Μελέτη συλλογιστικής διεργασίας και γνωστικής ευελιξίας σε ασθενείς με διαταραχή πρόσληψης τροφής

Abstract

Introduction Anorexia Nervosa is associated with impaired cognitive flexibility and central coherence, i.e., the ability to provide an overview of complex information. The aim of the present study was to evaluate EEG features elicited from patients with anorexia nervosa and healthy controls during mental tasks (valid and invalid Aristotelian syllogisms, paradoxes and optical illusions). Additionally, the purpose of this study was to determine cognitive flexibility in patients with anorexia nervosa and healthy participants. The neuroanatomy of the olfactory system and the commonly observed olfactory impairment in neurodegenerative diseases suggest an association between olfaction and certain aspects of cognition. Furthermore, the association between olfactory capacity and eating behavior has guided the research interest in investigating the characteristics of olfaction in Eating Disorders (ED). Taking these into consideration, we examined olfactory capacity in adults with anorexia nervosa (AN), in terms of odor identification and odor threshold and searched for possible correlations between odor identification and cognitive flexibility in this population, compared to healthy controls. Method Particularly, we examined the combination of the most significant syllogisms with selected features (relative power of the time-frequency domain and wavelet-estimated EEG-specific waves, Higuchi fractal dimension (HFD), and information-oriented approximate entropy (AppEn)). Cognitive flexibility was determined using the Intra/Extra-Dimensional Set Shift test (IED), a subtest of the Cambridge Neuropsychological Test Automated Battery (CANTAB). Odor identification was assessed using the University Pennsylvania Smell Identification Test and odor sensitivity was assessed by a detection method of the substance n-butanol (odor threshold). Results The findings from our study showed that alpha, beta, gamma, theta waves, and AppEn are the most suitable measures, which, when combined with specific syllogisms, form a powerful tool for efficiently classifying healthy subjects and patients with AN. We assessed the performance of triadic combinations of “feature–syllogism–classifier” via machine learning techniques in correctly classifying new subjects in these two groups. The following triads attain the best classifications: (a) “AppEn-invalid-ensemble BT classifier” (accuracy 83.3%), (b) “Higuchi FD-valid-linear discriminant” (accuracy 75%), (c) “alpha amplitude-valid-SVM” (accuracy 83.3%), (d) “alpha RP-paradox-ensemble BT” (accuracy 85%), (e) “beta RP-valid-ensemble” (accuracy 85%), (f) “gamma RP-valid-SVM” (accuracy 85%) or “gamma RP-illusions-SVM” (accuracy 80%), (g) “theta RP-valid-KNN” (accuracy 80%), and (h) “theta RP-illusions-Ensemble SD” (accuracy 95%). Patients with AN exhibited poor cognitive flexibility compared with healthy controls (p=0.003). Patients with AN presented a poorer performance in odor identification compared with controls (p=0.001). No differences were found in odor threshold, between the two groups. A significant correlation between odor identification and cognitive flexibility was documented in AN (p=0.01), but not in controls. Conclusions Our findings suggest that anorexia nervosa has a specific information-processing style across reasoning tasks in the brain as measured via EEG activity. These findings also contribute to further supporting the view that entropy-oriented, i.e., information-based features (the AppEn measure used in this study) are promising diagnostic tools (biomarkers) in clinical applications related to medical classification problems. Furthermore, the main EEG-specific frequency waves are extremely enhanced and become powerful classification tools when combined with Aristotle’s syllogisms. Finally, our findings confirm previous data showing impaired cognitive flexibility in AN and suggest that olfactory capacity is altered in AN: Qualitative characteristics of olfaction were affected in patients with AN (lower odor identification), while there was no difference in quantitative characteristics (odor threshold) compared with healthy controls. Furthermore, odor identification in AN was correlated to cognitive flexibility.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ψυχογενής ανορεξία έχει συνδεθεί με μειωμένη γνωστική ευελιξία και αδύναμη κεντρική συνοχή, δηλ. ικανότητα να παρέχεται η σφαιρική εικόνα για τη σύνθετη πληροφορία. Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η αξιολόγηση των ηλεκτροεγκεφαλογραφικών (ΗΕΓ) χαρακτηριστικών που εξήχθησαν από ασθενείς με ψυχογενή ανορεξία και υγιείς μάρτυρες κατά τη διάρκεια νοητικών στόχων (έγκυρους και άκυρους αριστοτελικούς συλλογισμούς, παράδοξα και οπτικές παραισθήσεις). Επιπρόσθετα, σκοπός αυτής της μελέτης ήταν να προσδιοριστεί η γνωστική ευελιξία σε ασθενείς με ψυχογενή ανορεξία και υγιείς συμμετέχοντες. Η νευροανατομία του οσφρητικού συστήματος και η συχνά παρατηρούμενη οσφρητική δυσλειτουργία σε νευροεκφυλιστικές νόσους υποδηλώνουν κάποια συσχέτιση ανάμεσα στην όσφρηση και συγκεκριμένες πτυχές της νόησης. Επιπλέον, η συσχέτιση της οσφρητικής ικανότητας με τη διατροφική συμπεριφορά έχουν οδηγήσει το ερευνητικό ενδιαφέρον στη διερεύνηση των χαρακτηριστικών της όσφρησης στις Διαταραχές Πρόσληψης Τροφής (ΔΠΤ). Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, μελετήσαμε την οσφρητική ικανότητα σε ενήλικες με ψυχογενή ανορεξία (ΨΑ) με γνώμονα την ικανότητα ταυτοποίησης οσμών και την οσφρητική ευαισθησία και διερευνήσαμε πιθανές συσχετίσεις της ικανότητας ταυτοποίησης οσμών με τη γνωστική ευελιξία σε αυτόν τον πληθυσμό, συγκριτικά με υγιείς μάρτυρες. ΜΕΘΟΔΟΣ Συγκεκριμένα, εξετάσαμε τον συνδυασμό των σημαντικότερων συλλογισμών με επιλεγμένα χαρακτηριστικά (Σχετική ισχύς στο πεδίο χρόνου-συχνότητας και εξειδικευμένα ΗΕΓ κύματα εκτιμώμενα από κυματομορφές, αλγόριθμο μορφοκλασματικής διάστασης Higuchi (HFD), και προσεγγιστική εντροπία (AppEn)). Η γνωστική ευελιξία προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας τη δοκιμασία Μετατόπισης προσοχής Εντός/Εκτός αντιληπτικής Διάστασης (ΜΕΝΔ/ΜΕΚΔ), μια από τις δοκιμασίες της νευροψυχολογικής συστοιχίας Cambridge Neuropsychological Test Automated Battery (CANTAB). Η ικανότητα ταυτοποίησης οσμών εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας τη δοκιμασία ταυτοποίησης οσμών University Pennsylvania Smell Identification Test και η οσφρητική ευαισθησία εκτιμήθηκε με δοκιμασία ανίχνευσης για την ουσία n-βουτανόλη (όριο ανίχνευσης). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα ευρήματα της μελέτης έδειξαν ότι τα κύματα άλφα, βήτα, γάμμα, θήτα και η AppEn είναι τα καταλληλότερα μέτρα, τα οποία, όταν συνδυαστούν με συγκεκριμένους συλλογισμούς, δημιουργούν ένα ισχυρό εργαλείο για να κατηγοριοποιηθούν αποτελεσματικά υγιή υποκείμενα και ασθενείς με ΨΑ. Εκτιμήσαμε την απόδοση τριαδικών συνδυασμών “χαρακτηριστικό-συλλογισμός-κατηγοριοποιητής” μέσω τεχνικών μηχανικής μάθησης προκειμένου να κατηγοριοποιηθούν σωστά νέα υποκείμενα σε αυτές τις δύο ομάδες. Οι ακόλουθες τριάδες επιτυγχάνουν τις βέλτιστες κατηγοριοποιήσεις: (α) “AppEn-άκυρος-ensemble BT κατηγοριοποιητής” (ακρίβεια 83.3%), (β) “Higuchi FD-έγκυρος-linear discriminant” (ακρίβεια 75%), (γ) “εύρος άλφα δραστηριότητας-έγκυρος-SVM” (ακρίβεια 83.3%), (δ) “άλφα RP-παράδοξο-ensemble BT” (ακρίβεια 85%), (ε) “βήτα RP-έγκυρος-ensemble” (ακρίβεια 85%), (στ) “γάμμα RP-έγκυρος-SVM” (ακρίβεια 85%) ή “γάμμα RP-οπτικές παραισθήσεις-SVM” (ακρίβεια 80%), (ζ) “θήτα RP-έγκυρος-KNN” (ακρίβεια 80%) και (η) “θήτα RP-οπτικές παραισθήσεις-Ensemble SD” (ακρίβεια 95%). Ασθενείς με ΨΑ εμφάνισαν πτωχή γνωστική ευελιξία συγκριτικά με υγιείς μάρτυρες (p=0.003). Οι ασθενείς με ΨΑ παρουσίασαν χαμηλότερη επίδοση στην ταυτοποίηση οσμών συγκριτικά με υγιείς μάρτυρες (p=0.001). Δε διαπιστώθηκαν διαφορές στην οσφρητική ευαισθησία, μεταξύ των δύο ομάδων. Σημαντική συσχέτιση μεταξύ της ικανότητας ταυτοποίησης οσμών και της γνωστικής ευελιξίας καταγράφηκε στην ΨΑ (p=0.01), αλλά όχι στους μάρτυρες. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα ευρήματα της μελέτης υποδεικνύουν ότι η ΨΑ διαθέτει ειδικό πρότυπο επεξεργασίας πληροφοριών σε συλλογιστικούς στόχους στον εγκέφαλο, όπως μετρήθηκε με την ΗΕΓ δραστηριότητα. Επίσης, τα ευρήματα αυτά συνεισφέρουν στο να υποστηριχθεί περαιτέρω η θέση ότι χαρακτηριστικά με εντροπικό προσανατολισμό, δηλ. στηριζόμενα σε πληροφορίες (το μέτρο της AppEn που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη) είναι πολλά υποσχόμενα διαγνωστικά εργαλεία (βιοδείκτες) σε κλινικές εφαρμογές σχετιζόμενες με προβλήματα ιατρικής ταξινόμησης. Επιπλέον, τα βασικά κύματα συγκεκριμένων ΗΕΓ συχνοτήτων, ενισχύονται εξαιρετικά και καθίστανται ισχυρά εργαλεία κατηγοριοποίησης όταν συνδυάζονται με αριστοτελικούς συλλογισμούς. Τέλος, τα ευρήματά μας επιβεβαιώνουν προηγούμενα δεδομένα καταδεικνύοντας μειωμένη γνωστική ευελιξία στην ΨΑ και υποδηλώνουν ότι η οσφρητική ικανότητα τροποποιείται στην ΨΑ: Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της όσφρησης προέκυψαν επηρεασμένα σε ασθενείς με ΨΑ (μειωμένη ικανότητα ταυτοποίησης οσμών), ενώ δεν υπήρξε διαφορά ως προς τα ποσοτικά χαρακτηριστικά (ουδός οσφρητικών ερεθισμάτων) συγκριτικά με υγιείς μάρτυρες. Επιπλέον, η ταυτοποίηση οσμών στην ΨΑ συσχετίστηκε με τη γνωστική ευελιξία.