A subject-specific neurofeedback approach for cognitive enhancement

Escolano Marco, Carlos
Mínguez Zafra, Javier (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2014

Resumen: La técnica de neurofeedback (NF) permite el aprendizaje de la auto-regulación de la actividad cerebral, por la cual los usuarios pueden aprender a modificar (hasta un cierto grado) patrones de la actividad cerebral. Un punto clave del NF en la práctica es la técnica de registro de la actividad cerebral, donde el electroencefalograma (EEG) es la más usada debido a que es no invasiva, portátil y tiene una buena resolución temporal. La investigación en neurociencia ha reportado en repetidas ocasiones la relación de determinadas funciones cognitivas y desórdenes psiquiátricos con las oscilaciones del EEG. Por lo tanto, no es sorprendente que la regulación de estas oscilaciones conlleve efectos en comportamiento. Por ejemplo, muchos estudios han aplicado esta técnica de NF para aumentar funciones cognitivas como memoria de trabajo, atención y habilidades visuoespaciales, usualmente evaluadas en usuarios sanos. Además se ha aplicado NF para el tratamiento de desórdenes psiquiátricos tales como el trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH), depresión, epilepsia y tinitus, entre otros. El EEG es una señal no estacionaria que presenta una variabilidad inherente entre usuarios en los correlatos de procesos mentales. Sin embargo, la gran mayoría de técnicas de NF desarrolladas hasta el momento son genéricas en el sentido de que no se adaptan a los patrones individuales de EEG de cada usuario. En este sentido ha habido una tendencia en los últimos años hacia el uso de técnicas de NF específicas por medio de la adaptación de algunos métodos involucrados en el procedimiento. Esta tesis aborda el diseño de una técnica de NF dentro de un framework unificado, y muestra su viabilidad por medio de la implementación de tres estudios de NF consistentes en el incremento de la actividad en alpha superior para mejora cognitiva, evaluada en usuarios sanos, pacientes con depresión mayor y niños con TDAH. Una disciplina que viene a la mente cuando pensamos en cómo individualizar la técnica de NF son las interfaces cerebro-computador (BCIs). Las BCIs es una tecnología reciente cuyo objetivo es abrir un canal de comunicación entre un humano y un dispositivo usando únicamente la actividad cerebral para mejor la calidad de vida de personas con graves deficiencias motoras. Un punto clave de las BCIs es que los métodos de procesamiento de la señal se adaptan a cada usuario y momento de utilización de la tecnología. Esto se logra usualmente por medio de una fase de calibración ejecutada antes de la operación en línea. En esta fase de calibración los usuarios realizan tareas mentales que permiten medir algunos correlatos de EEG que son usados para calcular filtros individualizados, por ejemplo en términos de filtrado de artefactos y detección de tareas mentales. Después estos filtros se aplican en línea al EEG para decodificar las tareas mentales, accionando en consecuencia el dispositivo. Tomando el framework de BCI como referencia, proponemos los siguientes métodos individualizados: (1) un método de filtrado de artefactos en tiempo real (usando separación ciega de fuentes) para eliminar los artefactos de los patrones cerebrales de interés; (2) un método novedoso para la individualización de los patrones cerebrales de acuerdo a la combinación de registros de EEG en dos condiciones (estado de reposo y tarea activa); (3) un método para calcular el nivel de trabajo de los patrones cerebrales (baseline) por sujeto y sesión; y (4) una variedad de métodos y métricas para evaluar los efectos del NF en los patrones cerebrales (post-análisis). Para evaluar la viabilidad y validez experimental de esta técnica de NF, llevamos a cabo una implementación de un protocolo de NF basado en el incremento de la actividad en alpha superior para mejora cognitiva, evaluada en tres estudios distintos de NF involucrando usuarios sanos, pacientes con depresión y niños con TDAH. Estos estudios investigaron si individuos sanos, con depresión y ADHD son capaces de incrementar la potencia en alpha superior por medio de NF y, si es así, si estos efectos están relacionados con efectos en comportamiento (rendimiento cognitivo o escalas clínicas). 1. El primer estudio investigó los efectos de una única sesión de NF en usuarios sanos (N = 19) en un diseño experimental con falso feedback. Este estudio mostró un incremento en la potencia en alpha superior en la tarea activa (inmediatamente después del NF) así como un incremento en potencia en alpha superior durante la tarea de rotación mental (intervalo preestímulo), únicamente para el grupo experimental. Ambos grupos mejoraron en rendimiento cognitivo, con una mejora superior para el grupo experimental. Sin embargo una única sesión parece insuficiente para producir diferencias significativas entre grupos. 2. El segundo estudio investigó los efectos de ocho sesiones de NF en pacientes con depresión (N = 60) en un estudio controlado. Este estudio mostró un incremento en la potencia en alpha superior en la tarea activa (pre-post estudio) para el grupo experimental. Estos efectos no estuvieron restringidos espacialmente o espectralmente al parámetro de NF. Se encontró un incremento de actividad a nivel de las fuentes cerebrales en alpha para el grupo experimental, localizado en el giro cingulado anterior (sgACC, BA 25). El grupo experimental mostró un incremento en rendimiento así como un incremento en velocidad de procesamiento medido por un test de memoria de trabajo después del NF, sugiriendo por tanto que los síntomas cognitivos de pacientes con depresión pueden aliviarse por medio de este procedimiento. 3. El tercer estudio investigó los efectos de 18 sesiones de NF en niños con TDAH (N = 20) en un estudio preliminar no controlado. Este estudio mostró un incremento en la potencia (relativa y absoluta) en alpha superior en la tarea activa (pre-post estudio). Mientras que los cambios pre-post estudio estuvieron restringidos mayormente a la banda alpha superior, los efectos dentro de la sesión mostraron un decremento en potencia absoluta en las bajas frecuencias (se debe notar que los niños con TDAH usualmente tienen un exceso de actividad en bajas frecuencias). Los padres indicaron una mejora clínica en los niños con respecto a inatención e hiperactividad/impulsividad, y los tests neuropsicológicos mostraron una mejora en memoria de trabajo. En resumen, estos resultados muestran que la técnica de NF se adaptó a la gran variabilidad de los patrones cerebrales entre sujetos y sesiones. Además, estas tres poblaciones fueron capaces de auto-regular los patrones cerebrales con una consecuente mejora tanto en rendimiento cognitivo y como en escalas clínicas (en el caso de niños con TDAH). Aunque la principal contribución de esta tesis está en los métodos y en la implementación de una técnica individualizada de NF, los estudios de NF aquí presentados son novedosos en sí mismos y los resultados que se extraen de ellos constituyen una contribución añadida de esta tesis.

Resumen (otro idioma): Neurofeedback (NF) promotes the learning of the self-regulation of brain activity, where subjects can learn to shape (to a certain degree) some patterns of brain activity. A key practical point of NF is the recording technique of brain activity, where the electroencephalogram (EEG) is the most widely used one as it is non-invasive, portable and presents a good temporal resolution. Neuroscience research has repeatedly reported the relation of cognitive functions and some psychiatric disorders to EEG oscillations. Thus, it is not surprising that the regulation of EEG oscillations yields behavioral effects. For instance, a large body of research has applied NF for the enhancement of cognitive functions such as working memory, attention and visuospatial abilities, usually applied to healthy subjects. NF has been also applied for the treatment of psychiatric disorders such as attention-deficit/hyperactive disorder (ADHD), depression, epilepsy and tinnitus, among others. EEG is a non-stationary signal that presents an inherent variability among subjects in the EEG correlates of brain processes. However, the large majority of NF procedures developed to date are subject-generic in the sense that they are not adapted to the individual EEG patterns of each subject. In this direction, there has been a trend in recent years towards the use of subject-specific NF procedures by adapting some methods involved in that procedure. This thesis addresses the design of a subject-specific NF approach in a unified framework, and shows its feasibility by implementing three different NF studies of upper alpha up-regulation for cognitive enhancement in healthy subjects, patients with major depressive disorder and children diagnosed with ADHD. One discipline that comes to mind when thinking about how to individualize EEG-based NF procedures is the brain-computer interfaces (BCIs). BCIs is a recent technology whose objective is to open a communication channel between a human and a device using only brain activity to improve the quality of life of people with severe motor disability. A key point of BCIs is that the signal processing methods are adapted for each subject and time of use of the technology. This is commonly achieved by a calibration phase before the online operation. In this calibration phase, the subjects perform metal tasks that allow to measure some EEG correlates that are used to compute subject-specific filters, for example in terms of filtering the EEG artifacts and detecting the mental tasks. These filters are then applied during the online operation phase to the ongoing EEG to decode the mental tasks, actuating the devices accordingly. Taking the BCI framework as a reference, we propose the following individualized methods: (1) a real-time artifact filtering method (using blind source separation) to remove the artifacts from the brain patterns of interest; (2) a novel method for the individualization of the brain patterns according to the combination of EEG recordings in two conditions (resting state and task-related activity); (3) a method for computing the baseline working level of the brain patterns per subject and session; and (4) a variety of methods and metrics to assess the effects of NF on the brain patterns (post-analysis). In order to demonstrate the feasibility and experimental validity of this subject-specific NF approach, we carried out an implementation of a NF protocol of upper alpha up-regulation for cognitive enhancement, evaluated in three different NF studies involving healthy subjects, depressed patients and ADHD children. These studies investigated whether healthy, depressed and ADHD individuals could learn to increase the individual upper alpha power by means of NF, and whether these effects were related to behavioral effects on either cognition or clinical outcome. 1. The first study investigated the effects of a single NF session on healthy participants (N = 19) following a sham-controlled experimental design. This study showed increased upper alpha power in task-related activity (immediately after training), as well as increased pre-stimulus upper alpha power during the execution of a mental rotation task, apparen only for the experimental group. Both groups improved cognitive performance, with a more prominent improvement for the experimental group. However a single session seems to be insufficient to yield significant differences between groups. 2. The second study investigated the effects of eight NF sessions on depressed patients (N = 60) in a controlled study. This study showed increased upper alpha power in task-related activity (pre-post study) for the experimental group, not spatially or spectrally restricted to the trained parameter. A current density increase appeared at brain source level in alpha for the experimental group, localized in the subgenual anterior cingulate cortex (sgACC, BA 25). The experimental group showed increased performance as well as improved processing speed in a working memory test after the training, thus suggesting that the cognitive symptoms of depressed patients could be alleviated by this typeof procedure. 3. The third study investigated the effects of 18 NF sessions on ADHD children (N = 20) in a preliminary uncontrolled study. This study showed increased relative and absolute upper alpha power in task-related activity (pre-post study). While the pre-post study effects were mainly restricted to upper alpha, within-session analysis showed an absolute power decrease in slow-frequency oscillations (note that ADHD children commonly show an excess of slow-frequency activity). Parents rated a clinical improvement in children regarding inattention and hyperactivity/impulsivity, and neurophysiological tests showed an improvement in working memory. In summary, these results show that the NF technique was able to accommodate the large variability of the brain patterns among subjects and over sessions. In addition, these three populations were able to self-regulate the targeted brain patterns with a consequent improvement in cognitive performance and clinical outcome (in the case of ADHD children). Although the main contribution of the thesis is on the methods and on the implementation of the subject-specific NF procedure, the NF studies herein presented are novel and the results extracted from them constitute an added contribution of this thesis.

Pal. clave: neurociencia ; interfaces cerebro-computador

Área de conocimiento: Ingeniería de sistemas y automática

Departamento: Informática e Ingeniería de Sistemas

Nota: Presentado: 28 11 2014

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Informática e Ingeniería de Sistemas, 2014