Statistical parameters study of EEG spectrum on patients with MCI

Mild Cognitive Impairment (MCI) is a major medical-social problem as it is, in some cases, the precursor of dementia impairments. This thesis fits into the overall research on studying the MCI disease. This thesis has been designed to study the electroencephalogram (EEG) combined with Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) as one of the most promising methods for early and reliable diagnosis of MCI. It is a neurophysiological technique presented in the mid 90's; it allowed for the first time non-invasive investigation of cortical excitability of the human brain. However, over the years, it became clear that this method is associated with numerous methodological problems that severely restricted its penetration in the daily clinical practice. The purpose of this study was to resolve the major methodological problems arising from the implementation of this complex process and to execute a pilot clinical trial in patients with MCI. Actual recordings from the TMS-EEG recording system of the Clinical Neurophysiology Laboratory in 3rd Neurological Clinic of the Thessaloniki Aristotle University were used as pilot data. Utilizing data from the clinical trial, the study dealt with the specific objectives set out: (a) removing the TMS and eye blink related artifacts by applying advanced signal analysis statistical methods, (b) exploring the possibility to implement the newly proposed infinite reference and benchmarking against the widely used average reference, (c) evaluating these references by studying event related coherence as a measure of inter-hemispheric connectivity, and (d) identifying differences in a set of electro-physiological parameters between the control group and patients with MCI. In the first phase of the thesis, a protocol was designed in order to describe in detail the process, techniques and tools needed to address the most important challenges that one faces when one tries to implement the highly complex process of EEG combined with TMS. The protocol describes in detail the steps of the process, including recording, pre-processing and analysis of EEG signal, focusing on methodological, technical and practical problems of the process. One of the major issues referenced in the literature and documented in the daily clinical practice is the problem of “contamination” introduced to EEG recordings due to TMS pulse. The intensity, range and general characteristics of the artifact make its removal extremely difficult and conceal important information of the brain's response to the stimulation, thus complicating the diagnosis of MCI. The strong distortion of the signal, the inability to make a reliable measurement of critical factors such as waves P30, N100, N15, and the inability to reveal connectivity between regions of the brain are important side effects of the adoption of magnetic stimulation. We studied the artifact characteristics and its physiology and, based on evaluation of methods proposed by international literature, a TMS artifact correction model was adopted. In our survey, we conclude that the selected correction model makes it possible to completely remove the TMS artifact appearing in EEG recordings in the first 10 ms after the magnetic stimulation. The model was applied to responses from magnetic stimulation of the left and right primary motor cortex (M1 area) and in the prefrontal cortex. Based on this method, a model that produces these responses and relates them to the stimulation intensity is proposed. The second phase of this study involved finding a reference which both is suitable for use with TMS and exhibits improved performance over the EEG signal quality. The reference point properties, whether determined by its physical location or by its computational characteristics, have fundamental influence on the signal. Traditionally it was thought that there is no electrically neutral reference point, as any reference point taken on the event related potential (ERP) waveform, reflects the contribution of both the active area and the reference point. We investigated the applicability of the newly proposed REST method - an IR reconstruction method - in order to approximately transform EEG data recorded using a reference point at infinity. The infinite reference is comparatively evaluated against the widely used reference average. For this purpose, stimulation of the left primary motor cortex (M1 region) was applied on a patient with complete agenesis callosum of congenital type, while recording with 60-channel TMS compatible EEG device (eXimia, Nexstim Ltd, Finland). Using eight (8) - shaped coil, we applied magnetic pulses with amplitude on the 120% of the motor cortex stimulation threshold. Before analysis, EEG data were re-referenced using IR and AR references. This study confirmed recent theoretical simulations and empirical observations, thus highlighting the infinite reference as a valid method for investigating connectivity, spectral and topographic analysis in neurophysiological studies. It has also been confirmed that the introduction of infinite reference significantly reduces the rate of false positive interhemispherical connectivity and therefore excels compared to the widely used reference average. This finding is consistent with prior studies using both simulated and actual data. In the third phase of this study, the aim was to identify differences in a set of electro-physiological parameters between the control group and patients with MCI. EEG data analysis has been used in order to identify differences between the control group and patients. In consistency with prior studies, we observed that early separation between the healthy group and the group of patients (MCI) is achieved using measures of sensitivity. Although the sample size was small, the two groups were distinctly separated, but the statistical significance of these comparisons is quite weak and requires further investigation with a larger sample size. Although the mechanism affecting P30 cannot be revealed, the coordinates of P30 peak seem to be related to cognitive decline. The object group (healthy, MCI) seems to have a strong effect on P30 average value for both hemispheres. Therefore, the value of P30 as a diagnostic measure for the cognitive function decline recognition has been confirmed; it exhibited greater efficiency compared to N100 height, which does not correlate significantly with the MMSE memory decline scale. In conclusion, this study establishes a methodology which suitable for the implementation of the complex TMS-EEG method, and demonstrates its applicability for the investigation of patients with Mild Cognitive Impairment and other disorders of the central nervous system in general.H ήπια γνωστική διαταραχή (Mild Cognitive Impairement - MCI) αποτελεί ένα μείζον ιατροκοινωνικό πρόβλημα καθώς αποτελεί, σε ορισμένες περιπτώσεις, τον προπομπό ανοοικών διαταραχών. Η παρούσα διατριβή εντάσσεται στο γενικότερο ερευνητικό ενδιαφέρον μελέτης της νόσου. Η διατριβή είχε ως αντικείμενο τη μελέτη του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος σε συνδυασμό με διακρανιακό μαγνητικό ερεθισμό (ΔΜΕ), ως μία από τις πλέον ελπιδοφόρες μεθόδους πρώιμης και αξιόπιστης διάγνωσης της MCI. Πρόκειται για μία νευροφυσιολογική τεχνική η οποία παρουσιάστηκε στα μέσα της δεκαετίας του 90, και η οποία επέτρεψε για πρώτη φορά τη μη επεμβατική διερεύνηση της φλοιικής διαγερσιμότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Με την πάροδο των ετών όμως, έγινε κατανοητό ότι η μέθοδος αυτή συνδέεται με πλειάδα μεθοδολογικών προβλημάτων τα οποία περιόρισαν σημαντικά τη διείσδυσή της στην καθημέρα κλινική πράξη. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η επίλυση των σημαντικότερων μεθοδολογικών προβλημάτων που ανακύπτουν από την εφαρμογή της σύνθετης αυτής μεθόδου και η κλινική πιλοτική δοκιμή της σε ασθενείς με ήπια γνωστική διαταραχή. Ως πιλοτικά δεδομένα, χρησιμοποιήθηκαν οι πραγματικές καταγραφές από το σύστημα διασυνδυασμένης ηλεκτροεγκεφαλικής καταγραφής με διακρανιακό μαγνητικό ερεθισμό από το Εργαστήριο Κλινικής Νευροφυσιολογίας της Γ' Νευρολογικής Κλινικής του ΑΠΘ. Αξιοποιώντας τα δεδομένα της κλινικής δοκιμής, η διατριβή ασχολήθηκε με τους επί μέρους στόχους που τέθηκαν: (α) την απομάκρυνση του παρασίτου που προκαλείται από το ΔΜΕ και τις οφθαλμικές κινήσεις με τη βοήθεια προηγμένων στατιστικών μεθόδων ανάλυσης σήματος, (β) τη διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής της πρόσφατα προταθείσας αναφοράς στο άπειρο (infinite reference - IR) και τη συγκριτική αξιολόγησή της έναντι της ευρέως χρησιμοποιούμενης αναφοράς μέσου όρου (average reference - AR), (γ) τη μελέτη ενός μέτρου διημισφαιρικής συνδεσιμότητας, τη διασταυρούμενη συνεκτικότητα σε σχέση με το ερέθισμα (event-related coherence) μετά από την εφαρμογή των δύο αυτών μεθόδων αναφοράς, και (δ) τον εντοπισμό διαφορών σε ένα σύνολο ηλεκτρο-φυσιολογικών παραμέτρων ανάμεσα σε μέλη της ομάδας ελέγχου και ασθενείς με ήπια γνωστική διαταραχή. Στην πρώτη φάση της διατριβής, αναπτύχθηκε πρωτόκολλο το οποίο περιγράφει διεξοδικά τη διαδικασία, τις τεχνικές και τα εργαλεία που απαιτούνται για την αντιμετώπιση των πλέον σημαντικών προβλημάτων τα οποία αντιμετωπίζει κανείς όταν επιχειρεί την εφαρμογή της εξαιρετικά πολύπλοκης μεθόδου ΗΕΓ με ΔΜΕ. Στο πρωτόκολλο περιγράφονται αναλυτικά τα βήματα της μεθόδου, συμπεριλαμβανομένης της καταγραφής, προεπεξεργασίας και ανάλυσης του ηλεκτροεγκεφαλικού σήματος, επικεντρώνοντας σε μεθοδολογικά, τεχνικά και πρακτικά προβλήματα που εισέρχονται στη διαδικασία. Ένα από τα σημαντικότερα θέματα τα οποία αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία και καταγράφονται στην καθημέρα κλινική πράξη είναι το πρόβλημα «μόλυνσης» των ΗΕΓραφικών καταγραφών από το παράσιτο που δημιουργείται λόγω του παλμού ΔΜΕ. Η ένταση, το φάσμα και τα εν γένει χαρακτηριστικά του παρασίτου καθιστούν εξαιρετικά δύσκολη την απομάκρυνσή του από το ΗΕΓραφικό σήμα, και αποκρύπτουν σημαντικές πληροφορίες της απάντησης του εγκεφάλου στον ερεθισμό, δυσχεραίνοντας το έργο της διάγνωσης της νόσου MCI. Η έντονη διαστρέβλωση της μορφής του σήματος, η αδυναμία αξιόπιστης μέτρησης κρίσιμων παραγόντων, όπως τα επάρματα P30, N100, N15, και η απώλεια της δυνατότητας αποκάλυψης της συνδεσιμότητας μεταξύ περιοχών του εγκεφάλου, αποτελούν σημαντικές παρενέργειες της υιοθέτησης μαγνητικού ερεθισμού. Μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά και η φυσιολογία του παρασίτου, και κατόπιν αξιολόγησης υιοθετήθηκε μοντέλο διόρθωσης παρασίτου ΔΜΕ με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία. Συμπεραίνουμε στην έρευνά μας ότι το μοντέλο διόρθωσης που επιλέχθηκε καθιστά πιθανή την εξ ολοκλήρου απομάκρυνση του παρασίτου λόγω ΔΜΕ, το οποίο εμφανίζεται στις ΗΕΓραφικές καταγραφές, ήδη από τα πρώτα 10 ms μετά τον μαγνητικό ερεθισμό. Το μοντέλο εφαρμόστηκε σε αποκρίσεις από μαγνητικό ερεθισμό στο αριστερό και δεξιό πρωτεύοντα κινητικό φλοιό (περιοχή Μ1) αλλά και στον προμετωπιαίο φλοιό. Με βάση τη μέθοδο αυτή προτείνεται ένα μοντέλο παραγωγής αυτών των αποκρίσεων και η εξάρτησή τους από την ένταση του ερεθισμού. Η δεύτερη φάση της διατριβής αφορούσε την εύρεση σημείου αναφοράς το οποίο είναι κατάλληλο για χρήση με ΔΜΕ, και το οποίο παρουσιάζει βελτιωμένη απόδοση ως προς την ποιότητα των παραγόμενων ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων. Οι ιδιότητες του σημείου αναφοράς, είτε καθορίζονται από την φυσική του τοποθεσία είτε από τα υπολογιστικά του χαρακτηριστικά, έχουν θεμελιώδη επιρροή στο σήμα ενδιαφέροντος. Παραδοσιακά εθεωρείτο ότι δεν υπάρχει ηλεκτρικά ουδέτερο σημείο αναφοράς, καθώς οποιαδήποτε σημείο και αν επιλεγεί ως σημείο αναφοράς στην κυματομορφή προκλητών δυναμικών θα αντικατοπτρίζεται η συνεισφορά και της ενεργής περιοχής και του σημείου αναφοράς. Διερευνήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής της πρόσφατα προταθείσας αναφοράς στο άπειρο (REST), η οποία αποτελεί μια μέθοδο «τεχνικής τυποποίησης του ηλεκτροδίου αναφοράς» ή ανακατασκευής IR, με σκοπό να μετασχηματίσει προσεγγιστικά τα δεδομένα ΗΕΓ που καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας ένα σημείο αναφοράς στο άπειρο. Η αναφορά στο άπειρο αξιολογήθηκε συγκριτικά έναντι της ευρέως χρησιμοποιούμενης αναφοράς μέσου όρου. Για το σκοπό αυτό διενεργήθηκε εστιακός ερεθισμός της κινητικής χώρας (περιοχή Μ1) του αριστερού εγκεφαλικού ημισφαιρίου ασθενούς με πλήρη αγενεσία μεσολοβίου, συγγενούς τύπου, υπό ΗΕΓραφική καταγραφή με ΗΕΓράφο 60 καναλιών συμβατό με μαγνητικό ερεθισμό (eXimia, Nexstim Ltd, Finland). Χορηγήθηκαν μαγνητικά ερεθίσματα έντασης 120% του ουδού διέγερσης του κινητικού φλοιού με πηνίο σχήματος οχτώ (8). Τα ΗΕΓραφικά δεδομένα αναλύθηκαν μετά το μετασχηματισμό τους με αναφορά στο άπειρο καθώς και με τη χρήση αναφοράς μέσου όρου. Η παρούσα μελέτη επιβεβαίωσε πρόσφατες θεωρητικές προσομοιώσεις και εμπειρικές παρατηρήσεις και ανέδειξε την αναφορά στο άπειρο ως έγκυρη μέθοδο για τη διερεύνηση συνδεσιμότητας, φασματικής και τοπογραφικής ανάλυσης στα πλαίσια νευροφυσιολογικών μελετών. Επιβεβαιώθηκε επίσης ότι η εφαρμογή της αναφοράς απείρου μειώνει σημαντικά το ποσοστό ψευδώς θετικής διημισφαιρικής συνδεσιμότητας και συνεπώς υπερέχει συγκριτικά με την ευρέως χρησιμοποιούμενη αναφορά μέσου όρου. Το εύρημα αυτό βρίσκεται σε συμφωνία με προηγηθείσες μελέτες σε επίπεδο προσομοίωσης και πραγματικών δεδομένων. Στην τρίτη φάση της διατριβής, στόχος ήταν ο εντοπισμός διαφορών σε ένα σύνολο ηλεκτρο-φυσιολογικών παραμέτρων ανάμεσα σε μέλη της ομάδας ελέγχου και ασθενείς με ήπια γνωστική διαταραχή. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση ΗΕΓ δεδομένων για τον εντοπισμό διαφορών μεταξύ ομάδας ελέγχου και ασθενών. Σε συμφωνία με προηγηθείσες έρευνες, παρατηρήσαμε ότι αρχικά επιτυγχάνεται διαχωρισμός μεταξύ της ομάδας των υγιών και της ομάδας των ασθενών (MCI) χρησιμοποιώντας μέτρα ευαισθησίας. Παρόλο που το μέγεθος του δείγματος ήταν μικρό κρίνεται ευδιάκριτος ο διαχωρισμός των δύο ομάδων, αλλά η στατιστική σημαντικότητα αυτών των συγκρίσεων κρίνεται αρκετά αδύναμη και χρήζει μελλοντικής έρευνας με μεγαλύτερο μέγεθος δείγματος. Παρόλο που δεν μπορεί να αποκαλυφθεί ο μηχανισμός που επηρεάζει το P30, οι συντεταγμένες της κορυφής P30 φαίνεται να σχετίζονται με την γνωστική έκπτωση. Η ομάδα του αντικειμένου (υγιείς, MCI) δείχνει να έχει έντονη επίδραση στην υπολογιζόμενη τιμή της μέσης τιμής του ύψους P30 και στα δύο ημισφαίρια. Επιβεβαιώθηκε έτσι η αξία του P30 ως διαγνωστικού δείκτη με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στην αναγνώριση της έκπτωσης της γνωστικής λειτουργίας σε σχέση με το ύψος N100, το οποίο δε συσχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την κλίμακα έκπτωσης μνήμης MMSE. Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή εδραιώνει μια μεθοδολογία κατάλληλη για την εφαρμογή της πολύπλοκης τεχνικής ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος σε συνδυασμό με διακρανιακό μαγνητικό ερεθισμό, και αναδεικνύει τη δυνατότητα εφαρμογής της για τη διερεύνηση ασθενών με ήπια γνωστική διαταραχή και άλλες παθήσεις του κεντρικού νευρικού συστήματος γενικότερα