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Forschung der Systems
Neuroscience & Neurotechnology Unit

Daniel J. Strauss


Prof. Dr. rer. nat. Dr. rer. med. habil.
Daniel J. Strauss
Leiter der SNN-Unit

Das multidisziplinäre Team um Prof. Dr. Dr. Daniel J. Strauss forscht an der medizinischen Fakultät der Universität des Saarlandes sowie der ingenieurwissenschaftlichen Fakultät der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes. Hier werden seit mehreren Jahren im Rahmen von national geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojekten Fragestellungen an den Schnittstellen von Hör- und Hirnforschung sowie den Materialwissenschaften untersucht. Durch den fachübergreifenden neuro- und ingenieurwissenschaftlichen Ansatz sowie die enge Zusammenarbeit mit klinisch tätigen Ärzten konnten bereits technologische Antworten auf vielseitige, aktuelle Problemstellungen entwickelt und erprobt werden, größtenteils in direkter Kooperation mit führenden Unternehmen aus diversen Bereichen (u.a. aus der Hörhilfen-Branche, der Neurodiagnostik sowie der Automobilindustrie). Schwerpunktmäßig beforscht das Institut insbesondere neurokognitive Prozesse der Aufmerksamkeit sowie die beim Hörvorgang auftretende Anstrengung und setzt das gewonnene neurowissenschaftliche Verständnis dieser Prozesse gezielt zur Entwicklung von objektiven Methoden zu deren Quantifizierung ein. Industrielle Anwendungen finden sich z.B. in der Vorausentwicklung bei der Optimierung von Hörhilfen wie Hörgeräten und Cochlea-Implantaten. Hierbei liegt der Fokus hauptsächlich auf der Reduktion der Höranstrengung und der Verbesserung der Sprachverständlichkeit für die Träger dieser Systeme.

Aktuelle Forschungsprojekte des Instituts

Attentional Microphone (BMBF-FZ 03FH004IX5)

Eine aufmerksamkeitskontrollierte Gehirn-Mikrofon-Schnittstelle als Entwicklungsplattform für neurokybernetische Hörsysteme

Für Millionen von schwerhörigen Menschen in Deutschland bedeuten technische Innovationen im Bereich der Hörsysteme eine gesteigerte Lebensqualität. Fast 20 Jahre nach der „digitalen Revolution“ zeichnen sich jetzt neurokybernetische Hörsysteme als nächste radikale Innovation in diesem Bereich der Medizintechnik ab. Derartige Systeme würden direkte Messdaten der gedanklichen Verarbeitung nutzen, um die technischen Hörhilfen nicht nur dynamisch an die akustische Umwelt, sondern auch an die willentliche Hörabsicht des Trägers anzupassen. Im Projekt „ATTENTIONAL MICROPHONE“ soll erstmals eine aufmerksamkeitskontrollierte Gehirn-Mikrofon-Schnittstelle als Entwicklungsplattform für solche neurokybernetischen Hörsysteme realisiert werden, die eine echtzeitfähige Steuerung des Hörsystems auf Basis der elektroenzephalographisch ermittelten Hirnaktivität (EEG) ermöglicht. Die zugrundeliegenden Techniken der digitalen Signalverarbeitung elektroenzephalographischer Daten zählen zu den Kernkompetenzen des Instituts.

 

Probandin im auditorischen Freifeld während der Bearbeitung einer Höraufgabe

Probandin im auditorischen Freifeld während der Bearbeitung einer Höraufgabe (Lenkung der Aufmerksamkeit auf ein akustisches Ziel, das von verschiedenen Positionen präsentiert und durch ein Störgeräusch maskiert wird). Parallel hierzu wird ein Elektroenzephalogramm über das drahtlos angebundene EEG-System aufgezeichnet.

BIMODAL FUSION (BMBF-FZ 03FH016PX5)

Eine neurotechnologische Optimierungsarchitektur für integrierte bimodale Hörsysteme

Bei der Versorgung von Patienten mit Hörgeräten oder Cochlea-Implantaten findet anstelle der beidseitigen Versorgung mit einer Art dieser Hörhilfen zunehmend häufiger eine individuell zugeschnittene, asymmetrische Hörversorgung statt, die den in der Regel unterschiedlichen Graden des Hörverlustes beider Ohren Rechnung trägt. Hierzu zählen die einseitige Versorgung mit Hörgerät oder Cochlea-Implantat bei einseitiger Ertaubung sowie die gemischte Versorgung mit einem Hörgerät auf dem einen und einem Cochlea-Implantat auf dem anderen Ohr. In den letzten Jahren zeigte sich, dass diese gemischte Versorgung zu einer verbesserten Versorgungsqualität der Betroffenen führt. Allerdings ist die durch die Hörhilfen hervorgerufene Störung der Zusammenführung auditorischer Information beider Ohren („binaurale Fusion“) im Zentralnervensystem noch nicht ausreichend erforscht. Eine hierauf abgestimmte Anpassung verspricht u. a. verbesserte Sprachverständlichkeit auch in lauten Umgebungen, bessere räumliche Lokalisierung und Trennung von Geräuschquellen sowie eine Reduktion des Höraufwands und damit verbundenen Ermüdungseffekten. Von zentraler Bedeutung sind hierfür sowohl die individuelle Anpassung und Abstimmung der einzelnen Hörhilfen aufeinander als auch die intelligente Kommunikation zwischen den Hörhilfen. Ziel des Projekts „BIMODAL FUSION“ ist die Entwicklung und objektive Optimierung von adaptiven Verarbeitungsstrategien mit Informationsaustausch zwischen beiden Hörhilfen zur Verbesserung der binauralen Fusion. Hierzu werden  zunächst die hirnelektrischen Parameter des Zusammenspiels beider Hörhilfen, der individuellen Wahrnehmung der Lautheit und der Höranstrengung quantifiziert. Diese Parameter werden dann zur Optimierung der Verarbeitungstechniken für beide Hörhilfen in einer Gehirn-Computer-Schnittstelle genutzt. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse werden zur Erstellung einer Hardware- und Softwareplattform eingesetzt, welche die echtzeitfähige Erprobung neuartiger Verarbeitungsalgorithmen für die Hörhilfen in verschiedenen Hörumgebungen ermöglicht. Dieses System soll sowohl unter Labor- als auch unter realen Alltagsbedingungen getestet werden.

 

Schematische Darstellung der Plattform zur Evaluierung und Optimierung bimodaler Hörsysteme.

Schematische Darstellung der Plattform zur Evaluierung und Optimierung bimodaler Hörsysteme.

NEUROKOGNITIVE AMFS (BMBF-FZ 03FH036I3)

Neurokognitive Mess- und Simulationsumgebung zum Design auditorischer Mensch-Fahrzeug-Schnittstellen

Betrachtet man die Entwicklung der letzten Jahre, so wird sehr schnell deutlich, dass sich die Mensch- Fahrzeug-Kommunikation in einem radikalen Umbruch befindet. Die Zahl der Systeme mit denen der

Fahrer während der Fahrt interagiert, ist in den letzten Jahren stetig gewachsen. Neben einer immer intensiveren Integration von Sicherheits- und Assistenzsystemen sind auch die Erwartungen des Fahrers bzgl. Informationsverfügbarkeit und Bedienkomfort, u.a. durch die Entwicklungen auf dem Smartphone- und Tablet-PC-Markt, sprunghaft gestiegen. Unter den vielfältigen Möglichkeiten zur Gestaltung von Mensch-Fahrzeug-Schnittstellen nehmen auditive Fahrerinformationssysteme und die natürliche Sprachinteraktion zwischen Fahrzeug und Fahrer eine herausragende Stellung ein. Derartige auditorische Mensch-Fahrzeug-Schnittstellen (AMFS) versprechen einen guten Kompromiss zwischen Informationsdurchsatz und Ablenkung von der Fahraufgabe. Es besteht jedoch auch kein Zweifel daran, dass eine immer intensivere Integration von AMFS mit einer steigenden Anzahl von auditiven Informationsströmen wie z.B. Warnsignalen, Navigation, Musik, Telefon etc.  die Aufmerksamkeitsbindung an die Primäraufgabe, d.h. das sichere Fahren, durch eine Verschiebung der kognitiven Ressourcen beeinflusst. Leider steht derzeit das noch sehr limitierte Wissen über diese neurokognitiven Mechanismen, deren Auswirkungen auf der Verhaltensebene und damit auf die Fahrsicherheit, dem Fahrerwunsch einer immer intensiveren Einbindung von AMFS gegenüber. Methoden zur gezielten objektiven Analyse von AMFS fehlen bisher völlig. Das Ziel des Projekts „NEUROKOGNITIVE AMFS“ ist deshalb die Erforschung und Entwicklung einer neurokognitiven Mess- und Simulationsumgebung zum Design von AMFS, welche sowohl im Fahrsimulator als auch im Forschungsfahrzeug eingesetzt werden kann. Im Fokus steht hierbei das objektive Monitoring des momentanen Fahrerzustandes mittels EEG-Messungen während der Interaktion mit AMFS, um daraus Konzepte für Design und Optimierung von proaktiven, ressourcenschonenden AMFS abzuleiten.

 

Probanden im Fahrsimulator bei der Bearbeitung einer Fahraufgabe unter Interaktion mit einer AMFS, wobei die Hirnaktivität über die beiden hochauflösenden EEG-Monitore aufgezeichnet wird.

Probanden im Fahrsimulator bei der Bearbeitung einer Fahraufgabe unter Interaktion mit einer AMFS, wobei die Hirnaktivität über die beiden hochauflösenden EEG-Monitore aufgezeichnet wird. 

Kontrolleinheit zur Auswertung des Neuromonitors und Steuerung der virtuellen Umgebung sowie der AMFS.

Kontrolleinheit zur Auswertung des Neuromonitors und Steuerung der virtuellen Umgebung sowie der AMFS.

NEUROTINNITUS (BMWi-FZ KF2013118AK4)

Entwicklung eines neurodiagnostischen Gerätesystems zur Objektivierung der Tinnitusdiagnostik.

Etwa ein Drittel der Bevölkerung der westlichen Welt leidet, zumindest zeitweise, unter akustischen Phantomwahrnehmungen, die wir unter dem Begriff Tinnitus zusammenfassen können. Diese Tinnitus-Wahrnehmungen sind heterogen in ihrer Pathogenese, ihren Charakteristiken und ihrer individuellen Bedeutung für das Alltagsleben des Patienten. Während der Großteil der Patienten mit ihren Tinnitusempfindungen zurechtkommt (kompensierte Patienten), leiden sogenannte dekompensierte Patienten unter schweren psychosomatischen und psychosozialen Einschnitten mit zum Teil bedeutenden gesundheitsökonomischen Folgen. Die heterogene Ausprägung der Tinnitus-Symptomatik erfordert differenzierte, speziell auf die individuelle Ausprägung der Erkrankung angepasste Therapiekonzepte. Der derzeitige Stand der Tinnitus-Kategorisierung (in kompensierte und dekompensierte Patienten) in der Diagnostik basiert auf subjektiven Verfahren, z.B. der Patienten-Selbsteinschätzung anhand von Tinnitus-Fragebögen. Aktuelle Studien zeigen allerdings signifikante Limitationen dieser psychometrischen Instrumente. Objektive Messverfahren zur Kategorisierung der Tinnitus-Dekompensation, die unabhängig von der Selbsteinschätzung des Patienten sind, fehlen in der klinischen Praxis bisher völlig. Primäres Ziel des Projekts „NEUROTINNITUS“ ist daher die Entwicklung eines adaptiven neurodiagnostischen Systems zur objektiven Kategorisierung der patientenspezifischen Tinnitus-Dekompensation, d.h. der individuellen Tinnitusbelastung, sowie die Schaffung einer gerätetechnischen Basis zur zukünftigen, modularen Implementierung eines therapeutisch nutzbaren Neurofeedbacks. Es handelt sich hierbei um eine konsequente Translation der neurowissenschaftlichen Resultate in neurodiagnostische, medizinische Geräte.

 

DFG-FZ STR 994/1-1

Anisotrope Analyse elektroenzephalografischer Korrelate der sensorischen und kognitiven Verarbeitung in Single-Sweeps.

Das Ziel dieses Projekts ist die Erforschung neuer, leistungsfähiger, anisotroper 2D-Modelle zur Analyse von evozierten und ereigniskorrelierten elektroenzephalografischen Einzelantworten auf sensorische Reize in Matrixdarstellung. Dabei sollen spezifische anisotrope Variationstechniken im Zeitbereich sowie phasenbasierte Analyseverfahren entwickelt werden. Diese im Bereich der klinischen Neurodiagnostik und experimentellen Neuropsychologie völlig neue Technik soll die verbesserte Extraktion großskaliger neuronaler Korrelate der sensorischen und kognitiven Verarbeitung in Einzelantworten erlauben und damit einen wichtigen methodischen Beitrag auf diesem Gebiet liefern. Die neuen Modelle sollen theoretisch fundiert in das Applikationsfeld eingebettet werden, die in Bezug auf klinische/experimentelle Anwendungen zu erwartenden Vorteile verifiziert und mit konkurrierenden Methoden verglichen werden.

Aktuelle Informationen erhalten Sie zusätzlich unter: www.snnu.uni-saarland.de

 

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