Natychmiastowy wpływ neurofeedbacku EEG na pobudliwość i synchronizację korową

Potencjał przezczaszkowej stymulacji prądem stałym w leczeniu bólu

Wprowadzenie 

            W porównaniu z dużo większą liczbą badań wykazujących długotrwałe kliniczne i behawioralne skutki neurofeedbacku (NFB), do tej pory przeprowadzono bardzo niewiele badań dotyczących mechanizmów i neurofizjologicznych substratów NFB opartych na EEG innych niż pomiary EEG. Większość zastosowań NFB obejmuje wiele sesji powtarzanych co najmniej raz w tygodniu, których skutki zwykle kumulują się w czasie w wyniku zmian neuroplastycznych w mózgu (w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności szczytowej peak co najmniej osiem sesji, w zastosowaniach klinicznych powyżej 20).[1][2][3] Na przestrzeni lat liczne badania wykazały zmiany behawioralne i neurofizjologiczne po długotrwałym treningu NFB, takie jak poprawa uwagi i wydajności poznawczej oraz towarzyszące im zmiany EEG/ERP (potencjałów związanych ze zdarzeniem).[4][5] Jednak do roku 2010 nie było pracy ani nie dostarczono dowodów na przyczynową i bardziej bezpośrednią zależność czasową między samoregulacją aktywności mózgu a towarzyszącą jej krótkotrwałą zmianą plastyczności mózgu lub jej mechanizmami. Może to być prawdopodobnie spowodowane przekonaniem, że przypuszczalny efekt modulacyjny, który następuje po oddzielnej sesji neurofeedbacku, jest zbyt drobny, aby można go było wykryć natychmiast po tym, lub alternatywnie, występuje na późniejszym etapie, na przykład podczas snu. Obecnie badania nad neuroplastycznością w nienaruszonym ludzkim mózgu stały się możliwe wraz z nadejściem TMS (przezczaszkowej stymulacji magnetycznej). Tutaj dowody zmiany neuroplastycznej można wykazać nieinwazyjnie poprzez zmienioną neurotransmisję rzutu korowo-ruchowego na rękę, metodę, która została fizjologicznie potwierdzona przez inwazyjne zapisy ludzkich i zwierzęcych impulsów nerwów korowo-rdzeniowych.[6] Chociaż wydaje się, że neuroplastyczność obejmuje różnorodne procesy komórkowe w ośrodkowym układzie nerwowym[7], w metodologii TMS jest ona operacyjnie zdefiniowana jako znacząca i trwała zmiana ruchowych potencjałów wywołanych (MEP), wywołanych impulsem magnetycznym, którego amplituda jest reprezentatywna dla siły neurotransmisji z kory ruchowej do mięśnia. Coraz więcej dowodów wskazuje, że ruchowe potencjały wywołane z pojedynczego impulsu TMS najlepiej odzwierciedlają ogólną odpowiedź szlaku korowo-rdzeniowego lub pobudliwość korowo-rdzeniową (CSE)[8], podczas gdy te pochodzące od sparowanych impulsów (z interwałami międzybodźcowymii w milisekundach) umożliwiają rozróżnienie mechanizmów wewnątrzkorowych, takich jak krótkie hamowanie wewnątrzkorowe (SICI) i ułatwienie (ICF), które są modulowane przez transynaptyczną neurotransmisję.[9]

Początkowa hipoteza badawcza była taka, że indukowana przez NFB desynchronizacja rytmu Alfa (8-12 Hz), ogólnie uważana za marker aktywacji korowej[10], poprawiłaby zarówno pobudliwość korowo-rdzeniową, jak i ułatwienie wewnątrzkorowe, jednocześnie powodując zmniejszenie wewnątrzkorowego zahamowania. I odwrotnie, synchronizacja niskiego poziomu Beta („SMR”, 12-15 Hz), która jest powiązana z dezaktywacją kory[11], wrzecionami snu[12], i funkcją GABAergiczną[13], wywoła przeciwny wzór korowo-rdzeniowy i wewnątrzkorowy. 

Metody 

Uczestnicy 

W eksperymencie wzięło udział 24 zdrowych uczestników (12 kobiet, wiek 31 ± 5 lat), rekrutowani za pośrednictwem bazy danych uczestników Wydziału Psychologii University College London. Procedury eksperymentalne zostały zatwierdzone przez lokalną komisję etyczną i zgodnie z Deklaracją Helsińską.

            Uczestników losowo przydzielono do dwóch grup protokołów na pojedynczą 30-minutową sesję NFB: supresja alfa (N=12) lub wzmocnienie niskiej beta (N=12). W celu przetestowania hipotez dotyczących specyficznego dla protokołu wpływu na docelowe komponenty częstotliwości EEG, badani przechodzili spoczynkowe zapisy EEG przez 3 minuty bezpośrednio przed i po sesji treningowej NFB. Aby przetestować hipotezy dotyczące protokołu specyficznego dla pobudliwości korowo-rdzeniowej (CSE), odpowiedzi ruchowych potencjałów TMS (MEP) zebrano przed i dwukrotnie po (po 1, po 2) każdej sesji NFB, kolejno na mięśniach prawej i lewej ręki.

            Grupa ALPHA dążyła do stłumienia absolutnej amplitudy alfa (8-12 Hz), podczas gdy grupa BETA dążyła do podniesienia absolutnej amplitudy niskiej beta (12-15 Hz). W związku z tym progi nagrody ustalono na 30% czasu odpowiednio powyżej lub poniżej początkowej alfa lub niskiej średniej amplitudy (poziom wyjściowy). 

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS): aparat i procedura 

            Podczas eksperymentu wykorzystano aparat TMS do przetestowania wpływu treningu NFB na pomiary pobudliwości korowo-ruchowej i pobudliwości korowo-rdzeniowej (CSE), krótkiego zahamowania wewnątrzkorowego (SICI) i ułatwienia wewnątrzkorowego (ICF). Parametry TMS (CSE, SICI i ICF) mierzono przed i dwa razy po NFB (po 1 i po 2). W losowej kolejności zmierzono 78 odpowiedzi TMS, co wymagało około 6 minut na półkulę. Oceniono parametry TMS obu półkul, najpierw lewej (trenowanej), a następnie prawej (nietrenowanej) półkuli, aby zbadać półkulowe działanie NFB. Pomiar pierwszy przeprowadzono około 3-15 minut po treningu NFB, a drugi po 15-27 minutach. 

Dyskusja 

            Wyniki badania pokazują, że trwałe zmiany EEG, w których pośredniczy neurofeedback, w grupie ALPHA spowodowały statystycznie wiarygodny (powyżej 20 min) ogólny wzrost pobudliwości korowo-rdzeniowej (130%) i zmniejszenie krótkiego hamowania wewnątrzkorowego (174% ), w porównaniu z nieznacznie długotrwałymi zmianami w grupie BETA, które wykazały mniej dowodów na uczenie się. Co najważniejsze, analizy korelacji ujawniły silne związki między historyczną aktywnością niektórych rytmów mózgu podczas neurofeedbacku, a wynikającą z tego zmianą pobudliwości korowo-rdzeniowej. Szczególnie podczas neurofeedbacku desynchronizacja alfa (8-12 Hz) w połączeniu ze zwiększonymi średnimi częstotliwościami wysokich rytmów gamma (60-120 Hz) była ściśle skorelowana z długoterminowym wzmocnieniem, takim jak ( powyżej 20 min) wzmocnienie pojedynczego impulsu ruchowych potencjałów wywołanych. Natomiast neurofeedback obejmujący niską synchronizację beta (12-15 Hz) był odwrotnie skorelowany z krótkotrwałą depresją, taką jak ( poniżej 5 min) zmniejszenie pobudliwości korowo-rdzeniowej. Po trzecie, w obu grupach zmiany amplitud spoczynkowego EEG były przewidywane przez trening neurofeedbacku, a także były predyktorem późniejszych amplitud ruchowych potencjałów wywołanych.

W tym eksperymencie bardzo mało prawdopodobne jest, aby długoterminowe skutki neuroplastyczne po desynchronizacji alfa były konsekwencjami podstawowych zmian w pobudzeniu psychicznym po neurofeedbacku, ponieważ dane dotyczące ruchowych potencjałów wywołanych oznaczają istotną pozytywną korelację między amplitudą a upływem czasu po treningu, podczas gdy w przeciwnym razie należałoby się spodziewać odwrotnej zmiany (ponadto grupa BETA nie wykazała równoważnych zmian, pomniejszając prawdopodobieństwo efektu placebo). Biorąc pod uwagę, że indukcja neuroplastyczna mogła rozpocząć się już w połowie sesji, taka postępowa dynamika może również sugerować przebieg czasowy obejmujący kaskady komórkowe, o których wiadomo, że występują podczas wczesnego długoterminowego wzmocnienia.[14] Stwierdzono, że zmniejszenie mocy pasma alfa jest związane ze zwiększoną pobudliwością korową[15], metabolizmem korowym[16], uwagą[17] i aktywacją behawioralną.[18] Krytycznie w bieżącym badaniu wykryto również ujemną korelację między dolnymi częstotliwościami końcowymi (zwłaszcza alfa) a wysokimi średnimi częstotliwościami gamma podczas neurofeedbacku, a także dodatnią korelację między tym ostatnim, a wzrostem  ruchowego potencjału wywołanego pojedynczego impulsu. Potwierdzają to doniesienia łączące oscylacje wysokich częstotliwości (HFO) lub wyższą aktywność gamma z uczeniem się[19] oraz uwagą[20], a także jak przy zwiększonej aktywności BOLD (Niessing i in., 2005), depolaryzacją i szybkością wypalania neuronów[21]. Co ciekawe, zmniejszenie krótkiego hamowania wewnątrzkorowego po 1 i 2 etapie w grupie ALPHA można przypisać zmniejszeniu korowej transmisji GABAergicznej.[22] Może to być prawdopodobnie wewnętrzna reakcja systemu w celu dalszego ułatwienia plastyczności, ponieważ poprzednie raporty wykazały antagonistyczny związek między hamowaniem i pobudzaniem transmisji plastyczności ruchowej a długotrwałym wzmocnieniem.[23][24] Obecnie jednak nie można potwierdzić ani wykluczyć uwolnienia endogennych neuromodulatorów jako mechanizmu interakcji obserwowanych efektów. Jednym potencjalnym kandydatem może być noradrenalina, która jest uwalniana podczas uważnego zachowania[25][26] i wcześniej informowano, że zwiększa długoterminowe wzmocnienie[27], desynchronizuje rytmy alfa[28] i zwiększa pobudliwość korowo-rdzeniową i jednocześnie zmniejsza krótkie hamowanie wewnątrzkorowe.[29]

Można porównywać  efekty zastosowania terapii neurofeedback z badania z innymi istniejącymi już nieinwazyjnymi protokołami stymulacji mózgu wykorzystywanymi do indukowania neuroplastyczności. W badaniach powtarzalnej stymulacji magnetycznej oraz bezpośredniej stymulacji magnetycznej  odnotowano średni wzrost pobudliwości korowo-rdzeniowej o około 150%, co jest porównywalne z zakresem, jaki zaobserwowaliśmy po desynchronizacji alfa w treningu neurofeedback. Co ciekawe, może to wskazywać, że niezależnie od tego, czy stosowane są techniki endogenne, czy egzogenne, wydają się oddziaływać na wspólny neuronowy substrat, który jest nieodłączny dla mózgu. Jednak liczne egzogenne protokoły wywołują efekty trwające przez okres do godziny lub dłużej.

Analiza ścieżki i wyniki modelu równań strukturalnych z badania wskazują na pośredni wpływ neurofeedbacku na ruchowy potencjał wywołany pojedynczego impulsu. Jeśli ostatecznie zostanie to potwierdzone, sugeruje to, że mózg rzeczywiście „kształtuje się”[30]. Ogólnie  wyniki pozostają spójne z tradycyjnymi dowodami zarówno z badań komórkowych, jak i nieinwazyjnych, które wskazują, że stymulacja bardzo wysokiej częstotliwości zwykle indukuje wzmocnienie synaptyczne, podczas gdy niższe częstotliwości mogą wywoływać depresję synaptyczną.[31]

W świetle początkowych dowodów neurofizjologicznych przedstawionych w tym badaniu, powtarzalny protokół supresji alfa mógłby teoretycznie mieć znaczącą wartość terapeutyczną w przypadkach klinicznych, w których patofizjologia polega na słabej aktywacji korowo-rdzeniowej i / lub zwiększonym hamowaniu; w zaburzeniach motorycznych, takich jak na przykład udar. Ponadto, ponieważ doniesiono, że inne metody neuromodulacji ułatwiają uczenie się motoryczne poprzez indukowanie wzrostu pobudliwości korowej[32], ten konkretny protokół może być potencjalnie przydatny w zwiększaniu sprawności ruchowej u zdrowych osób.[33] Wreszcie, podobne podejście NFB ukierunkowane na aktywację kory może ostatecznie okazać się odpowiednie w przypadku zaburzeń mózgu wykazujących niską pobudliwość kory lub podwyższoną moc EEG powolnych fal, takich jak zespół nadpobudliwości z deficytem uwagi (ADHD), urazowe uszkodzenie mózgu[34] i depresja[35]

Podsumowując, wyniki stanowią pierwszą podstawę dla „brakującego ogniwa” między historycznymi długoterminowymi efektami treningu neurofeedbacku a bezpośrednią weryfikacją zmiany neuroplastycznej po indywidualnej sesji treningowej. 

Opracowano na podstawie: Ros T., Gruzelier J. H. „The Immediate Effects of EEG Neurofeedback on Cortical Excitability and Synchronization”

[1]Doehnert, M., Brandeis, D., Straub, M., Steinhausen, H., & Drechsler, R. (2008). Slow cortical potential neurofeedback in attention deficit hyperactivity disorder: is there neurophysiological evidence for specific effects? Journal of Neurophysiology, 115(10), 1445-1456.

[2]Hanslmayr, S., Sauseng, P., Doppelmayr, M., Schabus, M., & Klimesch, W. (2005). Increasing individual upper alpha power by neurofeedback improves cognitive perfor mance in human subjects. Applied Psychophysiology and Biofeedback, 30(1), 1-10.

[3]Le´vesque, J., Beauregard, M., & Mensour, B. (2006). Effect of neurofeedback training on the neural substrates of selective attention in children with attention deficit/hyper activity disorder: A functional magnetic resonance imaging study. Neuroscience Letters, 394, 216-221.

[4]Egner, T., & Gruzelier, J. H. (2004). EEG biofeedback of low beta band components: fre quency specific effects on variables of attention and event related brain potentials. Clinical Neurophysiology, 115(1), 131 139.

[5]Gruzelier, J., Egner, T., & Vernon, D. (2006). Validating the efficacy of neurofeedback for optimising performance. Progress in Brain Research, 159, 421-431.

[6]Lazzaro, V. D., Ziemann, U., & Lemon, R. N (2008). State of the art: Physiology of tran scranial motor cortex stimulation. Brain Stimulation, 1(4), 345-362.

[7]Nelson, S. B., & Turrigiano, G. G. (2008). Strength through diversity. Neuron, 60(3), 477-482.

[8]Lazzaro, V. D., Ziemann, U., & Lemon, R. N (2008), op. cit.

[9]Ziemann, U. (2004). TMS and drugs. Clinical Neurophysiology, 115(8), 1717-1729.

[10]Neuper, C., Wortz, M., & Pfurtscheller, G. (2006). ERD/ERS patterns reflecting sensori motor activation and deactivation. Progress in Brain Research, 159, 211-222.

[11]Oishi, N., Mima, T., Ishii, K., Bushara, K. O., Hiraoka, T., Ueki, Y., et al. (2007). Neural correlates of regional EEG power change. NeuroImage, 36(4), 1301 1312 doi: 10.1016/j.neuroimage.2007.04.030.

[12]Sterman, M. B. (1996). Physiological origins and functional correlates of EEG rhythmic activities: implications for self regulation. Biofeedback and Self-Regulation, 21(1), 3-33.

[13]Jensen, O., Goel, P., Kopell, N., Pohja, M., Hari, R., Ermentrout, B., et al. (2005). On the human sensorimotor cortex beta rhythm: sources and modeling. NeuroImage, 26 (2), 347-355.

[14]Cooke, S. F., & Bliss, T. V. (2006). Plasticity in the human central nervous system. Brain, 129(Pt 7), 1659-1673.

[15]Sauseng, P., Klimesch, W., Gerloff, C., & Hummel, F. C. (2009). Spontaneous locally restricted EEG alpha activity determines cortical excitability in the motor cortex. Neuropsychologia, 47(1), 284-288.

[16]Oishi, N., Mima, T., Ishii, K., Bushara, K. O., Hiraoka, T., Ueki, Y., et al. (2007), op. cit.

[17]Fries, P., Womelsdorf, T., Oostenveld, R., & Desimone, R. (2008). The effects of visual stimulation and selective visual attention on rhythmic neuronal synchronization in macaque area V4. Journal of Neuroscience, 28(18), 4823-4835.

[18]Rougeul Buser, A., & Buser, P. (1997). Rhythms in the alpha band in cats and their beha vioural correlates. International Journal of Psychophysiology, 26(1 3), 191-203.

[19]Ponomarenko, A. A., Li, J., Korotkova, T. M., Huston, J. P., & Haas, H. L. (2008). Frequency of network synchronization in the hippocampus marks learning. The European Journal of Neuroscience, 27(11), 3035 3042 doi: 10.1111/j.1460 9568.2008.06232.x.

[20]Fries, P., Womelsdorf, T., Oostenveld, R., & Desimone, R. (2008), op. cit.

[21]Grenier, F., Timofeev, I., & Steriade, M. (2001). Focal synchronization of ripples (80 200 Hz) in neocortex and their neuronal correlates. Journal of Neurophysiology, 86(4), 1884-1898.

[22]Hallett, M. (2007). Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron, 55(2), 187-199.

[23]Butefisch, C. M., Davis, B. C., Wise, S. P., Sawaki, L., Kopylev, L., Classen, J., et al. (2000). Mechanisms of use dependent plasticity in the human motor cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97(7), 3661-3665.

[24]Komaki, A., Shahidi, S., Lashgari, R., Haghparast, A., Malakouti, S. M., Noorbakhsh, S. M., et al. (2007). Effects of GABAergic inhibition on neocortical long term potentia tion in the chronically prepared rat. Neuroscience Letters, 422(3), 181-186.

[25]Berridge, C., & Waterhouse, B. (2003). The locus coeruleus noradrenergic system: Modulation of behavioral state and state dependent cognitive processes. Brain Research Reviews, 42, 33-84.

[26]Rougeul Buser, A., & Buser, P. (1997), op. cit.

[27]Harley, C. W. (1987). A role for norepinephrine in arousal, emotion and learning? Limbic modulation by norepinephrine and the Kety hypothesis. Progress in Neuro-psychopharmacology and Biological Psychiatry, 11(4), 419-458.

[28]Rougeul Buser, A., & Buser, P. (1997), op. cit.

[29]Ziemann, U. (2004), op. cit.

[30]Rudrauf, D., Lutz, A., Cosmelli, D., Lachaux, J., & Le Van Quyen, M. (2003). From autopoiesis to neurophenomenology: Francisco Varela’s exploration of the biophysics of being. Biological Research, 36(1), 27-65.

[31]Cooke, S. F., & Bliss, T. V. (2006), op. cit.

[32]Ziemann, U., Paulus, W., Nitsche, M. A., Pascual Leone, A., Byblow, W. D., Berardelli, A., et al. (2008). Consensus: Motor cortex plasticity protocols. Brain Stimulation, 1(3), 164-182.

[33]Ros, T., Moseley, M. J., Bloom, P. A., Benjamin, L., Parkinson, L. A., Gruzelier, J. H., et al. (2009). Optimizing microsurgical skills with EEG neurofeedback. BMC Neuroscience, 10(1), 87 doi: 10.1186/1471 2202 10 87.

[34]Thatcher, R. W. (2000). EEG operant conditioning (biofeedback) and traumatic brain injury. Clinical EEG (electroencephalography), 31(1), 38-44.

[35]Korb, A. S., Cook, I. A., Hunter, A. M., & Leuchter, A. F. (2008). Brain electrical source differences between depressed subjects and healthy controls. Brain Topography, 21(2), 138-146.

Aby umówić się na wizytę diagnostyczną i wstępną sesję terapeutyczną, prosimy o kontakt telefoniczny lub mailowy.

+48 503 526 907

centrumneuroterapii@gmail.com

Zachodniopomorskie Centrum Neuroterapii

ul. 3 Maja 25-27, piętro II, gabinet 311.
70-215 Szczecin
NIP: 8522666280