Advanced neurofeedback with direct training of specific brain regions in attention-deficit/hyperactivity disorder

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1 Research Collection Doctoral Thesis Advanced neurofeedback with direct training of specific brain regions in attention-deficit/hyperactivity disorder Author(s): Liechti, Martina Daniela Publication Date: 2011 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH NO ADVANCED NEUROFEEDBACK WITH DIRECT TRAINING OF SPECIFIC BRAIN REGIONS IN ATTENTION-DEFICIT/HYPERACTIVITY DISORDER A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by MARTINA DANIELA LIECHTI Dipl. Natw. ETH, ETH Zurich born citizen of Eggiwil (BE) accepted on the recommendation of Prof. Dr. Martin E. Schwab Prof. Dr. Robert Riener Prof. Dr. Lutz Jäncke Prof. Dr. Daniel Brandeis 2011

3 Summary Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is one of the most frequent psychiatric disorders in children and adolescents. It is characterised by persistent and developmentally inappropriate levels of inattention, hyperactivity, and impulsivity, with impairments often persisting into adulthood. The presumed underlying neurophysiological deficits in state regulation can be investigated and visualised using functional brain mapping techniques such as electroencephalography (EEG). Electrophysiological studies in ADHD have often revealed cortical slowing during resting state, such as increased activity in the theta frequency band (slow oscillations) and decreased activity in faster oscillating beta frequencies, as well as abnormal event-related slow cortical potentials (SCPs) compared to healthy controls. Such neurophysiological correlates are increasingly suggested to be useful for diagnostic purposes or prediction of treatment outcome. Their reliability, however, is controversial and not yet established. Assuming that individuals can achieve self-control over their brain activity by means of neurofeedback, cortical regulation and state control might be a useful treatment of ADHD. Classical neurofeedback training for ADHD usually consists of SCP regulation protocols, which target phasic state control, and unidirectional frequency (FREQ) protocols aiming to reduce theta and increase beta activity. The general goal of this thesis was to improve neurofeedback treatment of ADHD in terms of specificity and efficacy using region-specific tomographic neurofeedback (tnf). Considering the resting EEG abnormalities, theta and beta activity should be trained and normalised in a brain region affected in ADHD. In a first study, brain oscillatory activity during resting conditions was investigated to examine ADHD abnormalities. Neither children (aged 8 to 16 years) nor adults (aged 32 to 55 years) with ADHD showed significant differences in theta and beta activity when compared to corresponding healthy control subjects. This casts doubt on simple neurometric approaches towards EEG-based ADHD classification, and it also suggests that normalising resting EEG abnormalities via unidirectional FREQ neurofeedback training may not be an appropriate rationale in ADHD treatment. In light of this unexpected finding, the anterior cingulate cortex (ACC), a brain region that is known from other studies to be affected in ADHD, was selected for tnf training in a second study. In addition, the FREQ protocol was adapted from a unidirectional theta-down- I

4 beta-up to a bidirectional protocol aiming at self-regulation and state control. Thirteen children with ADHD (aged 9 to 13 years) participated in a tnf training using both SCP and FREQ regulation protocols. After the training, the ADHD symptoms were significantly improved, similar to traditional neurofeedback studies, whereas an improvement of cortical control over the time course of the training was not achieved in most respects, and there was no relation to behavioural improvement. Only for one specific feedback variant, some evidence for successful SCP regulation exclusively in the ACC was found. The most notable significant finding over the course of the training was that children learnt to reduce artefacts during EEG recordings. Resting EEG analysis revealed evidence for individual frequency normalisation rather than unidirectional changes across subjects. These results show that clinical improvement after ACC-tNF can parallel artefact reduction without substantial learning of improved cortical control. Summing up, these findings indicate that a few of the expected specific effects, but also a large number of partly unspecific effects result from tnf training. This raises the question to what extent behavioural improvements after neurofeedback or tnf training reflect improved self-regulation of dysfunctional networks involved in attention and control. II

5 Zusammenfassung Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) ist eine der häufigsten Störungen in der Kinder- und Jugendpsychiatrie. Die Betroffenen zeigen unterschiedliche Ausprägungen von mangelnder Aufmerksamkeit, Hyperaktivität und verminderter Impulskontrolle, wobei viele bis ins Erwachsenenalter beeinträchtigt bleiben. Diesen Verhaltensmerkmalen scheint eine Beeinträchtigung der zentralnervösen Aktivierungsregulation zugrunde zu liegen, welche dank funktioneller Bildgebung, zum Beispiel der Elektroenzephalographie (EEG), erfasst und sichtbar gemacht werden kann. Elektrophysiologische Messungen haben ergeben, dass die Gehirnaktivität bei ADHS im Vergleich zu Gesunden häufig erhöhte Anteile langsamer Frequenzen, zum Beispiel im Theta- Frequenzband, und verminderte Anteile schneller Frequenzen, zum Beispiel im Beta- Frequenzband, aufweist. Auch zeigen Betroffene mit ADHS während des Lösens von Aufgaben oftmals auffällige ereignisbezogene langsame kortikale Potentiale (SCPs). Solche neurophysiologischen Korrelate werden vermehrt für diagnostische Zwecke oder zur Vorhersage möglicher Behandlungen empfohlen, obschon deren Zuverlässigkeit zum Teil umstritten und bisher nicht abschliessend bewiesen ist. Unter der Annahme, dass Menschen mit Hilfe der Neurofeedbackmethode die Selbstkontrolle über ihre Gehirnaktivität erlernen können, üben Betroffene mit ADHS ihre Gehirnaktivität zu regulieren und gewisse Zustände herbeizuführen. Im klassischen Neurofeedbacktraining kommen häufig SCP-Protokolle für kurzfristige Zustandsveränderungen und Frequenzband (FREQ)-Protokolle, welche auf eine Reduktion der Theta- sowie eine Erhöhung der Beta-Aktivität abzielen, zum Einsatz. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Spezifizität und Effizienz des Neurofeedbackverfahrens bei ADHS mit Hilfe einer tomografischen Form von Neurofeedbacktraining (tnf-training) zu verbessern. Ausgehend von den häufig berichteten EEG-Abweichungen, sollte die Theta- und Beta-Aktivität in einer bei ADHS beeinträchtigten Hirnregion spezifisch korrigiert und trainiert werden. In einer ersten Studie wurden die Theta- und Beta-Anteile des Ruhe-EEGs hinsichtlich ADHS-typischen Abweichungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich weder Kinder (zwischen 8 und 16 Jahren) noch Erwachsene (zwischen 32 und 55 Jahren) mit ADHS signifikant von Gesunden unterschieden. Dies zeigt, dass erhöhte Theta- und verminderte Beta- Aktivität keine zuverlässigen ADHS-Marker sind, und stellt deren diagnostischen Nutzen stark in Frage. Auch sind damit die Voraussetzungen für ein generelles einseitiges III

6 Neurofeedbacktraining zur Korrektur von vermeintlichen EEG-Abweichungen bei ADHS nicht gegeben. Aufgrund dieses unerwarteten Befundes wurde mit dem Anterioren Cingulum (ACC) für das tnf-training der zweiten Studie eine Hirnregion gewählt, welche gemäss Literatur für ADHS-Abweichungen bekannt ist. Zudem wurde, anstatt einseitig die Theta-Anteile zu vermindern und Beta-Anteile zu erhöhen, ein (FREQ)-Regulationsprotokoll gewählt, welches die Aktivität der beiden Frequenzbänder auch in die jeweils entgegengesetzte Richtung trainierte. An diesem tnf-training nahmen dreizehn Kinder mit ADHS im Alter von 9 bis 13 Jahren teil. Sie trainierten abwechslungsweise die FREQ- und die SCP-Selbstregulation. Nach dem Training zeigten die Kinder signifikante Verbesserungen im Bereich der Aufmerksamkeit, der Hyperaktivität und der Impulsivität, welche mit bisherigen Studien vergleichbar waren. Alles in allem war es den Kindern im Verlaufe des Trainings nicht gelungen ihre Gehirnaktivität massgeblich zu verändern und es bestand auch kein Zusammenhang mit den Verhaltensverbesserungen. Nur bei einer bestimmten Art der Rückmeldung an den Probanden, konnte ein Hinweis auf eine gewisse SCP-Kontrolle spezifisch in der trainierten Gehirnregion gefunden werden. Insgesamt lernten die Kinder im Verlaufe des Trainings hauptsächlich weniger Störsignale während den Messungen zu verursachen. Anstelle einer generellen Veränderung über alle Probanden, wiesen die Ruhe-EEG-Ergebnisse eher auf eine Art individuelle Normalisierung hin, wobei sich die individuellen Theta- und Beta-Anteile im ACC im Verlaufe des Trainings abhängig von ihrem Anfangswert veränderten. Diese Resultate zeigen, dass ACC-tNF, losgelöst vom eigentlichen Lernerfolg, zu klinischen Verbesserungen und einer Reduktion von EEG-Artefakten führen kann. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse zwar auf ein paar wenige erwartete, spezifische Effekte, aber auch auf einen grossen Anteil teilweise unspezifischer Effekte von tnf-training hin. Es stellt sich die Frage, inwieweit die mittels Neurofeedback oder tnf erzielten Verbesserungen der ADHS-Symptomatik tatsächlich einer verbesserten Selbstregulation der betroffenen Netzwerke für Aufmerksamkeit und Kontrolle zugeschrieben werden können. IV