Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van therapieondersteunende maatregelen als neuro- en biofeedback
Geert J.M. van Boxtel Marian K.J. Dekker Ad Denissen David Vernon Margriet M. Sitskoorn Samenwerking tussen academische en industriele partners: Tilburg University, Tilburg, The Netherlands Philips Research, Eindhoven, The Netherlands Canterbury Christ Church University, Canterbury, UK
1
Globaal doel: Induceer ontspanning en concentratie op een plezierige manier ●
Induceer ontspanning en concentratie door beïnvloeding van alfa activiteit (neurofeedback)
●
Plezierig, dus ga (veel) verder dan standaard EEG metingen
●
Voer experimenten die dubbel blind, placebo gecontroleerd zijn
●
Toon een effecten van alfa training op ontspanning aan (studenten, sporters, militairen)
2
Electroencefalografie (EEG)
Ηλεκτρον
– barnsteen
Ἐγ κέφαλον
– in het hoofd
Γραφειν
– schrijven
Een van de eerste EEG metingen (Berger, 1929) Boven: 13-jarige jongen, beneden: 10 Hz referentie
3
EEG en arousal
'Relaxed wakefulness'?
4
EEG power spectrum
5
Functionele betekenis (Event-related) desynchronization (Event-related) synchronization
→ →
corticale activiteit corticale inactiviteit/inhibitie
Pfurtscheller & Lopes da Silva, 1999
6
Samenvatting “Alfa activiteit weerspiegelt corticale inactiviteit/inhibitie”
Alpha Mu Tau
α µ τ
visueel (senso)motorisch auditief
7
Globaal doel: Induceer ontspanning en concentratie op een plezierige manier ●
Induceer ontspanning en concentratie door beïnvloeding van alfa activiteit (neurofeedback)
●
Plezierig, dus ga (veel) verder dan standaard EEG metingen
●
Voer experimenten die dubbel blind, placebo gecontroleerd zijn
●
Toon een effecten van alfa training op ontspanning aan (studenten, sporters, militairen)
8
Neurofeedback is een speciale vorm van biofeedback (‘brain training’) • Training van hersenritmen • Operante conditionering: vertoon α → “goed zo!”
Veel claims: • ‘Alfa ervaring’ • ‘Alfa staat van bewustzijn’ • meditatie • hypnose Weinig wetenschappelijke evidentie • Shaw (2003): ‘mostly alpha pseudoscience’
9
Klinische evidentie De meeste aanwijzingen voor de werking van neurofeedback training (NFT) komen uit de kliniek: • ADHD (theta/beta, langzame potentialen) • autisme (theta/beta, mu, coherentie) • stemmingsstoornissen, depressie (alfa asymmetrie) • alcoholisme (alfa/theta) • Alzheimer (theta) •…
Maar weinig evidentie in PTSD
10
Globaal doel: Induceer ontspanning en concentratie op een plezierige manier ●
Induceer ontspanning en concentratie door beïnvloeding van alfa activiteit (neurofeedback)
●
Plezierig, dus ga (veel) verder dan standaard EEG metingen
●
Voer experimenten die dubbel blind, placebo gecontroleerd zijn
●
Toon een effecten van alfa training op ontspanning aan (studenten, sporters, militairen)
11
Standaard set-up
• Duurt lang om alle elektroden te bevestigen • Elektrode gel • Niet geschikt voor ‘thuisgebruik’ 12
Gewenste set-up
• Meteen meten • Droge elektrodes; geen contact gel • Kan geïntegreerd worden in MP3 speler • Geschikt voor ‘thuisgebruik’ 13
Huidige set-up
• Audio koptelefoon; iedereen zijn eigen muziek • Op water gebaseerde Ag/AgCl elektroden • vrijwel onmiddellijke set-up • kwaliteits check in software • EOG, ECG, etc. alleen voor huidige studie • Grote stap voorwaarts • Wel nog wat stappen te zetten
14
Werk het?
JA Karakteristieken van het ruwe signaal
Amplitude [dB]
Spectral Power Density of Raw Signal Alfa Band (8-12Hz)
50Hz ruis Mentale Toestand: Ogen open Ogen gesloten + rekenen Ogen gesloten + ontspannen
Frequency [Hz] 15
Geavanceerde signaalbewerking compenseert (gedeeltelijk) de gereduceerde signaalkwaliteit in de ‘daily life’ situatie Mental State (Alpha Brain Activity) Type of Artifacts Detection Accuracy Type
Amplitude
Duration
Eye artifacts
low
short
Head Shaking
middle
short
Teeth Squeezing (short)
high
short
Teeth Squeezing (long)
low/middle
long
Walking
high
Raw Data
Artifact Rejection
Artifact Correction
long
Implemented on device
16
Globaal doel: Induceer ontspanning en concentratie op een plezierige manier ●
Induceer ontspanning en concentratie door beïnvloeding van alfa activiteit (neurofeedback)
●
Plezierig, dus ga (veel) verder dan standaard EEG metingen
●
Voer experimenten die dubbel blind, placebo gecontroleerd zijn
●
Toon een effecten van alfa training op ontspanning aan (studenten, sporters, militairen)
17
3 maanden
Overview
Inclusie metingen (Online )
• Cognitieve Taken • Medische vragenlijst
Voormetingen
• Informed Consent •QEEG •Cognitieve Taken
15 x (neurofeedback) training (iedere sessie ca. 90 min)
•Meting van 2-kanaals EEG (C3-A1,C4-A2), rademhaling, ECG, GSR •Cognitieve Taken •Ontspanning (VAS) •Mood/Stress/Quality of Life, Slaap via Questionnaires ( 1e, 8e and 15e sessie)
Nametingen
•QEEG •Cognitieve Taken • Guided Interview
Follow-Up
•QEEG •Cognitieve Taken •Mood/Stress/Quality of Life, Sleep via Questionnaires • Guided Interview
18
Training: alterneer inspanning en ontspanning
Verwacht alfa patroon:
19
Groepen • Proefpersonen luisteren altijd naar hun favoriete muziek • Kwaliteit van de muziek hangt van de experimentele conditie af(between-subjects) 0: controle groep random beta (16-30 Hz, 4 Hz bins) verschillende bin in iedere training 1: neurofeedback groep alfa activiteit (8-12 Hz)
dB
Meer 2
Minder
2000
Frequency (Hz)
(2: alleen muziek)
20
Subjectieve maten 0
1
• Visueel analoge relaxatie schaal: Voor en na iedere taak • Perceived Stress Scale (PSS), mood (aPOMS), sleep quality (Sleep-50), Quality of Life (WHOQOL): na sessie 1, 8, 15, follow-up • Proefpersonen vullen elke dag een slaaplogboek in, vanaf 1 week voor de training tot 1 week na de training • Guided interviews
21
Cognitieve taken Congruent
• Flanker taak Start
• Stop taak 1000-2000 ms
Duration at least 50 ms.
Incongruent
End
Stop signal 100 ms
500 ms
150 ms
1000-2000 ms
• Stroop taak
• N-back taak
2-back Figure A3 An example of an incongruent matching trial. The word “geel” means yellow but is written in red ink, so it is incongruent. The trial is matching because the word “rood” means red and is the same as the colour of the word “geel”. The upper word is presented 150 ms before the lower word. Both words are visible during 500 ms. Between trials, a fixation cross with a duration between 1 and 2 seconds is presented on the computer screen.
B
R
X
B
X
3-back lure trial
22
Globaal doel: Induceer ontspanning en concentratie op een plezierige manier ●
Induceer ontspanning en concentratie door beïnvloeding van alfa activiteit (neurofeedback)
●
Plezierig, dus ga (veel) verder dan standaard EEG metingen
●
Voer experimenten die dubbel blind, placebo gecontroleerd zijn
●
Toon een effecten van alfa training op ontspanning aan (studenten, sporters, militairen)
23
Study 1: studenten
•
N = 50, 3 groepen
• • •
A: N=18 (12 vrouwen), 18-25 jaar B: N=12 (9 vrouwen), 19-23 jaar C: N=20 (15 vrouwen), 18-25 jaar
• •
Alfa training: 8-12 Hz Voormeting qEEG, 15 training sessies, nameting qEEG, follow-up 3 maanden
24
Verbeterde de subjectief ervaren ontspanning?
Guided interviews (unprompted) Did NOT explicitly mention improved Relaxation
47%
Did explicitly mention improved Relaxation
53%
Alpha
80%
79%
20%
21%
Random Beta
Music Only
Verder geen significante verschillen in VAS, aPOMS, PSS, QoL Wel heel veel verhalen over verbeterde slaap en toegenomen concentratie 25
Nam de alfa activiteit toe?
26
3 maanden na de training is het effect zelfs nog groter geworden
27
Study 2: focus-relaxatie in de sport
• •
Samenwerking met NOC*NSF, InnosportNL, Flik-Flak Nadruk op haalbaarheid i.p.v. effect
•
N = 12, 2 groepen topsporters, national + olympisch niveau
• •
A: N=6 (2 vrouwen), 20-24 jaar B: N=6 (9 vrouwen), 20-28 jaar
• • • •
Alfa training: IAF ± 2 Hz, IAF bepaald in voormeting qEEG (avg O1, Oz, O2) Voormeting qEEG, 10 training sessiess, nameting qEEG, follow-up 8 weken Gesimuleerde wedstrijddag Sportvorm vragenlijst
28
Haalbaarheid: trainingservaringen
29
Alpha activiteit: trends, geen effecten, geen toename bij follow-up
30
Sportvorm
Mental shape
Focus
Physical shape
Mental balance
Self confidence
Training motivation 31
Study 2: stress reductie/militairen
• •
Samenwerking met Eric Vermetten/MGGz, TNO Soesterberg Haalbaarheid, niet zozeer effect
•
N = 48, 4 groepen, redeployment task force, Afghanistan
• • •
A: N=17 (2 vrouwen), 20-39 jaar B: N=12 (9 vrouwen), 21-28 jaar Biofeedback gaming end TAU groepen worden hier niet besproken
• •
Alfa training: IAF ± 2 Hz, IAF bepaald in voormeting qEEG (avg O1, Oz, O2) Voormeting qEEG, 10 training sessies, nameting qEEG, geen follow-up
Haalbaarheid: noemde positieve effecten
Training experiences 60% 50% 41%
40%
Group A
30%
Group B 20%
10%
7%
0%
33
Subjectieve maten: PCA, Slaap, Perceived Stress Personal positive factor .30
.15
.20
.10
.10
.05
factor score
factor score
Personal negative factor .20
.00 -.05 -.10 -.15
-.20 -.30 -.40
-.20 -.25
.00
-.10
-.50
pretraining
posttraining
-.60
Physical negative factor
pretraining
posttraining
Work negative factor
.65 .25
.55
.15
.45
.05
factor score
factor score
.35 .25 .15
.05 -.05 -.15
-.05 -.15 -.25 -.35
-.25 -.35 -.45
-.45
pretraining
posttraining
-.55
4.80
21.0
PSS stress score
PSQI sleep score
22.0
4.20 3.90 3.60
20.0 19.0
18.0 17.0 16.0
3.30
3.00
posttraining
Perceived stress score
Sleep (inversed score) 5.10
4.50
pretraining
pretraining
posttraining
15.0
pretraining
posttraining
34
Alpha power ogen open Frontal alpha power
Central alpha power
-0.4
-0.4
pretraining
posttraining -0.45
log alpha power
log alpha power
-0.45 -0.5 -0.55 -0.6
-0.5 -0.55 -0.6
-0.65
-0.65
-0.7
-0.7
pretraining
Parietal alpha power
Occipital alpha power
-0.4
-0.4
-0.45
-0.45
log alpha power
log alpha power
pretraining
-0.5 -0.55 -0.6 -0.65
posttraining
-0.5 -0.55 -0.6 -0.65
pretraining -0.7
posttraining
posttraining -0.7
35
Interpretatie
• •
Trends in goede richting Statistisch niet betrouwbaar
•
Waarom niet?
• •
Te weinig deelnemers? Te weinig trainingssessies?
36
Algemene conclusies •
Werking van het systeem bij gezonde vrijwilligers aangetoond
•
Haalbaarheid van het systeem aangetoond bij sporters en militairen
•
Het systeem wordt over het algemeen als plezierig ervaren
•
Vormt een goed uitgangspunt voor toegepaste studies
37
Dank u
38
39
Changes in alpha and subjective relaxation during training sessions
Alpha-NF Subjective Relaxation (8min)
more relaxed
Cognitive Task
Cognitive NF2 Task Alpha-NF Alpha-NF (8 min) (8 min)
Cognitive NF3 Task
Example of Correlation between Alpha and Relaxation for one Subject
Alpha Brain Activity
more alpha
T1
T2
T3
T4 40
Cognitive tasks as a function of training session
Reaction Time
Initial values are the same α/β: p = 0.592 α/music: p =0.291
Learning rates differ α/β: p = 0.015 α/music: p =0.029
Time
Final values are the same α/β: p = 0.390 α/music: p =0.459 41
1. System setup Does it work?
YES Congruent
Incongruent
Event-related potentials in flanker task
42
2. Experiments – overall design Cognitive tasks Congruent
• Flanker task Start
• Stop task 1000-2000 ms
Duration at least 50 ms.
Incongruent
End
Stop signal 100 ms
500 ms
150 ms
1000-2000 ms
• Stroop task
• N-back task
2-back Figure A3 An example of an incongruent matching trial. The word “geel” means yellow but is written in red ink, so it is incongruent. The trial is matching because the word “rood” means red and is the same as the colour of the word “geel”. The upper word is presented 150 ms before the lower word. Both words are visible during 500 ms. Between trials, a fixation cross with a duration between 1 and 2 seconds is presented on the computer screen.
B
R
X
B
X
3-back lure trial
43
2. Experiments – overall design Physiological measures • ≈C3 and C4 EEG, used for neurofeedback training and for collecting ERPs • EOG, used to correct on-line for blinks • Heart rate → calculate HRV in frequency domain (another index of relaxation) • Electrodermal activity (GSR) • Respiration
44
