Effect of alpha-frequency optical stimulation on sensorimotor parameters in humans

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: Temporal sensorimotor parameters are determined by individual characteristics and may be influenced by various types of exogenous stimulation, including optical stimulation. The multidirectional effects of optical stimulation on performance are associated with baseline electroencephalogram (EEG) parameters. Optical stimulation with individual alpha peak frequency has the most significant effect on endogenous rhythmicity. Frequencies that are several hertz higher or lower can result in flicker response and affect performance by altering neural oscillation frequencies.

AIM: The work aimed to assess individual differences in the effect of optical stimulation with individual alpha peak frequency and a 2 Hz higher frequency on complex sensorimotor response parameters in humans.

METHODS: In this study, 65 participants (males aged 18–23 years, right-handed) performed tests for simple motor reaction (under normal conditions) and complex motor reaction (under three experimental scenarios). The latter included normal conditions, optical stimulation with individual alpha peak frequency, and optical stimulation with a frequency 2 Hz higher than individual alpha peak frequency. The mean reaction time and its variability were assessed. Under normal conditions, the decision-making time was assessed by the difference between the simple and complex reaction times. Two groups of participants, with short (group 1, n = 16) and long (group 2, n = 16) decision-making times, were identified. The frequency and amplitude of an individual alpha peak were calculated using baseline occipitoparietal EEGs recorded with eyes closed.

RESULTS: Optical stimulation with individual alpha peak frequency +2 Hz reduced the complex motor reaction time in all participants. In participants with short decision-making time and high alpha peak amplitude, optical stimulation with individual alpha peak frequency increased the complex motor reaction time, whereas optical stimulation with individual alpha peak frequency +2 Hz had no significant impact on the reaction time. In participants with long decision-making time and low alpha peak amplitude, optical stimulation with individual alpha peak frequency had no significant impact on the complex reaction time, whereas optical stimulation with individual alpha peak frequency +2 Hz decreased complex reaction time and variability.

CONCLUSION: Optical stimulation with individual alpha peak frequency +2 Hz reduced the complex motor reaction time in individuals with specific electrophysiological EEG characteristics. Therefore, it is essential to consider baseline EEG parameters during alpha-frequency optical stimulation, particularly the individual alpha peak amplitude, which is associated with the strength and direction of the stimulation effect. The findings indicate that the two examined modes of alpha-frequency optical stimulation have distinct effects on temporal sensorimotor parameters.

About the authors

Nikolay A. Karatygin

Federal Research Center for Innovator and Emerging Biomedical and Pharmaceutical Technologies

Email: karatygin_na@academpharm.ru
ORCID iD: 0000-0001-5523-4048
SPIN-code: 7360-2272

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Moscow

Irina I. Korobeinikova

Federal Research Center for Innovator and Emerging Biomedical and Pharmaceutical Technologies

Author for correspondence.
Email: korobejnikova_ii@academpharm.ru
ORCID iD: 0000-0001-7570-6321
SPIN-code: 2829-9765

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Moscow

Margarita A. Tsyganova

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenovskiy University)

Email: oplatchikova_m_a@staff.sechenov.ru
ORCID iD: 0000-0002-7641-2330
SPIN-code: 7968-0651
Russian Federation, Moscow

Yana A. Venerina

Institute of Psychology of the Russian Academy of Sciences

Email: y.a.venerina@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3460-078X
SPIN-code: 6689-8898

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Moscow

Tamara D. Dzhebrailova

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenovskiy University)

Email: dzhebrailova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1454-9224
SPIN-code: 6942-3352

Dr. Sci. (Biology), Professor

Russian Federation, Moscow

References

  1. Meinert EK, Solovyev AV. The effect of tonal acoustic noise with a frequency of 100 Hz on simple human sensorimotor reactions. In: Actual problems of radiophysics APR-2021: Proceedings of the IX International Scientific and Practical Conference. Tomsk; 2021. P. 257–259. (In Russ.) EDN: AEWWCL
  2. Rakhimbekov MS. Тhe impact of electrimagnetic radiation on human. Occupational Hygiene and Medical Ecology. 2017;(3):3–11.
  3. Bagherli J, Vaez M, Mokhtari P. Effects of arousal and activation on simple and discriminative reaction time in a stimulated arousal state. World Applied Sciences Journal. 2011;12(10):1877–1882. EDN: YBLTLZ
  4. Taleeva AI, Madumarova IT, Zvyagina NV. The success of cognitive activity of students of the northern (arctic) federal university with different levels of anxiety in different time conditions. Journal of Ural Medical Academic Science. 2021;18(1):52–59. doi: 10.22138/2500-0918-2021-18-1-52-59 EDN: GQLLHY
  5. Vishnevskaya NL, Plakhova LV, Liskova MYu. Problems of improving working capacity of the operators at high-tech industries. Occupational Safety in Industry. 2021;(8):39–44. doi: 10.24000/0409-2961-2021-8-39-44 EDN: BSZGPT
  6. Papenberg G, Hämmerer D, Müller V, et al. Lower theta inter-trial phase coherence during performance monitoring is related to higher reaction time variability: a lifespan study. Neuroimage. 2013;83:912–920. doi: 10.1016/j.neuroimage.2013.07.032
  7. Zaitsev AV, Lupandin VI, Surnina OE. Reaction time in theoretical and applied research. Psychological Bulletin of the Ural State University. 2002;(3):3–20. (In Russ.) EDN: JSPZCL
  8. Rommelse NN, Geurts HM, Franke B, et al. A review on cognitive and brain endophenotypes that may be common in autism spectrum disorder and attention-deficit/hyperactivity disorder and facilitate the search for pleiotropic genes. Neurosci Biobehav Rev. 2011;35(6):1363–1396. doi: 10.1016/j.neubiorev.2011.02.015
  9. Korobeyinikova II. The correlation of reaction timers properties with psychophysiological characteristics, academic achievement and EEG indices in humans. Psikhologicheskii Zhurnal. 2000;21(3):132–136. EDN: TBVNPF
  10. Terao Y, Ugawa Y, Suzuki M, et al. Shortening of simple reaction time by peripheral electrical and submotor-threshold magnetic cortical stimulation. Exp Brain Res. 1997;115(3):541–545. doi: 10.1007/pl00005724
  11. Henao D, Navarrete M, Valderrama M, Le Van Quyen M. Entrainment and synchronization of brain oscillations to auditory stimulations. Neurosci Res. 2020;156:271–278. doi: 10.1016/j.neures.2020.03.004
  12. Wearden JH, Williams EA, Jones LA. What speeds up the internal clock? Effects of clicks and flicker on duration judgements and reaction time. Q J Exp Psychol. 2017;70(3):488–503. doi: 10.1080/17470218.2015.1135971
  13. Akhrarov NM, Baranova YuA, Vasileva MV, Romanovsky MN. Rhythmic stimulation of human operator throughput. Fundamental Problems of Electronic Instrumentation. 2015;15(5):60–63. (In Russ.) EDN: VOUFTP
  14. Gulbinaite R, van Viegen T, Wieling M, et al. individual alpha peak frequency predicts 10 Hz flicker effects on selective attention. J Neurosci. 2017;37(42):10173–10184. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1163-17.2017
  15. Klimovitch G. Startle response and muscular fatigue effects upon fractionated hand grip reaction time. J Mot Behav. 1977;9(4):285–292. doi: 10.1080/00222895.1977.10735120
  16. Hanson C, Lofthus GK. Effects of fatigue and laterality on fractionated reaction time. J Mot Behav. 1978;10(3):177–184. doi: 10.1080/00222895.1978.10735151
  17. Oude Lohuis MN, Pie JL, Marchesi P, et al. Task complexity temporally extends the causal requirement for visual cortex in perception. bioRxiv. Preprint: June 22, 2021. doi: 10.1101/2021.06.22.449366
  18. Neznamov GG, Teleshova ES, Synyakov SA, et al. The effect of Ladasten on the characteristics of the psychophysiological state and cognitive functions in patients with psychogenic asthenic disorders. Psychiatry and Psychopharmacotherapy. 2009;11(2):14–19. (In Russ.) EDN: NDGFVL
  19. Korobeinikova II, Karatygin NA, Pertsov SS. Analysis of endogenous spectral power of electroencephalogram alpha range biopotentials during the mnestic activity under conditions of rhythmically organized optical stimulation. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2021;171(6):676–680. doi: 10.47056/0365-9615-2021-171-6-676-680
  20. Samuel IBH, Wang C, Hu Z, Ding M. The frequency of alpha oscillations: Task-dependent modulation and its functional significance. Neuroimage. 2018;183:897–906. doi: 10.1016/j.neuroimage.2018.08.063
  21. Balioz NV, Arkhipova EE, Mozolevskaya NV, Krivoshchekov SG. Electroencephalographic markers of CNS functional state in sport. Ulyanovsk Medico-biological Journal. 2023;(3):30–48. doi: 10.34014/2227-1848-2023-3-30-48 EDN: KOTLOG
  22. Karatygin NA, Korobeinikova II, Venerina YаA, et al. Influence of rhythmic optical stimulation on temporal parameters of human sensorimotor response and their relation to the spectral characteristics of the initial EEG. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2024;178(8):136–140. doi: 10.47056/0365-9615-2024-178-8-136-140 EDN: CRDNJT
  23. Ronconi L, Busch NA, Melcher D. Alpha-band sensory entrainment alters the duration of temporal windows in visual perception. Sci Rep. 2018;8(1):11810. doi: 10.1038/s41598-018-29671-5
  24. Notbohm A, Kurths J, Herrmann CS. Modification of brain oscillations via rhythmic light stimulation provides evidence for entrainment but not for superposition of event-related responses. Front Hum Neurosci. 2016;10:10. doi: 10.3389/fnhum.2016.00010
  25. Gramfort A, Luessi M, Larson E, et al. MEG and EEG data analysis with MNE-Python. Front Neurosci. 2013;7:267. doi: 10.3389/fnins.2013.00267
  26. Katyal S, He S, He B, Engel SA. Frequency of alpha oscillation predicts individual differences in perceptual stability during binocular rivalry. Hum Brain Mapp. 2019;40(8):2422–2433. doi: 10.1002/hbm.24533
  27. Samaha J, Postle BR. The speed of alpha-band oscillations predicts the temporal resolution of visual perception. Curr Biol. 2015;25(22):2985–2990. doi: 10.1016/j.cub.2015.10.007
  28. Hülsdünker T, Mierau A. Visual perception and visuomotor reaction speed are independent of the individual alpha frequency. Front Neurosci. 2021;15:620266. doi: 10.3389/fnins.2021.620266
  29. Trajkovic J, Sack AT, Romei V. EEG-based biomarkers predict individual differences in TMS-induced entrainment of intrinsic brain rhythms. Brain Stimul. 2024;17(2):224–232. doi: 10.1016/j.brs.2024.02.016
  30. Heckhausen H. Motivation and Activity. Saint Petersburg: Piter; 2003. 860 p. (In Russ.) ISBN: 5-94723-389-4
  31. Zhang Y, Zhang Y, Cai P, et al. The causal role of α-oscillations in feature binding. Proc Nat Acad Sci. 2019;116(34):17023–17028. doi: 10.1073/pnas.1904160116
  32. Lebedev AN. Konstanta M.N. Livanov’s constant and psychophysiological regularities of brain functioning (to 100-th anniversary). Psikhologicheskii Zhurnal. 2008;29(1):133–137. EDN: INMIWB

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».