Neurofeedback Training to Enhance Learning and Memory in Patients with Cognitive Impairment

Shutting down sensorimotor interference unblocks the networks for stimulus processing: an SMR neurofeedback training study

OBJECTIVE

In the present study, we investigated how the electrical activity in the sensorimotor cortex contributes to improved cognitive processing capabilities and how SMR (sensorimotor rhythm, 12-15Hz) neurofeedback training modulates it. Previous evidence indicates that higher levels of SMR activity reduce sensorimotor interference and thereby promote cognitive processing.

METHODS

Participants were randomly assigned to two groups, one experimental (N=10) group receiving SMR neurofeedback training, in which they learned to voluntarily increase SMR, and one control group (N=10) receiving sham feedback. Multiple cognitive functions and electrophysiological correlates of cognitive processing were assessed before and after 10 neurofeedback training sessions.

RESULTS

The experimental group but not the control group showed linear increases in SMR power over training runs, which was associated with behavioural improvements in memory and attentional performance. Additionally, increasing SMR led to a more salient stimulus processing as indicated by increased N1 and P3 event-related potential amplitudes after the training as compared to the pre-test. Finally, functional brain connectivity between motor areas and visual processing areas was reduced after SMR training indicating reduced sensorimotor interference.

CONCLUSIONS

These results indicate that SMR neurofeedback improves stimulus processing capabilities and consequently leads to improvements in cognitive performance.

SIGNIFICANCE

The present findings contribute to a better understanding of the mechanisms underlying SMR neurofeedback training and cognitive processing and implicate that SMR neurofeedback might be an effective cognitive training tool.

Spezifische Effekte von EEG-basiertem Neurofeedbacktraining auf kognitive Leistungen nach einem Schlaganfall

Der Schlaganfall ist weltweit die häufigste neurologische Erkrankung und oft treten Störungen kognitiver Funktionen als Folgeerscheinungen auf. In dieser Studie wurde untersucht, inwiefern ein Elektroenzephalographie (EEG) basiertes Neurofeedbacktraining (NFT) genutzt werden kann, um neuronale Plastizität nach einem Schlaganfall anzuregen und spezifische kognitive Leistungen von Schlaganfallpatienten zu verbessern. Vorgängerstudien an neurologisch gesunden Probanden konnten zeigen, dass eine willentliche Erhöhung des sensomotorischen Rhythmus (SMR, 12 – 15 Hz) mit einer Verbesserung des deklarativen Gedächtnisses (Langzeitgedächtnis) und eine Verringerung des Theta/Beta Quotienten (4 – 8 Hz/13 – 21 Hz) mit einer Verbesserung der Aufmerksamkeit und Impulskontrolle einhergehen. Sieben neurologisch gesunde Personen (Kontrollgruppe) und sieben Schlaganfallpatienten mit Gedächtnisdefiziten erhielten ein SMR Neurofeedbacktraining. Sechs Schlaganfallpatienten mit Störungen der Aufmerksamkeit und Inhibitionskontrolle nahmen an einem Theta/Beta Neurofeedbacktraining teil. Um die Spezifität der beiden Neurofeedbacktrainings zu überprüfen, wurden vor und nach den Trainings generelle kognitive Fähigkeiten mittels einer umfangreichen neuropsychologischen Testbatterie erhoben. Alle Teilnehmer erhielten 10 Neurofeedback Sitzungen (SMR oder Theta/Beta), wobei sie die Aufgabe hatten ein audio-visuelles Feedbacksignal, das ihre eigene Gehirnaktivität widerspiegelte, zu kontrollieren. Bei Schlaganfallpatienten konnten positive Effekte des Neurofeedbacktrainings auf die kognitive Leistung festgestellt werden. Die Patientengruppen wiesen vor dem Training beträchtliche kognitive Leistungsdefizite im Vergleich zur Kontrollgruppe auf. Nach dem Training unterschieden sie sich jedoch in ihrer kognitiven Leistung nicht mehr auffällig von den Kontrollpersonen. Zusätzliche Analysen bestätigten die Spezifität der unterschiedlichen Trainingsprotokolle. So zeigten die Kontrollgruppe und die SMR Patientengruppe die stärksten Verbesserungen und ebenso die geringsten Verschlechterungen in ihrer deklarativen Gedächtnisleistung im Vergleich zur Theta/Beta Patientengruppe. Währenddessen verbesserte sich die Theta/Beta Patientengruppe im Vergleich zu den anderen Gruppen vor allem in den Tests zu Inhibition und Flexibilität und wies gleichzeitig die geringsten Verschlechterungen auf.