Modelling the effect of emotional feedback as stimulus in fMRI neurofeedback

Abstract

Neurofeedback (NF) auf der Basis von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) bietet vielversprechende Möglichkeiten für Therapieansätze bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen. Mithilfe von Feedback über die aktuelle Aktivität in spezifischen Hirnregionen kann eine bewusste Kontrolle über diese erlernt werden, die in weiterer Folge der krankheitsspezifischen Symptomatik entgegenwirken kann. Als sehr intuitive Art des Feedback wird häufig soziales Feedback in Form eines Gesichts mit sich ändernder Mimik gewählt. Da im Zusammenhang mit psychiatrischen Erkrankungen in der Regel Hirnregionen betroffen sind, die an der Wahrnehmung und Verarbeitung von Emotionen beteiligt sind, besteht die Möglichkeit, dass diese Regionen durch emotionales Feedback zusätzlich aktiviert werden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob eine solche zusätzliche Aktivität einen signifikanten Einfluss auf die gemessene Aktivität besitzt, da diese zu einem ungenauen Feedback und in Folge zu suboptimalen ernergebnissen führen könnte. Dazu werden die Daten einer zuvor veröffentlichten Studie erneut analysiert, wobei in erster Linie der mögliche Einfluss des Feedbacksignals im Fokus steht. Mithilfe unterschiedlicher Modellansätze wird die genaue Natur dieses Einflusses untersucht, ebenso obpositives und negatives Feedback sich in ihrem Einfluss unterscheiden. Unter Beachtung der stark individuellen Natur von NF und dem Ziel, notwendige Korrekturen für das Training eines einzelnen Probanden in offen zugängliche NF-Software zu integrieren, wurden die Analysen sowohl auf einer individuellen als auch auf Gruppenebene durchgeführt, um die Generalisierbarkeit zu testen.Auf der Ebene der Einzeldurchgänge konnte ein signifikanter Einfluss sowohl des Feedbacks als auch seiner zeitlichen Änderung festgestellt werden. Positives Feedback besaß häufiger einen signifikanten Einfluss auf die neuronale Aktivität als negatives Feedback. Bezüglich der zeitlichen Änderung konnten öfter signifikante Ergebnisse bei negativem Feedback gefunden werden. Auf der Gruppenebene zeigte nur die zeitliche Änderung des Feedbacks einen signifikanten Einfluss auf die Aktivität der Zielregion. In einer Kreuzvalidierung konnte für keines der verwendeten Modelle eine Generalisierungsfähigkeit über einen einzelnen Messdurchgang hinaus festgestellt werden. Der untersuchte Effekt scheint sehr individuell für einzelne Probanden und einzelne Messungen zu sein und sollte daher von Fall zu Fall unterschiedlich behandelt werden. In NF-Studien, in denen emotionales Feedback genutzt wird, um eine Hirnregion zu trainieren, die an Emotionsverarbeitung beteiligt ist, könnte die Berücksichtigung des Feedbackinflusses die Genauigkeit des präsentierten Feedbacks verbessern und damit ebenso den Lern- und Therapieerfolg.

Neurofeedback (NF) based on functional magnetic resonance imaging (fMRI) offers promising possibilities for therapeutic approaches in neurological and psychiatric diseases. By providing information over the current activity in a target brain region, conscious control can be learned allowing for counteracting disease-specific symptoms. Social feedback in the form of a face with changing expressions is often chosen as a very intuitive type of feedback. Since the brain regions affected in psychiatric conditions are often involved in the perception and processing of emotions, it is possible that these regions are additionally activated with emotional feedback. In this thesis it is examined whethersuch an additional activity has a significant influence on the measured activity, as this could lead to inaccurate feedback and, as a result, to suboptimal learning outcomes. For this purpose, the data of a previously published study is reanalysed while particularly taking the potential influence of the feedback signal into account. Using different model approaches, the exact nature of the influence is investigated, as well as whether positive and negative feedback differ in their influence. Given the highly individual aspects of NF and the goal to implement corrections for the training of a single subject in an openly available NF software, the analyses were conducted on an individual but also the grouplevel allowing for tests of generalizability.At the single run level, a significant influence of both the feedback and its change over time was found. Positive feedback more often had a significant impact on the neuronal activation than negative feedback. With regard to the change over time, significant results could more often be found with negative feedback. At the group level, only the change in feedback showed a significant influence on the activation of the target region. In a cross-validation, it was not possible to determine generalizability beyond a single run for any of the models under investigation. The examined effect seems to be very individual both for subjects and measurements and should therefore be treated separately from case to case. In NF studies in which emotional feedback is used while training a brain region involved in emotion processing, accounting for the influence of the feedback signal could improve the accuracy of the presented feedback and, hence, learning performance and therapeutic success.