EEG biofeedback for å forbedre hukommelsen hos voksne med demens (QMFFTD)

Mål og betydning

1. Hva er (er) hovedmålene med studien Hensikten med denne studien er å evaluere effekten av biofeedback-trening for å øke regional cerebral blodstrøm (CBF) og topp alfafrekvens (PAF) på kognitive og atferdsmessige symptomer på frontotemporal demens (FTD). Vi vil også måle effekten av EEG-drevet fotostimulering under PAF-nevrofeedback på læring av høyere PAF-tilstander og relaterte kliniske utfall.
2. Hva er (er) studiens sekundære mål Et mangfold av kliniske, nevropsykologiske og fysiologiske variabler vil bli samlet inn i denne studien. For eksempel vil en full 19-kanals kvantitativ EEG (QEEG) vurdering bli utført ved inntak. Forholdet mellom EEG-kraft og koherens og symptomene på denne lidelsen kan potensielt gi et viktig bidrag til litteraturen om nytten av QEEG for differensialdiagnose.

Et tilleggsmål med studien er å bidra til forståelsen av hvordan nevrofeedback fungerer. For eksempel vil vi ta målinger for å avgjøre om å lære å kontrollere PAF innebærer bevissthet om en intern subjektiv tilstand relatert til PAF. Effekten av belønningssignalet på en hjernebølge kalt P300 kan også vise viktigheten av å ha belønningstonen til å høres mesteparten av tiden under neurofeedback-økter. Til slutt vil vi måle om blodstrømmen endres under EEG-biofeedback og om EEG er påvirket av blodstrøm-biofeedback.

Vi foreslår flere målinger som vil bidra til en forståelse av virkningsmekanismen til neurofeedback.

Frontotemporal demens og cerebral hyperperfusjon Single photon emission computed tomography (SPECT) studier har vist at cerebral blodstrøm er betydelig redusert i frontale og temporale regioner hos FTD-pasienter (Miller et al., 1997; Read et al., 1995). Den anatomiske fordelingen av redusert CBF tilsvarer mønsteret av nevropsykologiske mangler (McMurtray et al., 2006).

Ikke overraskende viser magnetisk resonansavbildning (MRI) og computertomografi (CT) hos FTD-pasienter atrofi i frontale og temporale regioner (Mendez et al., 1996; Neary og Snowden, 1996). Spilled et al. (2005) antok at nevrodegenerasjon og demens i stor grad er sekundære til patologier av cerebral blodstrøm. Sammenlignet med eldre kontroller med optimal kognitiv funksjon, skilte ikke pasienter med DSM-IV demens seg signifikant fra eldre kontroller med hensyn til antall hjerneinfarkter. Demente pasienter viste signifikant flere lesjoner av hvit substans (p=.028) og cerebrospinalvæske (CSF; p=.016), men en reduksjon i cerebral blodstrøm hadde størst effektstørrelse (p

Et annet argument for den sentrale rollen til blodstrøm ved demens er at Alzheimerpasienter med hjerneskade (regioner med MR-signal hyperintensitet) har økt oksygenekstraksjon per ml/min. Det vil si at blodforsyning fremfor etterspørsel ser ut til å være problemet. Oksygenutvinning vil forventes å være uendret dersom redusert blodstrøm var sekundært til vevsskade (Spilt et al., 2005; Yamaji et al, 1997).

Positronemisjonstomografi (PET) avbildning hos FTD-pasienter avslører redusert glukosemetabolisme i frontale og fremre tinninglapper, men også i cingulate gyrus, insula, uncus og subkortikale strukturer (Jeong et al., 2005; Garraux et al., 1999 ; Ishi et al., 1998). Grimmer et al. (2003) utførte en longitudinell studie på ti pasienter diagnostisert med FTD. Ved den første vurderingen hadde FTD-pasienter redusert metabolsk aktivitet sammenlignet med kontroller i frontale kortikale områder, kaudatkjernene og thalami. Ved en 1-2 års oppfølging ble det observert signifikant progresjon av de opprinnelige underskuddene i den orbitofrontale cortex og de subkortikale strukturene.

Gitt de betydelige bevisene som knytter demens og FTD spesielt til redusert cerebral blodstrøm, antar vi at trening av FTD-pasienter for å øke cerebral blodstrøm vil lindre FTD-symptomer og bremse utviklingen av sykdommen.

Nyere studier har antydet at individer kan lære å øke CBF gjennom biofeedback. Yoo et al. (2006) viste at deltakere som fikk tilbakemelding på fMRI-aktiviteten til den auditive cortex mens de lyttet til musikk, var i stand til å øke den gjennomsnittlige oksygeneringen av blodet og antallet signifikante voksler betydelig. En annen studie (deCharms et al., 2005) trente deltakerne til å endre fMRI-aktivitet i rostral anterior cingulate gyrus (RACG), en region som er involvert i smerteoppfatning. Kontrollforhold inkluderte falsk tilbakemelding eller tilbakemelding fra en annen hjerneregion. Når en skadelig termisk stimulus ble brukt, hadde deltakerne redusert smertefølelse når de ble trent til å redusere RACG-aktivitet og økt smertefølelse når de ble trent til å øke RACG-aktivitet. I en annen fase av studien rapporterte åtte kroniske smertepasienter redusert smerte etter nedtrening av fMRI i samme region.

fMRI koster mer enn $1000 per økt, noe som plasserer denne formen for terapi utenfor rekkevidde for de fleste pasienter. Det er imidlertid mulig å gi CBF-nevrofeedback for de ytterste 1,5 cm av hjernebarken med en relativt billig enhet som bruker de refraktive egenskapene til oksygenert hemogoblin til rødt og infrarødt lys (Toomim et al., 2004). En lyskilde er festet til hodebunnen (vanligvis på pannen) med et pannebånd, 3 cm unna en infrarød sensor, som registrerer den relative absorpsjonen av oksygenrikt blod. Denne prosedyren er kjent som hemoencefalografi eller HEG. Toomim et al. (2004) viste at ti økter forbedret impulsivitetsscore på Test Of Variables of Attention (TOVA) hos 28 pasienter med variert psykopatologi. Carmen (2004) ga frontal HEG til 100 migrenepasienter, og fant at 90 % av de som fullførte minst seks økter rapporterte betydelig bedring i migrenesymptomer. I en enkelt case-studie rapporterte Mize (2004) at et barn med ADHD viste betydelig forbedring på IVA, hvilken forbedring vedvarer inn i 18-måneders oppfølging.

Frontotemporal demens og topp alfafrekvens

PAF hos helse voksne har et gjennomsnitt på 10-11 Hz. Høyere PAF er assosiert med høyere minneytelse (Klimesch, 1997), leseevne (Suldo, 2000), vokabular og responskontroll (Angelakis et al., 2004a). Etter en rekke kognitive oppgaver ble PAF redusert hos pasienter med traumatisk hjerneskade sammenlignet med normale kontroller, men bare svakt eller ikke-signifikant redusert sammenlignet med kontroller under oppgaven eller grunntilstandene. Angelakis et al. (2004b) hevdet at PAF er både en egenskap og en tilstandsmarkør for kognitiv beredskap. Passant et al (2005), Chan et al. (2004) og Yenner et al. (1996) observerte alle en reduksjon i PAF hos FTD-pasienter.

Vi antar at EEG-biofeedback som belønner høyere PAF vil resultere i en forbedring av symptomene hos FTD-pasienter. I EEG-biofeedback eller neurofeedback presenteres et individs sanntids-EEG kontinuerlig som et visuelt eller auditivt signal, og ønskede variasjoner belønnes. En nylig dobbeltblind kontrollert studie (Angelakis et al., 2007) viste at nevrofeedback-belønning økte PAF forbedret kognitiv prosesseringshastighet og eksekutiv funksjon hos normale eldre voksne.

Effekten av neurofeedback som terapi har blitt demonstrert for oppmerksomhetsunderskudd hyperaktivitetsforstyrrelse (ADHD), epilepsi, angst og vanedannende lidelser. Andre lidelser som schizofreni, depresjon, lærevansker (LD) og traumatisk hjerneskade er under utredning som kandidater for nevrofeedback-terapi (Monastra, 2003).

Frontotemporal demens og EEG-drevet AVS

I likhet med EEG-nevrofeedback, har EEG-avhengig auditiv og visuell stimulering (AVS) vist lovende for å forbedre kognitiv funksjon ved å modifisere PAF. En betydelig mengde forskning har vist at rytmisk AVS kan indusere EEG-rytmer som tilsvarer stimuleringsfrekvensen (Frederick et al., 2004). Russell (1997) rapporterte om en studie der kontinuerlig varierende PAF hos LD- og ADHD-barn ble brukt som et signal for å produsere AVS vekselvis ved 5 % over og 5 % under PAF i 30 sekunders intervaller, i 20 minutters økter. Mens det teoretiske målet med denne studien var å forbedre fleksibiliteten til PAF (ikke å endre gjennomsnittsfrekvensen), viste den at behandling av PAF effektivt kan behandle kognitiv dysfunksjon. Disse barna viste betydelige gevinster i kognitive og atferdsmessige tiltak som vedvarte til 16-måneders oppfølging.

Vi antar at samtidig EEG-drevet fotostimulering under PAF-forsterkning neurofeedback (hvor belønninger presenteres som auditive toner, med lukkede øyne) vil øke innlæringshastigheten for PAF-forbedring, og ha økt terapeutisk effekt sammenlignet med PAF-nevrofeedback alene. I tillegg til å bidra til å indusere høyere PAF, har rytmisk fotostimulering fordelen av å øke CBF ved å indusere repeterende bølger av aktivering gjennom hele hjernen. Det kan derfor også forsterke effekten av HEG-treningen beskrevet ovenfor i del I.

Å forstå virkningsmekanismen til neurofeedback kan potensielt føre til mer raffinerte behandlingsmetoder med forbedret effekt. Vi foreslår tre målinger som vil bidra til en bedre forståelse av hvordan nevrofeedback fungerer.

1. En vanlig praksis ved EEG-nevrofeedback er at belønningssignalet justeres slik at klienten bruker mesteparten av tiden med belønningstonen på. Dette antas å forbedre motivasjon og etterlevelse, men det kan være en annen grunn. Når belønningstonen forsvinner, utgjør det en sjelden hendelse som krever atferdsendring. Denne situasjonen ligner utformingen av mange studier som har vist at fravær av en forventet stimulus fremkaller en positiv avbøyning i EEG kalt P300-bølgen. P300 har blitt assosiert med orienteringsrefleksen, og med en fase-tilbakestilling av bakgrunnens EEG-rytmer. Hvis en større P300 under belønning tone offset observeres enn under belønning tone start, vil dette tyde på at hjernen reagerer på tap av belønning med et elektrisk signal som forstyrrer og tilbakestiller pågående EEG aktivitet. Dette vil gi uavhengig fysiologisk støtte til den konvensjonelle kliniske visdommen med å gi hyppige belønninger.
2. Noen teoretikere hevder at effekten av neurofeedback avhenger av normaliseringen av den unormale fysiologien (f.eks. PAF eller CBF) som korrelerer med lidelsen (Duff, 2004). Andre (Othmer, Othmer og Kaiser, 1999) hevder at effekten av nevrofeedback er resultatet av hjernens adaptive respons på de endrede hjernetilstandene indusert av trening. Denne modellen ligner på den som forklarer effekten av antidepressiva, og kan forklare viktigheten av flere økter over uker og måneder med trening. Dermed vil vi måle om endringer i kliniske og nevropsykologiske testvariabler har sammenheng med endringene av PAF og CBF (gjennomsnitt og varians per økt). Sammenhengene (eller mangelen på dem) mellom fysiologiske og psykologiske variabler fra denne studien vil bidra til feltets forståelse av hvordan nevrofeedback fungerer.
3. En kritikk mot HEG-trening til fordel for EEG-biofeedback er at blodstrømsendringer vanligvis er sekundære til metabolske krav skapt av nevronal aktivitet. Dermed er det uklart om HEG-feedback trener en uspesifikk EEG-aktivering eller om en annen mekanisme er involvert. Vi foreslår å måle EEG ved siden av HEG-treningsstedet for å avgjøre om HEG-endringer er korrelert med EEG-aktivering (forbedret 14-21 Hz og redusert 4-7 Hz amplitude, eller økt PAF). Det er av lignende interesse å se om HEG-målet for blodstrømsintensitet øker under PAF-trening.