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Binaural Beats

Gehirnwellen verändern durch Musik
 

Auditive Beat-Stimulation und ihre Auswirkungen auf Kognition und Stimmungslage

Die auditive Beat-Stimulation könnte ein vielversprechendes neues Instrument zur Beeinflussung kognitiver Prozesse und zur Modulation von Stimmungszuständen sein. In diesem Beitrag soll die Literatur zu den aktuellsten Anwendungen der auditiven Schwebungsstimulation und ihren Zielen untersucht werden. Wir geben einen kurzen Überblick über die Forschung zu auditiven Steady-State-Reaktionen und ihre Beziehung zur auditiven Beat-Stimulation (ABS). Wir haben relevante Studien zusammengefasst, die die neurophysiologischen Veränderungen im Zusammenhang mit ABS untersuchen und wie sie sich auf die Gestaltung geeigneter Stimulationsprotokolle auswirken. Wir konzentrieren uns auf die binaurale Beat-Stimulation und erörtern dann die Rolle monauraler und binauraler Beat-Frequenzen für Kognition und Stimmungslage sowie ihre Wirksamkeit bei der gezielten Behandlung von Krankheitssymptomen. Wir wollen wichtige Punkte in Bezug auf die Stimulationsparameter hervorheben und versuchen zu klären, warum es oft widersprüchliche Ergebnisse in Bezug auf die Ergebnisse von ABS gibt.

Einleitung
Die auditive Schwebungsstimulation (ABS) ist seit langem für eine Vielzahl von Anwendungen interessant, die von der Untersuchung der auditiven Steady-State-Response (ASSR) und der Messung audiometrischer Parameter im Gehirn bis hin zum Verständnis der Mechanismen der Schalllokalisierung reichen (1). Darüber hinaus deuten einige Studien darauf hin, dass ABS auch zur Modulation der Kognition (2), zur Verringerung von Angstzuständen und zur Verbesserung der Stimmungslage (3) eingesetzt werden kann. Weitere klinische Ziele sind traumatische Hirnverletzungen (4) und die Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (5). In Studien wurden widersprüchliche Ergebnisse zu den Auswirkungen von monauralen und binauralen Beats berichtet, was den Fortschritt weiterer Untersuchungen zu potenziellen Auswirkungen auf die Kognition und die Stimmung sowie zu anderen möglichen Zielen etwas behindert hat. In diesem Artikel werden relevante Studien besprochen und die vielversprechendsten Richtungen für zukünftige Ansätze aufgezeigt.

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Strategie der Literatursuche
Diese Übersichtsarbeit wurde nach den PRISMA-Kriterien (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) durchgeführt (6). Die elektronischen Datenbanken PubMed und MEDLINE wurden zunächst mit den einzelnen Suchbegriffen "auditory beat stimulation, monaural beat, binaural beat, auditory steady-state response" und anschließend mit der Kombination dieser Suchbegriffe mit den Begriffen "cognition, memory, attention, mood, vigilance, anxiety, and creativity" durchsucht. Die Strategie war nicht auf Humanstudien beschränkt. Zusätzlich zur elektronischen Suchstrategie wurden die Referenzlisten der durchgesehenen Manuskripte geprüft, um zusätzliche Artikel zu ermitteln, die nicht von der Hauptsuchstrategie erfasst wurden. Insgesamt wurden bei der ersten Suche 920 Artikel ermittelt. Die Analyse der Artikel erfolgte nach den in den PRISMA-Leitlinien empfohlenen Ein- und Ausschlusskriterien. Eingeschlossen wurden Artikel, die eine Kombination von mindestens zwei Begriffen aus der Liste der Suchbegriffe "auditory beat stimulation, monaural beat, binaural beat, cognition, memory, attention, mood, vigilance, anxiety and creativity" aufwiesen. Es wurden englischsprachige Manuskripte, Originalartikel und experimentelle Studien berücksichtigt. Ausschlusskriterien waren andere Studiendesigns (Fallberichte und Fallserien), Nicht-Originalstudien einschließlich Leitartikeln, Buchbesprechungen und Leserbriefen sowie Studien, die nicht speziell auf monaurale und/oder binaurale Beat-Stimulation ausgerichtet waren. Die Kurzfassungen wurden auf Relevanz geprüft und die Volltexte anschließend anhand der Einschlusskriterien bewertet. Nach dem Screening wurden insgesamt 30 Artikel ausgewählt. Während der Erstellung des Manuskripts wurden mehrere weitere Referenzen hinzugefügt, die sich hauptsächlich auf grundlegende neurophysiologische Erkenntnisse beziehen.

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Auditory Beat Stimulation
Die Auswirkungen von ABS wurden überwiegend mit monauralen und binauralen Beats untersucht (Abbildung 1.1). Die wichtigsten Unterschiede zwischen binauralen und monauralen Beats sind in Tabelle 1.1 aufgeführt. Monaurale und binaurale Beats werden erzeugt, wenn Sinuswellen mit benachbarten Frequenzen und stabilen Amplituden entweder beiden Ohren gleichzeitig (monaurale Beats) oder jedem Ohr separat (binaurale Beats) dargeboten werden. Monaurale Beats sind physikalische Beats, die objektiv hörbar sind, wenn die Kombination von zwei Sinuswellen mit benachbarten Frequenzen (z. B. 400 und 440 Hz) summiert und beiden Ohren gleichzeitig dargeboten wird, was zu einem amplitudenmodulierten (AM) Signal führt. Der Beat entspricht der Differenz zwischen den beiden Frequenzen (in diesem Fall 40 Hz). Binaurale Schwebungen werden erzeugt, wenn die Sinuswellen innerhalb eines engen Bereichs jedem Ohr getrennt dargeboten werden. Wenn z. B. der 400-Hz-Ton dem linken Ohr und der 440-Hz-Ton dem rechten Ohr dargeboten wird, wird eine Schwebung von 40 Hz wahrgenommen, die subjektiv "im Inneren" des Kopfes zu liegen scheint. Dies ist die binaurale Schwebungswahrnehmung. Die binaurale Schwebungswahrnehmung wurde erstmals von H. W. Dove im Jahr 1839 beschrieben und von Oster vor über fünf Jahrzehnten ausführlich dargestellt (7). Oster berichtete, dass binaurale Schwebungen nur dann wahrgenommen werden, wenn die Trägerfrequenz unter 1000 Hz liegt, ein Ergebnis, das eine frühere Studie von Licklider und Kollegen (8) bestätigt. Dies deutet darauf hin, dass die Trägerfrequenzen der Schläge ausreichend niedrig sein müssen, um vom Kortex zeitlich kodiert zu werden (9). 

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Neurophysiologie der auditiven Schlagverarbeitung
Akustische Reize werden gehört, wenn die peripheren Komponenten der Hörbahn (Ohren, Cochlea und innere Haarzellen) Druckwellen über mechano-elektrische Transduktion in neuronale Aktionspotentiale umwandeln. Dies ist die erste Stufe der auditorischen Verarbeitung, bevor die Schallwellen von der primären Hörrinde kodiert (oder besser gesagt umkodiert) werden. Auditive Informationen werden in einer Reihe von subkortikalen Strukturen weiterverarbeitet. Die Hörnervenfasern, die die Cochlea verlassen, konvergieren mit dem Nervus vestibulocochlearis und treten in den Nucleus cochlearis (CN) im Hirnstamm ein und verzweigen sich. Wenn sich die Nervenfasern verzweigen, bilden sie Synapsen mit verschiedenen Untertypen von Neuronen - kugelförmige Buschzellen, kugelförmige Buschzellen und sternförmige Zellen, die sich jeweils in ihren zeitlichen und spektralen Antworteigenschaften unterscheiden (10). Die Informationen werden dann entweder über die Ausgänge der stellaten Zellen und der Zellen des dorsalen Cochlea-Nucleus (DCN) an den inferioren Colliculus (IC) oder über einen indirekten Weg an den superioren Olivary-Komplex (SOC) weitergeleitet. Die buschigen Zellen des anteroventralen Cochlea-Kerns (AVCN) projizieren ihre Ausgänge über diesen Weg (11). Der SOC verarbeitet konvergente Informationen aus dem linken und rechten Ohr sowie Hinweise zur Schalllokalisierung (12). Der linke und rechte IC hat eine kommissurale Verbindung, die binaurale Interaktionen innerhalb der aufsteigenden Bahn ermöglicht, und besteht aus zahlreichen Unterkernen, von denen der zentrale Kern (ICC) der größte ist (13, 14). Hier ermöglicht das zeitliche Integrationsfenster zwischen dem ICC und dem auditorischen Kortex die Verarbeitung monauraler Merkmale wie der Amplitudenmodulation (15). Von hier aus gelangen die Ausgänge zum Nucleus geniculatus medialis (MGN) des Thalamus, wo thalamische Ausgangsfasern eine Verbindung zum auditorischen Kortex in den Temporallappen herstellen (13, 14).

Die neurophysiologische Verarbeitung von binauralen und monauralen Schlägen unterscheidet sich leicht. Draganova und Kollegen unterstrichen diese Unterschiede, indem sie monaurale Schläge als "peripher" bezeichneten - da sie auf der Cochlea-Ebene interagierten - und binaurale Schläge als "zentral", d. h. die Wahrnehmung binauraler Schläge ist das Ergebnis einer zentralen Interaktion, die höchstwahrscheinlich in den Nuclei olivarii superior stattfindet (16). Monaurale Schwebungen werden gehört, wenn ein zusammengesetzter Hörreiz beiden Ohren gleichzeitig dargeboten wird, der von der Cochlea erfasst und an den Hirnstamm und den auditorischen Cortex weitergeleitet wird. Binaurale Beats hingegen werden nur dann subjektiv wahrgenommen, wenn zwei Sinuswellen mit nahe beieinander liegenden Frequenzen an jedes Ohr getrennt abgegeben werden. Hirnstammneuronen im SOC, die für Phasenverschiebungen zwischen beiden Ohren empfindlich sind, feuern Aktionspotenziale mit einer Rate ab, die der Phasendifferenz zwischen beiden Ohren entspricht, und erzeugen die Wahrnehmung des binauralen Schlags. Die binaurale Schlagwahrnehmung wird also durch den wichtigsten neuronalen Mechanismus verursacht, der die Schalllokalisierung ermöglicht (1).

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Die auditive Steady-State-Reaktion
Die ASSR ist ein zusammengesetztes auditorisch evoziertes Potenzial, das durch sich wiederholende akustische Reize ausgelöst werden kann, die kontinuierlich über einen bestimmten Zeitraum anhalten. Die ASSR folgt der Hüllkurve eines komplexen Reizes, und es wurde vermutet, dass die Steady-State-Antwort die Hintergrundaktivität des EEG bestimmt (17). Regan definiert die Steady-State-Response als "ein evoziertes Potenzial, dessen diskrete Frequenzkomponenten in Amplitude und Phase über einen längeren Zeitraum konstant bleiben" (18). In einer bahnbrechenden Studie zeichneten Galambos und Kollegen klickbezogene Potenziale (ERPs) mit Latenzen zwischen 8 und 80 ms nach Beginn des Stimulus auf, die aus dem EEG extrahiert wurden, das von Elektroden an Stirn und Ohr aufgezeichnet wurde. Diese ERPs werden als Antworten mit mittlerer Latenz (MLR) bezeichnet und können nach den früheren Hirnstammantworten erfasst werden. Es wurde beobachtet, dass die ERP am deutlichsten war, wenn die Klickgeräusche mit einer Frequenz von 40/s abgegeben wurden, eine Reaktion, die sie später als 40-Hz-ERP bezeichneten [die ein Kompositum aus mehreren transienten Wellen ist, die die MLR umfassen (19)]. Da die stationäre Reaktion aus der Überlagerung der Unterkomponenten der MLR besteht, haben Studien versucht, die stationäre Reaktion aus ihren Transienten vorherzusagen (20). Die Vorhersage der Steady-State-Reaktion aus der Überlagerung ihrer transienten Wellenformen ist jedoch nicht immer genau und liefert daher Hinweise auf oszillatorisches Entrainment (17). Seit dieser frühen Studie wurden viele weitere Studien zu ASSRs durchgeführt, um ihre Rolle bei Aufmerksamkeitsprozessen (21-23) und mögliche klinische Anwendungen (24, 25) zu untersuchen. In einer Studie, in der die Auswirkung selektiver Aufmerksamkeit auf die 40-Hz-Transientenreaktion untersucht wurde, wiesen Tiitinen et al. (21) nach, dass die 40-Hz-Transientenreaktion in frontalen und zentralen Bereichen größer war, wenn die Teilnehmer aufgefordert wurden, auf Tonreize zu achten, als wenn sie angewiesen wurden, diese zu ignorieren. Dies zeigt, dass die transiente 40-Hz-Antwort bei aktiver Aufmerksamkeit verstärkt wird. In einer späteren Studie zeigten Ross und Kollegen (22), dass die ASSR unter Bedingungen aktiver Aufmerksamkeit ebenfalls verstärkt war. Die Teilnehmer führten eine Modulationsunterscheidungsaufgabe durch, bei der sie angeben mussten, wann sich die Modulationsfrequenz der dargebotenen Standardreize (40-Hz-AM-Töne) änderte (auf 30 Hz, die Zielreize). Die auditorischen Reize wurden monaural an das rechte Ohr abgegeben. Magnetoenzephalographische (MEG)-Aufzeichnungen zeigten, dass die ASSR während der auditiven Aufmerksamkeit verstärkt war und in der linken Hemisphäre kontralateral zur Stimulation stärker ausgeprägt war (22). In einer anderen Studie wurden unterschiedliche ASSR-Muster bei aufmerksamen und unaufmerksamen AM-Tönen (20 und 45 Hz) festgestellt, die gleichzeitig an das linke und rechte Ohr abgegeben wurden (26). Die Autoren berichteten über eine aufmerksamkeitsabhängige Modulation der ASSR-Muster nur für die 20-Hz-Stimulation, nicht aber für die 45-Hz-Stimulation. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die gerichtete Aufmerksamkeit einen Einfluss auf die ASSR-Amplituden hat, dass diese Effekte aber wahrscheinlich von der Modulationsfrequenz abhängen.

Auditive Steady-State-Reaktionen auf monaurale und binaurale Schläge
Die Stimulation mit Schlägen wurde verwendet, um die Quelle und den Ursprung der ASSR zu untersuchen, was aufgrund widersprüchlicher Ergebnisse häufig kontrovers diskutiert wird (27, 28). Neuere Studien haben versucht, diese Frage zu klären. So wurde beispielsweise die 40-Hz-ERP verwendet, um die kortikalen Quellen der ASSR sowie die Eigenschaften und Auswirkungen von monauralen und binauralen Stimulationsfrequenzen zu untersuchen. Ross und Kollegen zeichneten ASSRs auf AM-Töne mit Modulationsfrequenzen von ~40 Hz mit MEG auf. Sie berichteten, dass die ASSR-Amplituden mit steigender Trägerfrequenz abnahmen, wobei die ASSR-Amplitude bei 250 Hz dreimal so groß war wie bei 4000 Hz. Wichtig ist die Beobachtung, dass bei gleichzeitiger Darbietung von Schlägen bei 39 und 41 Hz beide Schläge gleichzeitig wahrgenommen werden können (29).

Um die kortikale Repräsentation von binauralen Schlagfrequenzen zu untersuchen, wendeten Karino et al. Modulationsfrequenzen von 4,00-6,66 Hz an, während sie Magnetfelder mit MEG aufzeichneten. Die Autoren berichteten, dass die ASSR für binaurale Schläge nicht nur im auditorischen Kortex, sondern auch im oberen Temporal-, posterioren Parietal- und Frontalkortex entsteht (30). Eine andere Studie wandte eine ähnliche Technik wie die von Pantev et al. (31) an, indem sie eine Transiente der MLR-N1m mit ASSR-Reaktionen auf monaurale und binaurale Beat-Reize verglich, die mit MEG aufgezeichnet wurden (16). Ihre Ergebnisse zeigten, dass die ASSR sowohl auf monaurale als auch auf binaurale Schlagreize anterior und medial zu den Heschl'schen Gyri innerhalb der Sylvischen Spalte lokalisiert sind und dass das ASSR-erzeugende Netzwerk im Vergleich zur N1m-Quelle innerhalb des primären auditorischen Kortex liegt, was auch mit anderen Studien übereinstimmt (29, 32). Die Autoren beobachteten auch, dass die Magnetfeldamplituden der ASSR, die durch monaurale Schläge ausgelöst wurden, um ~5 größer waren als die der ASSR bei binauralen Schlägen (16). In einer neueren Studie wurden ähnliche Ergebnisse hinsichtlich der Größe der Reaktionen auf monaurale und binaurale Schläge berichtet, und dass sich die Stimulationsbedingungen in interhemisphärischen Phasenunterschieden widerspiegelten (33). Schwartz und Taylor berichteten ebenfalls über eine geringere ASSR-Amplitudenreaktion auf binaurale Stimuli im Vergleich zu monauralen Beats. Eine 40-Hz-ASSR für binaurale Schläge wurde mit einer Trägerfrequenz von 400 Hz hervorgerufen, war aber oberhalb von 3000 Hz nicht mehr nachweisbar. Dies war nicht der Fall bei den monauralen Beat-Stimulationsfrequenzen, die oberhalb von 3000 Hz nachgewiesen werden konnten (9).

In zwei Studien untersuchten Pratt und Kollegen zunächst die kortikalen evozierten Potenziale auf binaurale Schwebungsfrequenzen, in einer weiteren Studie wurden die Reaktionen auf monaurale Schwebungen untersucht. In der ersten Studie wurden ERP-Reaktionen auf binaurale Schläge von 3 und 6 Hz unter Verwendung von zwei verschiedenen Trägerfrequenzen von 250 und 1000 Hz untersucht. Ähnlich wie in anderen Studien (29) berichteten die Autoren, dass die durch Schläge hervorgerufenen Reaktionen bei Schlägen mit einer niedrigen Trägerfrequenz (250 Hz) und auch bei der niedrigeren Schlagfrequenz selbst (3 Hz) eine höhere Amplitude aufwiesen. In der zweiten Studie zeichneten Pratt et al. (34) erneut schlaginduzierte ERPs auf, diesmal sowohl für monaurale als auch für binaurale Schläge mit denselben Frequenzen (3 und 6 Hz) sowie mit denselben Basisträgerfrequenzen (250 und 1000 Hz), aber mit unterschiedlichen Anfangsphasen, d. h. mit monauralen Schlägen, deren Phase sich um ein Viertel der Schlagperiode unterschied. Die Amplituden der durch Schläge hervorgerufenen Oszillationen waren höher als bei monauralen Schlägen und auch bei den niedrigeren Träger- und Schlagfrequenzen (250 und 3 Hz). Die Quellen der beat-evozierten Reaktionen sowohl auf die monauralen als auch auf die binauralen Beat-Stimuli hatten ihren Ursprung in den Temporallappen und waren auf die linke Hemisphäre lateralisiert, unabhängig vom Unterschied im Phasenbeginn der Stimuli. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verarbeitung von binauralen und monauralen Schlägen in denselben kortikalen Regionen erfolgt, unabhängig von der Anfangsphase (34).

In einer Studie, die darauf abzielte, den Ursprung der ASSR zu kartieren, verabreichten Pastor und Kollegen eine Folge von monauralen Reizen mit 12 verschiedenen Stimulationsraten. Unter Verwendung von Positronenemissionstomographie [(PET)-H215O] und EEG-Daten berichteten die Autoren über einen Anstieg des regionalen zerebralen Blutflusses (rCBF) zusammen mit oszillatorischen Antworten, die bei 40 Hz ihren Höhepunkt erreichten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die ASSR mit einem Anstieg der gesamten synaptischen Aktivität im auditorischen Kortex bei dieser Frequenz zusammenhängt und nicht nur auf die Überlagerung von MLRs zurückzuführen ist (35). Interessanterweise hat eine frühere Studie von Pantev et al. die Transienten der MLR und der 40-Hz-SSR verglichen und festgestellt, dass die beiden evozierten Antworten aus unterschiedlichen Quellen im auditorischen Kortex stammen, die hinsichtlich der Trägerfrequenzen tonotopisch getrennt waren (31).

Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass binaurale und monaurale Schläge in denselben kortikalen Arealen verarbeitet werden und dass die durch den Schlag erzeugte ASSR mit Veränderungen der synaptischen Aktivität im auditorischen Kortex sowie mit der Überlagerung von MLR-Transienten zusammenhängt, die ebenfalls aus dem primären auditorischen Kortex stammen.