Dysfunctional and compensatory duality in mild cognitive impairment during a continuous recognition memory task

One of the current issues of debate in the study of mild cognitive impairment (MCI) is deviations of oscillatory brain responses from normal brain states and its dynamics. This work aims to characterize the differences of power in brain oscillations during the execution of a recognition memory task in MCI subjects in comparison with elderly controls. Magnetoencephalographic (MEG) signals were recorded during a continuous recognition memory task performance. Oscillatory brain activity during the recognition phase of the task was analyzed by wavelet transform in the source space by means of minimum norm algorithm. Both groups obtained a 77% hit ratio. In comparison with healthy controls, MCI subjects showed increased theta (p < 0.001), lower beta reduction (p < 0.001) and decreased alpha and gamma power (p < 0.002 and p < 0.001 respectively) in frontal, temporal and parietal areas during early and late latencies. Our results point towards a dual pattern of activity (increase and decrease) which is indicative of MCI and specific to certain time windows, frequency bands and brain regions. These results could represent two neurophysiological sides of MCI. Characterizing these opposing processes may contribute to the understanding of the disorder

Complexity of functional connectivity networks in mild cognitive impairment subjects during a working memory task

Objectives: The objective is to study the changes of brain activity in patients with mild cognitive impairment (MCI). Using magneto-encephalogram (MEG) signals, the authors investigate differences of complexity of functional connectivity network between MCI and normal elderly subjects during a working memory task. Methods: MEGs are obtained from 18 right handed patients with MCI and 19 age-matched elderly participants without cognitive impairment used as the control group. The brain networks’ complexities are measured by Graph Index Complexity (Cr) and Efficiency Complexity (Ce). Results: The results obtained by both measurements show complexity of functional networks involved in the working memory function in MCI subjects is reduced at alpha and theta bands compared with subjects with control subjects, and at the theta band this reduction is more pronounced in the whole brain and intra left hemisphere. Conclusions: Ce would be a better measurement for showing the global differences between normal and MCI brains compared with Cr. Significance: The high accuracy of the classification shows Ce at theta band can be used as an index for assessing deficits associated with working memory, a good biomarker for diagnosis of MC

Keep calm and age well: Behavioural and electrophysiological investigations into the effects of cumulative stress exposure on ageing cognition

The research presented in this thesis comprises a body of work dedicated to continuing and enriching past exploration into the impact cumulative life stress exerts on ageing cognition. In order to extend previous work into this topic, behavioural measures were paired with electroencephalographic recordings of the cortical oscillatory activity thought to underlie cognitive operations. In a theoretical sense, work presented in this thesis strengthens past investigations highlighting the adverse effects of life stress on elderly peoples’ working memory abilities by replicating the effect under conditions of increased experimental rigour. It further provides evidence that the detrimental effects of cumulative stress extend to the domains of executive control and spatial memory. Electrophysiological findings obtained during task execution and at rest indicate pronounced changes in the oscillatory activity of aged high stress individuals’ delta, theta, alpha and gamma bands and are thus the first to demonstrate that cumulative stress affects the underlying neural processes related to successful task execution. As such, from a methodological standpoint, the current research strongly advocates the use of neuroscientific tools such as the electroencephalogram to gain an increased understanding of the mechanisms by which increased stress exposure evokes progressive cognitive decline in old age. Combined, the work presented in this thesis demonstrates the negative consequences of leading a highly stressful life for the integrity of multiple cognitive functions in old age and is the first to provide an indication of how cumulative stress affects both cortical and (indirectly) subcortical regions of the brain necessary for successful cognitive functioning

Relación do ritmo alfa coa memoria de traballo e a demanda de recursos cognitivos no envellecemento san e con deterioracióncognitiva lixeira

A actividade oscilatoria na banda alfa tense relacionado co mantemento da información en memoria de traballo xogando tanto un papel inhibitorio en rexións irrelevantes para o procesamento da información como un papel facilitador da comunicación neural en rexións relevantes. Non obstante, hai unha escaseza de literatura sobre o seu papel nos cambios que acompañan ao envellecemento, tanto san como con deterioro cognitivo lixeiro (DCL). Dado que a memoria de traballo é unha das funcións cognitivas que se ve máis afectada tanto no envellecemento san como con DCL; nesta tese de doutoramento estudaremos a actividade alfa en fontes neurais durante o mantemento de información visoespacial en memoria de traballo, e ante diferentes niveis de demanda cognitiva, en mozos universitarios e en maiores cognitivamente sans e con DCL amnésico (DCLa). Os resultados obtidos sinalan que a actividade alfa en mozos actúa inhibindo rexións irrelevantes para a memoria de traballo; mentres que en maiores cognitivamente sans non só inhibe rexións irrelevantes, senon qué a menores niveis de demandas cognitiva tamén actúa como facilitador en rexións relevantes. Pola súa parte, os maiores con DCLa parecen non poder modular de maneira efectiva a súa actividade alfa, pois semellan inhibir rexións corticais relevantes para a tarefa. Á súa vez, observamos que o esforzo cognitivo previo parece afectar á actividade alfa espontánea en maiores cognitivamente sans pero non en maiores con DCLa; pois a actividade alfa en repouso relacionouse co rendemento e ca función cognitiva global nos primeiros, pero non nos maiores con DCLa

Cognitive Abilities in Hearing Loss: Perceived and Performance Abilities of Adults Related to Attention, Memory, and Social Cognition

Hearing loss is the most common sensory deficit noted in aging adults. It is commonly known to reduce an individual’s ability to detect, identify, and localize sounds and speech and to cause issues in communication. However, there are other less commonly discussed impacts that hearing loss has beyond the auditory system. Literature suggests a correlation between hearing loss and cognition in aging adults. Similar to hearing loss, the domains of cognition experience performance and functional changes across the life span. In an aging adult, changes related to cognition are also suggested to be associated with hearing loss. This study aimed to add to the corpus of literature surrounding the relationship between hearing loss and cognition, specifically memory, attention, executive functioning, and social cognition in adults with and without hearing loss. The purpose of this multi-methods study was to describe if group differences in adults with and without hearing loss existed between perceived and performance-related cognitive abilities. The study focused on twenty-eight adults between the ages of 50-69 years; fourteen adults had normal hearing, while fourteen adults had hearing loss which ranged in the mild to moderate sensorineural range. Based on age and hearing loss, adults were separated into four distinct groups: normal hearing between the ages of 50-59 years, hearing loss between the ages of 50-59 years, normal hearing between the ages of 60-69 years, and hearing loss between the ages of 60-69 years. Performance-related cognitive abilities were assessed through five different cognitive assessments: the Weschler Memory Scale, Weschler Adult Intelligence Scale, Faux Pas stories, Advanced Clinical Solutions, and Bluegrass Short-Term Memory task. Perceived abilities were addressed through structured, open-ended questions that centered around the impacts of hearing and hearing loss and an individual’s communication abilities. The first aim examined how adults described the impacts of hearing loss and their communicative abilities. Individual responses highlighted what impacts adults thought hearing loss had beyond communication and their communicative abilities. The majority of adults expressed that they did not have any communication errors and could accurately express their own thoughts/viewpoints/emotions and understand others’ thoughts/viewpoints/emotions. The second aim determined that group differences were present on memory subtests from the Weschler Memory Scale and a subtest from the Weschler Adult Intelligence Scale. While there was no significant difference between responses on the Bluegrass Short-Term Memory task, there was a group interaction on left frontal theta oscillation (memory & decision-making related), and right frontal beta frequency (attention-related) during data collection on EEG resting state eyes open. The final aim determined that there were group differences on the social cognitive assessment. Auditory and cognitive processing have previously been viewed as separate and distinct factors that are crucial for communication, yet the growing body of literature suggests that these elements are actually intimately coupled. This research yielded evidence that even a mild HL in adults between the ages of 50-69 is associated with changes in cognitive functioning, specifically on memory, attention, and social cognition. Singularly, the auditory system and cognitive domains are each complex, yet these must be assessed as factors that have the potential to influence each other. The open-ended questions revealed that researchers and clinicians need to continue to address the wideranging impacts of hearing loss among adults. While adults did recognize impacts of hearing loss beyond communication, some participants also reported no thoughts on the impact beyond communication. This is a strong suggestion that adults need to be further educated about hearing loss as a critically prevalent public health matter

Estudio electrofisiológico de los niveles de activación cerebral y conectividad funcional, potenciados mediante la técnica de neurofeedback durante una tarea atencional

[ES] La atención es una importante función cerebral encargada de seleccionar la información que debe ser procesada en cada momento, en función de su relevancia para los objetivos e intereses del individuo. Los diferentes subtipos atencionales participan y condicionan el desempeño y rendimiento durante prácticamente todo tipo de tareas cognitivas y motoras, por lo tanto, una mejora en la eficacia y funcionalidad de las redes atencionales supondría una mejora generalizada a la hora de procesar e integrar cualquier tipo de información. Los circuitos atencionales van cambiando con el desarrollo, desde la infancia hasta la adolescencia y juventud, donde se supone alcanzan un rendimiento óptimo, y van poco a poco perdiendo eficacia durante el envejecimiento de manera natural y en mayor medida en procesos de deterioro cognitivo patológico. La técnica electrofisiológica conocida como neurofeedback (NFB) ha demostrado tener efectos positivos a la hora de mejorar los procesos atencionales y otras funciones cognitivas. El NFB consiste en retroalimentar una actividad oscilatoria cerebral concreta, dando en tiempo real al participante un refuerzo positivo, visual o auditivo, al conseguir el objetivo fijado. Mediante la repetición del entrenamiento el individuo acabará controlando o autorregulando su activación cerebral y esto tendrá un efecto directo sobre su función cognitiva. Los estudios publicados sobre la aplicación del NFB en personas mayores sanas o con deterioro cognitivo patológico son variados tanto en los protocolos y metodología empleada, como en los resultados obtenidos y en la forma de evaluar o cuantificar el efecto o posible aprendizaje, y en general hay pocos datos sobre lo que ocurre a nivel electrofisiológico. Para este estudio se diseñó un protocolo cuyo objetivo fue incrementar la potencia relativa de la banda de frecuencia β y la disminución de las bandas de frecuencia lentas, δ y θ, en la zona frontal derecha (F4). Se propusieron un total de 10 sesiones de NFB de unos 15 minutos de duración consistentes en una tarea de atención focalizada y feedback visual. Se registró la actividad EEG durante la aplicación del protocolo y la actividad basal en estado de reposo antes y después de él. En el estudio participaron un total de 109 individuos agrupados en 3 grupos diferentes. Un grupo de jóvenes (J), con un total de 30 individuos (23,9 ± 4,7 años), un grupo de personas mayores sanas (M), con un total de 36 individuos (77,4 ± 5,7 años), y por último un grupo de personas mayores con deterioro cognitivo leve o moderado (MD), diagnosticados de DCL o en las primeras fases de la enfermedad de Alzheimer, con un total de 41 individuos (81,8 ± 5,6 años). Se analizaron los registros EEG realizados con tres objetivos principales: comparar los registros basales en estado de reposo entre los 3 grupos participantes; observar los efectos en el EEG tras las realización de una única sesión de NFB en los 3 grupos, y comparar entre los grupos la actividad EEG durante la realización de la retroalimentación; y por último estudiar el efecto de la realización de 10 sesiones de NFB, sobre el EEG en estado de reposo y los posibles cambios en el rendimiento durante la realización de la sesión final respecto a la sesión inicial, en el grupo J y en el grupo MD. Tras el análisis de las distintas variables electrofisiológicas y de los valores de coherencia, los resultados mostraron que la realización de una única sesión de NFB tuvo efectos a nivel de EEG basal en los 3 grupos, y este efecto estuvo directamente relacionado con las diferencias previas entre los grupos en estado de reposo. En el grupo J y en el grupo MD el efecto tras la retroalimentación con NFB fue el buscado, un incremento de la relación entre la potencia de la banda β y la de las bandas δ y θ, acompañado en el grupo MD, de un incremento en la frecuencia dominante del intervalo que abarcan la banda α y β. Por el contrario, en el grupo M hubo una disminución de la relación entre estas bandas, relación en la que mostraron valores superiores a los grupos J y MD en el registro EEG basal previo a las sesiones, y que podría ser debido a los mecanismos compensatorios de hiperactivación cerebral descritos en envejecimiento sano. Las diferencias en el EEG durante la retroalimentación también fueron en la ratio de potencia entre estas bandas, al igual que en registro basal, el grupo M mostró mayor ratio entre la potencia de la banda β, en este caso solo en las frecuencias más rápidas del intervalo, y las bandas lentas. A nivel de conectividad funcional, estudiada mediante la coherencia, pudimos observar que el grupo J parecía lateralizar la activación al lado derecho en los electrodos fronto-parietales durante la realización de la tarea de atención, y mostraron mayor especificidad en las zonas frontales, activando en mayor medida el área prefrontal. El análisis de los efectos de la realización de 10 sesiones del protocolo de NFB, mostró que en grupo J, en la sesión final los cambios pasaron a ser menos específicos, incrementando la potencia relativa de la banda γ respecto a las bandas lentas, y no mostraron cambios en el EEG en estado de reposo respecto a la sesión inicial, ni durante la realización de la tarea atencional retroalimentada. Sin embargo, en el grupo MD los efectos tras la realización de la sesión 10 siguieron siendo los buscados, incrementaron la potencia relativa de β y α respecto a la banda θ. Además, se observaron cambios en la conectividad en estado basal y durante la realización de la tarea atencional en la sesión 10 respecto a la sesión inicial. En estado de reposo, hubo una disminución significativa de la coherencia de la banda θ entre los electrodos prefrontales, también existente durante la realización de la tarea, y a la que se sumó la disminución de la coherencia α también en prefrontal, y el incremento de la coherencia en la banda γ en los electrodos fronto-parietales izquierdos. Estos datos confirman la efectividad de la técnica de NFB en la modulación y variación de la actividad eléctrica cerebral y de la conectividad funcional. Los resultados son especialmente interesantes en el grupo de mayores con deterioro cognitivo, y sería interesante seguir profundizando en la aplicación y la elección de los protocolos adecuados, y en los efectos de éstos a nivel electrofisiológico y de conectividad funcional. Conocer más acerca de la correlación de estos efectos con la función cognitiva podría dar como resultado la disponibilidad de una terapia eficaz y fácilmente aplicable en el mantenimiento de la función cognitiva y la mejora de la calidad de vida de las personas mayores, principalmente en aquellos que comienzan a manifestar cierto grado de deterioro cognitivo, normalmente asociado a procesos neurodegenerativos estrechamente relacionados con el envejecimiento