PROYECTO DE GRADO
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIER´
IA
DEPARTAMENTO DE INGENIER´
IA EL´
ECTRICA Y ELECTR ´
ONICA
Para obtener el t´ıtulo de
INGENIERO ELECTR ´
ONICO
por
Lina Mar´
ıa Barbosa Rond´
on
IMPLEMENTACI ´
ON Y VALIDACI ´
ON DE UN SISTEMA DE
NEUROFEEDBACK DURANTE TAREAS COLABORATIVAS
17 de ENERO de 2017
- Asesor: Fredy E. Segura Quijano PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes Mario A. Valderrama Manrique PhD, Profesor Asistente, Universidad de Los An-des
Agradecimientos
Agradezco en primer lugar a mis asesores, por su paciencia y apoyo durante todo el semestre.
A Mario Valderrama, Juliane Corlier y Valentina Zapata por su apoyo, sugerencias y explicaciones necesarias para la estructuraci´on del proyecto.
Agradezco a mis padres y a mi hermano por el apoyo incondicional que me han brindado a lo largo de mi carrera. Sin su esfuerzo y dedicaci´on este logro no habr´ıa sido posible.
Finalmente, gracias a cada una de las personas que participaron en los experimentos, por su dis-posici´on y tiempo invertido. Su ayuda fue muy valiosa en el desarrollo del proyecto.
Tabla de contenido
1 Introducci´on 1
1.1 Descripci´on de la problem´atica y justificaci´on del trabajo . . . 1
1.2 Alcance y productos finales . . . 1
1.3 Objetivos . . . 1
1.3.1 Objetivo General . . . 1
1.3.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 1
2 Marco te´orico, conceptual e hist´orico 2 2.1 Marco Te´orico . . . 2
2.1.1 Electroencefalograf´ıa (EEG) . . . 2
2.1.2 Potencia de una se˜nal . . . 2
2.2 Marco Conceptual . . . 3
2.2.1 Neurofeedback . . . 3
2.2.2 Sincronizaci´on e interacci´on . . . 6
2.3 Marco Hist´orico . . . 7
3 Definici´on y especificaci´on del trabajo 9 3.1 Definici´on . . . 9
3.2 Especificaciones . . . 9
3.2.1 Funciones . . . 9
3.2.2 Restricciones . . . 9
4 Metodolog´ıa del trabajo 11 4.1 Plan de trabajo propuesto para el desarrollo del proyecto . . . 11
4.2 B´usqueda de informaci´on . . . 11
5 Trabajo realizado 12 5.1 Descripci´on del Resultado Final . . . 12
5.1.1 Entendimiento del sistema existente e identificaci´on de mejoras . . . 12
5.1.2 Dise˜no de protocolo experimental . . . 12
5.1.3 Dise˜no y desarrollo de actividad realizada durante los experimentos . . . 13
5.1.4 Descripci´on del sistema . . . 15
5.1.5 Implementaci´on del protocolo experimental . . . 17
6 Validaci´on del trabajo 20 6.1 Metodolog´ıa de prueba . . . 20
6.2 Validaci´on de los resultados del trabajo . . . 20
6.2.1 Resultados cualitativos . . . 20
6.2.2 Efectividad del entrenamiento: Comparaci´on entre sesiones . . . 20
6.2.3 Efectividad de la tarea colaborativa: Comparaci´on entre grupos . . . 24
6.2.4 Efectividad en niveles de atenci´on . . . 28
6.2.5 Correlaci´on con variables de juego . . . 28
6.2.6 Coactivaci´on de canales . . . 29
6.3 Evaluaci´on del plan de trabajo . . . 30
7 Discusi´on 33 8 Conclusiones y trabajos futuros 35 8.1 Conclusiones . . . 35
8.2 Trabajo Futuro . . . 35
Referencias 35
´
Indice de figuras
2.1 Sistema 10-20 para registro de EEG superficial . . . 2
2.2 Lazo de transmisi´on online de datos durante Neurofeedback . . . 4
2.3 Clasificaci´on de interacci´on entre individuos . . . 7
5.1 Interfaz gr´afica para actividad individual . . . 14
5.2 Interfaz grafica para modalidad colaborativa con medida individual . . . 14
5.3 Interfaz gr´afica para modalidad colaborativa con medida com´un . . . 15
5.4 Bonus de juego . . . 15
5.5 Niveles de dificultad del videojuego . . . 16
5.6 Baseline . . . 17
5.7 Diagrama de flujo del sistema implementado . . . 18
5.8 Sesi´on experimental de cada modalidad de juego . . . 18
6.1 Evoluci´on de la potencia en la bandaµen cada trial de juego: Modalidad individual . . 21
6.2 Evoluci´on de la potencia en la bandaµen cada trial de juego: Modalidad Colaborativa con medida individual . . . 21
6.3 Evoluci´on de la potencia en la bandaµen cada trial de juego: Modalidad Colaborativa con medida com´un . . . 22
6.4 Variaci´on de potencia media en la banda µ durante el tiempo activo a lo largo de las sesiones de entrenamiento . . . 22
6.5 Variaci´on del Z score de la potencia media durante el tiempo activo . . . 23
6.6 Variaci´on del n´umero de veces por encima del umbral durante el tiempo activo . . . 23
6.7 Variaci´on del puntaje promedio de juego . . . 23
6.8 Variaci´on del n´umero de veces perdidas durante el juego . . . 24
6.9 Variaci´on del m´aximo nivel alcanzado a lo largo de las sesiones . . . 24
6.10 Diagrama de Caja: Potencia media en la bandaµa lo largo de las sesiones . . . 25
6.11 Diagrama de Caja: Diferencia de potencias en bandaµentre tiempo activo y baseline inicial a lo largo de las sesiones . . . 25
6.12 Diagrama de Caja: N´umero de veces por encima del umbral durante el tiempo activo . . 26
6.13 Diagrama de caja: potencia media y diferencia con respecto al baseline inicial entre grupos 27 6.14 Diagrama de caja: Puntaje medio y n´umero de p´erdidas entre grupos . . . 27
6.15 Cambio de puntajes en test de atenci´on antes y despu´es del entrenamiento . . . 29
6.16 Corr. Diferencia en la potencia entre tiempo activo y baseline inicial - Puntaje promedio de juego: Modalidad Colaborativa con medida individual . . . 30
6.17 Corr. Diferencia en la potencia entre tiempo activo y baseline inicial - N´umero de veces perdidas: Modalidad Colaborativa con medida individual . . . 30
6.18 Corr. Diferencia de puntajes en pruebas de atenci´on - Puntaje global de juego . . . 31
6.19 Corr. Potencia media en baseline inicial del entrenamiento - Puntaje global de juego . . 31
6.20 Porcentaje de sujetos con coactivaci´on de canales FPZ, C3, O1 , O2 con C4 en t´erminos de potencia en la banda µ . . . 31
6.21 Comparaci´on entre grupos de porcentaje promedio de coactivaci´on de canales FPZ, C3, O1, O2 con C4 en t´erminos de potencia en la bandaµ . . . 32
´
Indice de tablas
4.1 Plan de trabajo . . . 11
5.1 Grupos de Experimentaci´on . . . 13
6.1 P Value resultante de an´alisis estad´ıstico entre sesiones de entrenamiento (α=0.05) . . . 26 6.2 P Value resultante de an´alisis estad´ıstico entre protocolos (α=0.05) . . . 27 6.3 Porcentaje del grupo con cambio significativo de potencia entre baseline inicial y tiempo
activo . . . 28 6.4 Porcentaje del grupo con cambio significativo de potencia entre baseline inicial y final . 28
1. Introducci´
on
1.1
Descripci´
on de la problem´
atica y justificaci´
on del trabajo
El Neurofeedback es un m´etodo que se ha posicionado ampliamente en el tratamiento de patolog´ıas cl´ınicas, en el cual los pacientes son entrenados para aprender a controlar sus se˜nales de electroencefalo-graf´ıa (EEG) de forma consciente. Estas se˜nales son presentadas a los pacientes como retroalimentaci´on con el objetivo de modificar patrones espec´ıficos en su actividad cerebral [21]. Debido a lo anterior, esta terapia se emplea para tratar cualquier patolog´ıa causada por irregularidades en la sincronizaci´on cerebral, dentro de las cuales se incluye Trastorno por D´eficit de Atenci´on e Hiperactividad (TDAH), ansiedad, depresi´on, insomnio e incluso epilepsia; o como tratamiento alternativo para mejorar apti-tudes como niveles de concentraci´on, atenci´on y aprendizaje[7]. Actualmente, las terapias y estudios se han llevado a cabo de manera individual, sin embargo, la interacci´on social con otros individuos ha sido ampliamente estudiada por ser un posible factor determinante en procesos de atenci´on, concen-traci´on y aprendizaje [14]. Esta afirmaci´on ha tratado de ser validada no solo en este tipo de desorden sino tambi´en en procesos de aprendizaje por medio de estudios que permitan establecer el efecto que puede presentar la intervenci´on de un individuo en una tarea colabortiva sobre sus niveles de atenci´on y aprendizaje [38]. Teniendo esto en cuenta, surge la necesidad de involucrar dichas afirmaciones en el caso de la terapia por Neurofeedback con el fin de evaluar la efectividad tanto de la terapia en s´ı como de la realizaci´on conjunta de actividades en el aumento de niveles de atenci´on.
1.2
Alcance y productos finales
El alcance esperado durante la realizaci´on del proyecto consiste en la implementaci´on de un sistema de Neurofeedback durante tareas colaborativas. Ahora bien, se espera que al finalizar su realizaci´on se hayan alcanzado las siguientes actividades:
1. Dise˜no de un protocolo de experimentaci´on adecuado para el estudio.
2. Dise˜no y desarrollo de una interfaz gr´afica (videojuego) que determine la tarea a realizar durante las sesiones.
3. Validaci´on experimental del sistema implementado en un considerable n´umero de sujetos.
4. Obtenci´on de resultados cuantitativos que permitan establecer la efectividad del sistema.
1.3
Objetivos
1.3.1
Objetivo General
Evaluar el desempe˜no de un sistema grupal de Neurofeedback con respecto a terapias individuales en mejoras de procesos de atenci´on.
1.3.2
Objetivos Espec´ıficos
• Redise˜nar e implementar un protocolo experimental de Neurofeedback a partir de la evaluaci´on del sistema existente.
• Determinar una medida de interacci´on entre se˜nales de EEG de dos sujetos distintos con el fin de controlar la terapia grupal
• Llevar a cabo pruebas experimentales que permitan validar el sistema por medio del post-procesamiento de las se˜nales EEG registradas.
• Validar el efecto de la terapia grupal de Neurofeedback en niveles de atenci´on.
2. Marco te´
orico, conceptual e hist´
orico
2.1
Marco Te´
orico
2.1.1
Electroencefalograf´ıa (EEG)
Una se˜nal de electroencefalograf´ıa (EEG) es generada a partir de corrientes producidas por la actividad sin´aptica de las neuronas[31], que al ser activadas producen pulsos el´ectricos que pueden ser detectados por medio de electrodos localizados sobre el cuero cabelludo, permitiendo que la actividad el´ectrica del cerebro, conocida como EEG, pueda ser registrada. De esta manera, el EEG se genera a partir de un tipo espec´ıfico de actividad s´ıncrona de neuronas piramidales y la respuesta el´ectrica que estas presentan en el ´area en el que se localiza el electrodo[26]. El EEG se caracteriza por la manifestaci´on de ritmos cerebrales con diferentes amplitudes y componentes frecuenciales. Dichos ritmos han sido categorizados a partir de rangos frecuenciales asociados a estados fisiol´ogicos particulares. La banda δ (0.5-4Hz) se asocia a estados de sue˜no profundo[26], la ondas θ (4-8Hz) han sido relacionadas con la transici´on entre consciencia y adormecimiento y est´an presentes en estados de meditaci´on[31];α (8-13Hz) relacionado con estados de relajaci´on sin presencia de concentraci´on o atenci´on,β(13-30Hz) con estados de alerta[31, 26], pensamiento y atenci´on activos yγ (30-100Hz) asociado con aprendizaje y procesamiento cognitivo[26]. Adicionalmente, subdivisiones dentro de los rangos mencionados han sido estudiadas y establecidas, como es el caso de ritmo sensorimotor(SMR) cuya frecuencia se encuentra entre 13 y 15Hz[26] y est´a asociado a estados de alerta y relajaci´on f´ısica; o el ritmo mu, ubicado entre 7 y 11Hz asociado con interacci´on social[1].
En cuanto al posicionamiento de los electrodos, a la hora de llevar a cabo un registro de EEG se han establecido sistemas que permitan estandarizar ´areas del cerebro y de esta forma permitir una comparaci´on mucho m´as acertada de los datos[26]. El principal es el ”Sistema 10-20”, en el cual se realiza un posicionamiento en distancias correspondientes al 10% o 20% de la longitud total entre puntos espec´ıficos del cr´aneo. Estudios han demostrado que dicho sistema de localizaci´on presenta una correlaci´on con las correspondientes regiones corticales del cerebro. A ra´ız de esto, la nomenclatura de los electrodos se relaciona con la regi´on correspondiente, como se muestra la figura (2.1.1). Las letras F,P,T,O y C se relacionan con las ´areas frontal, parietal, temporal, occipital y central respectivamente en el cerebro[26].
Figura 2.1: Sistema 10-20 para registro de EEG superficial[26]
2.1.2
Potencia de una se˜
nal
La potencia media de una se˜nal x(t) en tiempo continuo se muestra en la ecuaci´on (2.1)[35]
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 3
P = lim
T→∞
1 2T
Z T
−T
|x(t)|2dt (2.1)
Ahora bien, en el caso de que x(t) sea una se˜nal peri´odica con per´ıodo T, su potencia media estar´a dada por la ecuaci´on (2.2) [35]
P = 1 T
Z T
0
|x(t)|2dt (2.2)
Para el caso de se˜nales peri´odicas en tiempo discreto se cumplir´a que la potencia media de la se˜nal x(n) con per´ıodo N estar´a dada por la ecuaci´on (2.3) [20]
P = 1 N
N−1
X
n=0
|x(n)|2 (2.3)
2.2
Marco Conceptual
2.2.1
Neurofeedback
Teor´ıas de aprendizaje
Se ha demostrado que la actividad cerebral registrada por medio EEG es capaz de responder a t´ecnicas de acondicionamiento [34]. Estas t´ecnicas se basan en teor´ıas comportamentales en las cuales se busca alcanzar un comportamiento espec´ıfico y se dividen en condicionamiento cl´asico y operante[32]. El condicionamiento cl´asico se basa en el aprendizaje involuntario para predecir eventos importantes, en el cual un comportamiento espec´ıfico se asocia con est´ımulos condicionados[37]. Esta teor´ıa fue propuesta por Ivan Pavlov en el a˜no 1927, al observar que reflejos instintivos en perros, como la salivaci´on, pod´ıan ser inducidos por est´ımulos condicionados, como por ejemplo, el sonido de los pasos de la persona que tra´ıa la comida [27]. Por otro lado, el condicionamiento operante se basa en el aprendizaje de la respuesta de un determinado comportamiento por medio del mecanismo de prueba y error empleando elementos como el refuerzo[37].
En el campo del aprendizaje condicionado es posible ubicar al Biofeedback, una t´ecnica de autoreg-ulaci´on a trav´es de la cual los pacientes aprenden a controlar de forma voluntaria por medio de una retroalimentaci´on en tiempo real, determinados procesos fisiol´ogicos que en alg´un momento se cre´ıan involuntarios. La electromiograf´ıa de superficie (sEMG) es la variable fisiol´ogica que m´as se emplea en Biofeedaback, sin embargo, tambi´en se emplean variables como EEG, frecuencia card´ıaca, tasa de respiraci´on, temperatura o conductancia de la piel[11]. Cuando la retroalimentaci´on presentada se basa en se˜nales de EEG, la t´ecnica es llamada Neurofeedback. Dado que como se mencion´o anteriormente, las se˜nales de EEG son capaces de responder a procesos de condicionamiento, el aprendizaje generado durante t´ecnicas de neurofeedback se encuentra relacionado con las teor´ıas descritas previamente. Diferentes estudios han tenido ´exito sobre el efecto del neurofeedback en el aprendizaje de sujetos sobre el control de su actividad cerebral. Tal es el caso de Phillipens y su grupo de trabajo[28], quien ense˜n´o a monos tit´ı a incrementar el ritmo sensorimotor (SMR). En estudios con humanos, Kamiya[18] mostr´o un aprendizaje exitoso por parte de algunos sujetos en el control (aumento y disminuci´on) de su actividad en alfa. Ahora bien, el ´exito del aprendizaje en estos estudios es atribuido al condicionamiento operante. Sin embargo, al considerar la autorregulaci´on de la actividad cerebral como una habilidad, no solo el condicionamiento operante debe tenerse en cuenta, pues el condionamiento cl´asico, teor´ıas como la de los dos procesos y otros factores adicionales deben ser tenidos en cuenta[37].
Adicionalmente, en el proceso de adquirir la habilidad de autorregulaci´on, el objetivo final est´a orien-tado a la automatizaci´on, es decir, dicha habilidad se debe almacenar en la memoria impl´ıcita para luego poder ser recobrado de forma impl´ıcita. De acuerdo con Fitts[10], el proceso de aprendizaje debe llevarse a cabo en tres etapas consecutivas: la fase cognitiva, al inicio del proceso, requiere de altos
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 4
niveles de atenci´on, en los cuales el sujeto identifica el comportamiento deseado a trav´es de la prueba y el error; la siguiente fase es la asociativa, en la cual dicho comportamiento es practicado, para luego llegar a la fase de automatizaci´on[37]. Ahora bien, la teor´ıa de los dos procesos, mencionada anterior-mente, se ajusta durante el neurofeedback con este modelo de aprendizaje. Durante la fase cognitiva se ejecuta el primer proceso en el cual el participante desarrolla un condicionamiento operante del comportamiento, es decir, identifica sus estrategias por medio de la prueba y el error; posteriormente, durante las fases de asociaci´on y automatizaci´on se da el segundo proceso, en el cual se desarrolla una asociaci´on de la retroalimentaci´on presentada con la tarea objetivo luego de la constante pr´actica y repetici´on[37].
Definici´on
El Neurofeedback ha sido objeto de amplia investigaci´on desde hace varias d´ecadas debido a que resulta bastante prometedor en el ´area de patolog´ıas cl´ınicas relacionadas con desincronizaci´on de la actividad cerebral. Este consiste en una t´ecnica de autoregulaci´on en la cual se busca que sujetos adquieran de forma consciente el control sobre su propia actividad cerebral por medio de una retroalimentaci´on, modificando patrones espec´ıficos asociados a determinados comportamientos[26, 39]. Durante una sesi´on de neurofeedback, se realiza un registro de EEG por medio de una par de electrodos superficiales [13]. Con base en la actividad cerebral registrada y transmitida en tiempo real, el sujeto es capaz de aprender a controlar su capacidad neuronal interna con la ayuda de una interfaz cerebro-m´aquina, la cual realiza un preprocesamiento de la se˜nal y muestra en una pantalla de computador la actividad cerebral instant´anea de la persona a trav´es de un lazo de neurofeedback[3] (ver figura 2.2).
Figura 2.2: Lazo de transmisi´on online de datos durante Neurofeedback(A) Se˜nales EEG son pre-amplificadas localmente y enviadas al sistema de adquisici´on.(B)Se˜nales de todos los electrodos son registradas y guardadas en el computador. (C)Las se˜nales son le´ıdas por otro dispositivo encargado de realizar el an´alisis online en ventanas de tiempo determinadas.(D)Datos procesados son presentados al sujeto en por medio de retroalimentaci´on visual o auditiva. (E)El sujeto controla el objeto influenciando su propia actividad cerebral [3]
De esta manera, el objetivo principal del Neurofeedback consiste en lograr que un sujeto aprenda a generar de forma voluntaria cambios en su actividad cerebral que se encuentren asociados a s´ıntomas cl´ınicos o a estados positivos (por ej. aumento de rendimiento deportivo). Este tipo de terapias contribuye a la plasticidad neuronal direccionando el aumento o disminuci´on de la actividad en de-terminadas bandas frecuenciales, por medio de sesiones de entrenamiento de aumento o inhibici´on, respectivamente. [21]. Debido a lo anterior, esta terapia se emplea para tratar cualquier patolog´ıa causada por irregularidades en la sincronizaci´on cerebral, dentro de las cuales se incluye trastorno por d´eficit de atenci´on e hiperactividad (TDAH), ansiedad, depresi´on, insomnio e incluso epilepsia; o como tratamiento alternativo para mejorar aptitudes como niveles de concentraci´on, atenci´on y
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 5
aprendizaje[7]. Luego de varios estudios se ha demostrado que entrenamiento voluntario por al menos media hora es suficiente para generar un cambio en la actividad cortical, siendo esto comparable a los efectos posteriores a una estimulaci´on cerebral [30].
Dise˜no del protocolo
Basados en los principios te´oricos sobre el proceso de aprendizaje presente en las terapias de Neu-roeedback, deben tenerse en cuenta algunos elementos realmente importantes a la hora de dise˜nar un protocolo y que deben ser implementados en la pr´actica para obtener resultados adecuados. En primer lugar, es importante realizar una buena selecci´on del refuerzo que se emplear´a durante la retroali-mentaci´on y asegurarse que el tiempo en el que este sea presentado al sujeto sea el m´ınimo posible. A pesar de que no existe un m´ınimo o un m´aximo establecido para este retardo, estudios sugieren que deber´ıa encontrarse entre 250 y 350ms con el fin de que el proceso de aprendizaje no se vea afectado[34]. Ahora bien, el refuerzo debe estar correctamente acoplado con el tipo de retroalimentaci´on recibido. Esta debe presentarse forma continua durante toda la sesi´on acompa˜nada de un refuerzo positivo[37]. Ahora bien, luego de realizar una sesi´on de neurofeedback con su respectivo refuerzo debe tenerse en cuenta la llamada ”Sincronizaci´on post-refuerzo (PRS)”, la cual se refuere a una sincronizaci´on en las se˜nales cerebrales que ha sido observada en humanos y animales y que se encuentra correlacionada positivamente con el objetivo del aprendizaje. A ra´ız de esto, una sesi´on de entrenamiento debe ser discontinua, presentando gran cantidad de peque˜nas pausas con el fin de que dicha sincronizaci´on pueda darse[37].
En cuanto al tipo de retroalimentaci´on presentada al sujeto durante la sesi´on, se han llevado a cabo algunos estudios con el fin de identificar aquel que resulte m´as efectivo en el el proceso de aprendizaje, adicional al tiempo de entrenamiento. A partir de esto, la evidencia sugiere que la retroalimentaci´on visual es mucho mejor que la auditiva[37]. Por otro lado, en cuanto al tiempo de entrenamiento, se ha establecido que sesiones temporalmente espaciadas son m´as efectivas que aquellas que se realizan de forma seguida, por ejemplo tres sesiones en una misma semana. Sin embargo, a´un no se ha estbalecido cual es el espaciamiento adecuado entre sesiones[37].
Actividad muscular, movimiento de los ojos, respiraci´on y parpadeos son algunos factores que pueden producir artefactos durante una sesi´on de neruofeedback. Ahora bien, si alguno de ellos, sin ser o no intencional, es recompensado, se llevar´a a cabo un proceso de aprendizaje incorrecto[34]. Lo anterior se da debido a que la presencia de artefactos puede causar que el sujeto aprenda a desarrollar compor-tamientos no deseados y de esta manera pierda la capacidad de controlar la actividad proveniente del electrodo que est´a siendo entrenado causando sentimientos de frustraci´on y aburrimiento[37]. De esta manera, es necesario que dentro de la fase de procesamiento de la se˜nal exista un detector de artefactos que eviten que estos sean recompensados en el lazo de retroalimentaci´on.
Por otro lado, con el fin de asegurar un continuo aprendizaje del sujeto durante la sesi´on de neruofeed-back, es necesario realizar un ajuste din´amico del umbral que define si la tarea es realizada o no de forma adecuada en base a su propio desempe˜no; esto debe realizarse con el fin de que promover el aprendizaje, asegurando que el sujeto sea recompensando en un 60% o 70% de la sesi´on[34, 37]. De esta manera, el umbral debe cambair de tal manera que el sujeto tenga la percepci´on que lo est´a haciendo bien en una gran mayor´ıa del tiempo de la sesi´on as´ı no est´e haciendo nada. El umbral debe ajustarse sin importar si el sujeto est´a ganando o perdiendo excesivamente, es decir, debe aumentar o disminuir con el fin de mantener al sujeto motivado durante la sesi´on[37]. Para lograr esto, es aconsejable incluir niveles de dificultad en la realizaci´on de la tarea.
Nerofeedback en TDAH
El Transtorno por D´eficit de Ateni´on e Hiperactividad (TDAH) es uno de los des´ordenes psiqui´atricos m´as comunes en la ni˜nez, con una prevalencia mundial de aproximadamente 5% en ni˜nos en etapa escolar [15], siendo m´as com´un en ni˜nos que en ni˜nas, con una tasa de 3:1[7]. Ahora bien, a pesar de ser un trastorno de la ni˜nez, un 65% de los pacientes presentan el desorden durante la adultez[15]. Los
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 6
s´ıntomas principales se centran en problemas de atenci´on y/o hiperactividad e impulsividad. La mag-nitud que presenten dichos s´ıntomas en un paciente contribuye a una clasificaci´on que incluye TDAH del tipo de inatenci´on, hiperactivo-impulsivo o combinado, en el que los dos s´ıntomas se presentan en gran magnitud[7]. Adicionalmente, el TDAH se encuentra asociado en gran medida con otro tipo de desordenes como por ejemplo desorden de conducta, depresi´on y ansiedad; y puede adem´as causar problemas de aprendizaje que se ven refelejados en bajo rendimiento acad´emico, bajo ´exito ocupacional y poca capacidad para establecer relaciones del tipo social [13].
En la actualidad, el tratamiento m´as empleado en pacientes con TDAH se basa en el suminsitro de medicamentos estimulantes como por ejemplo metilfenidato (ritalina) y anfetaminas[7]. Sin em-bargo, en la mayor´ıa de los casos dichos medicamentos generan efectos adversos tales como supresi´on del apetito, dolor abdominal, insomnio, dolores de cabeza e incluso problemas cardiovasculares. A lo anterior se adiciona que en algunos de los pacientes el tratamiento farmacol´ogico no funciona adecuada-mente a la hora de suprimir los s´ıntomas del TDAH[13]. En base a lo anterior,surge una necesidad por parte de los pacientes y sus familiares de buscar alternativas que puedan contribuir a un aumento en la efectividad del tratamiento y a una disminuci´on de los efectos adversos que este pueda presentar en el paciente.
El Neurofeedback se ha posicionado como una alternativa bastante efectiva para tratar el TDAH. Esto debido a que estudios realizados previamente indican que los pacientes con este trastorno tiene una mayor actividad en ondas lentas (especialmente en bandaθ, 3.5-8Hz) y menor en frecuencias m´as altas (bandaβ, 12-20Hz) que sujetos sanos, especialmente en regiones frontales y centrales del cerebro[17]. De esta manera, las terapias de Nerurofeedback buscan en este caso entrenar a los pacientes en la modificaci´on de su actividad cerebral con el fin de corregir dichas anomal´ıas en su EEG. Basados en los patrones del EEG de un paciente con TDAH los protocolos de Neurofeeback empleados como tratamiento tienen como objetivo la disminuci´on por parte del paciente de la actividad en la banda θy del aumento en la banda β o SMR. En la mayor´ıa de los casos se usa como retroalimentaci´on la disminuci´on de la tasa θ/β o el aumento de la actividad en SMR; adicionalmente, se emplea durante el entrenamiento en la mayor´ıa de los casos, un electrodo ubicado en la zona central, generalmente en Cz o C4[26].
2.2.2
Sincronizaci´
on e interacci´
on
La interacci´on social con otros individuos est´a presente en la cotidianidad del ser humano. Dichas interacciones pueden dar lugar a sincronizaciones espont´aneas entre patrones de comportamientos in-dependientes, como por ejemplo el aplauso de una multitud o la sincronizaci´on de pasos al caminar. Ahora bien, ¿pueden las se˜nales cerebrales de dos individuos sincronizarse de la misma manera cuando se da lugar a una interacci´on social? Para resolver este interrogante se ha creado una t´ecnica lla-mada hiperescaneo, a partir de la cual se estudia la actividad cerebral de dos individuos de forma simult´anea mientras interact´uan. Estudios realizados demuestran que existe una sincronizaci´on en de-terminados patrones del EEG de dos individuos mientras se desarrolla alg´un tipo de interacci´on. Por ejemplo, Dumas[9] estudio la interacci´on no verbal de dos individuos mientras uno de ellos imitaba el movimiento de manos generado por el otro, encontrando una acoplamiento en las oscilaciones de sus se˜nales cerebrales; Babiloni[2] analiz´o la activaci´on cortical de dos individuos durante su partic-ipaci´on en un juego colaborativo, encontrando una coactivaci´on de la corteza prefrontal medial en todos los casos; y Kawasaki[19] realiz´o un estudio de la actividad cerebral durante la comunicaci´on verbal de dos individuos encontrando sincronizaci´on en amplitud de la tasaθ/αen regiones temporal y lateral-parietal entre los invididuos.
Ahora bien, una sincronizaci´on durante un proceso interactivo podr´ıa ser de gran ayuda en otros aspectos. Incluir un componente social puede contribuir a mejorar aptitudes cognitivas de un individuo, lo cual puede tener un gran impacto en procesos de aprendizaje[33]. Lo anterior puede aplicarse a los protocolos de Neurofeedback, pues como se mencion´o anteriormente, estos se basan en procesos de aprendizaje con el objetivo de alcanzar la autorregulaci´on de la actividad cerebral. De esta manera, incluir un ambiente interactivo dentro de una sesi´on de entrenamiento, puede generar un aumento en
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 7
la efectividad del aprendizaje por parte de los individuos. Sin embargo, el tipo de interacci´on debe seleccionarse minuciosamente acorde al objetivo deseado, con el fin de obtener resultados adecuados[33]. El comportamiento humano se ve afectado por tres factores en el momento en el que se interact´ua con otros individuos: la estructura de la interacci´on, la el objetivo y la tarea. En la figura2.3 se observa el modelo de claisificaci´on de la interacci´on basado en los factores mencionados. El eje x
representa la estructura de la interacci´on. Ahora bien, la interacci´on se puede defindir como las acciones individuales ya sea simult´aneas o secuenciales que afectan los resultados de los dem´as individuos involucrados en la situaci´on. Dicha interacci´on puede ser del tipo concurrente, involucrando sincron´ıa en el movimiento corporal de los individuos (por ejemplo, nado sincronizado), o del tipo ”turn-based”, en la interacci´on est´a principalmente basada en la sincron´ıa mental de los individuos (juego de ajedrez). Eleje yrepresenta la estructura del objetivo, seg´un la cual un individuo debe facilitar la tarea del otro (cooperativo) o debe interfir con ella (competitivo). Y finalmente, el eje zrepresenta la estructura de la tarea, la cual se relaciona con la dependencia que deban tener los individuos para que esta se lleve a cabo. Puede ser interdependiente, en la que tanto el comportamiento como el resultado de un individuo se vea afectado por el otro (por ejemplo, un juego de tennis); oindependiente, para la cual no existe una dependencia entre los individuos. De esta manera, surgen ocho diferentes tipos de interacci´on entre individuos, los cuales se enumerar´an a continuaci´on:
1. Interacci´on concurrente
(a) Colaborativa independiente
(b) Colaborativa interdependiente
(c) Cooperativa independiente
(d) Cooperativa interdependiente
2. Interacci´on ”turn-based”
(a) Colaborativa independiente
(b) Colaborativa interdependiente
(c) Cooperativa independiente
(d) Cooperativa interdependiente
Figura 2.3: Clasificaci´on de interacci´on entre individuos[24]
2.3
Marco Hist´
orico
Alrededor del TDAH se ha desarrollado una gran cantidad de estudios con el fin de demotrar la efec-tividad del neruofeedback como tratamiento alternativo. Por ejemplo, Marleen Bink y su grupo de
CAP´ITULO 2. MARCO TE ´ORICO, CONCEPTUAL E HIST ´ORICO 8
trabajo [6] estudiaron los efectos en el comportamiento de adolescentes con TDAH causados por ter-apias de Neurofeedback, obteniendo resultados positivos en cuanto a la disminuci´on en sintomatolog´ıa asociada luego de las sesiones terap´euticas. En el a˜no 2014, la estudiante Andrea S´anchez present´o como tesis de maestr´ıa el proyecto titulado “Desarrollo de un sistema de Neurofeedback a partir de se˜nales de EEG, para el control voluntario del nivel de atenci´on”. En este proyecto se entren´o a un sujeto en el control visual y auditivo de un video como retroalimentaci´on a su nivel de atenci´on, con el objetivo de proponer un tratamiento para TDAH. Con el fin de determinar el nivel de atenci´on del sujeto se tom´o como medida la relaci´onβ / (θ +α). De esta manera, el sujeto era capaz de controlar la velocidad y volumen del sonido y la velocidad del video que le era mostrado, por medio de su propia actividad cerebral. Finalmente, el sistema arroj´o resultados satisfactorios seg´un los cuales el sujeto alcanz´o un aumento en su nivel de concentraci´on por medio del control en la reproducci´on de video como una forma de retroalimentaci´on. Adicionalmente, en el a˜no 2016 Paloma Gonz´alez y su grupo de investigaci´on [12] evalu´o la eficacia del neurofeedback con respecto a los f´armacos en pacientes con TDAH obteniendo como resultado una mejor´ıa en los pacientes al emplear una combinaci´on de las dos terapias m´as que al emplear cada una por separado. Cabe resaltar que los estudios mencionados realizaron entrenamiento individual, esto debido a que en la actualidad no se han desarrollado estudios sobre neurofeedback durante tareas colaborativas, siendo este un campo muy reciente en el ´area de la investigaci´on. Sin embargo, en el a˜no 2016 la estudiante de Ingenier´ıa Biom´edica realiz´o su tesis de pregrado titulada “Collaborative Neurofeedback: Design of the protocol and early findings“[42]. En este proyecto se propone una terapia grupal de Neurofeedback enfocada en el an´alisis del nivel de atenci´on e interacci´on social en la realizaci´on conjunta de una tarea. El protocolo de experimentaci´on consisti´on en un videojuego en el que cada participante adquir´ıa un rol en el logro de una determinada tarea. Durante dicha actividad se registran las se˜nales de EEG de cada participante con el fin de calcular la presencia o ausencia de actividad en las bandasθ/β yµ y de esta manera establecer una retroalimentaci´on visual en el videojuego presentado en la pantalla de un computador. Basado en su trabajo y en sus resultados preliminares, nace este proyecto.
3. Definici´
on y especificaci´
on del trabajo
3.1
Definici´
on
A partir de los resultados obtenidos en estudios previos sobre las terapias de Neurofeedback individuales y en investigaciones en otros campos sobre el efecto positivo que puede tener la colaboraci´on durante una tarea grupal, surge un interrogante sobre la efectividad que podr´ıa tener la implementaci´on de terapias de Neurofeedback en actividades grupales con un alto grado de colaboraci´on. De esta manera, se busca implementar y mejorar un sistema de neurofeedback en tareas colaborativas analizando la actividad cerebral en la banda frecuencial µ (8-12Hz). Para realizar una validaci´on del sistema de Neurofeedback implementado se llevar´an a cabo sesiones experimentales en las que se registrar´a de forma simult´anea la actividad cerebral de dos sujetos mientras desarrollan una tarea colaborativa a partir de la cual se les presentar´a una retroalimentaci´on visual. Dicha reatroalimentaci´on se generar´a en tiempo real a partir del procesamiento de su actividad en la banda µ. Este sistema, en caso de presentar un alto grado de efectividad podr´ıa tener un gran impacto en el ´area de la salud, especialmente en patolog´ıas relacionadas con falencias en los niveles de atenci´on e interacci´on social, tales como el TDAH[6] o el autismo[16]. En estos casos, las terapia de Neurofeedback pueden actuar como tratamientos alternativos que ayuden a mejorar la calidad de vida de los pacientes.
3.2
Especificaciones
3.2.1
Funciones
El sistema descrito previamente ofrecer´a las funciones presentadas a continuaci´on.
• Registro simult´aneo del EEG de dos sujetos mientras desearrollan una tarea colaborativa.
• El sistema es capaz de presentar a los sujetos una retroalimentaci´on visual seg´un su propia actividad cerebral. Dicha retroalimentaci´on es presentada a los sujetos por medio de una interfaz gr´afica desarrollada en MATLAB.
• El sistema realiza un procesamiento en tiempo real de las se˜nales registradas y es capaz de detectar actividad en una banda frecuencial determinada.
• El sistema permitir´a a los sujetos controlar el movimiento de un objeto presente en la pantalla por medio de su propia actividad cerebral.
3.2.2
Restricciones
Para que las funciones enumeradas anteriormente puedan ser llevadas a cabo de forma correcta, es necesario que el sistema cumpla con una serie de restricciones como se muestra a continuaci´on:
• La calidad de la se˜nal EEG registrada debe ser adecuada antes de dar inicio al sistema de Neurofeedback, por medio del ajuste de impedancia de cada uno de los electrodos.
• El sistema debe contar con una pantalla adicional a la del computador encargado de la adquisici´on y procesamiento, a trav´es de la cual ser´a presentada a los sujetos la retroalimentaci´on visual.
• El sitio de experimentaci´on debe brindar a los participantes comodidad y presentar un alto grado de aislamiento de sonidos externos que puedan interferir con el experimento.
• Los sujetos que participar´an en los experimentos no deben presentar ning´un tipo de patolog´ıa mental, ni tampoco alg´un tipo de discapacidad visual que impida recibir la retroalimentaci´on presentada.
CAP´ITULO 3. DEFINICI ´ON Y ESPECIFICACI ´ON DEL TRABAJO 10
• El sistema puede verse afectado por artefactos de movimiento por parte de los sujetos. De esta manera, los sujetos deben permanecer lo m´as quietos posibles durante la sesi´on.
• El sistema contar´a con un m´aximo de 5 canales de registro para cada uno de los participantes debido a las caracter´ısticas del dispositivo de adquisici´on.
• La ubicaci´on de electrodos se realizar´a seg´un las especificaciones del Sistema 10/20 para registros superficiales de EEG.
4. Metodolog´ıa del trabajo
Para el desarrollo y ejecuci´on del trabajo se plantearon cuatro etapas consecutivas. En primer lugar se realiz´o un dise˜no del sistema y del protocolo experimental basado en la identificaci´on de aspectos a mejorar sobre el trabajo realizado previamente en [42], estableciendo claramente las preguntas de investigaci´on del proyecto. Posteriormente se llev´o a cabo la implementaci´on de la actividad que realizar´ıan los participantes durante las sesiones de entrenamiento en Neurofeedback y su respectivo acople con el sistema de registro EEG. Seguido de ello, inici´o el proceso de experimentaci´on, por medio del cual se efectuaba una validaci´on del sistema seg´un el protocolo dise˜nado. Finalmente, se dasarrolla la etapa de an´alisis de resultados con el fin de dar respuesta a las preguntas planteadas inicialmente.
4.1
Plan de trabajo propuesto para el desarrollo del proyecto
En la tabla 4.1 se presenta el plan de trabajo propuesto para el desarrollo del proyecto, mostrando las principales actividades realizadas junto con su duraci´on. Adicionalmente, se realizaron reuniones con el asesor y el coasesor del proyecto con el fin de presentar los avances semanales obtenidos.
Tabla 4.1: Plan de trabajo
Semana Actividad
Semanas 1-2 Entendimiento del sistema existente e identificaci´on de mejoras
Semanas 3-4 Dise˜no de protocolo experimental
Semanas 5-7 Dise˜no e implementaci´on de actividad realizada durante los experimentos. Dicha actividad consiste en un videojuego controlado por la actividad cere-bral de los participantes.
Semanas 8 Entrega de documento parcial.
Semanas 8 Experimentaci´on: incorporaci´on de videojuego al sistema de adquisici´on y procesamiento de se˜nales de EEG.
Semanas 9-13 Validaci´on: realizaci´on de experimentos seg´un protocolo experimental con el fin de evaluar la efectividad del sistema.
Semana 14-16 An´alisis de resultados obtenidos en las pruebas experimentales.
Semana 17 Entrega de documento final.
4.2
B´
usqueda de informaci´
on
La principal fuente de informaci´on para el desarrollo del trabajo fue el proyecto presentado como tesis de pregrado por parte de la estudiante Valentina Zapata[42], pues a aprtir de este se establecieron las mejoras y especificaciones del sistema a implementar. Adicionalmente, se emplearon algunas inves-tigaciones realizadas previamente y relacionadas con temas relevantes para el desarrollo del trabajo. En trabajos como [37], se determinaron factores importantes en el dise˜no del protocolo experimental que permitieran obtener resultados favorables al terminar el proyecto. Por otro lado, la informaci´on obtenida a lo largo de la carrera fue fundamental para un desarrollo apropiado del proyecto. Concep-tos adquiridos en el ´area de procesamiento de se˜nales, programaci´on y dise˜no de experimentos fueron clave a la hora de llevar a cabo la implementaci´on del sistema de Neurofoeedback y el posterior an´alisis de datos. Finalmente, el apoyo y seguimiento de los asesores y personas externas involucradas en el proyecto a lo largo de su ejecuci´on fue de gran importancia para realizar correcciones o ajustes pertinentes que permitieran obtener resultados satifisfactorios y cumplir con los objetivos propuestos.
5. Trabajo realizado
5.1
Descripci´
on del Resultado Final
5.1.1
Entendimiento del sistema existente e identificaci´
on de mejoras
Luego de evaluar el sistema existente de Neurofeedbaack grupal se identficaron las siguientes mejoras:
• Adici´on de medida com´un como variable de control en la actividad realizada, siendo la medida original la potencia individual de cada participante en la banda seleccionada.
• Aumento de electrodos empleados durante el registro, con el fin de realizar un an´alisis espacial de la actividad en la banda seleccionada.
• Mejoras en el protocolo de comunicaci´on y colaboraci´on entre participantes, para lo cual se propone la creaci´on de un banco de peguntas que permita a los dos sujetos tener una interacci´on mucho m´as espont´ana durante la actividad.
• Ajustes en la actividad realizada por los participantes para asegurar una colaboraci´on e inter-acci´on por parte de los individuos mucho m´as impl´ıcita. Para solucionar esto se propuso el desarrollo de una nueva actividad (videojuego) que requiera de una mayor colaboraci´on, a lo que se adiciona la inclusi´on de elementos motivacionales como por ejemplo: niveles de dificultad.
5.1.2
Dise˜
no de protocolo experimental
Preguntas de investigaci´on
Como pregunas de investigaci´on para llevar a cabo el estudio se porponen las siguientes:
• ¿Existe diferencia en el desarrollo de una actividad espec´ıfica si esta es llevada a cabo de forma individual o colaborativa?
• ¿Hay alguna diferencia en el uso de una medida com´un o individual como variable de control en una actividad colaborativa?
• ¿Existe diferencia en el desempe˜no durante una sesi´on de Neurofeedback luego de realizar varias sesiones de entrenamiento?
• ¿Existe alguna diferencia en la relaci´on espacial entre diferentes regiones del cerebro al realizar una tarea de forma individual o colaborativa?
Sistema de adquisici´on y electrodos
Para el registro simult´aneo del EEG de los dos individuos se emple´o el Micromed, un dispositivo de adquisici´on multicanal (SD LTM 64 Express, Micromed S.p.A, 2007) capaz de registrar hasta 64 canales, emepleando una frecuencia de muestreo de 256Hz. Con el fin de estudiar el efecto de la colaboraci´on en distintas ´areas del cerebro, se localizaron electrodos en las regiones frontal, central y occipital de cada uno de los individuos, empleando los siguientes 5 electrodos durante el registro: FPz, C3, C4, O1 y O2. Se emple´o un montaje monopolar en cada uno de los individuos, con refrencia individual en A1 y tierra com´un en Fz. La nomenclatura de los electrodos fue basada en el Sistema internacional 10/20 para registros de EEG(ver secci´on 2.1.1). El electrodo de entrenamiento empleado para generar la retroalimentaci´on fue C4, esto se estipul´o en base a estudios realizados previamente en TDAH e interacci´on social entre individuos[26][9].
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 13
Grupos Experimentales
En los experimentos participaron 36 estudiantes universitarios (11 hombres, 18 mujeres, edad: 20.44∓
2.03). Ninguno de los participantes sufr´ıa de alguna condici´on mental o f´ısica y todos fueron informados del prop´osito y seguridad del experimento. Posteriormente, para fines de la experimentaci´on los sujetos fueron agrupados por parejas seg´un su disponibilidad y horarios. Inicialmente se propuso un dise˜no experimental de 3 grupos (uno de ellos con 4 parejas y los dos restantes con 7 parejas) para los cuales se tendr´ıan 4 sesiones de entrenamiento. De esta manera, el dise˜no general constar´ıa de 36 participantes y 90 sesiones experimentales. Sin embargo, a causa de problemas de disponibilidad de tiempo, no todas las parejas culminaron el total se sesiones de entrenamiento, quedando as´ı un total de 28 participantes (14 parejas) en el estudio.
El primer grupo se tom´o como control, con una ejecuci´on individual de la tarea durante la sesi´on. En los grupos restantes, los sujetos realizaron la misma tarea, pero esta vez de forma colaborativa. Ahora bien, la diferencia entre ellos raidc´o en el tipo de retroalimentaci´on recibida; para el segundo grupo, cada sujeto pod´ıa obsrrvar su desempe˜no por medio de una retroalimentaci´on individual, mientras que para el ´ultimo grupo, la retrioalimentaci´on se presentaba de forma conjunta.
En la tabla 5.1 se presentan las carcater´ısiticas de los grupos de experimentaci´on. Para cada uno de ellos, la sesi´on sigui´o modelo baseline-juego-baseline. Durante el baseline se registr´o la actividad en la bandaµ de cada uno de los participantes con el fin de establecer el umbral para cada uno; ahora bien, el segmento de juego estaba compuesto por determinados trials (20s de duraci´on) separados de pausas cortas (5s) en las que los sujetos pod´ıan descansar. Adicionalmente, se distribuyeron 5 pausas largas (60s) a lo largo de todo el tiempo de juego con el fin de dar a los participantes un mayor tiempo de descanso, y en el caso de los grupos con tarea colaborativa, incentivar la comunicaci´on entre ellos. Adem´as de esto, y dada la dificultad de la actividad colaborativa, se estableci´o una pausa intermedia de 180s para estos grupos. Durante el baseline final de cada sesi´on se calculaba nuevamente la potencia media con el fin de identificar cambios significativos en este valor a lo largo de la sesi´on.
Tabla 5.1: Grupos de Experimentaci´on
Grupo experimentaci´on Individual Colaborativo
medida individual
Colaborativo me-dida com´un
Participantes 6 (3 parejas) 12 (6 parejas) 10 (5 parejas)
Tarea Individual Grupal
Retroalimentaci´on Individual Com´un
Trials 90
Pausas Cortas: 89 (5s) Largas: 5(60s)
Cortas: 80 (5s) Largas: 4(60s) Intermedia: 1(180s)
Baseline Uno al inicio y uno al final (120s cada uno)
Duraci´on 42 min: tiempo activo (30mins), pausas y baselines (12mins)
48 min: tiempo activo (30mins), pausas y baselines (14mins)
5.1.3
Dise˜
no y desarrollo de actividad realizada durante los experimentos
La actividad implementada consiti´o en un videojuego desarrollado en una interfaz gr´afica de MATLAB y que ten´ıa por objetivo el control de un cohete a lo largo de un tubo. En la modalidad individual del juego (ver figura 5.1), un solo sujeto se encargaba de controlar el movimiento del objeto por medio de un ”flujo de aire” generado a partir de la potencia de su actividad cerebal en la banda µ. De
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 14
esta manera, el cohete ascender´a cuando la potencia supere el umbral especificado en el sistema, de lo contrario descender´a. Por otro lado, en la modalidad colaborativa con medida individual cada participante controlar´a un lado de la pantalla y contribuir´a de forma equitativa para elevar el cohete. Es decir, es necesario que ambos participantes se encuentren por encima del umbral (m´axima cantidad de aire) para que el objeto ascienda. Ahora bien, cada uno de ellos recibir´a una retroalimentaci´on de su propia actividad, con lo cual ser´a posible conocer la efectividad de su participaci´on en la tarea global. Dicha retrioalimentaci´on consistir´a en la porci´on de aire generado en cada una de las ramas (ver figura 5.2). Por el contrario, en la modalidad colaborativa con medida com´un se presenta a los dos sujetos una ´unica retroalimentaci´on que consiste en la cantidad de aire generada por ambos (ver figura 5.3).
Figura 5.1: Interfaz gr´afica para actividad individual: (A)Puntaje de juego. (B)Nivel Actual. (C)
Objeto a controlar. (D)Cantidad de aire generada por el jugador
Figura 5.2: Interfaz grafica para modalidad colaborativa con medida individual: (A)Puntaje de juego.
(B)Nivel Actual. (C) Objeto a controlar. (D)Cantidad de aire generada por el jugador 1. (E)
Cantidad de aire generada por el jugador 2
El puntaje obtendios por los sujetos fue calculado a partir del tiempo en el que el cohete permanece por encima del fuego y es mostrado en la interfaz de juego; en caso de caer al fuega, el puntaje era reiniciado y el cohete se mostraba en su posici´on inicial (mitad del tubo); por otro lado, cuando el cohete alcance la altura m´axima del tubo lo jugadores recib´ıan un bonus de 2 puntos en el puntaje global (ver figura 5.4).
Finalmente, con el objetivo de aumentar la motivaci´on durante el desarrollo de la actividad, se propuso la generaci´on de 6 niveles de dificultad. En cada uno de los niveles la altura del fuego aumentaba, disminuyendo el espacio que el cohete ten´ıa para movilizarse (ver figura 5.5). El cambio de nivel era evaluado luego de cada pausa larga durante la sesi´on de juego en base a un l´ımite para el n´umero de veces que el cohete ca´ıa al fuego durante los trials previos.
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 15
Figura 5.3: Interfaz gr´afica para modalidad colaborativa con medida com´un: (A) Puntaje de juego.
(B)Nivel Actual. (C)Objeto a controlar. (D)Cantidad de aire generada por los dos jugadores
Figura 5.4: Bonus obtenido al alcanzar la altura m´axima del tubo
5.1.4
Descripci´
on del sistema
En la figura 5.7 se muestra el diagrama de flujo representando el funcionamiento del sistema imple-mentado. En primer lugar se lleva a cabo el registro de las se˜nales de EEG, las cuales son enviadas al computador para su procesamiento. Ahora bien, luego del procesamiento y dependiente de la etapa actual de la sesi´on, el sistema ingresa al m´odulo de umbralizaci´on, comparaci´on y comunicaci´on con el juego, o finalizaci´on. El tiempo de retardo aproximado en el sistema fue de 32ms, siendo este el tiempo que toma el sistema para generar una respuesta visual en el videojuego desde el momento en el que se recibe un paquete de datos. A continuaci´on se explica en forma m´as detallada cada una de las etapas del sistema.
Comunicaci´on
Dentro del sistema se puede identificar dos procesos de comunicaci´on llevados a cabo por medio del protocolo TCP/IP. El primero se da entre el Micromed (ver secci´on 5.1.2) y el sistema de procesamiento (computador), m´as espec´ıficamente a la sesi´on de MATLAB encargada de ello. El Micromed env´ıaba paquetes de datos cada 32ms digitalizados en valores enteros de 16 bits sin signo (UINT16); su recepci´on fue llevaba a cabo por medio de librer´ıas previamente dise˜nadas e implementadas para este fin por Mario Valderrama, profesor de la Universidad de los Andes. En segundo lugar, la comunicaci´on entre la sesiones de procesamiento y videojuego en MATLAB, fue llevaba a cabo por medio del mismo protocolo haciendo uso de la funci´on jtcp desarrollada por Kevin Bartlett obtenida por libre acceso en FileExchange (MathWorks, Inc.). Por medio de esta funci´on, la sesi´on de procesamiento enviaba se˜nales de control, indicando inicio y final del tiempo activo y resultados de la comparaci´on de umbrales de los dos sujetos; del mismo modo, la sesi´on del videojuego se encargaba de enviar una se˜nalizaci´on del inicio y fin de las pausas durante el juego, con el fin de establecer una sincronizaci´on entre ellas.
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 16
(a) Nivel 1 (b) Nivel 2 (c) Nivel 3
(d) Nivel 4 (e) Nivel 5 (f) Nivel 6
Figura 5.5: Niveles de dificultad del videojuego
Filtrado y procesamiento
Las se˜nales enviadas por elmicromed se procesaban cada 400ms tomando como ventana de an´alisis el ´
ultimo segundo de datos recibidos. Esto implic´o que la caracterizaci´on de la actividad de los sujetos evaluaba datos pasados adem´as de los presentes, generando una medida de la evoluci´on temporal de su potencia con respecto al valor actual. Ahora bien, cada una de las ventanas generadas para el an´alisis era sometida a un proceso de filtrado en la bandaµ(8-11Hz); para ello se emple´o un filtro IIR de grado 36 generado a partir de la concatenaci´on de filtros de grado 2 para disminuir el tiempo de respuesta. Posterior a esto, se calcul´o la potencia en el tiempo (ver secci´on 2.1.2 ) de cada una de las ventanas, obteniendo as´ı un valor de potencia cada 400ms.
Umbralizaci´on
La umbralizaci´on se realiz´o de forma individual para cada uno de los sujetos por medio del an´alisis de su actividad durante la etapa de baseline en la sesi´on. De esta manera, el umbral fue establecido como el promedio de la potencia en la bandaµde cada ventana de tiempo analizada durante el baseline inicial. Ahora bien, con el fin de corregir falsos positivos causados por artefactos de movimiento, se estableci´o un umbral adicional ubicado a 5 desviaciones estandar de la potencia en el baseline inicial. En el caso en el que la potencia generada por alguno de los individuos superaba dicho umbral, el movimiento del cohete era detenido hasta que la potencia se encontrara nuevamente entre los umbrales. Con el fin de mantener a los sujetos motivados durante la sesi´on, se estableci´o un comportamiento din´amico para el umbral, el cual era ajustado dependiendo del desempe˜no que mostraban los sujetos durante la actividad. El desempe˜no se ve´ıa reflejado en el cambio de nivel de juego, como se mencion´o en la secci´on 5.1.3, teniendo as´ı 6 posibles valores del umbral, cada uno generado a partir de incrementos del 5% con respecto al valor inicial (potencia media en el baseline). De esta manera, si el desempe˜no de los sujetos era bastante bueno y se daba un aumento de nivel, el umbral deb´ıa aumentar; mientras que si el desempe˜no era bajo, causando una disminuci´on de nivel, este deb´ıa ser reducido.
Comparaci´on de umbrales
Para las tres modalidades de juego se realizaba una comparaci´on de la potencia de cada ventana de an´alisis con el umbral creado en el baseline para cada uno de los participantes. De esta manera, se obten´ıa una se˜nal binaria que indicaba si el valor de potencia se encontraba dentro de los rangos permitidos y una se˜nal num´erica indicando el porcentaje de potencia generado con respecto al baseline que variaba entre 0 y 1. Por ejemplo, esta ser´ıa 1 en caso de que la potencia sea igual o mayor que el
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 17
Figura 5.6: Imagen presentada durante los per´ıodos de Baseline
umbral o 0.5 si es la mitad de esta. Este valor fue empleado para generar la cantidad de aire mostrada en la interfaz de juego. En la modalidad invididual, las se˜nales de cada individuo eran enviadas a su respectiva sesi´on de juego, mientras que para la modalidad colaborativa con medida individual ambos pares de se˜nales se enviaban a una misma sesi´on indicando el resultado de comparaci´on de cada uno de los individuos para as´ı determinar si el cohete deb´ıa o no subir y qu´e cantidad de aire deb´ıa mostrarse en la rama de cada individuo. Finalmente, en el caso de la modalidad colaborativa con medida com´un se enviaba por pareja de individuos una ´unica se˜nal de control binaria que indicaba si las dos potencias se encontraban por encima del umbral. El porcentaje de potencia era generado de la siguiente manera: en caso de que ambos individuos sobrepasaran el umbral, la se˜nal del porcentaje de potencia era 1, en caso de que solo uno de los dos estuviera por encima del umbral, el procentaje global correspond´ıa al del individuo que se encontraba por debajo del umbral, y en caso de que los dos estuviera por debajo del umbral, el porcentaje global correspond´ıa al valor m´aximo entre los dos individuos.
Se˜nalizaci´on
Para realizar un an´alisis offline de las se˜nales registradas durante el an´alisis resultaba necesario llevar a cabo una se˜nalizaci´on de todos los registros para as´ı poder establecer a qu´e etapa de la sesi´on correspond´ıa cada punto, es decir, si formaba parte del baseline inicial, tiempo activo (trial o pausa) o baseline final. Para llevar esto a cabo se dise˜n´o e implement´o un sistema de disparo capaz de generar un determinado voltaje que pudiera ser registrado por el micromed para as´ı poder marcar el inicio y fin de las etapas de la sesi´on. Lo anterior se realiz´o con ayuda de un arduino ONE, capaz de recibir un bit digital (1 ´o 0) desde el computador por medio del puerto serial para posteriormente ser convertido, por medio de un conversor digital-an´alogo, a un voltaje (5V ´o 0V) que pudiera ser registrado por el micromed. Ahora bien, dado que los l´ımites de voltaje que presenta este dispositivo a la hora de registrar una se˜nal es -3.2mV/3.2mV, se emple´o un divisor de voltaje para obtener un valor final de 1mV durante trials y 0mV durante baselines y pausas, registrado por el micromed por medio de uno de sus canales bipolares.
5.1.5
Implementaci´
on del protocolo experimental
Las sesiones experimentales se realizaron en uno de los laboratorios del Deparatamento de Ingenier´ıa Biom´edica de la Universidad de los Andes, en todos los casos la luz se mantuvo apagada y se intent´o controlar en la mayor medida los sonidos provenientes del exterior de la sala, con el fin de brindar a los pacientes un ambiente c´omodo y tranquilo para la realizaci´on del experimento. Al inicio de la primera sesi´on se dio a cada uno de los participantes las instrucciones generales de los experimentos y del desarrollo de la actividad. Posteriormente, se realizaron las medidas para la localizaci´on de los electrodos seg´un el Sistema 10/20 y la respectiva preparaci´on y limpieza de la zona en la que ser´ıan dispuestos. Una vez realizada la preparaci´on y localizaci´on, se realiz´o en todos los casos un chequeo de la calidad de la se˜nal y la impedancia de cada uno de los electrodos, siendo esta aceptada al estar por debajo de 5 kOhms. Luego de que todos los factores se encontraran en condiciones aceptables,
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 18
Figura 5.7: Diagrama de flujo del sistema implementado
el experimento daba inicio. De esta manera, a los dos sujetos se les solicitaba sentarse frente a una pantalla, ubicada aproximadamente a una distancia de 80cm (ver figuras 5.8 b y c). En el caso de la modalidad individual, cada uno de los sujetos observaba una pantalla diferente, exisitiendo una separaci´on entre estas de aproximadamente 50cm (ver figura 5.8 a). Durante la primera etapa de la sesi´on, se mostraba durante dos minutos en la pantalla una imagen ilustrando el fondo del videojuego con una cruz blanca dispuesta en el centro de esta (ver figura 5.6) , siendo este el baseline a partir del cual se calculaba el umbral de potencia como ya se mencion´o anteriormente. Durante este lapso de tiempo, fue sugerido a cada individuo un alto nivel de concentraci´on y quietud por medio de la focalizaci´on de su mirada en la cruz. Posteriormente, comenzaba el tiempo activo de la actividad, en el cual se le solicit´o a los participantes la b´usqueda de estrategias que les permitieran controlar el movimiento del cohete. En las dos modalidades colaborativas,se mostraba en pantalla surante las pausas largas una pregunta relacionada con la actividad que deb´ıan responder de forma conjunta. Esto se realiz´o con el fin de incentivar la interacci´on entre los individuos y as´ı asegurar que el componente social estaba siendo desarrollado. Durante el baseline final, la imagen con la cruz era presentada nuevamente, solicitando a los sujetos m´axima concentraci´on.
(a) Individual (b) Colaborativo Medida Indi-vidual
(c) Colaborativo Medida Com´un
CAP´ITULO 5. TRABAJO REALIZADO 19
Pruebas de atenci´on
Con el fin de evlauar la efectividad de las sesiones de entrenamiento sobre los niveles de atenci´on se solicit´o a cada uno de los participantes la realizaci´on de dos pruebas de atenci´on al inicio de la primera sesi´on. De esta manera, se realizaron dos pruebas contenidas en el protocolo de la Escala Wechsler de Inteligencia para Adultos (WAIS-IV)[41] relacionadas con niveles de atenci´on, para las cuales se otorgaba un puntaje num´erico a la realizaci´on de tareas puntuales. Al final de la cuarta sesi´on de entrenamiento se llev´o a cabo una repetici´on de las dos pruebas, teniendo como objetivo la comparaci´on de puntajes antes y despu´es del entrenamiento en Neurofeeback en el que cada sujeto hab´ıa participado.
6. Validaci´
on del trabajo
6.1
Metodolog´ıa de prueba
Las pruebas realizadas a lo largo del desarrollo del proyecto se enumeran a continuaci´on seg´un el orden el que fueron ejectuadas:
1. Pruebas generales del sistema, con el fin de verificar el correcto funcionamiento luego de unir el videojuego con el sistema de adquisici´on y procesamiento. Para ello se realizaron simulaciones con se˜nales sinusoidales oscilando a frecuencias conocidas, con el fin de revisar que el movimiento del objeto durante la actividad reaccionara de una forma proporcional a la potencia en una determinada banda.
2. Pruebas piloto en sujetos. Estas se realizaron con el objetivo de efectuar validaciones del sis-tema en sujetos, evaluando as´ı la operaci´on del sistema en condiciones reales y as´ı, realizar las correcciones y mejoras que resultaran pertinentes.
3. Post-procesamiento de las se˜nales y an´alisis estad´ıstico. Con el fin de validar las hip´otesis planteadas al inicio del proyecto se realiz´o un an´alisis estad´ıstico basado en caracter´ısticas obtenidas offline de las se˜nales de EEG, para de esta manera obtener un sustento cuantitativo en su aceptaci´on o rechazo.
6.2
Validaci´
on de los resultados del trabajo
6.2.1
Resultados cualitativos
Al final del entrenamiento cada uno de los sujetos respondi´o un serie de preguntas relacionadas a su participaci´on y desempe˜no en la acitividad. Recordar la cruz blanca presentada durante el baseline inicial, generar pensamientos felices o divertidos, fijar la mirada en un ´unico punto de la pantalla, alentar mentalmente al cohete para que este se elevara, realizar c´alculos mentales y emplear el puntaje como un elemento motivacional, fueron estrategias que funcionaron en la mayor´ıa de los sujetos en el prop´osito de mover el cohete. De manera general, todos encontraron gran dificultad en el desarrollo de la actividad, principalmente en la b´usqueda de las estrategias mencionadas. Dicha dificultad fue distinta en cada uno de los grupos, los sujetos en la modalidad colaborativa com´un presentaron un muy bajo desempe˜no durante todas las sesiones, pues consideraban necesaria tener una retroalimetnaci´on de su propia actividad para as´ı saber cu´anto deb´ıan aportar para lograr la actividad. En los dos grupos restantes esto no sucedi´o y aunque fue dif´ıcil, lograron un mayor desempe˜no durante la actividad. A cada uno de los sujetos le fue preguntado si not´o alg´un cambio en su desempe˜no a lo largo de las sesiones. En t´erminos de la actividad, la gran mayor´ıa respondi´o que este present´o bastantes flutuaciones durante todo el entrenamiento y en algunas ocasiones consideraron que empeoraron en la ´ultima sesi´on. Sin embargo, muchos de ellos notaron cambios en sus t´ecnicas de concentraci´on, comentando que en las ´ultimas sesiones era mucho m´as f´acil para ellos concentrarse. Adem´as de esto, expresaron menos cansancio mental al finalizar la ´ultima sesi´on con respecto a como se sintieron al inicio de los experimentos.
6.2.2
Efectividad del entrenamiento: Comparaci´
on entre sesiones
Los resultados que se muestran a continuaci´on fueron obtenidos a partir del an´alisis de la actividad en el electrodo de entrenamiento (C4).
Evoluci´on de la potencia en el tiempo
Con el fin de determinar si existe un cambio en la actividad de la bandaµ a lo largo de las cuatro sesiones de entrenamiento, se decide como primera medida observar su comportamiento en cada uno
CAP´ITULO 6. VALIDACI ´ON DEL TRABAJO 21
de los trials a lo largo de las cuatro sesiones. En las figuras 6.1, 6.2 y 6.3 se observa la evoluci´on de la potencia de todos los sujetos participantes en cada una de las modalidades de juego para todas las sesiones, separadas por l´ıneas verticales. Puede verse que no es posible identificar un patr´on claro que permita establecer una relaci´on directa entre el tiempo de entrenamiento y la potencia de la bandaµ en los grupos individual (figura 6.1) y colaborativo con medida com´un (figura 6.3), sin embargo en el grupo colaborativo con medida individual puede observarse un notorio aumento en algunos sujetos a lo largo de la ´ultima sesi´on de entrenamiento.
Figura 6.1: Evoluci´on de la potencia en la banda µen cada trial de juego. para el electrodo C4 en la modalidad individual durante todo el entrenamiento. Se muestra la actividad de todos los sujetos en el grupo, con l´ıneas verticales representando la divisi´on entre las cuatro sesiones.
Figura 6.2: Evoluci´on de la potencia en la banda Mu en cada trial de juego. para el electrodo C4 en la modalidad Colaborativa con medida individual durante todo el entrenamiento. Se muestra la actividad de todos los sujetos en el grupo, con l´ıneas verticales representando la divisi´on entre las cuatro sesiones.
Potencia media en tiempo activo y Z Score
Con el fin de obtener un acercamiento mucho m´as detallado de la diferenciaci´on de la actividad en la banda µ a medida que avanza el entrenamiento, se seleccionaron algunas caracter´ısticas de las se˜nales para el an´alisis. En primer lugar, se calcul´o la potencia media en C4 de la banda estudiada durante el tiempo activo de cada una de las sesiones. En la figura 6.4 se presenta la variaci´on de la potencia en cada una de las sesiones para todos los sujetos de los tres grupos de experimentaci´on. Se observa que en el caso del grupo individual, a excepci´on de un solo caso, todos los sujetos presentan un patr´on de crecimiento en la potencia media, presentando valores mucho m´as altos en la ´ultima sesi´on a comparaci´on de la primera. En los dos grupos colaborativos se observa mucha m´as variabilidad en el comportamiento de la potencia; sin embargo, en algunos sujetos se identifica un comportamiento ascendente. Ahora bien, dado que la potencia generada durante el tiempo activo depend´ıa del umbral calculado durante el baseline inicial, pues la instrucci´on dada a los participantes era alcanzar un nivel de concentraci´on que les permitiera superar dicho umbral, resulta necesaria una normalizaci´on de los
CAP´ITULO 6. VALIDACI ´ON DEL TRABAJO 22
Figura 6.3: Evoluci´on de la potencia en la banda µen cada trial de juego. para el electrodo C4 en la modalidad Colaborativa con medida com´un durante todo el entrenamiento. Se muestra la actividad de todos los sujetos en el grupo, con l´ıneas verticales representando la divisi´on entre las cuatro sesiones.
valores de potencia media con respecto al baseline de cada sujeto. Para ello, se calcul´o el Z score para la potencia del tiempo activo por medio del procedimeinto descrito en la ecuaci´on 6.1, siendo µ la media de la potencia y σ su desviaci´on est´andar. A partir de esta normalizaci´on, era posible establecer cu´antas desviaciones est´andar por encima de la potencia media del baseline se encontraba la potencia media del tiempo activo. En la figura 6.5 se muestra la variaci´on a lo largo de las sesiones del ZScore para la potencia media en el tiempo activo. Puede verse que a diferencia del caso anterior, el patr´on de aumento no puede observarse de forma clara, pues se presenta mucha m´as variabilidad en los valores. Sin embargo, es importante resaltar que la en la mayor´ıa de los sujetos, el ZScore fue positivo, indicando que la potencia en el tiempo activo super´o en esos casos la potencia media del baseline.
ZScore=µActiveT ime−µBaseline σBaseline
(6.1)
(a) Individual (b) Colaborativo Medida Individ-ual
(c) Colaborativo Medida Com´un
Figura 6.4: Variaci´on de potencia media en la banda µ durante el tiempo activo a lo largo de las sesiones de entrenamiento
N´umero de veces por encima del umbral
Teniendo en cuenta las caracter´ısiticas de la actividad desarrollada por los sujetos durante el experi-mento resulta necesario encontrar una medida que pueda ajustarse m´as a ella. Esto debido a que el hecho de que el cohete pudiera caer a lo largo del tubo sin que necesariamente el participante perdiera indica que un desempe˜no adecuado no estar´a relacionado directamente con la amplitud de la potencia. Ahora bien, analizar el n´umero de veces que el sujeto super´o su propio umbral podr´ıa ser una mejor medida para estimar su desempe˜no, pues se encuentra mucho m´as ligada al hecho de que el cohete suba. En la figura 6.6 se presenta la din´amica de esta variable a lo largo de las sesiones. Se observa bastante variabilidad en los valores generados por los sujetos, evitando la obtenci´on de un patr´on asociado a su din´amica.
CAP´ITULO 6. VALIDACI ´ON DEL TRABAJO 23
(a) Individual (b) Colaborativo Medida Individ-ual
(c) Colaborativo Medida Com´un
Figura 6.5: Variaci´on del Z score de la potencia media durante el tiempo activo a lo largo de las sesiones de entrenamiento
(a) Individual (b) Colaborativo Medida Individ-ual
(c) Colaborativo Medida Com´un
Figura 6.6: Variaci´on del n´umero de veces por encima del umbral durante el tiempo activo a lo largo de las sesiones de entrenamiento
Medidas de desempe˜no: Puntaje medio, m´aximo nivel y n´umero de veces de p´erdida
Ahora bien, resulta pertinente evaluar el comportamiento del desempe˜no de los sujetos directamente sobre el juego, para lo cual se tomaron como variables de an´alisis el puntaje promedio obtenido durante la sesi´on 6.7, el n´umero de veces en las que el cohete cay´o al fuego6.8 y el m´aximo nivel alcanzado6.9. Se observa que para el puntaje promedio y el n´umero de veces perdidas no se destaca ningun compor-tamiento espec´ıfico en la variaci´on de los valores obtenidos por cada uno de los sujetos. Ahora bien, en el caso del puntaje m´aximo alcanzado durante la sesi´on en la modalidad colaborativa com´un, es posible identificar que la gran mayor´ıa de los sujetos no present´o cambios en su desempe˜no a lo largo de las sesiones, pues se mantuvo en el mismo nivel durante todas ellas.
(a) Individual (b) Colaborativo Medida Individ-ual
(c) Colaborativo Medida Com´un
