Enhancement of working memory capacity using Theta binaural beats

Abstract

Treball de fi de grau en Sistemes Audiovisuals

Tutor: Salvador Soto-Faraco

Understanding the mechanisms and brain processes that neural networks perform in order to achieve cognition has always been one of the main questions in psychology and neuroscience. Neural oscillations are thought to be the fundamental mechanism enabling coordinated activity during normal brain functioning. As such, they are involved in cognitive processes such as attention, memory, perception and decision-making. The ongoing research in animals and human participants indicates that frequencies in the theta (4 - 7 Hz) and gamma (>30Hz) range, as well as their cross-frequency coupling, may coordinate communication between brain regions involved in memory processes. Recently developed models incorporate these findings and suggests a link between the coupling of slow and fast neural oscillations (theta and gamma, respectively) and working memory performance. Gamma cycles are thought to represent single items in memory, while the speed of theta brainwave determines the number of gamma cycles that can be nested inside a theta cycle. According to this, theta oscillations with slower frequencies (longer cycles) should lead to larger memory capacity. Some recent studies have attempted to modulate working memory capacity in the human by entraining theta oscillations. In this study, we test this hypothesis using binaural beats stimuli at 4 Hz and 7 Hz to entrain/synchronize the endogenous theta frequency in the brain, while participants perform a visual working memory task.

La comprensión de los mecanismos y procesos cerebrales que realizan las redes neuronales para lograr la cognición siempre ha sido una de las preguntas principales en psicología y neurociencia. Se cree que las oscilaciones neuronales son el mecanismo fundamental que permite una actividad coordinada durante el funcionamiento normal del cerebro. Como tales, están involucradas en procesos cognitivos como la atención, la memoria, la percepción y la toma de decisiones. La investigación en curso en animales y participantes humanos indica que las frecuencias en el rango theta (4 - 7 Hz) y gamma (>30Hz), así como su acoplamiento de frecuencia cruzada, pueden coordinar la comunicación entre las regiones del cerebro involucradas en los procesos de memoria. Los modelos desarrollados recientemente incorporan estos hallazgos y sugieren un vínculo entre el acoplamiento de oscilaciones neuronales lentas y rápidas (theta y gamma, respectivamente) y el rendimiento de la memoria de trabajo. Se cree que los ciclos gamma representan elementos individuales en la memoria, mientras que la velocidad de la onda cerebral theta determina el número de ciclos gamma que se pueden anidar dentro de un ciclo theta. De acuerdo con esto, las oscilaciones theta con frecuencias más lentas (ciclos más largos) deberían llevar a una mayor capacidad de memoria. Algunos estudios recientes han intentado modular la capacidad de la memoria de trabajo en humanos mediante la incorporación de oscilaciones theta. En este estudio, probamos esta hipótesis utilizando estímulos binaurales a 4 Hz y 7 Hz para sincronizar la frecuencia theta endógena en el cerebro, mientras que los participantes realizan una tarea de memoria de trabajo visual.