Effects of theta-frequency binaural beats on post-exercise recovery and stress responsivity

Binaural beats are an auditory illusion perceived when two or more pure tones of similar frequencies are presented dichotically through stereo headphones. This phenomenon is thought to have the potential to facilitate changes in arousal. The present study investigated the effects of 7 Hz binaural beating on post-exercise recovery and stress responsivity in college-aged students (n = 21; 18-29 years old).Theta binaural beats failed to outperform placebo in altering post-exercise recovery or stress responsivity. However, after listening to binaural beats, participants reported feeling more relaxed (6.4% change) and less stressed (11.5% change). Findings from the present study suggest that listening to binaural beats may have subtle psychological effects

Immersive brain entrainment in virtual worlds: actualizing meditative states

Virtual Reality with associated hardware and software advances is becoming a viable tool in neuroscience and similar fields. Technology has been harnessed to modify a user’s state of mind for some time through different approaches. Combining this background with merged reality systems, it is possible to develop intelligent tools which can manipulate brain states and enhance training mechanisms

Influence of beta and theta binaural beat stimulation on episodic memory: an EEG study

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021Binaural beats (BBs) are auditory illusions created by the brain when two coherent sounds with slightly different frequencies are presented to both ears dichotically. For example, if the subject is presented a 256 Hz tone to the right ear and a 250 Hz to the left ear, the beat in this phenomenon is referred to as a 6 Hz theta binaural beat. Conversely, a mix of two sinusoids presented to the same ear is called acoustic beat (AB), resulting in a periodic amplitude fluctuation. Although BBs were shown to have positive effects on cognition, there are no sufficient studies on BBs and episodic memory. Furthermore, there is no agreement to explain the brain mechanism underlying the perception of BBs. The primary goal of this study is to investigate the influence of BBs on episodic memory and the effects of BB stimulation on brain rhythms, more concretely to examine whether they can change the power of specific EEG frequencies, comparatively to ABs. The secondary objective focuses on an exploratory study to measure cortical auditory evoked potentials (CAEPs) applying Muse, a consumer-grade EEG device used in this study, in order to assess its potential and the corresponding data quality. To meet the goals, two separate experiments were designed: a classic CAEP paradigm, with a total of 5 participants (3 male, 2 female; aged 22-25 years old); and an experiment with 32 subjects (19 male, 13 female; aged 20-28 years old), divided into two groups (depending on type of stimulation performed: 20 Hz beta or 6 Hz theta beats), each one with two stimuli conditions (BB or AB), received 15 minutes before the episodic memory task, during memory encoding phase and during the free recall test, across 2 sessions with an interval of 1 week. To quantify the power of brain oscillations during AB and BB stimulation, time-frequency analysis was performed using Discrete Wavelet Transform (DWT) and Relative Wavelet Energy (RWE). Regarding CAEP paradigm, N1-P2 complex was detected in temporal regions with acceptable signal-to-noise ratio. Parametric and non-parametric paired t-tests showed several significant changes in RWE values within each group at different time points, frequency bands and channels during both sessions, between BB and AB conditions. Moreover, entrainment of brain activity with the frequency of the beat was detected within theta BB stimulation. Regarding the effects of BB stimulation on episodic memory performance, t-tests revealed significant differences in the memory scores between AB and BB conditions during the first session (t=−2.48, p=0.0133) and second session (t=−2.67, p=0.00914) in theta group, with higher scores observed after BB stimulation. In beta group, significant differences in the scores were observed between AB and BB conditions during first session (t=−2.40, p=0.0154), with higher scores registered in BB condition. Inter-group analysis demonstrated that beta group outperformed theta group in both AB (t=3.37, p=0.00244) and BB (t=3.58, p=0.00143) conditions during the second session. This study validates the use of Muse for neuroscientific research, demonstrating that is possible to rely on consumer-grade low-cost EEG systems. Furthermore, it demonstrates that 20 Hz beta and 6 Hz theta BBs have a positive influence on episodic memory performance. Based on findings of positive effects of BBs on cognition, these results were expected. Entrainment was observed during theta BB stimulation. In addition, it is suggested that BBs have a modulatory effect on brain frequencies, with involvement of dynamical processes.Batimentos binaurais (BBs, do inglês Binaural beats) são ilusões auditivas criadas pelo cérebro quando dois sons coerentes com frequências ligeiramente diferentes são apresentados dicoticamente, isto é, cada ouvido é estimulado por frequências diferentes. Existem diferentes tipos de BBs, dependendo das frequências a partir das quais são criados e da diferença entre elas, o que determina a frequência do batimento. Por exemplo, se o sujeito é apresentado com um tom de 256 Hz no ouvido direito e 250 Hz no ouvido esquerdo, cria-se um batimento binaural de 6 Hz, na frequência do ritmo teta. Por outro lado, a mistura de duas sinusoides apresentadas ao mesmo ouvido possui o nome de batimento acústico (AB, do inglês acoustic beat) e as suas interferências são refletidas em flutuações periódicas em amplitude. Estudos demonstram que os BBs têm um efeito positivo na memória de trabalho, memória de longo prazo, capacidade de atenção e nos níveis de ansiedade e relaxamento. No entanto, existem relatos do seu efeito negativo na atenção e na memória de curto prazo. Para além disso, não existe um consenso na comunidade científica para explicar o mecanismo cerebral subjacente à perceção dos BBs. Tudo isto sublinha a necessidade de mais unificação na pesquisa. Apesar do efeito benéfico dos BBs nos diferentes tipos de memória, não existe um leque de estudos suficientemente grande relativamente à sua influência na memória episódica, um tipo de memória associado à codificação de eventos autobiográficos. Destaques na pesquisa sugerem que as oscilações teta estão associadas a um melhor desempenho na memória episódica. Presumindo que a estimulação auditiva com BBs teta possa ter um efeito modulador das frequências cerebrais por meio de resposta pós-frequência, mais especificamente no ritmo teta, é razoável supor que os BBs podem influenciar a memória episódica. O sistema de EEG usado neste estudo é o Muse, desenvolvido para ajudar em técnicas de meditação. Como não se trata de um aparelho de grau médico, é necessário entender se o material é viável para o estudo. O método para alcançar esta validação foi medir os potenciais evocados auditivos corticais, uma resposta cerebral já bem conhecida. Posto isto, a primeira parte desta tese foca-se num estudo exploratório para medir os potenciais evocados auditivos corticais usando o Muse, com o objetivo de avaliar o potencial do dispositivo e a qualidade dos dados correspondentes. A segunda parte e a meta principal deste estudo é investigar a influência do BBs na memória episódica e estudar o seu efeito nas oscilações cerebrais, em comparação com ABs. Para concretizar a primeira experiência deste estudo, um paradigma clássico foi desenhado para medir os potenciais evocados. Um total de 5 voluntários participaram neste estudo, com idades compreendidas entre 22 e 25 anos. Os participantes receberam um total de 180 estímulos, que consistiam em tons puros de 1000 Hz, com 500 ms de plateau, 10 ms de subida e descida e apresentados a cada 2 segundos. A aquisição do EEG e os marcadores de evento foram concretizados através do Lab Streaming Layer, uma ferramenta que permite criar redes de conexões entre vários dispositivos e programas. O pré-processamento e o processamento dos dados foram executados no EEGLAB, uma extensão do MATLAB que oferece uma interface gráfica para realizar a análise do EEG. Os resultados obtidos foram satisfatórios: o complexo N1-P2 foi identificado em todos os sujeitos e também nas curvas de grande média, com uma melhor relação entre o sinal e o ruído comparativamente às curvas individuais. Relativamente à segunda parte desta tese, a experiência consiste em 2 grupos de sujeitos, 2 blocos de tarefas, cada um com 2 condições de estímulo (AB ou BB), concretizada durante 2 sessões, separadas por uma semana. Um total de 32 voluntários foram recrutados, com idades compreendidas entre 20 e 28 anos. Os sujeitos foram divididos em 2 grupos: grupo teta, que recebeu estimulação com BBs e ABs teta na frequência dos 6 Hz, criados a partir de tons puros de 247 Hz e 253 Hz; grupo beta, que foi estimulado com BBs e ABs beta na frequência dos 20 Hz, gerados a partir de tons puros de 240 Hz e 260 Hz. A primeira parte do primeiro bloco consistia numa tarefa passiva em que os sujeitos de cada grupo ouviam ABs durante 15 minutos, ao mesmo tempo em que aquisição do EEG era realizada. Seguiu-se uma tarefa de memória episódica, em que os participantes tinham que decorar uma sequência de 30 imagens de objetos, cada uma com a duração de 3 segundos. De seguida, uma tarefa de distração foi realizada consistindo numa contagem em voz alta de 20 até 0. Por fim, foi feito um teste de recordação livre em que os sujeitos apontavam num papel os objetos que se lembravam de ver, cujo número seria contabilizado como pontuações de memória. O segundo bloco de tarefas é idêntico ao primeiro, exceto que imagens de objetos diferentes foram usadas e a estimulação durante os 15 minutos iniciais foi feita com BBs. Na segunda sessão, os mesmos procedimentos foram repetidos, exceto o uso de imagens de objetos diferentes em cada bloco. Para quantificar a energia de cada banda de frequência do EEG, recorreu-se à Transformada de Wavelet Discreta, que decompõe o sinal em vários níveis, cada um correspondendo a uma banda de frequência de ritmos cerebrais, e à Energia de Wavelet Relativa (RWE, de Relative Wavelet Energy). Mudanças na RWE dum determinado nível de decomposição refletem mudanças na atividade cerebral na banda de frequências correspondente. Dois tipos de análise foram concretizados: um tendo conta a evolução temporal da RWE ao longo de 13 segmentos de 1 minuto; o segundo implicou calcular a RWE média ao longo de um único segmento de EEG, colapsando a dimensão temporal. Os testes t paramétricos e não paramétricos revelaram várias diferenças entre os valores de RWE durante a estimulação com ABs e a estimulação com BBs, ao longo de diferentes instantes de tempo, bandas de frequências, canais e sessões da experiência. Relativamente ao grupo teta, os testes revelaram que a RWE na banda de frequência alfa no canal AF8 durante a primeira sessão aumentou de AB para BB (t=2.2701, p=0.01919). Durante a segunda sessão, foi observado um aumento dos valores de RWE na banda de frequências teta no canal TP10 da condição AB para BB (t=2.4509, p=0.0135). Relativamente ao grupo beta, as seguintes observações correspondem à primeira sessão, da condição AB para BB: uma diminuição significativa de RWE na banda de frequências beta no canal TP10 (t=-2.3364, p=0.0181) e um aumento significativo de RWE na banda delta no canal TP10 (t=4.3193, p=0.0004164) e no canal TP9 (t=2.7144, p=0.00885). Quanto aos efeitos dos BBs na performance de memória episódica, os testes t revelaram diferenças significativas nas pontuações entre as condições AB e BB durante a primeira sessão (t=-2.48, p=0.0133) e segunda sessão (t=-2.67, p=0.00914) no grupo teta, com pontuações mais altas observadas após a estimulação com BB. No grupo beta, diferenças significativas nas pontuações foram observadas entre as condições AB e BB durante a primeira sessão (t=-2.40, p=0.0154), com pontuações mais elevadas registadoa na condição BB. A análise entre os grupos demonstrou que o grupo beta superou o grupo teta em ambas as condições AB (t=3.37, p=0.00244) e BB (t=3.58, p=0.00143) durante a segunda sessão. Uma análise fatorial ANOVA II demonstrou que o efeito principal da condição foi significativo, sendo que os participantes que foram submetidos à estimulação com batimentos binaurais tiveram resultados mais altos (F(1,115)=5.49, p=0.0208). O efeito principal da sessão também foi significativo, com pontuações mais altas obtidas durante a segunda sessão (F(1,115)=9.206, p=0.00298). Houve interação significativa entre grupo e sessão (F(1,115)=5.11, p=0.0256). Para além disso, regressões lineares demonstraram que o aumento das pontuações de memória está associado ao aumento de RWE na banda de frequências beta (F(5,114) = 5.876, p < 0.0001). Este estudo mostra que é possível quantificar os potenciais evocados auditivos corticais usando um dispositivo de EEG de grau de consumidor. Foi demonstrado que os batimentos binaurais teta de 6 Hz e beta de 20 Hz têm efeito positivo no desempenho da memória episódica, comparativamente aos respetivos acoustic beats. Os participantes que foram estimulados com BBs beta tiveram melhores resultados nos testes de memória comparativamente aos que receberam estimulação com BBs teta, o que pode ser explicado pelo facto da atividade teta, característica da memória episódica, ter sido despertada durante a estimulação BB beta. No entanto, foi demonstrado que o aumento nas pontuações de memória episódica é explicado pelo aumento da RWE no ritmo beta. A resposta pós-frequência foi observada durante a exposição aos BBs teta, porém o mesmo não se verifica relativamente aos BBs beta. Para concluir, este estudo prova que os batimentos binaurais são moduladores neuronais, com envolvimento de respostas dinâmicas. Este efeito modulador da atividade cerebral pode ser a razão por trás da influência destes batimentos na memória episódica

A High-Density EEG Investigation into Steady State Binaural Beat Stimulation

Binaural beats are an auditory phenomenon that has been suggested to alter physiological and cognitive processes including vigilance and brainwave entrainment. Some personality traits measured by the NEO Five Factor Model have been found to alter entrainment using pulsing light stimuli, but as yet no studies have examined if this occurs using steady state presentation of binaural beats for a relatively short presentation of two minutes. This study aimed to examine if binaural beat stimulation altered vigilance or cortical frequencies and if personality traits were involved. Thirty-one participants were played binaural beat stimuli designed to elicit a response at either the Theta (7 Hz) or Beta (16 Hz) frequency bands while undertaking a zero-back vigilance task. EEG was recorded from a high-density electrode cap. No significant differences were found in vigilance or cortical frequency power during binaural beat stimulation compared to a white noise control period. Furthermore, no significant relationships were detected between the above and the Big Five personality traits. This suggests a short presentation of steady state binaural beats are not sufficient to alter vigilance or entrain cortical frequencies at the two bands examined and that certain personality traits were not more susceptible than others

A Novel Insight of Effects of a 3-Hz Binaural Beat on Sleep Stages During Sleep

The dichotic presentation of two almost equivalent pure tones with slightly different frequencies leads to virtual beat perception by the brain. In this phenomenon, the so-called binaural beat has a frequency equaling the difference of the frequencies of the two pure tones. The binaural beat can entrain neural activities to synchronize with the beat frequency and induce behavioral states related to the neural activities. This study aimed to investigate the effect of a 3-Hz binaural beat on sleep stages, which is considered a behavioral state. Twenty-four participants were allocated to experimental and control groups. The experimental period was three consecutive nights consisting of an adaptation night, a baseline night, and an experimental night. Participants in both groups underwent the same procedures, but only the experimental group was exposed to the 3-Hz binaural beat on the experimental night. The stimulus was initiated when the first epoch of the N2 sleep stage was detected and stopped when the first epoch of the N3 sleep stage detected. For the control group, a silent sham stimulus was used. However, the participants were blinded to their stimulus group. The results showed that the N3 duration of the experimental group was longer than that of the control group, and the N2 duration of the experimental group was shorter than that of the control group. Moreover, the N3 latency of the experimental group was shorter

Immersive brain entrainment in virtual worlds: actualizing meditative states

Virtual Reality with associated hardware and software advances is becoming a viable tool in neuroscience and similar fields. Technology has been harnessed to modify a user’s state of mind for some time through different approaches. Combining this background with merged reality systems, it is possible to develop intelligent tools which can manipulate brain states and enhance training mechanisms

The Effects of Monaural Beat Technology on Learners' Experiences of Music Performance Anxiety (MPA)

Music performance anxiety (MPA) is related to the experience of persisting, distressful, apprehensions about and/or actual impairment of performance skills in a public context, to a degree unwarranted given the individual’s musical aptitude, training and level of preparation (Salmon 1990). This research project set out to investigate learners’ subjective experiences of the effects of monaural beat (MB) vibrational frequencies on their experiences of MPA. The research project was a qualitative study based on a phenomenological research paradigm, which fundamentally aims to explore an experience in its own terms (Smith et al. 2009). The research participants consisted of four subject music pupils at St Andrew’s College and The Diocesan School for Girls and were interviewed through in-depth, semi-structured interviews over two practical examinations. The results suggested that various factors contribute to the experience of music performance anxiety, such as the performers’ perceptions of audience reactions, as well as the context of the performance. Self-esteem and the performer’s fragile sense of self-worth and self-confidence also play an important role in influencing their music performance anxiety. However, listening to monaural beats during a performance has the ability to lower levels of music performance anxiety by eliciting the following effects: an improved sense of confidence within the listeners; a sense of calm; the monaural beats working on a passive awareness level that allows the beat to operate at a sub-conscious level; the ability to focus better on the task at hand as well as benefit the listener in non-musical contexts such as studying; general concentration or ordinary tasks such as gardening or going for a run. The research suggests that listening to monaural beats during a musical performance can benefit the performer by lowering levels of MPA. As a result, the performer will experience an improved sense of confidence, calmness and the ability to focus better on the task at hand. Monaural beats have also shown to be a useful method of dealing with MPA instead of resorting to pharmaceutical drugs or other methods of coping such as playing games for distraction.Thesis (MMus) -- Faculty of Humanities, Music and Musicology, 202

Electrical Brain Responses to an Auditory Illusion and the Impact of Musical Expertise

The presentation of two sinusoidal tones, one to each ear, with a slight frequency mismatch yields an auditory illusion of a beating frequency equal to the frequency difference between the two tones; this is known as binaural beat (BB). The effect of brief BB stimulation on scalp EEG is not conclusively demonstrated. Further, no studies have examined the impact of musical training associated with BB stimulation, yet musicians' brains are often associated with enhanced auditory processing. In this study, we analysed EEG brain responses from two groups, musicians and non-musicians, when stimulated by short presentation (1 min) of binaural beats with beat frequency varying from 1 Hz to 48 Hz. We focused our analysis on alpha and gamma band EEG signals, and they were analysed in terms of spectral power, and functional connectivity as measured by two phase synchrony based measures, phase locking value and phase lag index. Finally, these measures were used to characterize the degree of centrality, segregation and integration of the functional brain network. We found that beat frequencies belonging to alpha band produced the most significant steady-state responses across groups. Further, processing of low frequency (delta, theta, alpha) binaural beats had significant impact on cortical network patterns in the alpha band oscillations. Altogether these results provide a neurophysiological account of cortical responses to BB stimulation at varying frequencies, and demonstrate a modulation of cortico-cortical connectivity in musicians' brains, and further suggest a kind of neuronal entrainment of a linear and nonlinear relationship to the beating frequencies