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Title: Relazione tra engagement e miglioramento delle funzioni cognitive nella neuromodulazione tramite Neuro-Upper
Other Titles: Relationship between engagement and improvement of cognitive functions in neuromodulation through Neuro-Upper
Authors: Romano, Graziana
Issue Date: Mar-2020
Publisher: Università di Parma. Dipartimento di Medicina e Chirurgia
Document Type: Bachelor thesis
Abstract: Le ricerche nel campo delle Brain-Computer Interface (BCI) sono aumentate esponenzialmente durante gli ultimi anni dimostrandone la loro efficacia ed applicazione in diversi ambiti. In questo elaborato verrà discusso come è possibile misurare l’indice di engagement di un utente che interagisce con una BCI utilizzando il rapporto ideato da Pope (beta / (alfa + theta) a partire dalla registrazione del segnale EEG e come tale indice possa essere in relazione con il miglioramento delle prestazioni cognitive durante la neuromodulazione. Precisamente, nella prima parte verrà affrontato un excursus su tutto quello che riguarda le Brain-Computer Interface e una breve trattazione sul principio di entrainment audio- visivo e i sui effetti nel trattamento dei disturbi di personalitá, del comportamento e in particolar modo nel miglioramento delle prestazioni cognitive. Nel secondo capitolo verranno approfondite le applicazioni delle BCI in training di neuro-feedback volti all’allenamento e al miglioramento delle prestazioni cognitive; a tal proposito verrà discusso il ruolo dell’engagement, inteso come coinvolgimento e impegno che comprende la "percezione – cognizione – azione - esperienza" durante l’interazione con una BCI, nel raggiungimento dello stato ottimale e nel miglioramento delle performance cognitive. Nel terzo capitolo infine, sarà riportata la ricerca condotta su un campione di 18 soggetti che hanno partecipato ai diversi studi sperimentali svolti negli anni che vanno dal 2015 al 2019 presso il Laboratorio di Psicologia Cognitiva del Dipartimento di Medicina e Chirurgia di Parma. Nei suddetti studi è stato utilizzato un prototipo di BCI chiamato Neuro-Upper (NU), che attraverso il fenomeno di entrainment audio-visivo, permette la sincronizzazione delle onde cerebrali. Per il presente studio sono stati estratti i dati quali le misurazioni delle onde cerebrali di ogni seduta, tra tutti i soggetti che nel corso degli anni (2015-2019) si sono sottoposti al trattamento e che hanno completato un ciclo di almeno 55-75 sedute della durata di 30 minuti ciascuna, indipendentemente dai risultati ottenuti alle valutazione cliniche e neuropsicologiche effettuate prima e dopo il trattamento, come la remissione dei sintomi legati ai disturbi di personalità e comportamento e/o l’incremento delle prestazioni cognitive. Successivamente sono stati misurati gli indici medi di engagement utilizzando il rapporto ideato da Pope (beta / (alfa + theta) e di arousal ((beta high + beta low) / (alfa high + alfa low)) per verificare se esiste una relazione significativa tra l’indice di engagement e il miglioramento delle prestazioni cognitive ottenute in seguito alla neuromodulazione con NU, mentre ci aspettiamo una relazione non significativa per quanto riguarda l’indice di arousal. I dati raccolti hanno confermato le ipotesi, attribuendo un effetto significativo alla relazione tra engagement e miglioramento delle performance cognitive e un effetto non significativo alla relazione tra arousal e miglioramento delle performance che suggerisce la possibilità di un approfondimento futuro. Verranno infine discussi i limiti e le sfide future che potrebbero consentire un approfondimento ed un miglioramento del prototipo Neuro-Upper.
Research in the field of Brain-Computer Interface (BCI) has exponentially increased over the past few years, demonstrating their effectiveness and application in various areas. This paper will discuss how it is possible to measure the engagement index of a user who interacts with a BCI through the ratio suggested by Pope (beta / (alpha + theta) starting from the EEG signal recording and showing how this index can be in relationship with the improvement of cognitive performance during neuromodulation. Specifically, the first part will deal with an excursus on arguments related to the Brain- Computer Interface and a brief discussion concerning the construct of audio-visual entrainment and its effect in the treatment of personality and behavior disorders or in improving of cognitive performance. In the second chapter, the applications of BCI in the field of neuro-feedback training aiming at increasing cognitive function will be explored. In this regard, the role of the engagement will be discussed, defining it as involvement and commitment that includes "perception - cognition - action - experience" during an interaction with a BCI, in order to achieve the optimal status and performance. Finally, in the third chapter will be reported the research conducted on a sample of 18 subjects who participated in some experimental studies carried out along the period comprised between 2015 to 2019 years at the Laboratory of Cognitive Psychology of the Department of Medicine and Surgery of Parma University. In these studies, a prototype called Neuro-Upper (NU) for the synchronization of brainwaves through audio-visual entrainment was tested demonstrating its value in treatment of several psychiatric disorders. For the present study, brainwave data of each session were extracted from all subjects who underwent treatment over the period completing a cycle of at least 55-75 sessions of 30 minutes, regardless of the outcomes showed by the clinical and neuropsychological evaluations before and after the treatment, such as the remission of the symptoms related to personality and behavior disorders and/or the increase of cognitive performances. The average engagement and arousal indices were then measured using the ratio devised by Pope (beta / (alpha + theta) ((beta high + beta low) / (alpha high + alpha low)), respectively to evaluate a potential significant relationship between the engagement index and the improvement of cognitive performance obtained following NU neuromodulation, while we expected a non-significant relationship with the arousal index. Statistical analysis confirmed both hypotheses, attributing a significant effect on the improvement of cognitive performances only for the relationship owing to the engagement. Finally, limitations and some future challenges that could allow a deepening and improvement of the hardware-software characteristics of NU and its use will be discussed.
Appears in Collections:Psicobiologia e Neuroscienze Cognitive, Tesi di laurea magistrale

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