanopartikeln durch zelluläre Bestandteile innerhalb der Zellen betrachtet werden. Durch die Verwendung von Reportermolekülen auf Gold-Nanopartikeln können auch wichtige zelluläre Parameter, wie der endosomale pH‐Wert, bestimmt werden. Ziel ist es, die Wirkung von Gold-, Silber- und Silica-Nanopartikeln mittels zellbiologischer Zytotoxizitätstests und systematischer SERS-Studien in Abhängigkeit von verschiedenen Inkubationsbedingungen besser zu verstehen.
Die spektroskopischen Informationen werden durch weitere Analysemethoden ergänzt. Dies sind zum einen Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und cryo-Röntgentomographie (cryo-XT), welche die Lokalisation der Nanopartikel in der zellulären Ultrastruktur erlauben. In diesem Zusammenhang soll erstmals gezeigt werden, ob cryo-XT unter Verwendung von weicher Röntgenstrahlung die 3D-Verteilung der Nanopartikel und ihrer Aggregate mit einer Auflösung von wenigen Nanometern sichtbar macht. Zum anderen soll die Laserablation mit induktivgekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) im Rahmen dieser Arbeit für die ortsaufgelöste Quantifizierung der Partikelanzahl auf Einzelzellniveau entwickelt und angewendet werden. Derzeit werden anorganische Nanopartikel üblicherweise über eine Elementbestimmung nach Aufschluss einer Zellsuspension quantifiziert. Polystyren-Nanopartikel (PSNP) sind mittels TEM und cryo-XT nur eingeschränkt visualisierbar. Deshalb werden hier fluoreszenzmarkierte Partikel für die Untersuchung der Aufnahme und Prozessierung verwendet. Die Verteilung von unterschiedlich großen, farbstoffbeladenen PSNP in Zellen soll mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (engl. confocal laser scanning microscopy, CLSM) und Fluoreszenz-Lebensdauer-Mikroskopie (engl. fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM) dargestellt werden. Um die Komplexität des Systems zu erhöhen, werden Zellen in Monokultur als auch in Co-Kultur mit verschiedenen Nanopartikeln simultan inkubiert. In Multiplex-Experimenten soll die Diskriminierung der Partikel durch die Verwendung fluoreszenzmarkierter PSNP und ihrer unterschiedlichen Fluoreszenz-Lebensdauer erreicht werden.
Um den Einfluss von Nanopartikeln auf Zellen zu bewerten, werden in dieser Arbeit die folgenden spezifischen Aspekte betrachtet: (i) Für die Anwendung in in vitro-Zellkulturexperimenten werden die Partikel zunächst bezüglich ihrer Größe, Ladung und Oberflächenmodifikation unter Inkubationsbedingungen umfassend charakterisiert und optimiert sowie ihre Toxizität bestimmt. (ii) Es werden SERS-Spektren von verschiedenen plasmonischen Nanomaterialien und aus unterschiedlichen biochemischen Umgebungen in Zellen diskutiert. (iii) Die spektrale Information wird mit der Lokalisation der Partikel und ihrer Aggregatmorphologie sowie ihrer quantitativen Verteilung in der Zelle verknüpft.
Die Kombination komplementärer Informationen aus verschiedenen Analyseverfahren gestattet Einblicke in die Wechselwirkungen an der Nano-Bio-Grenzfläche und den Umgang lebender Zellen mit Nanopartikeln. Diese Ergebnisse haben somit direkte Auswirkungen auf die Entwicklung neuartiger Biosensoren in der Medizin, die Definition von Nanopartikelgrenzwerten oder auf verschiedene Anwendungen in der Bioanalytik.