Psychophysiological reactivity to auditory Binaural Beats stimulation in the alpha and theta EEG brain-wave frequency bands: A randomized, double–blind and placebo–controlled study in human healthy young adult subjects

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Psicología, Departamento de Psicología Biológica y de la Salud. Fecha de lectura: 25-06-2014Binaural beats are an acoustical illusion of the perception of a “virtual” third tone, fluctuating (i.e. beating) in its volume evoked by two carrier–sinusoids of same amplitudes, but slightly different frequencies f1 and f2, presented by stereo-headphones. Although this illusion was discovered as early as 1839 by Dove and, after the discovery of the EEG, visual rhythmic stimulation by stroboscopic flicker was known to evoke photic driving, until today relatively few works with moreover contradictory results have been published searching for specific Binaural Beat effects on the organism. Objective The present investigation aimed, in a highly controlled laboratory study with multimodal measurements, for deciding on the question whether there is or there is not specific psychophysiological reactivity to Binaural Beats auditory stimulation in the EEG alpha and theta frequency bands, striving for the overcoming of unsatisfactory methodology of previous works. If efficacy to specifically decrease psychophysiological arousal levels would be proven, multiple applications in clinical contexts would be feasible. Moreover, the employed stimuli would be useful for basic research trying to better understand the underlying neurocircuitry of arousal, attention and consciousness regulation. Methods After rigorous psychometric screening for bio–psycho–social health, N = 12 young university students (5 females) entered in a within–subject randomized placebo–controlled design, with 50% of the subjects randomly assigned to the presentation order Placebo vs. Verum, and the remaining 50% vice versa. Placebo and Verum sessions took place with more than one week time interval. The 25 min Verum stimulus consisted of Binaural Beats carrier frequencies equivalent to a sweep from 10 Hz to 4 Hz embedded into a special dynamic noise mask, while under Placebo only this mask was presented without Binaural Beats for 25 min. 63–channel EEG, ECG and respiratory flow by nasal cannulae were continuously recorded at 1024 Hz common sample frequency. Pre– vs. post saliva samples were collected by passive drool technique and immediately flash frozen by immersion into liquid nitrogen. Hypnoidal state depth was measured by retrospective psychometry immediately after each experiment using the Phenomenology of Consciousness Inventory (PCI) of Pekala (1991). Results Logit–transformed EEG relative spectral powers showed only under Verum significant change over time with distinguishable scalp topographies, a linear increasing trend in slower vs. a linear decreasing trend in faster EEG frequency bands and meaningful correlations with the psychometric effects in hypnoidal state depth. Significant change over time in the parasympathetic parameter HRV–HF power derived from ECG was only found under Verum. These HRV findings are not confounded by changes in respiratory frequency which showed no significant change over time. Pre– vs. post saliva samples revealed significant increases only under Placebo in stress–related biomarkers (Cortisol, α–Amylase and Salivary Secretory Immunoglobulin A, SIgA), but not under Verum. Significant increases under Verum as compared to Placebo were observed in psychometric hypnoidal state depths with a large effect size of r = .513 and difference scores showed a significant and large Spearman’s rank order correlation of rho = .671 and pexact = .020 with hypnotizability as operationalized as psychometric hypnoidal state depths under Placebo. Hypnotizability is thus a predictor of reactivity magnitudes to Binaural Beat auditory stimulation. Presentation order effects could be excluded for all reported effects. Conclusions Multimodal evidence was found for the searched specific efficacy of Binaural Beats auditory stimulation in the EEG alpha and theta frequency range. Linear trends in EEG relative spectral powers suggest that only the Verum stimulus caused significant decreases in (cortical) arousal. The significant increase of stress–related biomarkers only under Placebo could be interpreted as a sign that the Verum stimulus inhibited processes which naturally occurred under Placebo. Both the Placebo and Verum of the present investigation should be used as a nonverbal culture–free paradigm for neurocientific basic laboratory studies on hypnosis and hypnotizability especially, but also on resting–state networks and related neurocircuitry generally. The ability of the Verum stimulus to decrease arousal levels and induce/boost altered states of consciousness (ASCs) implies applications in several practical–clinical contexts and calls for further field studies.Los pulsos binaurales o Binaural Beats son una ilusión acústica que consiste en la percepción de un tercer tono “virtual” que fluctúa (beating) en volumen, inducido por dos ondas portadoras (f1 y f2 ) de la misma amplitud, pero con frecuencias ligeramente distintas, presentadas en cada uno de los oídos mediante auriculares estéreo. Aunque esta ilusión fue descubierta por Dove en 1838 y después del descubrimiento del EEG se conoce que la estimulación visual por luz estroboscópica provoca photic driving, hasta ahora se han publicado pocos trabajos sobre los efectos de los Binaural Beats en el organismo, y además con resultados contradictorios. Objectivos La investigación en esta tesis tiene como objeto realizar un estudio de laboratorio en condiciones altamente controladas y con registros multimodales para averiguar si hay o no una respuesta psicofisológica a la estimulación auditiva con Binaural Beats en las frecuencias alfa y theta del EEG. La metodología empleada intenta resolver los problemas de investigaciones previas. La demostración de la eficacia de los Binaural Beats para disminuir específicamente los niveles de arousal psicofisiológico daría pie a muchas aplicaciones clínicas. Además, este paradigma de estimulación auditiva puede contribuir a la investigación básica de la neurocircuitería del arousal, de la atención y de la regulación de la consciencia. Métodos Se reclutaron N = 12 jóvenes estudiantes universitarios (5 mujeres) comprobando rigorosamente su salud bio–psico–social. El estudio siguió un diseño intrasujeto–aleatorizado y controlado por Placebo, en que se asignó aleatoriamente a la mitad de los voluntarios un orden de presentación Placebo vs. estímulo con Binaural Beats, mientras a la otra mitad el orden contrario. Estas dos sesiones experimentales se realizaron al menos con una semana de separación temporal. Los 25 minutos del estímulo con Binaural Beats contienen un barrido de 10 Hz a 4 Hz (decreciente) con enmascaramiento auditivo dinámico, mientras que los 25 minutos del Placebo contienen solamente la máscara auditiva. Se registró el EEG con 63 canales, el ECG y el flujo respiratorio mediante cánulas nasales a una frecuencia de muestreo común de 1024 Hz. Se tomaron muestras de saliva pre vs. post mediante la técnica de passive drool que fueron inmediatamente ultracongeladas por inmersión en nitrógeno líquido. El nivel del estado hipnótico se midió por psicometría retrospectiva inmediatamente después de cada sesión experimental con el test Phenomenology of Consciousness Inventory (PCI) de Pekala (1991). Resultados El análisis de la potencia espectral relativa del EEG sometida a la transformación logit mostró que existen cambios significativos en su evolución temporal con topografías espaciales distinguibles solamente bajo la estimulación con Binaural Beats presentes y no bajo Placebo. Además, se observó un incremento de la pendiente de la tendencia lineal en las bandas del EEG más lentas y una bajada de la pendiente en frecuencias más rápidas. Se encuentraron correlaciones significativas y relevantes con los efectos psicométricos del nivel del estado hipnótico. En el parámetro parasimpático HRV–HF power derivado del ECG se encuentron también cambios significativos en su evolución temporal exclusivamente bajo el estímulo con Binaural Beats. Estos cambios no se deben a variaciones en la frecuencia respiratoria puesto que en ella no se apreciaron cambios significativos. En las muestras de la saliva pre vs. post se observaron incrementos significativos en los biomarcadores salivares de estrés (cortisol, α–amylasa e inmunoglobulina A secretora, SIgA) solamente bajo Placebo. Se encuentraron incrementos significativos de los niveles del estado hipnótico con un tamaño del efecto r =.513 solamente bajo el estímulo con Binaural Beats, pero no bajo Placebo. Con un rho de Spearman de .671 y pexact = .020, las puntuaciones de las diferencias de los niveles del estado hipnótico correlacionan altamente con la hipnotizabilidad operacionalizada como nivel del estado hipnótico bajo Placebo. Por tanto, el rasgo hipnotizabilidad se identificó como predictor de las magnitudes de las reacciones a la estimulación con Binaural Beats. Para todos los efectos mencionados, se pudo descartar la influencia del orden de presentación de los estímulos. Conclusiones Esta tesis proporciona evidencia multimodal de la eficacia de la estimulación auditiva con Binaural Beats en las bandas del EEG alfa y theta. Las pendientes de las tendencias lineales en las potencias espectrales relativas del EEG sugieren que esta estimulación causa una disminución del arousal (cortical). El incremento de los biomarcadores de saliva relacionados con el estrés solo en el caso de Placebo sugiere que la estimulación con Binaural Beats inhibe procesos que ocurren naturalmente bajo Placebo. Tanto el Placebo como el estímulo con Binaural Beats pueden emplearse como un paradigma no verbal culture–free en especial para estudios de neurociencia básica respecto a la hipnosis y la hipnotizabilidad, y, en general respecto a resting–state networks y la neurocircuitería relacionada. El hecho de que el estímulo con Binaural Beats puede disminuir el arousal e inducir estados alterados de la consciencia sugiere aplicaciones en múltiples contextos clínicos y futuros estudios de camp

Assisted closed-loops for brain-computer interfaces

This work was supported by UAM CEMU 2012-004, MINECO TIN2012-30883 and TIN-2010-19607

Assisted closed-loop optimization of SSVEP-BCI efficiency

We designed a novel assisted closed-loop optimization protocol to improve the efficiency of brain computer interfaces (BCI) based on steady state visually evoked potentials (SSVEP). In traditional paradigms, the control over the BCI-performance completely depends on the subjects’ ability to learn from the given feedback cues. By contrast, in the proposed protocol both the subject and the machine share information and control over the BCI goal. Generally, the innovative assistance consists in the delivery of online information together with the online adaptation of BCI stimuli properties. In our case, this adaptive optimization process is realized by (i) a closed-loop search for the best set of SSVEP flicker frequencies and (ii) feedback of actual SSVEP magnitudes to both the subject and the machine. These closed-loop interactions between subject and machine are evaluated in real-time by continuous measurement of their efficiencies, which are used as online criteria to adapt the BCI control parameters. The proposed protocol aims to compensate for variability in possibly unknown subjects’ state and trait dimensions. In a study with N = 18 subjects, we found significant evidence that our protocol outperformed classic SSVEP-BCI control paradigms. Evidence is presented that it takes indeed into account interindividual variabilities: e.g. under the new protocol, baseline resting state EEG measures predict subjects’ BCI performances. This paper illustrates the promising potential of assisted closed-loop protocols in BCI systems. Probably their applicability might be expanded to innovative uses, e.g. as possible new diagnostic/therapeutic tools for clinical contexts and as new paradigms for basic research