Assessment of lateralization of language function in epilepsy patients using high-density scalp-derived event-related potentials (ERPs)

Epilepsiechirurgie ist eine effektive und sichere Behandlungsmöglichkeit für Patienten mit medikamentös therapierefraktären Anfallsleiden. Bei 60-80% dieser Epilepsiepatienten kann durch einen neurochirurgischen Eingriff Anfallsfreiheit erzielt werden. Ziel eines solchen epilepsiechirurgischen Eingriffes ist es, die epileptogene Zone zu entfernen, ohne postoperative motorische oder neuropsychologische Defizite insbesondere Sprach- oder Gedächtnisstörungen zu verursachen.^ ^Dementsprechend ist es notwendig, im Rahmen einer sorgfältigen präoperativen Abklärung die essentiellen Hirnareale und deren Verbindungen zu lokalisieren, die für motorische, visuelle, sowie Sprach- und Gedächtnisfunktion verantwortlich sind. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) stellt den klinischen Standard für die Beurteilung der Sprachlateralisation dar, aber dennoch kommt es nach einem epilepsiechirurgischen Eingriff bei etwa einem Drittel der Patienten zu Defiziten bei Sprache und verbalem Gedächtnis, was die Notwendigkeit der weiteren Verbesserung nichtinvasiver Methoden verdeutlicht. Im Gegensatz zum fMRT bieten ereigniskorrelierte Potentiale (event-related potentials; ERPs) eine besonders hohe zeitliche Auflösung, was eine Echtzeit-Analyse der neuronalen Aktivität kognitiver Prozesse ermöglicht.^ ^ Bestimmte ERP-Komponenten, insbesondere die negative Komponente um und nach 400 ms nach Stimulus onset, stehen in engem Zusammenhang mit Sprachverarbeitung. Der anatomische Ursprung dieser ERP-Komponenten wird temporalen und frontotemporalen Hirnregionen der dominanten Hemisphäre zugeordnet. Ziel der vorliegenden Arbeit war es demnach, ERPs von räumlich hochauflösenden EEG-Ableitungen der Kopfoberfläche als neues nicht-invasives Verfahren zur Beurteilung der Sprachlateralisation im Rahmen der prächirurgischen Epilepsiediagnostik zu prüfen. Bei 36 Epilepsiepatienten sowie 37 gesunden Kontrollpersonen wurde ein 64-Kanal Oberflächen-EEG abgeleitet, während drei unterschiedliche, visuell präsentierte Sprachaufgaben vorgegeben wurden: Eine Kurzzeit-Sprachgedächtnisaufgabe (Differenzierung von gemerkten vs.^ ^unbekannten Wörtern), eine phonologische Aufgabe (Erkennung von Reim bei Vorgabe von Wortpaaren) und eine semantische Aufgabe (Differenzierung von Wörtern vs Pseudowörtern). ERPs wurden im 300 ms 800 ms Zeitfenster analysiert. Bei den Epilepsiepatienten wurde routinemäßig ein Sprach-fMRT durchgeführt. Die Amplituden der sprachbezogenen ERPs waren sowohl bei Patienten als auch bei Kontrollpersonen in allen drei Sprachaufgaben über der linken Hemisphäre signifikant negativer als über der rechten Hemisphäre. Individuell berechnete Lateralisations-Indizes zeigten die höchste Übereinstimmung der ERP-Lateralisation mit den fMRT-Ergebnissen bei der Pseudowort-Aufgabe. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Sprachmapping basierend auf ERPs die prächirurgische Epilepsiediagnostik weiter verbessern kann.Epilepsy surgery represents a safe and effective treatment option for patients suffering from refractory focal epilepsies. The goals of epilepsy surgery are twofold: On one hand, the epileptogenic zone needs to be removed, giving seizure freedom. On the other hand, eloquent cortex, such as areas responsible for language and memory function, needs to be spared to avoid neuropsychological deficits following surgery. Thus, the accurate localization of essential brain regions and their critical connections, which are responsible for language and memory, is of utmost importance. Language functional magnetic resonance imaging (fMRI) represents the current clinical standard for assessment of language lateralization in presurgical epilepsy evaluation. Nevertheless, language or verbal memory deficits occur in about one third of patients following epilepsy surgery which highlights the need for further improvement of noninvasive methods.^ ^In contrast to fMRI and positron emission tomography (PET) studies, event-related potentials (ERPs) studies offer a very high temporal resolution, thus allowing a real-time analysis of the neural processes elicited during cognitive tasks. Certain ERP components, especially the negative component around and after 400 ms, are strongly related to language processing and are supposed to arise from temporal and frontotemporal regions of the dominant hemisphere. The aim of this thesis was therefore to investigate the possibility to use high-density scalp-derived ERPs as a noninvasive tool to assess language lateralization in presurgical epilepsy evaluation. Scalp EEG was recorded from 64 locations in 36 consecutive epilepsy patients and 37 controls during three visually presented language tasks: A short-term language memory task (differentiation memorized vs.^ ^unknown words), a phonological task (detection of rhymes in word pairs), and a semantic decision task (differentiation words vs. pseudowords). ERPs were analyzed in the 300 ms800 ms epoch. Language fMRI was routinely obtained in patients. vii Amplitudes of language-related ERPs were significantly more negative over the left compared to the right hemisphere in all three tasks in patients and controls. Individual laterality indices were calculated and showed highest concordance with fMRI results for the Word/Pseudoword Task. Thus, results suggest that ERP-derived language maps might contribute to further improve the standard of presurgical workup in epilepsy patients.submitted by Karin TrimmelZusammenfassung in deutscher SpracheMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2017OeB