Desarrollo de tecnologías acústicas como terapia para la enfermedad de Parkinson

Abstract

Las patologías neurológicas en la población -principalmente en la tercera edad- están experimentando un incremento en incidencia y prevalencia, básicamente por el aumento de la media de edad en las sociedades occidentales, así como debido a problemas medioambientales. Esta situación es oportuna para la aparición de nuevas terapias complementarias a las habituales de tratamientos farmacológicos, con efectos secundarios importantes o a la propia cirugía, muy invasiva. Si consideramos a la música como terapia complementaria, debemos retroceder hasta tiempos ancestrales para encontrar su utilización para fines terapéuticos, uso que hoy en día persiste (ahora bajo el nombre de “Musicoterapia”), ya que es utilizada en centros de atención a pacientes como puede ser el caso de la enfermedad de Parkinson, la enfermedad Alzheimer, la demencia, la depresión o el autismo entre otros. Sin embargo, evaluar la eficacia del uso de música como terapia es difícil desde el punto de vista científico, debido por un lado, a la complejidad del sistema nervioso que realiza su procesado y por otro, al gran abanico de posibles estimulaciones, complicando la demostración científica de la capacidad de la música para la mejora de la salud. Empíricamente se sabe que produce algunos efectos, pero se desconoce la causa con exactitud. Tras años de investigación y un estudio piloto con sujetos sanos (cuyos resultados se presentan brevemente en esta tesis), el 11 de julio de 2012 se definió en el grupo de investigación la tarea de sentar las bases que relacionan la Ingeniería Acústica con finalidad terapéutica a una patología concreta: la enfermedad de Parkinson (en adelante EP). Para ello, se ha realizado un trabajo teórico práctico llevado a la práctica con un grupo de pacientes cuya memoria conforma esta Tesis Doctoral. Los estudios científicos con mayor similitud a este trabajo se encuentran en revistas de categorías tan dispares como las siguientes: Acústica, Audiología y patología del habla-lenguaje, Física (Aplicada y Multidisciplinar), Farmacología y Farmacia, Medicina Complementaria e Integrativa, Neurociencias, Neuroimagen, Neurología Clínica e Ingeniería (Biomédica), entre otras. Esto muestra la naturaleza realmente multidisciplinar de este trabajo, lo que supone una dificultad añadida de integrar tales áreas de conocimiento. Para establecer las hipótesis de trabajo fue necesaria la revisión de la extensa tipología literaria anterior. Después se preparó el estudio con pacientes de Parkinson, siendo esta experiencia la primera del grupo en realizar un estudio completo con pacientes, llevándose a cabo en las propias instalaciones de la Asociación de Parkinson de Madrid. Más tarde, se procedió a analizar todos los datos recogidos. El objetivo del grupo de investigación es demostrar de forma científica los beneficios del uso de señales acústicas como una ayuda para este tipo de patologías. Para ello contamos con grupo multidisciplinar formado por ingenieros de telecomunicación, informáticos, físicos, médicos, biólogos, neuropsicólogos y músicos, pertenecientes a las organizaciones UPM1 y UCM2. Además, otro de los objetivos de este trabajo pasaría por lograr acuñar el término de “Acústicoterapia” y diferenciar su potencial y capacidad de términos relacionados y ya descritos/acuñados en la literatura como Musicoterapia, Terapia de Ultrasonidos, Terapia Vibroacústica (VAT) o Musicoterapia Neurológica (NMT). El estudio con los pacientes de Parkinson, que supone la mayor aportación de esta Tesis, contó con una muestra inicial de 45 pacientes. De ellos se seleccionaron 14 pacientes que presentaban una audición normal, una puntación mayor de 24 en el MMSE3 y una puntuación inferior a 4 en la escala Hoehn y Yahr. Además, a todos los pacientes se les realizó una evaluación cognitiva específica para la EP mediante el test PD-CRS4. Después, estos 14 pacientes participaron en dos sesiones de estimulación sonora de 10 minutos (una control/placebo y otra experimental) separadas por un mínimo de 7 días. La estimulación control/placebo consistió en un ruido rosa, mientras que la experimental fue ese mismo ruido rosa al que se añadió una combinación de sonido rítmico-binaural. Para evaluar la influencia del sonido a corto plazo en los pacientes, se recogieron los siguientes datos justo antes y después de ambas estimulaciones: registros electrofisiológicos (EEG5 y ECG/EKG6) en estado de reposo, grabación en vídeo del caminar, registro con acelerómetros del temblor postural en manos, grabación de voz (lectura de un texto y emisión de las vocales), el test cognitivo PD-CRS y otro test de ansiedad (STAI-estado7). Sobre los datos recogidos se aplicaron distintos métodos de análisis: sobre el EEG se calculó la potencia para identificar la intensidad de las distintas bandas típicas (delta, theta, alpha, beta y gamma) y la frecuencia mediana, también se calculó la conectividad funcional entre regiones cerebrales. Sobre el ECG/EKG se calculó el ritmo cardíaco medio y su variabilidad. Se extrajeron del caminar los parámetros de cadencia, velocidad y longitud del paso. Para el temblor de postural de las manos se calculó frecuencia y amplitud. En el análisis acústico de la voz se extrajeron los parámetros de voz: jitter, shimmer, relación harmónicos-ruido y frecuencia fundamental. Para la estimulación experimental encontramos los cambios significativos siguientes: un descenso en la actividad theta, un descenso generalizado de la conectividad funcional, un descenso del ritmo cardiaco, mejora de la memoria de trabajo y en las medidas de la voz jitter y shimmer. Sin embargo, no se encontraron cambios significativos en: la frecuencia mediana de la potencia electroencefalográfica, el rendimiento motor, en el nivel de ansiedad de los pacientes, ni en las medidas de la voz jitter y frecuencia fundamental. En la estimulación control/placebo no se observaron apenas cambios significativos en las variables analizadas. Así se concluye que el uso de la estimulación rítmica-binaural diseñada en esta tesis para la Enfermedad de Parkinson representa un método efectivo y no invasivo de influenciar la actividad cerebral, portable y de bajo coste. Aunque esta influencia sobre la actividad cerebral no produjo cambios sobre la ansiedad ni en las características del caminar, sin embargo, si produjo las siguientes mejoras significativas: la normalización de la potencia del EEG por bandas (alterada en la EP), normalización de la conectividad funcional cerebral (también alterada en la EP), descenso del ritmo cardíaco, mejora de la memoria de trabajo (efecto de normalización) y la mejora de varios parámetros acústicos de la voz (efecto de normalización también). Paradójicamente, también se observó que en la puntuación total de la escala cognitiva PD-CRS, los sujetos mejoraron significativamente tras ambas estimulaciones, lo que permite concluir que la estimulación control/placebo podría ser “no neutral” en este aspecto. Por todo ello, se puede considerar que el sonido puede ser una herramienta co-ayudante en el tratamiento de la EP, específicamente para el estímulo acústico rítmico-binaural diseñado para esta Tesis. ABSTRACT An increase in the incidence and prevalence of neurological diseases in the population -mainly amongst the elderly- is currently taking place. The primary reasons could be traced back to population ageing in Western societies, as well as environmental problems. This situation favors the emergence of new therapies, complementary to commonplace drug treatments, which may have significant side effects, or to surgery, a very invasive treatment. If we consider music as a complementary therapy, we must go back to ancient times to find it has long been used for therapeutic purposes. That use persists, to this day, (although it is now called "Music Therapy"). Music is used in centers for patients with Parkinson's disease, patients with Alzheimer's disease, dementia, depression or autism, among others. However, assessing the efficacy of music within a therapy is difficult from a scientific point of view. On one hand, the nervous system that performs its processing is very complex, and on the other hand, the variety of possible stimuli complicates the task of finding the scientific evidences of music’s ability to improve health. It is empirically known to produce some effects, but the cause is not accurately known. After years of research and a pilot study with healthy subjects (see a brief presentation of the results thereof in this thesis), our research group defined a task, on July 11th, 2012. It would aim at relating Acoustic Engineering with therapeutic purposes to a specific pathology: Parkinson's disease (hereinafter referred to as PD). In order to do this, both theoretical and practical work have been undertaken, and implemented with a group of patients, the report of which comprises this Doctoral Thesis. Scientific studies with the closest similarities to this work are found in journals of multiple classifications, such as: Acoustics, Audiology and speech-language pathology, Physics (Applied and Multidisciplinary), Pharmacy and Pharmacology, Complementary and Integrative Medicine, Neurosciences, Neuroimaging, Clinic Neurology and Engineering (Biomedical), among others. This goes to show the truly multidisciplinary nature of this work, which adds a new layer of difficulty, that of integrating these areas of expertise together. To establish working hypotheses, a review of the existing literature was necessary. After which, came the preparations for the study, with PD patients, which was the first experience the group had at undertaking a complete study with patients. The study took place in the headquarters of the Asociación de Parkinson de Madrid, The Parkinson Society of Madrid. All the data collected was later analysed. The aim of this research group is to scientifically prove the benefits of using acoustic signals as an aid to the aforementioned diseases. The group thus comprises individuals from diverse disciplines, such as telecommunication engineering, computer science, physics, as well as doctors, biologists, neuro-psychologists and musicians, belonging to the UPM8 and UCM9 universities. In addition, another goal of this work would be that of achieving to coin the term "Acústicoterapia", and to differentiate its potential and capacity from previously described terms, that are related to it, and have already been coined in literature, such as Music Therapy, Ultrasound Therapy, Vibroacoustics Therapy (VAT) or Neurological Music Therapy (NMT). The study of Parkinson's patients, which represents the greatest contribution of this thesis, had an initial sample of 45 patients. The selection was then restricted to 14 patients with normal hearing, a higher rating of 24 on the MMSE10, and a score below 4 on the Hoehn and Yahr scale. In addition, all patients underwent cognitive assessment, specific for PD, which was done by performing the PD-CRS11 test. Later, these 14 patients took part in two sessions of 10 minutes of sound stimulation (one of them being a control/placebo and the other an experimental session) separated by a minimum of 7 days. The control/placebo stimulation session consisted of a pink noise, while the experimental stimulation contained the same pink noise to which a rhythmic combination of binaural sound was added. To evaluate the short-term influence of sound on patients, the following data were collected, just before and after both stimulations: electrophysiological recordings (EEG12 and ECG / EKG13) at idle state; a videotape recording of the patient walking; a report of postural tremor in the hands from accelerometers; a voice recording (reading a text and vocal emission); the PD-CRS cognitive test and a test of anxiety (STAI14-state). Different methods of analysis were applied on the collected data: EEG power was calculated to identify the intensity of the various typical bands (delta, theta, alpha, beta and gamma) and the median frequency. Functional connectivity between brain regions was also calculated. ECG/EKG heart rate and the average variability was calculated. We extracted gait parameters: cadence, speed and step length. Postural shake of hands (frequency and amplitude) was calculated. Jitter, shimmer, harmonic-noise ratio and fundamental frequency were calculated as voice parameters of acoustic analysis. As far as the experimental stimulation is concerned, the following significant changes were found: a decrease in theta activity, a general decrease of functional connectivity, a decrease in heart rate, improved working memory and improved jitter and shimmer, as well. However, no significant changes were found in: the median frequency of the EEG power, gait performance, anxiety level of patients, jitter or fundamental frequency. Concerning the control/placebo stimulation we didn’t find significant changes in the variables analyzed. Therefore, we concluded that the use of binaural-rhythm stimulation for Parkinson's Disease designed in this thesis is an effective noninvasive method to influence the brain activity, portable and inexpensive. Although these influences on brain activity produced no change on anxiety or walking characteristics, however, the following significant improvements occurred: it normalized the EEG power bands (altered in PD), it normalized the brain's functional connectivity (also altered in the PD), it decreased heart rate, it improved working memory (it had a normalizing effect) and it improved various acoustic parameters within the voice (also a normalizing effect). Paradoxically, it was also noted that subjects significantly improved the their total score in the cognitive PD-CRS scale after both stimuli, leading to the conclusion that the control/placebo stimulation could be "not neutral" in this respect. Therefore, we can consider that sound can be a co-assistant tool in the treatment of PD, specifically for this binaural-rhythmic sound designed for this thesis.