Neurophysiological and behavioral responses to music therapy in vegetative and minimally conscious states

(O’Kelly J1,2, James L1, Palaniappan R3, Taborin J4, Fachner J5, Magee WL6)

1 Research Department, Royal Hospital for Neuro-disability, London, UK; 2 Dept. of Communication and Psychology, Aalborg University, Aalborg, Denmark; 3 Faculty of Science and Engineering, Wolverhampton University, Wolverhampton, UK; 4 Dept. of Neuroscience, King’s College London, London, UK; 5 Depat. of Music and Performing Arts, Anglia Ruskin University, Cambridge, UK; 6 Boyer College of Music and Dance, Temple University Philadelphia, Philadelphia, PA, USA

Assessment of awareness for those with disorders of consciousness is a challenging undertaking, due to the complex presentation of the population. Debate surrounds whether behavioral assessments provide greatest accuracy in diagnosis compared to neuro-imaging methods, and despite developments in both, misdiagnosis rates remain high. Music therapy may be effective in the assessment and rehabilitation with this population due to effects of musical stimuli on arousal, attention, and emotion, irrespective of verbal or motor deficits. However, an evidence base is lacking as to which procedures are most effective. To address this, a neurophysiological and behavioral study was undertaken comparing electroencephalogram (EEG), heart rate variability, respiration, and behavioral responses of 20 healthy subjects with 21 individuals in vegetative or minimally conscious states (VS or MCS). Subjects were presented with live preferred music and improvised music entrained to respiration (procedures typically used in music therapy), recordings of disliked music, white noise, and silence. ANOVA tests indicated a range of significant responses (p = 0.05) across healthy subjects corresponding to arousal and attention in response to preferred music including concurrent increases in respiration rate with globally enhanced EEG power spectra responses (p = 0.05-0.0001) across frequency bandwidths. Whilst physiological responses were heterogeneous across patient cohorts, significant post hoc EEG amplitude increases for stimuli associated with preferred music were found for frontal midline theta in six VS and four MCS subjects, and frontal alpha in three VS and four MCS subjects (p = 0.05-0.0001). Furthermore, behavioral data showed a significantly increased blink rate for preferred music (p = 0.029) within the VS cohort. Two VS cases are presented with concurrent changes (p = 0.05) across measures indicative of discriminatory responses to both music therapy procedures. A third MCS case study is presented highlighting how more sensitive selective attention may distinguish MCS from VS. The findings suggest that further investigation is warranted to explore the use of music therapy for prognostic indicators, and its potential to support neuroplasticity in rehabilitation programs.

For our Italian friends:

La determinazione dello stato di consapevolezza nei pazienti che soffrono di riduzione della coscienza è un compito estremamente difficile, dovuta all’eterogeneità dei casi. Esiste un dibattito rispetto a quale indagine fornisca la maggiore accuratezza della diagnosi: indagine comportamentale rispetto ai metodi di neuroimmagine. Nonostante i notevoli passi avanti fatti in entrambi i campi, gli errori di diagnosi restano piuttosto alti. La musicoterapia può essere efficace nell’indagine e nella riabilitazione di queste persone grazie all’effetto della musica su stato di vigilanza, attenzione ed emozioni, indipendentemente dai deficit motori e verbali del paziente. In ogni caso, non esistono studi basati sull’evidenza che indichino quale dei due metodi sia più efficace. Per questo gli Autori propongono uno studio neurofisiologico e comportamentale che compara l’EEG, la variabilità del battito cardiaco, la respirazione e le risposte comportamentali di 20 individui sani con 21 pazienti in stato vegetativo o di minima coscienza (VS o MCS). Ai soggetti è stata presentata una selezione della musica preferita e di musica improvvisata adeguata al ritmo respiratorio (una proceduta tipica della musicoterapia), registrazioni di musica sgradita, rumore bianco e silenzio. L’analisi ANOVA indica un range di risposte rilevanti (p=0.05) tra i volontari sani corrispondente a un incremento dell’attenzione in risposta alla musica preferita, che include l’aumento concomitante del ritmo respiratorio e della potenza dello spettro EEG (p=0.05-0.0001) in tutte le bande di frequenza. Mentre le risposte fisiologiche erano eterogenee nella coorte dei pazienti, si notava un miglioramento significativo post hoc nell’ampiezza dell’EEG in risposta alla musica preferita, evidente nel theta della linea frontale mediana in sei VS, e quattro MCS e della banda alfa frontale in tre VS e quattro MCS (p=0.05-0.0001). Inoltre, i dati comportamentali mostravano un significativo incremento nel ritmo di battito delle ciglia in presenza della musica preferita (p=0.029) nei pazienti VS. Due casi in VS hanno evidenziato cambiamenti correlati fra le due misure che dimostrano una reattività a entrambi i tipi di musicoterapia (p=0.05). Un terzo caso MCS è stato illustrato per sottolineare come l’attenzione selettiva possa distinguere gli MCS dai VS. Questi dati suggeriscono che sia auspicabile un approfondimento degli studi per esplorare l’uso della musicoterapia come indicatore prognostico, e valutarne l’uso come supporto per la neuroplasticità in riabilitazione.

(Open access article, creative commons, December 2013).  

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