MVPAベースのBCI制御のためのFMRI実験設計の最適化：ブロックとイベント関連のデザインの強度の組み合わせ

機能的磁気共鳴画像（fMRI）は、脳のコンピューターインターフェイス（BCI）に使用されて、異なる手足の動きを分類しています。ただし、感覚運動皮質の共局在ニューラルネットワークに由来するより微妙な信号の信頼できる分類。同じ手の指の個々の動きは、特にBCIコンテキストでの高い単一試験信頼性の要件を考慮した場合、より挑戦的であることが証明されています。近年、マルチボクセルパターン分析（MVPA）は、このような弱い分布の活性化パターンを開示する適切な方法として勢いを獲得しています。データ分析戦略の開発と検証には多くの注意が払われていますが、BCI-MVPAのコンテキストでは、実験設計の選択に関するガイダンスはほとんどありません。該当する場合、ブロック設計は最も安全な選択と見なされますが、同様の試験をブロックすることによって誘発される期待、戦略、適応は、それを最適な戦略にすることができます。対照的に、イベント関連の高速設計では、より複雑な分析が必要であり、線形性の仮定へのより強い依存性を示しますが、ランダムに交互に試行を可能にします。ただし、BCI参加者がフィードバックを処理できるようにする休憩間隔がありません。この概念実証用紙では、MVPAおよびBCI実験のコンテキストで斬新であるハイブリッドブロックされた高速イベント関連デザインが導入されており、ブロック設計の残りの期間を短くランダムに組み合わせることでこれらの問題を克服する可能性があります。迅速なイベント関連デザインの交互の試験特性。確立されたボタンプレス実験を使用して、提案されたデザインとブロックと遅いイベント関連のデザインと被験者内比較を実行しました。提案されているハイブリッドブロックされた高速イベント関連デザインは、ブロック設計のそれに近いデコード精度を示し、これが最高の精度を示しました。デコード全体、つまり、別のデザインで得られた例の信頼できる予測が可能になりました。最後に、それはまた、最も安定した増分デコード結果を示し、比較的少ないブロックで良好なパフォーマンスを得ることができました。私たちの調査結果は、ブロックされた高速イベント関連の設計は、BCI-MVPAのコンテキストでのブロック設計の実行可能な代替手段である可能性があることを示唆しています。さらに、ブロックされた高速イベント関連デザインは、高速増分デコードが望まれるアプリケーションにも適しており、テストフェーズで遅いまたはブロック設計を使用できるようにします。

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has been successfully used for Brain Computer Interfacing (BCI) to classify (imagined) movements of different limbs. However, reliable classification of more subtle signals originating from co-localized neural networks in the sensorimotor cortex, e.g. individual movements of fingers of the same hand, has proved to be more challenging, especially when taking into account the requirement for high single trial reliability in the BCI context. In recent years, Multi Voxel Pattern Analysis (MVPA) has gained momentum as a suitable method to disclose such weak, distributed activation patterns. Much attention has been devoted to developing and validating data analysis strategies, but relatively little guidance is available on the choice of experimental design, even less so in the context of BCI-MVPA. When applicable, block designs are considered the safest choice, but the expectations, strategies and adaptation induced by blocking of similar trials can make it a sub-optimal strategy. Fast event-related designs, in contrast, require a more complicated analysis and show stronger dependence on linearity assumptions but allow for randomly alternating trials. However, they lack resting intervals that enable the BCI participant to process feedback. In this proof-of-concept paper a hybrid blocked fast-event related design is introduced that is novel in the context of MVPA and BCI experiments, and that might overcome these issues by combining the rest periods of the block design with the shorter and randomly alternating trial characteristics of a rapid event-related design. A well-established button-press experiment was used to perform a within-subject comparison of the proposed design with a block and a slow event-related design. The proposed hybrid blocked fast-event related design showed a decoding accuracy that was close to that of the block design, which showed highest accuracy. It allowed for across-design decoding, i.e. reliable prediction of examples obtained with another design. Finally, it also showed the most stable incremental decoding results, obtaining good performance with relatively few blocks. Our findings suggest that the blocked fast event-related design could be a viable alternative to block designs in the context of BCI-MVPA, when expectations, strategies and adaptation make blocking of trials of the same type a sub-optimal strategy. Additionally, the blocked fast event-related design is also suitable for applications in which fast incremental decoding is desired, and enables the use of a slow or block design during the test phase.