Δυναμική μελέτη με χρήση μαγνητοεγκεφαλογραφίας - ηλεκτροεγκεφαλογραφίας ασθενών με διαταραχές των ανωτέρων γνωσιακών λειτουργιών

Abstract

The main goal of this doctoral thesis was to elucidate the characteristics of synchronousneural interactions (SNI), as represented in the encephalographic signal, in patients withcognitive disorders.In the first part of the present thesis, a diagnostic test to assess the dynamic brainfunction at high temporal resolution using magnetoencephalography (MEG) is described.The essence of the test is the measurement of the dynamic SNI, an essential aspect ofbrain function. MEG signals were recorded from 248 axial gradiometers while 142human subjects fixated a spot of light for 45–60 s. After fitting an autoregressiveintegrative moving average (ARIMA) model and taking the stationary residuals, allpairwise, zero-lag, partial cross-correlations ( 0ij PCC ) and their z-transforms ( )between individual sensors were calculated, providing estimates of the strength and sign(positive, negative) of direct synchronous coupling at 1 ms temporal resolution. We found that subsets of SNI successfully classified individual subjects to their respectivegroups (multiple sclerosis, Alzheimer’s disease, schizophrenia, Sjögren’s syndrome, chronic alcoholism, facial pain, healthy controls) and gave excellent external cross-validation results.In the second part of the thesis, a direct comparison is made between SNI and cognitive domains, as represented through neuropsychological scores (NP), in healthy controls and patients suffering from Alzheimer’s disease or mild cognitive impairment. First, we performed individual correlations between each SNI and each NP, which provided an initial link between SNI and specific cognitive tests. Second, we performed canonical correlation analysis between the two sets of variables (SNI and NP), after factor analyzing each set, which optimally associated the entire MEG signal to cognitive function. The results revealed that SNI as a whole best related to memory and language and less to executive function. On an individual variable level there were many more SNI relating to memory, which carried considerable common information between them. These findings provide a direct interpretation to the information carried by the SNI and set the basis for identifying specific disease phenotypes according to cognitive deficits.

Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση των χαρακτηριστικών των σύγχρονων νευρικών αλληλεπιδράσεων (synchronous neuralinteractions – SNI), όπως εκφράζονται στο εγκεφαλογραφικό σήμα μέσω των σύγχρονων μερικών ετεροσυσχετίσεων (partial cross-correlations – 0ij PCC ) μεταξύ αισθητήρων, σε ασθενείς με γνωσιακές διαταραχές. Η μελέτη χωρίστηκε σε δύο μέρη.Στο πρώτο μέρος της διατριβής, περιγράφεται μια δοκιμασία για την αξιολόγηση των δυναμικών λειτουργιών του εγκεφάλου μέσω της μαγνητοεγκεφαλογραφίας (ΜΕΓ)σε ασθενείς με νευρολογικές ή ψυχικές διαταραχές. Η δοκιμασία βασίζεται στη μέτρηση των δυναμικών SNI, μια ουσιαστική πτυχή της λειτουργίας του εγκεφάλου. Τα ΜΕΓ σήματα καταγράφηκαν από 248 αξονικά πρανήμετρα καθώς 142 εθελοντές εστίασαν το βλέμμα τους σε ένα φωτεινό σημείο για 45-60 s. Μετά από την εφαρμογή Αυτοπαλινδρομούμενου Διαφοροποιούμενου Κινητού Μέσου Όρου (Autoregressive υπολοιπόμενες ακολουθίες, υπολογίσθηκαν όλες οι σύγχρονες μερικές ετεροσυσχετίσεις και οι z-μετασχηματισμοί (z-transformations – ) μεταξύ των 248 αισθητήρων, παρέχοντας το μέγεθος και το πρόσημο (θετικό, αρνητικό) της άμεσης σύγχρονης συσχέτισης με χρονική ευκρίνεια 1 ms. Διαπιστώθηκε ότι SNI υποσύνολα επιτυχώς κατέταξαν εθελοντές στις αντίστοιχες ομάδες τους (σκλήρυνση κατά πλάκας, νόσος του Alzheimer, σχιζοφρένια, σύνδρομο Sjögren, χρόνιος αλκοολισμός, προσωπαλγία, υγιείς) και παρείχαν άριστα αποτελέσματα βάσει εξωτερικής διασταυρούμενης επιβεβαίωσης.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, γίνεται άμεση σύγκριση μεταξύ SNI και γνωσιακών λειτουργιών σε εθελοντές που πάσχουν από νόσο του Alzheimer. Οι γνωσιακές λειτουργίες αντιπροσωπεύθηκαν μέσω νευροψυχολογικών μετρήσεων (neuropsychological scores – NP). Κατ’ αρχάς, υπολογίσθηκαν όλες οι μεμονωμένες συσχετίσεις μεταξύ κάθε SNI και κάθε NP, επιτρέποντας μια αρχική κατανόηση των SNI μέσω των συγκεκριμένων γνωσιακών δοκιμασιών. Δεύτερον, εφαρμόζοντας Ανάλυση Κανονικών Συσχετίσεων (canonical correlation analysis – CCA) μεταξύ των δύο συνόλων μεταβλητών (SNI και NP), και μετά από ανάλυση παραγόντων (factor analysis) κάθε συνόλου, επιτεύχθηκε η βέλτιστη συσχέτιση μεταξύ ολόκληρου του ΜΕΓ σήματος και των γνωσιακών λειτουργιών. Τα αποτελέσματα δεικνύουν ότι οι SNI στο σύνολό τους σχετίζονται πιο ισχυρά με τη μνήμη και τη γλώσσα, και λιγότερο με την εκτελεστική λειτουργία. Ακόμη και κατά την ανάλυση μεμονωμένων συσχετίσεων υπήρχαν πολύ περισσότερες SNI που σχετίζονταν με τη μνήμη. Αυτά τα αποτελέσματα παρέχουν μια άμεση ερμηνεία της πληροφορίας που υπάρχει στις SNI και αποτελούν τη βάση για την αναγνώριση συγκεκριμένων νοσολογικών φαινοτύπων σύμφωνα με τις υποκείμενες γνωσιακές διαταραχές.