Temporal analysis of the hemodynamic correlates associated with the epileptiform activity using simultaneous EEG-fMRI

Epilepsia é uma doença neurológica que afeta pessoas no mundo todo, atingindo em torno de 1% da população mundial. Aproximadamente 30% dos pacientes não respondem bem ao tratamento com medicamentos. A abordagem cirúrgica é uma alternativa recomendada somente quando se localiza, de forma precisa, a região epileptogênica, razão pela qual os pacientes são submetidos a diversas avaliações invasivas e não-invasivas, incluindo exames de neuroimagem estrutural e funcional. A técnica de EEG-RMf simultâneos surgiu da combinação do EEG, de uso consagrado em pacientes com epilepsia, com a RMf, procedimento cada vez mais aplicado em estudos funcionais do cérebro, tendo sido encarada desde sua concepção inicial com a perspectiva de se constituir em um novo exame não invasivo na avaliação pré-cirúrgica em epilepsia. As dificuldades instrumentais inerentes a esta técnica têm sido superadas mais rapidamente do que o desenvolvimento de métodos empregados na análise e interpretação dos resultados gerados através dela. Isto ocorre em parte devido à complexidade e diversidade de causas da epilepsia, que afeta o cérebro do ponto de vista estrutural e funcional, podendo atingi-lo desde o âmbito genético até níveis macroscópicos. Neste trabalho, estabelecemos uma sequência de procedimentos para a aquisição e análise de dados de EEG-RMf, possibilitando o uso deste exame como uma informação adicional na avaliação pré-cirúrgica. Criamos um programa de computador chamado SAfE (Straightforward Analysis of fMRI and EEG-fMRI), que permite realizar as análises de experimentos de EEG-RMf de forma direta e segura. Após aplicar as correções no sinal do EEG e realizar a marcação da atividade epileptiforme, mapas estatísticos de RMf podem ser obtidos através de uma interface gráfica simples, com pouca intervenção do usuário. Para observar simultaneamente os aspectos temporais e espaciais das alterações hemodinâmicas relacionadas com os diferentes tipos de atividade epileptiforme de cada paciente, foi proposta e incorporada ao SAfE uma forma original de se descrever os resultados. São gerados mapas estatísticos para diferentes posições do pico da função resposta hemodinâmica, que são então analisados sequencialmente, observando-se diferentes parâmetros, tais como o valor de T máximo e número de voxels acima do limiar. A abordagem aqui proposta para a análise dos dados de EEG-RMf sugere que os mapas estatísticos dos pacientes sejam examinados preferencialmente de forma individual, pois parte importante da informação pode ser perdida quando se combinam os resultados em análises de grupo. Os resultados obtidos revelam a alta complexidade dos mecanismos geradores de atividade epileptiforme, pois as redes cerebrais envolvidas mostram um elevado grau de heterogeneidade entre os pacientes e entre os diferentes tipos de atividade epileptiforme considerados. Possivelmente sistemas locais e remotos interagem de forma a causar alterações crônicas que afetam a propagação da crise e da atividade epileptiforme. A técnica de EEG-RMf tem se mostrado uma aplicação com valor clínico promissor, porém requer validação através da comparação com procedimentos mais bem estabelecidos. Embora os benefícios desta técnica sejam limitados em pacientes com atividade epileptiforme de difícil detecção, entende-se que seu desenvolvimento deverá contribuir para tornar mais robusta a avaliação pré-cirúrgica realizada atualmenteEpilepsy is a neurological disease that affects people worldwide, reaching about 1% of the world population. Approximately 30% of the patients do not respond well to treatment with medication. The surgical approach is an alternative recommended only when the epileptogenic region can be precisely localized. For this reason patients are subjected to various invasive and non-invasive assessments, including structural and functional neuroimaging exams. Simultaneous EEG-fMRI recordings originated from the combination of EEG, which has traditional use in epilepsy patients, with fMRI, a procedure increasingly applied to functional studies of the brain. This technique has been treated since its conception as a potential new non-invasive exam in the presurgical evaluation in epilepsy. Its inherent instrumental difficulties have been overcome more rapidly than the development of methods employed in the analysis and interpretation of the results. This is partly due to the complexity and diversity of causes of epilepsy, which affects the brain from the structural and functional standpoints, possibly disturbing it from genetic to macroscopic levels. In this work, we established a sequence of procedures for the acquisition and data analysis of EEG-fMRI, enabling the use of this technique as an additional exam in the presurgical evaluation. We created a computer program called SAfE (Straightforward Analysis of fMRI and EEG-fMRI), which allows straightforward and safe EEG-fMRI data analysis. After performing the EEG signal correction and identifying the epileptiform activity, fMRI statistical maps can be obtained through a simple graphical interface with little user input. An original form of describing the results was proposed and integrated in SAfE, in order to simultaneously examine the temporal and spatial aspects of the hemodynamic changes associated with the different types of epileptiform activity of each patient. Statistical maps are generated for different peak positions of the hemodynamic response and are then sequentially analyzed considering different parameters such as the maximum T value and the number of voxels above threshold. The approach proposed here for the EEG-fMRI data analysis suggests that the statistical maps of the patients should preferably be examined individually, because important information can be lost when the results are combined in group analyses. The obtained results reveal the high complexity of the mechanisms that generate epileptiform activity, because the brain networks involved show an elevated degree of heterogeneity among patients and among the different types of epileptiform activity. Possibly local and remote systems interact in such a way to cause chronic changes that affect the spread of the seizure and epileptiform activity. The EEG-fMRI technique has shown to be an application with promising clinical value, but requires validation via comparison with more established procedures. Although the benefits of this technique are limited in patients whose epileptiform activity is difficult to detect, its development is expected to make the current presurgical evaluation more robus