Εκτίμηση των διαφορών στην εγκεφαλική λειτουργία των σχιζοφρενών σε σχέση με υγιείς μάρτυρες, με χρήση συνδυασμού μεθόδων γραμμικής και μη-γραμμικής ανάλυσης, κατά τη διάρκεια γνωσιακής πρόκλησης

Abstract

Objective: Aim of the present study was the investigation of functional connectivity during working memory in schizophrenic subjects by means of time series analysis (linear and non-linear) and theoretical graph measures. This was attempted through analysis of EEG recordings during a working memory task, (the 2-back level of the n-back task), as well as during two control tasks. The specific questions addressed were: a) Does cortical connectivity, in schizophrenics with relatively preserved working memory functions, express small-world properties up to the extent that control subjects do? b) Are differences in SWN properties due to schizophrenia or to differences in working memory performance and working memory system efficiency? Materials-Methods: we analyzed EEG data from a group of 20 schizophrenic subjects with relatively preserved working memory performance, a group of 20 control subjects matched to the schizophrenics for age, sex and years of education and a group of 20 controls with maximal performance on the working memory task used. The questionnaires and scales administered were the following: Schizophrenic subjects: a) Scale for the Assessment of Negative Symptoms, SANS, b) Scale for the Assessment of Positive Symptoms, SAPS. Controls: a) Mini International Neuropsychiatric Interview All: a)General and demographic information sheet, b) Edinburgh Handedness Inventory, c) verbal scales of Weschler Adult Intelligence Scale (WAIS), d) Digit Symbol subtest of WAIS practical scale, e) Stroop test and f) a modified version of the n-back task. Either coherence, or synchronization likelihood was computed for every pair formed by the 28 scalp electrodes (28x28 matrix) and a corresponding adjacency matrix was extracted for a spectrum of pre specified threshold values. This type of analysis allowed us to define the values of mean degree k for which the groups differed the most. We, then, computed the characteristic graph measures (clustering coefficient C and characteristic path length L) of the corresponding graphs for fixed degree k, separately for each study group. The last step was to compare the characteristic graph values to those computed for 50 random graphs with the same degree distribution. We initially compared the two control groups. Using matrices with synchronization likelihood values, we compared the group with the weaker SWN properties to the schizophrenia group. At last we compared the characteristic graph measures of schizophrenics and controls, for fixed degree k values, while using matrices with coherence values. For the statistical analysis of data we used repeated measures ANOVA (for comparisons of the characteristic graph measures), t-tests for the demographic measures comparisons and Mann-Whitney tests for neuropsychological measures comparisons. P< 0.05 was considered significant. Results: Schizophrenic patients had significantly different verbal IQ scores and Digit symbol scores from matched controls (p=0.004 and p=0.013 respectively). Expert controls had significantly different scores from the other two groups in every neuropsychological test used, as expected. During the 2-back task, patients did not differ from matched controls regarding performance and reaction times, while expert controls differed from the other two groups regarding both parameters. Comparing the two control groups we found that the matched control group showed stronger SWN properties than the expert group, during the 2-back working memory task and not during rest, regarding θ, α1, α2, β and γ1 bands. Comparisons of the schizophrenia group and the expert group revealed SWN properties only for the control group and during working memory in α1, α2, β and γ1 frequency bands. The schizophrenia group showed SWN properties only in the θ band, while none of the groups showed such properties in γ2 band. In the third paper published we compared characteristic graph measures between the schizophrenia group and the expert group. We found mean Clustering coefficient (mean C) significantly different between groups in the a1 band during control condition (identification of pre specified target) and not during working memory. Additionally, in the β and the γ1 frequency bands the control group optimized C values, from control to working memory condition, while the patient group failed to do so. Simple main effects of group were significant during working memory in the same frequency bands. Regarding characteristic path length (L) differences were revealed in the a2 frequency band. Again controls optimized L values from control to working memory condition, while the patient group failed to do so. Simple main effects of group were significant only during control condition with the schizophrenia group expressing more optimal organization (shorter path length) during the control condition, a situation reversed during working memory. Conclusions: The present study is the first ever published using graph theory measures extracted from scalp EEG recordings to study the organization of cortical networks in schizophrenia. The main conclusions are the following: a) the control group with the significantly lower working memory performance and lower verbal IQ scores showed more optimal organization of cortical networks (revealed by stronger SWN properties) during a working memory task than a group of high performers, with significantly greater verbal IQ scores. This finding supports the neural efficiency hypothesis. b) During working memory, healthy subjects exhibit small-world properties while such properties are not present in a schizophrenia group which succeeded in the working memory task tested. This disruption of the optimal spatial pattern of cortical functional connectivity in schizophrenia is not en epiphenomenon of relative difficulties in coping with working memory procedures due to general intelligence level.

Σκοπός: Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση της λειτουργικής συνδετικότητας στη σχιζοφρένεια, κατά τη διάρκεια λειτουργίας της ενεργού μνήμης, με χρήση μεθόδων ανάλυσης χρονοσειρών (γραμμικών και μη-γραμμικών) και εργαλείων προερχόμενων από τη θεωρία των γράφων. Η προσέγγιση του ερωτήματος επιχειρήθηκε με την ανάλυση ηλεκτροεγκεφαλογραφικών καταγραφών, τόσο κατά τη διάρκεια δοκιμασίας ενεργού μνήμης (δύο-πίσω επίπεδο δυσκολίας της δοκιμασίας ν-πίσω), όσο και κατά τη διάρκεια δύο δοκιμασιών ελέγχου (ενεργοποίησης και ηρεμίας). Ειδικότερα, επιχειρήθηκε να δοθούν απαντήσεις στα ακόλουθα ερωτήματα: α) Διαπιστώνεται διαταραχή της λειτουργικής συνδετικότητας στο φλοιϊκό δίκτυο πασχόντων από σχιζοφρένεια, όπως αυτή εκφράζεται με διάρρηξη της τοπολογίας δικτύων μικρόκοσμού; β) Τυχόν υπάρχουσες διαφορές μεταξύ ασθενών και μαρτύρων, στην έκφραση ιδιοτήτων δικτύων μικρόκοσμου, οφείλονται στη νόσο ή σε διαφορές επίδοσης στη δοκιμασία και τελικά σε διαφορές στο δείκτη λεκτικής ευφυΐας; Υλικό και Μέθοδος: αναλύσαμε ΗΕΓ δεδομένα από: μια ομάδα 20 πασχόντων από σχιζοφρένεια οι οποίοι είχαν ικανοποιητική επίδοση στη δοκιμασία ενεργού μνήμης, μια ομάδα 20 μαρτύρων εξομοιωμένων προς τους ασθενείς ως προς το φύλο, την ηλικία και τα έτη εκπαίδευσης και μια ομάδα 20 μαρτύρων με πολύ υψηλή επίδοση στη δοκιμασία ενεργού μνήμης. Στη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν τα ακόλουθα ερωτηματολόγια και κλίμακες: Ομάδα σχιζοφρενών: α) κλίμακα Εκτίμησης Αρνητικών Συμπτωμάτων SANS, β) κλίμακα Εκτίμησης Θετικών Συμπτωμάτων SAPS. Ομάδες μαρτύρων: α) Mini International Neuropsychiatric Interview Όλοι: α) Φυλλάδιο γενικών πληροφοριών με τα στοιχεία του κάθε συμμετέχοντος β) Ερωτηματολόγιο εκτίμησης επικρατούντος ημισφαιρίου (Edinburgh Handedness Inventory), γ) Οι δοκιμασίες εκτίμησης λεκτικού νοητικού πηλίκου ενηλίκων, Weschler Adult Intelligence Scale (WAIS). δ) Η υποκλίμακα κωδικοποίησης συμβόλων (Digit Symbol) του WAIS ε) Η δοκιμασία μετωπιαίας λειτουργίας Stroop test στ) Μια τροποποιημένη παραλλαγή της δοκιμασίας ενεργού μνήμης ν-πίσω( μνημονική ανάκληση και σύγκριση ν προηγουμένως παρουσιασθέντων λημμάτων, n-back). Αρχικά υπολογίστηκαν: το αποκλειστικά γραμμικό μέγεθος της συνάφειας (coherence) και το μη-αποκλειστικά γραμμικό μέγεθος της synchronization likelihood, για κάθε ζεύγος που σχηματιζόταν από τα 28 ηλεκτρόδια της μελέτης (πίνακας 28x28). Στη συνέχεια σχηματίστηκαν οι πίνακες γειτνίασης για κάθε μία τιμή προερχόμενη από ένα αυθαίρετα προκαθορισμένο εύρος τιμών, του ουδού Τ. Η προσέγγιση αυτή μας επέτρεψε να καθορίσουμε σε ποίες τιμές του μέσου βαθμού του γράφου (degree k) αναδεικνύονταν εντονότερες διαφορές στην οργάνωση των δικτύων των τριών ομάδων. Στη συνέχεια υπολογίσαμε ορισμένα χαρακτηριστικά μεγέθη των γράφων ( δείκτης συρροής C και χαρακτηριστικό μήκος βραχύτατου μονοπατιού L) για γράφους με ίδιο μέσο βαθμό (degree k) για όλες τις ομάδες. Το τελευταίο βήμα ήταν να υπολογίσουμε πόσο απείχαν οι τιμές των χαρακτηριστικών μεγεθών, που υπολογίσαμε προηγουμένως, από τις τιμές που προκύπτουν από 50 τυχαίους γράφους με ίδια κατανομή βαθμού με τους γράφους της μελέτης. Αρχικά συγκρίναμε τις δύο ομάδες μαρτύρων κατασκευάζοντας τους γράφους με τις τιμές της synchronization likelihood. Το επόμενο βήμα ήταν να συγκρίνουμε με την ομάδα των ασθενών, εκείνη την ομάδα μαρτύρων με τις ασθενέστερες ιδιότητες SWN δικτύων, η οποία προέκυψε από την πρώτη σύγκριση. Τέλος συγκρίναμε ως προς τις χαρακτηριστικές παραμέτρους των γράφων την ομάδα των ασθενών με την κατάλληλη ομάδα μαρτύρων, κατασκευάζοντας τους γράφους με βάση το μέγεθος της συνάφειας (coherence). Η στατιστική ανάλυση πραγματοποιήθηκε με ανάλυση διακύμανσης (repeated measures ANOVA) για τις χαρακτηριστικές παραμέτρους των γράφων (cluster coefficient C, characteristic path length L). Η σύγκριση των βασικών δημογραφικών μεταβλητών για τις τρεις ομάδες της μελέτης έγινε με τη χρήση t-test. Η σύγκριση της απόδοσης των ομάδων τόσο στις νευροψυχολογικές δοκιμασίες που προηγήθηκαν των ΗΕΓ καταγραφών, όσο και στην δοκιμασία ενεργού μνήμης που έγινε παράλληλα με τις ΗΕΓ καταγραφές, πραγματοποιήθηκε είτε με Mann-Whitney, είτε με t-test. Αποτελέσματα: η ομάδα των ασθενών, συγκρινόμενη με την ομάδα των εξομοιωμένων μαρτύρων, παρουσίασε στατιστικά σημαντικά χαμηλότερη επίδοση στην υποκλίμακα κωδικοποίησης συμβόλων (Digit Symbol test) και στο λεκτικό νοητικό πηλίκο (Verbal IQ score) (p=0.004 and p=0.013 αντίστοιχα). Στις υπόλοιπες δοκιμασίες που χορηγήθηκαν οι δύο αυτές ομάδες δεν διέφεραν σημαντικά. Η ομάδα των επίλεκτων μαρτύρων είχε σημαντικά καλύτερες επιδόσεις και από τις δύο άλλες ομάδες της μελέτης, σε όλες τις νευροψυχολογικές δοκιμασίες που χορηγήθηκαν. Κατά τη δοκιμασία 2-πίσω οι ασθενείς δεν διέφεραν από τους εξομοιωμένους μάρτυρες, ούτε ως προς την επίδοση, ούτε ως προς τους χρόνους αντίδρασης, ενώ οι επίλεκτοι μάρτυρες διέφεραν από τις δύο άλλες ομάδες και στις δύο αυτές παραμέτρους. Η σύγκριση των δύο ομάδων μαρτύρων έδειξε οτι οι εξομοιωμένοι μάρτυρες παρουσίασαν εντονότερες ενδείξεις SWN οργάνωσης σε σύγκριση με την ομάδα των επίλεκτων μαρτύρων κατά τη διάρκεια της δοκιμασίας ενεργού μνήμης 2-πίσω και στις συχνότητες θ, α1, α2, β και γ1. Το εύρημα αυτό δεν υπήρχε στη δοκιμασία ελέγχου-ηρεμίας. Η επόμενη σύγκριση της ομάδας των ασθενών με την ομάδα των επίλεκτων μαρτύρων ανέδειξε SWN οργάνωση μόνο στην ομάδα των μαρτύρων, κατά τη διάρκεια ενεργού μνήμης στις συχνότητες α1, α2, β και γ1. Η ομάδα των ασθενών παρουσίασε SWN ιδιότητες μόνο στη συχνότητα θ, ενώ καμία από τις ομάδες δεν παρουσίασε τέτοια οργάνωση στη συχνότητα γ2. Στην τρίτη δημοσίευση συγκρίναμε τις χαρακτηριστικές παραμέτρους των γράφων μεταξύ ασθενών και επίλεκτων μαρτύρων. Ο μέσος δείκτης συρροής (mean Cp) ήταν σημαντικά διαφορετικός μεταξύ των ομάδων στη συχνότητα α1, κατά τη δοκιμασία ελέγχου και όχι κατά την δοκιμασία ενεργού μνήμης. Επιπλέον, στις συχνότητες β και γ1, η ομάδα των μαρτύρων βελτιστοποιούσε την οργάνωση του γράφου από τη δοκιμασία ελέγχου στη δοκιμασία ενεργού μνήμης (αυξάνοντας το δείκτη συρροής) ενώ η ομάδα των ασθενών δεν επέδειξε αντίστοιχη συμπεριφορά. Η διαφορά μεταξύ των ομάδων (simple main effects of group) ήταν σημαντική μόνο κατά τη δοκιμασία ενεργού μνήμης. Σε ότι αφορά στο χαρακτηριστικό μήκος βραχύτατου μονοπατιού (L), αποκαλύφθηκαν διαφορές στη συχνότητα α2. Πάλι η ομάδα των μαρτύρων βελτιστοποιούσε την οργάνωση του δικτύου από τη δοκιμασία ελέγχου στη δοκιμασία ενεργού μνήμης (μειώνοντας το L), ενώ η ομάδα των ασθενών δεν παρουσίασε ανάλογα ευρήματα. Σημαντική διαφορά μεταξύ των ομάδων αποκαλύπτονταν μόνο κατά τη δοκιμασία ελέγχου στην οποία οι ασθενείς είχαν καλύτερη οργάνωση του γράφου με μικρότερα L. Η διαφορά αυτή δεν εξακολουθούσε να υπάρχει κατά τη δοκιμασία ενεργού μνήμης. Συμπεράσματα: Η παρούσα μελέτη είναι η πρώτη διεθνώς που χρησιμοποίησε μεγέθη της θεωρίας των γράφων σε καταγραφές ΗΕΓ προκειμένου να μελετήσει την οργάνωση των φλοιϊκών δικτύων σε πάσχοντες από σχιζοφρένεια. Τα βασικά συμπεράσματα είναι τα ακόλουθα: α) η ομάδα των μαρτύρων με τη χαμηλότερη επίδοση στη δοκιμασία ενεργού μνήμης και τους χαμηλότερους δείκτες λεκτικής νοημοσύνης, έδειξε εντονότερη οργάνωση δικτύων SWN, συγκρινόμενη με μια ομάδα μαρτύρων πολύ υψηλής επίδοσης στη δοκιμασία, με πολύ υψηλότερους δείκτες λεκτικής νοημοσύνης. Το εύρημα αυτό συνάδει με την «υπόθεση της νευρωνικής αποδοτικότητας». β) Κατά τη διάρκεια της δοκιμασίας ενεργού μνήμης η λειτουργική συνδετικότητα στο φλοιό μαρτύρων εκφράζει ιδιότητες SWN οργάνωσης, ενώ τέτοιες ιδιότητες δεν απαντώνται σε ισάριθμο δείγμα πασχόντων από σχιζοφρένεια του οποίου η επίδοση στη δοκιμασία ήταν ικανοποιητική. Η κατάρρευση της βέλτιστης οργάνωσης της λειτουργικής συνδετικότητας στο φλοιό των ασθενών δεν είναι επιφαινόμενο του αυξημένου φόρτου που η δοκιμασία αυτή προκαλεί σε ανεκπαίδευτους υγιείς πληθυσμούς και δεν είναι εύκολο να αποδωθεί στο δείκτη νοημοσύνης της ομάδας των πασχόντων .