EEG biofeedback för att förbättra minnet hos vuxna med demens (QMFFTD)

Mål och betydelse

1. Vad är (är) studiens primära mål Syftet med denna studie är att utvärdera effekten av biofeedbackträning för att öka det regionala cerebrala blodflödet (CBF) och peak alfa frequency (PAF) på kognitiva och beteendemässiga symtom hos frontotemporal demens (FTD). Vi kommer också att mäta effekterna av EEG-driven fotostimulering under PAF neurofeedback på inlärning av högre PAF-tillstånd och relaterade kliniska resultat.
2. Vad är (är) studiens sekundära mål En mångfald av kliniska, neuropsykologiska och fysiologiska variabler kommer att samlas in i denna studie. Till exempel kommer en fullständig 19-kanals kvantitativ EEG (QEEG)-bedömning att utföras vid intag. Relationen mellan EEG-kraft och koherens och symtomen på denna störning skulle potentiellt kunna ge ett viktigt bidrag till litteraturen om användbarheten av QEEG för differentialdiagnos.

Ett ytterligare mål med studien är att bidra till förståelsen av hur neurofeedback fungerar. Till exempel kommer vi att göra mätningar för att avgöra om att lära sig att kontrollera PAF involverar medvetenhet om något internt subjektivt tillstånd relaterat till PAF. Effekten av belöningssignalen på en hjärnvåg som kallas P300 kan också visa vikten av att belöningstonen låter merparten av tiden under neurofeedbacksessioner. Slutligen kommer vi att mäta om blodflödet förändras under EEG-biofeedback och om EEG påverkas av blodflödesbiofeedback.

Vi föreslår flera mätningar som kommer att bidra till en förståelse av verkningsmekanismen för neurofeedback.

Frontotemporal demens och cerebral hyperperfusion Enkelfotonemissionsdatortomografi (SPECT)-studier har visat att cerebralt blodflöde är signifikant reducerat i frontala och temporala regioner hos FTD-patienter (Miller et al., 1997; Read et al., 1995). Den anatomiska fördelningen av reducerad CBF motsvarar mönstret av neuropsykologiska brister (McMurtray et al., 2006).

Inte överraskande visar magnetisk resonanstomografi (MRT) och datortomografi (CT) hos FTD-patienter atrofi i frontala och temporala regioner (Mendez et al., 1996; Neary och Snowden, 1996). Emellertid har Spilled et al. (2005) antog att neurodegeneration och demens till stor del är sekundära till patologier av cerebralt blodflöde. Jämfört med äldre kontroller med optimal kognitiv funktion skilde sig patienter med DSM-IV demens inte signifikant från äldre kontroller med avseende på antalet hjärninfarkter. Dementa patienter visade signifikant fler vita substanslesioner (p=.028) och cerebrospinalvätska (CSF; p=.016), men en minskning av cerebralt blodflöde hade den största effektstorleken (p

Ett annat argument för blodflödets centrala roll vid demens är att Alzheimerspatienter med hjärnskador (regioner med MRT-signal hyperintensitet) har ökat syreuttag per ml/min. Det vill säga att blodtillgång snarare än efterfrågan verkar vara problemet. Syreextraktionen skulle förväntas vara oförändrad om minskat blodflöde var sekundärt till vävnadsskada (Spilt et al., 2005; Yamaji et al, 1997).

Positron emission tomography (PET) avbildning hos FTD-patienter avslöjar minskad glukosmetabolism i frontala och främre tinningloberna, men även i cingulate gyrus, insula, uncus och subkortikala strukturer (Jeong et al., 2005; Garraux et al., 1999 Ishi et al., 1998). Grimmer et al. (2003) utförde en longitudinell studie på tio patienter med diagnosen FTD. Vid den första bedömningen hade FTD-patienter minskad metabolisk aktivitet jämfört med kontroller i frontala kortikala områden, kaudatkärnorna och talami. Vid en 1-2 års uppföljning observerades signifikant progression av de ursprungliga bristerna i den orbitofrontala cortex och de subkortikala strukturerna.

Med tanke på de betydande bevis som kopplar demens och FTD i synnerhet till minskat cerebralt blodflöde, antar vi att träning av FTD-patienter för att öka cerebralt blodflöde kommer att lindra FTD-symtom och bromsa sjukdomens utveckling.

Nyligen genomförda studier har föreslagit att individer kan lära sig att öka CBF genom biofeedback. Yoo et al. (2006) visade att deltagare som gav feedback på fMRI-aktiviteten i hörselbarken när de lyssnade på musik kunde signifikant öka den genomsnittliga blodsyresättningen såväl som antalet signifikanta voxlar. En annan studie (deCharms et al., 2005) utbildade deltagarna att ändra fMRI-aktivitet i rostral anterior cingulate gyrus (RACG), en region som är inblandad i smärtuppfattning. Kontrollförhållanden inkluderade skenfeedback eller återkoppling från en annan hjärnregion. När en skadlig termisk stimulans applicerades, hade deltagarna minskad smärtkänsla när de tränades för att minska RACG-aktivitet och ökad smärtkänsla när de tränades för att öka RACG-aktivitet. I en annan fas av studien rapporterade åtta patienter med kronisk smärta minskad smärta efter nedträning av fMRI i samma region.

fMRI kostar mer än $1000 per session, vilket placerar denna form av terapi utom räckhåll för de flesta patienter. Det är dock möjligt att ge CBF neurofeedback för de yttersta 1,5 cm av hjärnbarken med en relativt billig anordning som använder brytningsegenskaperna hos syresatt hemogoblin till rött och infrarött ljus (Toomim et al., 2004). En ljuskälla är fäst vid hårbotten (vanligtvis på pannan) med ett pannband, 3 cm från en infraröd sensor, som detekterar den relativa absorptionen av syresatt blod. Denna procedur är känd som hemoencefalografi eller HEG. Toomim et al. (2004) visade att tio sessioner förbättrade impulsivitetspoäng på Test Of Variables of Attention (TOVA) hos 28 patienter med olika psykopatologi. Carmen (2004) gav frontal HEG till 100 migränpatienter och fann att 90 % av dem som genomförde minst sex sessioner rapporterade signifikant förbättring av migränsymtom. I en enskild fallstudie rapporterade Mize (2004) att ett barn med ADHD visade signifikant förbättring av IVA, vilken förbättring kvarstår under 18 månaders uppföljning.

Frontotemporal demens och toppalfafrekvens

PAF hos hälsovuxna har ett genomsnitt på 10-11 Hz. Högre PAF är förknippat med högre minnesprestanda (Klimesch, 1997), läsförmåga (Suldo, 2000), ordförråd och responskontroll (Angelakis et al., 2004a). Efter en serie kognitiva uppgifter reducerades PAF hos patienter med traumatisk hjärnskada jämfört med normala kontroller, men endast svagt eller obetydligt reducerad jämfört med kontroller under uppgiften eller baslinjetillstånden. Angelakis et al. (2004b) hävdade att PAF är både en egenskap och en tillståndsmarkör för kognitiv beredskap. Passant et al (2005), Chan et al. (2004) och Yenner et al. (1996) observerade alla en minskning av PAF hos FTD-patienter.

Vi antar att EEG-biofeedback som belönar högre PAF kommer att resultera i en förbättring av symtomen hos FTD-patienter. I EEG-biofeedback eller neurofeedback presenteras en individs EEG i realtid kontinuerligt som en visuell eller auditiv signal, och önskade variationer belönas. En nyligen genomförd dubbelblind kontrollerad studie (Angelakis et al., 2007) visade att neurofeedback-belönande ökade PAF förbättrade kognitiv bearbetningshastighet och exekutiv funktion hos normala äldre vuxna.

Effektiviteten av neurofeedback som terapi har visats för ADHD (Attention Deficit Hyperactivity Disorder), epilepsi, ångest och beroendesjukdomar. Andra störningar som schizofreni, depression, inlärningssvårigheter (LD) och traumatisk hjärnskada är under utredning som kandidater för neurofeedback-terapi (Monastra, 2003).

Frontotemporal demens och EEG-driven AVS

Liksom EEG neurofeedback har EEG-beroende auditiv och visuell stimulering (AVS) visat sig lovande för att förbättra kognitiv funktion genom att modifiera PAF. En stor mängd forskning har visat att rytmisk AVS kan inducera EEG-rytmer som motsvarar stimuleringsfrekvensen (Frederick et al., 2004). Russell (1997) rapporterade om en studie där den kontinuerligt varierande PAF hos LD- och ADHD-barn användes som en signal för att producera AVS växelvis vid 5 % över och 5 % under PAF i 30 sekunders intervaller, under 20 minuters sessioner. Medan det teoretiska syftet med denna studie var att förbättra flexibiliteten hos PAF (inte att ändra medelfrekvensen), visade den att behandling av PAF effektivt kan behandla kognitiv dysfunktion. Dessa barn visade signifikanta vinster i kognitiva och beteendemässiga åtgärder som fortsatte till 16 månaders uppföljning.

Vi antar att samtidig EEG-driven fotostimulering under PAF-förstärkning neurofeedback (där belöningar presenteras som hörseltoner, med slutna ögon) kommer att öka inlärningshastigheten för PAF-förbättring och ha ökad terapeutisk effekt jämfört med enbart PAF-neurofeedback. Förutom att hjälpa till att inducera högre PAF, har rytmisk fotostimulering fördelen av att öka CBF genom att inducera repetitiva vågor av aktivering i hela hjärnan. Det kan därför också förstärka effekterna av HEG-träningen som beskrivs ovan i del I.

Att förstå verkningsmekanismen för neurofeedback kan potentiellt leda till mer förfinade behandlingsmetoder med förbättrad effekt. Vi föreslår tre mätningar som skulle bidra till en förbättrad förståelse för hur neurofeedback fungerar.

1. En vanlig praxis inom EEG neurofeedback är att belöningssignalen justeras så att klienten tillbringar större delen av tiden med belöningstonen på. Detta tros förbättra motivationen och följsamheten, men det kan finnas en annan anledning. När belöningstonen försvinner är det en sällsynt händelse som kräver en beteendeförändring. Denna situation liknar utformningen av många studier som har visat att frånvaron av en förväntad stimulans framkallar en positiv avböjning i EEG som kallas P300-vågen. P300 har associerats med orienteringsreflexen och med en fasåterställning av bakgrundens EEG-rytmer. Om en större P300 under belöningstonsoffset observeras än under belöningstonens start, skulle detta tyda på att hjärnan svarar på förlusten av belöning med en elektrisk signal som stör och återställer pågående EEG-aktivitet. Detta skulle ge oberoende fysiologiskt stöd till den konventionella kliniska visdomen att tillhandahålla frekventa belöningar.
2. Vissa teoretiker hävdar att effekten av neurofeedback beror på normaliseringen av den onormala fysiologin (t.ex. PAF eller CBF) som korrelerar med störningen (Duff, 2004). Andra (Othmer, Othmer och Kaiser, 1999) hävdar att effektiviteten av neurofeedback är resultatet av hjärnans adaptiva svar på de förändrade hjärntillstånden som induceras av träning. Denna modell liknar den som förklarar effekten av antidepressiva läkemedel och kan förklara vikten av flera sessioner under veckor och månaders träning. Således kommer vi att mäta om förändringar i kliniska och neuropsykologiska testvariabler relaterar till förändringarna av PAF och CBF (genomsnitt och varians per session). Relationerna (eller bristen på sådana) mellan fysiologiska och psykologiska variabler från denna studie kommer att bidra till fältets förståelse av hur neurofeedback fungerar.
3. En kritik som framförts mot HEG-träning till förmån för EEG-biofeedback är att blodflödesförändringar vanligtvis är sekundära till metaboliska krav som skapas av neuronaktivitet. Det är således oklart om HEG-feedback tränar en ospecifik EEG-aktivering eller om någon annan mekanism är inblandad. Vi föreslår att mäta EEG intill HEG-träningsplatsen för att avgöra om HEG-förändringar är korrelerade med EEG-aktivering (förbättrad 14-21 Hz och minskad 4-7 Hz amplitud, eller ökad PAF). Det är av liknande intresse att se om HEG-blodflödesintensitetsmåttet ökar under PAF-träning.