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

Influencing brain waves by evoked potentials as biometric approach: taking stock of the last six years of research

The scientific advances of recent years have made available to anyone affordable hardware devices capable of doing something unthinkable until a few years ago, the reading of brain waves. It means that through small wearable devices it is possible to perform an electroencephalography (EEG), albeit with less potential than those offered by high-cost professional devices. Such devices make it possible for researchers a huge number of experiments that were once impossible in many areas due to the high costs of the necessary hardware. Many studies in the literature explore the use of EEG data as a biometric approach for people identification, but, unfortunately, it presents problems mainly related to the difficulty of extracting unique and stable patterns from users, despite the adoption of sophisticated techniques. An approach to face this problem is based on the evoked potentials (EPs), external stimuli applied during the EEG reading, a noninvasive technique used for many years in clinical routine, in combination with other diagnostic tests, to evaluate the electrical activity related to some areas of the brain and spinal cord to diagnose neurological disorders. In consideration of the growing number of works in the literature that combine the EEG and EP approaches for biometric purposes, this work aims to evaluate the practical feasibility of such approaches as reliable biometric instruments for user identification by surveying the state of the art of the last 6 years, also providing an overview of the elements and concepts related to this research area

Comparative analysis of acoustic therapies for tinnitus treatment based on auditory event-related potentials

IntroductionSo far, Auditory Event-Related Potential (AERP) features have been used to characterize neural activity of patients with tinnitus. However, these EEG patterns could be used to evaluate tinnitus evolution as well. The aim of the present study is to propose a methodology based on AERPs to evaluate the effectiveness of four acoustic therapies for tinnitus treatment.MethodsThe acoustic therapies were: (1) Tinnitus Retraining Therapy (TRT), (2) Auditory Discrimination Therapy (ADT), (3) Therapy for Enriched Acoustic Environment (TEAE), and (4) Binaural Beats Therapy (BBT). In addition, relaxing music was included as a placebo for both: tinnitus sufferers and healthy individuals. To meet this aim, 103 participants were recruited, 53% were females and 47% were males. All the participants were treated for 8 weeks with one of these five sounds, which were moreover tuned in accordance with the acoustic features of their tinnitus (if applied) and hearing loss. They were electroencephalographically monitored before and after their acoustic therapy, and wherefrom AERPs were estimated. The sound effect of acoustic therapies was evaluated by examining the area under the curve of those AERPs. Two parameters were obtained: (1) amplitude and (2) topographical distribution.ResultsThe findings of the investigation showed that after an 8-week treatment, TRT and ADT, respectively achieved significant neurophysiological changes over somatosensory and occipital regions. On one hand, TRT increased the tinnitus perception. On the other hand, ADT redirected the tinnitus attention, what in turn diminished the tinnitus perception. Tinnitus handicapped inventory outcomes verified these neurophysiological findings, revealing that 31% of patients in each group reported that TRT increased tinnitus perception, but ADT diminished it.DiscussionTinnitus has been identified as a multifactorial condition highly associated with hearing loss, age, sex, marital status, education, and even, employment. However, no conclusive evidence has been found yet. In this study, a significant (but low) correlation was found between tinnitus intensity and right ear hearing loss, left ear hearing loss, heart rate, area under the curve of AERPs, and acoustic therapy. This study raises the possibility to assign acoustic therapies by neurophysiological response of patient

Aerospace medicine and biology: A continuing bibliography with indexes, supplement 130, July 1974

This special bibliography lists 291 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in June 1974

The hearing hippocampus

The hippocampus has a well-established role in spatial and episodic memory but a broader function has been proposed including aspects of perception and relational processing. Neural bases of sound analysis have been described in the pathway to auditory cortex, but wider networks supporting auditory cognition are still being established. We review what is known about the role of the hippocampus in processing auditory information, and how the hippocampus itself is shaped by sound. In examining imaging, recording, and lesion studies in species from rodents to humans, we uncover a hierarchy of hippocampal responses to sound including during passive exposure, active listening, and the learning of associations between sounds and other stimuli. We describe how the hippocampus' connectivity and computational architecture allow it to track and manipulate auditory information – whether in the form of speech, music, or environmental, emotional, or phantom sounds. Functional and structural correlates of auditory experience are also identified. The extent of auditory-hippocampal interactions is consistent with the view that the hippocampus makes broad contributions to perception and cognition, beyond spatial and episodic memory. More deeply understanding these interactions may unlock applications including entraining hippocampal rhythms to support cognition, and intervening in links between hearing loss and dementia

Aerospace medicine and biology: A cumulative index to the continuing bibliography of the 1973 issues

A cumulative index to the abstracts contained in Supplements 112 through 123 of Aerospace Medicine and Biology A Continuing Bibliography is presented. It includes three indexes: subject, personal author, and corporate source

Desarrollo de un sistema de entrenamiento cognitivo mediante tonos binaurales y neurofeedback auditivo

El neurofeedbak es una técnica de la neurociencia que permite una manipulación segura y precisa de ciertos aspectos cerebrales. Una técnica de neurofeedback, si bien se encuentra aún en investigación, son los tonos o ritmos binaurales. Los ritmos binaurales son sonidos estéreos formados por dos tonos desfasados una cierta frecuencia entre sí. Esta diferencia frecuencial genera en el cerebro una ilusión de un tercer tono con el que tiende a sincronizarse, modificando así la velocidad y ritmo de sus ondas. En concreto, en este proyecto se explican las bases y el desarrollo de una aplicación que, mediante neurofeedback binaural y retroalimentación auditiva al usuario, supone un entrenamiento cognitivo simple y al alcance de todos.Abstract Neurofeedback is a neuroscience technique which allows a safe and precise manipulation of certain cerebral aspects. A neurofeedback technique, although still under research, are the binaural tones. Binaural tones are sounds formed by two tones of different frequencies. This frequency difference generates in the brain an illusion of a third tone with which it tends to synchronize, modifying thus the speed and rhythm of its waves. In concrete, in this project we explain the bases and the development of an application which, through binaural neurofeedback and auditory feedback to the user, may become a simple cognitive training within everyone’s reach.Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicació

Activation of the pro-resolving receptor Fpr2 attenuates inflammatory microglial activation

Poster number: P-T099 Theme: Neurodegenerative disorders & ageing Activation of the pro-resolving receptor Fpr2 reverses inflammatory microglial activation Authors: Edward S Wickstead - Life Science & Technology University of Westminster/Queen Mary University of London Inflammation is a major contributor to many neurodegenerative disease (Heneka et al. 2015). Microglia, as the resident immune cells of the brain and spinal cord, provide the first line of immunological defence, but can become deleterious when chronically activated, triggering extensive neuronal damage (Cunningham, 2013). Dampening or even reversing this activation may provide neuronal protection against chronic inflammatory damage. The aim of this study was to determine whether lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation could be abrogated through activation of the receptor Fpr2, known to play an important role in peripheral inflammatory resolution. Immortalised murine microglia (BV2 cell line) were stimulated with LPS (50ng/ml) for 1 hour prior to the treatment with one of two Fpr2 ligands, either Cpd43 or Quin-C1 (both 100nM), and production of nitric oxide (NO), tumour necrosis factor alpha (TNFα) and interleukin-10 (IL-10) were monitored after 24h and 48h. Treatment with either Fpr2 ligand significantly suppressed LPS-induced production of NO or TNFα after both 24h and 48h exposure, moreover Fpr2 ligand treatment significantly enhanced production of IL-10 48h post-LPS treatment. As we have previously shown Fpr2 to be coupled to a number of intracellular signaling pathways (Cooray et al. 2013), we investigated potential signaling responses. Western blot analysis revealed no activation of ERK1/2, but identified a rapid and potent activation of p38 MAP kinase in BV2 microglia following stimulation with Fpr2 ligands. Together, these data indicate the possibility of exploiting immunomodulatory strategies for the treatment of neurological diseases, and highlight in particular the important potential of resolution mechanisms as novel therapeutic targets in neuroinflammation. References Cooray SN et al. (2013). Proc Natl Acad Sci U S A 110: 18232-7. Cunningham C (2013). Glia 61: 71-90. Heneka MT et al. (2015). Lancet Neurol 14: 388-40