A subject-specific neurofeedback approach for cognitive enhancement

• Autores: Carlos Escolano Marco
• Directores de la Tesis: Javier Mínguez Zafra (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2014
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Andrea Kübler (presid.), Luis Montesano del Campo (secret.), Marco Congedo (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Zaguán
• 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.