133 research outputs found
Causal hierarchy within the thalamo-cortical network in spike and wave discharges
No full textBackground: Generalised spike wave (GSW) discharges are the electroencephalographic (EEG) hallmark of absence seizures, clinically characterised by a transitory interruption of ongoing activities and impaired consciousness, occurring during states of reduced awareness. Several theories have been proposed to explain the pathophysiology of GSW discharges and the role of thalamus and cortex as generators. In this work we extend the existing theories by hypothesizing a role for the precuneus, a brain region neglected in previous works on GSW generation but already known to be linked to consciousness and awareness. We analysed fMRI data using dynamic causal modelling (DCM) to investigate the effective connectivity between precuneus, thalamus and prefrontal cortex in patients with GSW discharges. Methodology and Principal Findings: We analysed fMRI data from seven patients affected by Idiopathic Generalized Epilepsy (IGE) with frequent GSW discharges and significant GSW-correlated haemodynamic signal changes in the thalamus, the prefrontal cortex and the precuneus. Using DCM we assessed their effective connectivity, i.e. which region drives another region. Three dynamic causal models were constructed: GSW was modelled as autonomous input to the thalamus (model A), ventromedial prefrontal cortex (model B), and precuneus (model C). Bayesian model comparison revealed Model C (GSW as autonomous input to precuneus), to be the best in 5 patients while model A prevailed in two cases. At the group level model C dominated and at the population-level the p value of model C was ∼1. Conclusion: Our results provide strong evidence that activity in the precuneus gates GSW discharges in the thalamo-(fronto) cortical network. This study is the first demonstration of a causal link between haemodynamic changes in the precuneus - an index of awareness - and the occurrence of pathological discharges in epilepsy. © 2009 Vaudano et al
Mutual information identifies spurious Hurst phenomena in resting state EEG and fMRI data
No full textLong-range memory in time series is often quantified by the Hurst exponent H, a measure of the signal's variance across several time scales. We analyze neurophysiological time series from electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) resting state experiments with two standard Hurst exponent estimators and with the time-lagged mutual information function applied to discretized versions of the signals. A confidence interval for the mutual information function is obtained from surrogate Markov processes with equilibrium distribution and transition matrix identical to the underlying signal. For EEG signals, we construct an additional mutual information confidence interval from a short-range correlated, tenth-order autoregressive model. We reproduce the previously described Hurst phenomenon (H>0.5) in the analytical amplitude of alpha frequency band oscillations, in EEG microstate sequences, and in fMRI signals, but we show that the Hurst phenomenon occurs without long-range memory in the information-theoretical sense. We find that the mutual information function of neurophysiological data behaves differently from fractional Gaussian noise (fGn), for which the Hurst phenomenon is a sufficient condition to prove long-range memory. Two other well-characterized, short-range correlated stochastic processes (Ornstein-Uhlenbeck, Cox-Ingersoll-Ross) also yield H>0.5, whereas their mutual information functions lie within the Markovian confidence intervals, similar to neural signals. In these processes, which do not have long-range memory by construction, a spurious Hurst phenomenon occurs due to slow relaxation times and heteroscedasticity (time-varying conditional variance). In summary, we find that mutual information correctly distinguishes long-range from short-range dependence in the theoretical and experimental cases discussed. Our results also suggest that the stationary fGn process is not sufficient to describe neural data, which seem to belong to a more general class of stochastic processes, in which multiscale variance effects produce Hurst phenomena without long-range dependence. In our experimental data, the Hurst phenomenon and long-range memory appear as different system properties that should be estimated and interpreted independently.Fil: Von Wegner, Frederic. Goethe Universitat Frankfurt; AlemaniaFil: Laufs, Helmut. University Hospital Kiel; Alemania. Goethe Universitat Frankfurt; AlemaniaFil: Tagliazucchi, Enzo Rodolfo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Goethe Universitat Frankfurt; Alemani
Human non-REM sleep and the mean global BOLD signal
No full textA hallmark of non-rapid eye movement (REM) sleep is the decreased brain activity as measured by global reductions in cerebral blood flow, oxygen metabolism, and glucose metabolism. It is unknown whether the blood oxygen level dependent (BOLD) signal undergoes similar changes. Here we show that, in contrast to the decreases in blood flow and metabolism, the mean global BOLD signal increases with sleep depth in a regionally non-uniform manner throughout gray matter. We relate our findings to the circulatory and metabolic processes influencing the BOLD signal and conclude that because oxygen consumption decreases proportionately more than blood flow in sleep, the resulting decrease in paramagnetic deoxyhemoglobin accounts for the increase in mean global BOLD signal.Fil: McAvoy, Mark P.. Washington University in St. Louis; Estados UnidosFil: Tagliazucchi, Enzo Rodolfo. Institut du Cerveau et de la Moelle épinière; Francia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Laufs, Helmut. Christian-albrechts-universität Zu Kiel; . Goethe Universitat Frankfurt; AlemaniaFil: Raichle, Marcus E.. Washington University in St. Louis; Estados Unido
The Voxel-Wise Functional Connectome Can Be Efficiently Derived from Co-activations in a Sparse Spatio-Temporal Point-Process
No full textLarge efforts are currently under way to systematically map functional connectivity between all pairs of millimeter-scale brain regions based on large neuroimaging databases. The exploratory unraveling of this "functional connectome" based on functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) can benefit from a better understanding of the contributors to resting state functional connectivity. In this work, we introduce a sparse representation of fMRI data in the form of a discrete point-process encoding high-amplitude events in the blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal and we show it contains sufficient information for the estimation of functional connectivity between all pairs of voxels. We validate this method by replicating results obtained with standard whole-brain voxel-wise linear correlation matrices in two datasets. In the first one (n = 71), we study the changes in node strength (a measure of network centrality) during deep sleep. The second is a large database (n = 1147) of subjects in which we look at the age-related reorganization of the voxel-wise network of functional connections. In both cases it is shown that the proposed method compares well with standard techniques, despite requiring only data on the order of 1% of the original BOLD signal time series. Furthermore, we establish that the point-process approach does not reduce (and in one case increases) classification accuracy compared to standard linear correlations. Our results show how large fMRI datasets can be drastically simplified to include only the timings of large-amplitude events, while still allowing the recovery of all pair-wise interactions between voxels. The practical importance of this dimensionality reduction is manifest in the increasing number of collaborative efforts aiming to study large cohorts of healthy subjects as well as patients suffering from brain disease. Our method also suggests that the electrophysiological signals underlying the dynamics of fMRI time series consist of all-or-none temporally localized events, analogous to the avalanches of neural activity observed in recordings of local field potentials (LFP), an observation of potentially high neurobiological relevance.Fil: Tagliazucchi, Enzo. Christian Albrechts Universitat Zu Kiel.; Alemania. University Frankfurt am Main; AlemaniaFil: Siniatchkin, Michael. Christian Albrechts Universitat Zu Kiel.; AlemaniaFil: Laufs, Helmut. University Frankfurt am Main; Alemania. University Hospital Schleswig Holstein; AlemaniaFil: Chialvo, Dante Renato. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de San Martin. Escuela de Ciencia y Tecnologia. Centro de Estudios Multidisciplinarios En Sistemas Complejos y Ciencias del Cerebro.; Argentin
EEG Veränderung bei Hyperventilation: Das Powerspektrum-EEG unter kapnographisch kontrollierter Hyperventilation
No full textEEG Veränderung bei Hyperventilation: Das Powerspektrum-EEG unter kapnographisch kontrollierter Hyperventilation.
(Absanullah Madad Fassli, Ulrich Stephani)
Einleitung:
Hyperventilation dient seit Jahrzehnten als Provokationstest bei der Durchführung von Elektroenzephalographien (EEGs) zur Untersuchung der Hirnaktivität. Die vorliegende Studie untersucht die Frage, ob und wie der Kohlendioxidpartialdruck (pCO2) die Hyperventilations-induzierten EEG-Veränderung beeinflusst. Zu diesem Zweck wurden Zusammenhänge zwischen pCO2-Veränderung und Veränderungen der EEG-Grundaktivität analysiert, dies bei nasaler bzw. oraler Atmung.
Material/Methode:
Mithilfe einer Transkapnode (Fa. Radiometer) wurde eine Hyperventilation über drei Minuten nasal bzw. oral mit einer Pause von 4 Minuten zur Messung der Veränderungen von CO2-Partialdruck und EEG-Grundaktivität bei 155 Kindern im Alter zwischen 6 und 18 Jahren mit unterschiedlichen klinischen Indikationen zum EEG durchgeführt. Die Veränderungen im EEG wurden visuell beurteilt und den Ableitungssituationen das zugehörige pCO2 zugeordnet. Die Auswertung erfolgte über deskriptive Statistik und nichtparametrische Verfahren. Intraindividuelle Vergleiche im zeitlichen Verlauf bzw. zwischen Mund- und Nasenatmung wurden über Wilcoxon-Paardifferenztests analysiert. Die Korrelation zwischen Grundaktivität während der Hyperventilation und pCO2 wurde mit dem Rangkorrelationskoeffizient nach Spearman ermittelt.
Ergebnisse:
Die Hyperventilation führte sowohl für den pCO2 als auch für die Grundaktivität zum Absinken. Es wurden signifikante Korrelationen zwischen der Veränderung des CO2-Partialdrucks und der Grundaktivität ermittelt. Nach der Hyperventilation stieg die Grundaktivität innerhalb von zwei Minuten Pause wieder bis auf das Ausgangsniveau, während die pCO2–Werte nach vier Minuten Pause noch nicht auf den Ausgangswert zurückgekehrt war.
Der Vergleich der Nasen- und Mundatmung bei der Hyperventilation zeigte eine Tendenz zu stärkerem Absinken des pCO2 und der EEG-Grundaktivität bei der Mundatmung mit signifikanten Unterschieden im Wilcoxon-Paardifferenztest mit p<0,01. Es konnte kein spezifischer CO2-Bereich zugeordnet werden, in dem EEG-Veränderungen induziert werden.
Diskussion:
Nach unserer Kenntnis der internationalen Literatur sind dies erstmalig Ergebnisse zu Korrelationen zwischen pCO2- und EEG-Grundaktivität-Werten. Der Einfluss der Hyperventilation und damit des CO2-Abfalls auf die EEG-Aktivität scheint jedoch durch ein multifaktorielles Zusammenspiel individuell geregelt zu werden. Die relativ schnelle Erholung der Grundaktivität könnte ein Hinweis darauf sein, dass die Beeinflussung temporaler wie auch frontaler Hirnareale durch die Absenkung des pCO2 nur gering ist, während die physiologischen Auswirkungen im Blutkreislauf und ggf. anderen Körperregionen größer sein können
Neuronal networks of burst suppression EEG as revealed by source analysis and renormalized partial directed coherence
No full textBurst-suppression (BS) is an electroencephalography (EEG) pattern consist-ing of alternative periods of slow waves of high amplitude (the burst) and periods of so called flat EEG (the suppression). It is generally associated with the reduced level of consciousness.
The aim of this study was to reveal the neuronal network underlying both burst and suppression phases using a source analysis method: dynamic imaging of coherent sources (DICS) and to describe the effective connectivity between the identified sources using renormalized partial directed coherence (RPDC).
DICS was applied separately to the EEG segments of 13 neonates with burst and suppression EEG pattern. Power spectrum analyses were performed to identify the predominant frequencies. The brain area with the strongest power in the analyzed frequency (1-4 Hz) range was defined as the reference region. DICS was used to compute the coher-ence between this reference region and the entire brain. RPDC was used to describe the in-formational flow between the described sources.
Delta activity during burst phases was associated with sources in the thalamus and brainstem as well as bilateral sources in the cortical regions mainly frontal and parietal, whereas suppression phases were associated with coherent sources only in the cor-tical regions. Results of the RPDC analyses showed an ascending informational flow from the brainstem towards the thalamus and from the thalamus to cortical regions, which was absent during suppression phases. Especially those brain regions were affected, that are im-portant for cognitive processing. The results of this study strengthen the assumption that there is a specific periodicity of neural activity and that thalamocortical deafferentiation is an essential feature of BS. Thus a burst can be understood as short, repetitive recovery of cortical neural dynamics. The described deafferentation may play a role in the poor neuro-logical outcome in these encephalopathies
Multifokale Epilepsie ist mit einer gesteigerten funktionellen Konnektivität assoziiert – Eine kombinierte EEG-fMRT-Studie
No full textMultifokale epileptische Aktivität ist ein ungünstiges Merkmal einer Vielzahl von epileptischen Syndromen (Lennox-Gastaut-Syndrom, West Syndrom und schwere fokale Epilepsien) und geht mit einer generellen Vulnerabilität des Gehirns für pathologische Synchronisation einher. Die zu Grunde liegenden Mechanismen der multifokalen Aktivität sind bisher noch ungenügend erforscht. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob pathologische Konnektivität innerhalb der Hirnregionen des Default mode Netzwerkes sowie Thalamus, Hirnstamm und retrosplenialer Cortex Individuen für multifokale epileptische Aktivität prädisponiert. Hierfür wurden insgesamt 33 Kinder mit multifokaler und monofokaler (Kontrollgruppe) Epilepsie mittels kombiniertem EEG-fMRT während des Schlafs untersucht. Patienten mit monofokaler Epilepsie waren charakterisiert durch starke Korrelationen zwischen den korrespondierenden interhemisphärischen homotopen Regionen. Dieses Muster mit ausgeprägter Kurzdistanz- und schwacher Langdistanz-Konnektivität ähnelt dem Konnektivitätsmuster, welches für gesunde Kinder beschrieben ist. Patienten mit multifokaler epileptischer Aktivität zeigten hingegen erheblich stärkere Korrelationen zwischen einer Vielzahl von Regionen des DMN sowie dem Thalamus und Hirnstamm mit signifikantem Anstieg der langstreckigen Konnektivität im Vergleich zu den Kindern mit monofokaler epileptischer Aktivität. Innerhalb der Gruppe der Patienten mit multifokaler Epilepsie gab es keine Unterschiede hinsichtlich der funktionellen Konnektivität zwischen Patienten mit oder ohne Lennox-Gastaut-Syndrom. Diese Studie zeigt, dass multifokale Aktivität mit einer gesteigerten funktionellen Konnektivität des Hirns auf den langen Distanzen assoziiert ist. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass diese ausgeprägte funktionelle Konnektivität die generelle Vulnerabilität des Hirns für pathologische Synchronisation darstellt
Neuropsychological aspects of electroencephalographical photosensitivity in children and adolescents
No full textDie enge Assoziation der elektroenzephalographischen Photosensibilität (PPR) mit dem Auftreten von Epilepsie wird allgemein postuliert. Es ist bekannt, dass die PPR gehäuft insbesondere bei generalisierten Epilepsien auftritt. Insbesondere bei der juvenilen myoklonischen Epilepsie (JME) werden in der Literatur besondere neuropsychologische Eigenschaften beschrieben. Die vorliegende Arbeit wendet sich der Frage zu, inwieweit auch bei Probanden mit PPR neuropsychologische Besonderheiten gefunden werden können, bzw. ob Unterschiede zu zwischen PPR – positiven und -negativen Probanden zu finden sind.
In einer explorativ angelegten Studie mit 78 Kindern und Jugendlichen wurden neuropsychologische Test durchgeführt: Vier Gruppen von Probanden mit und ohne Photosensibilität mit und ohne Epilepsie wurden hinsichtlich des prospektiven Gedächtnisses sowie der Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnisleistungen untersucht. Desweitern wurde die Konzentrationsfähigkeit, Aufmerksamkeit und Impulsivität betrachtet und Persönlichkeitsmerkmale anhand der Selbsteinschätzung der Persönlichkeit verglichen.
Im Vergleich der Gruppen waren für die Phasen des prospektiven Gedächtnisses Plankomplexität, Planerinnerung und Planausführung keine signifikanten Unterschiede zwischen den 4 Gruppen zu verzeichnen.
Die Planinitiierung war allerdings signifikant different: Im paarweisen Vergleich der Gruppen gegenüber der Referenzgruppe ohne Epilepsie und ohne PPR zeigte sich, dass die photosensiblen Studienteilnehmer ohne Epilepsie signifikant öfter die Aufgabe korrekt initiierten.
Sowohl bei der Untersuchung des Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnisses, der Konzentrationsfähigkeit, Aufmerksamkeit und Impulsivität als auch bezüglich externalisierender und internalisierender Persönlichkeitsmerkmale ergaben sich keine signifikanten Unterschiede
Räumliche und zeitliche Veränderungen kortikaler elektrischer Aktivität bei spontan induzierter Handmotorik
No full textZiel: Nachhaltige neuronale Aktivität kann mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) lokalisiert werden. Die Signalanalyse der Zeitreihen innerhalb und über Hirnvoxel hinweg zeigt zustandsspezifische Merkmale auf, die unser Verständnis z.B. verschiedener Bewusstseinszustände bereichern. Ähnliche Informationen sollten wir aus einer universell erhältlichen Werkzeug mit Hilfe einer bed-side Methode, dem Elektroenzephalogramm (EEG) ableiten können. Da das Oberflächen-EEG eine verschwommene Darstellung mehrerer neuronaler Quellen ist, ist eine Quellenanalyse erforderlich, um räumliche Details hinzuzufügen.
Hier validieren wir eine Quellnraumrekonstruktionsmethode, die die Analyse des laufenden EEG im Quellraum mit Methoden ermöglicht, die mit denen von fMRT-Zeitreihen vergleichbar sind: Wir testen, ob wir gut beschriebene Oberflächen-EEG-Änderungen, die durch eine Fingertappingaufgabe induziert werden, in motorkortikale Hirnregionen lokalisieren können.
Methode: 30 Probanden nahmen an einer Fingertppingaufgabe teil, die eine Desynchronisation des Oberflächen EEG induziert. Wir haben über 29 EEG-Kanäle und EMG-Elektroden über den rechten und linken M. abductor pollicis brevis aufgezeichnet und für jede Bedingung (rechte Hand, linke Hand, beide Hände, kein Tapping) sowohl im Sensor- als auch im Quellraum (minimale Varianz verzerrungsfreie Reaktion [Mindestnorm] beamforming) spektrale Leistungsdichten und weitere Analysen erstellt.
Ergebnisse: Im Sensorraum beobachteten wir einen Rückgang der 8-12 Hz-Aktivität in der Nähe von C3 und C4, die wenige Sekunden vor Beginn jeder Tappingbedingung beginnt. Im Quellbereich ist die Desynchronisierung keiner genauen Region zuzuordnen.
Diskussion: Die EEG-Desynchronisation stimmte mit anderen Analysen überein. EEG-Änderungen im Quellenraum konnten wir nicht analysieren, Hier sind verbesserte Methoden (Elektrodenanzahl, beamforming) notwendig, um ein laufendes EEG in den Quellraum zu transferieren. Dies wäre eine wichtige Voraussetzung für eine weitere quantitative EEG-Signalanalyse mit räumlichen Informationen ähnlich denen, die auf fMRI-Zeitreihen angewendet werden
Untersuchung der Medikamentenverträglichkeit und -wirksamkeit bei Patienten mit Epilepsie nach Initiierung einer Behandlung mit Brivaracetam bei im Vorfeld erfolgter Levetiracetam-Therapie: eine retrospektive Anwendungsbeobachtung
No full textAnliegen dieser retrospektiven Anwendungsbeobachtung war die Untersuchung der Medikamentenverträglichkeit und -wirksamkeit bei Epilepsiepatienten nach Initiierung einer Brivaracetam-Zusatzbehandlung bei im Vorfeld erfolgter Levetiracetam-Therapie, die erfolglos war bzgl. Anfallskontrolle bzw. Störwirkungen. Der Beobachtungszeitraum umfasste 25 Monate. Insgesamt wurden 20 Patienten > 16 Jahre mit fokaler und 1 Patient mit idiopathisch generalisierter Epilepsie untersucht. Alle Patienten mussten entweder direkt vor Umstellung der Medikation, oder in der Vorgeschichte bereits das Antikonvulsivum Levetiracetam eingenommen haben. Das Durchschnittsalter der Patienten (SD) betrug 45,2 (16,8) Jahre. Die Epilepsiedauer betrug im Mittel (SD) 20 (15,6) Jahre. Hauptbefunde: Bei insgesamt 38,1% der Patienten kam es zu einer Verbesserung hinsichtlich der unter Affekt zusammengefassten psychotropen Störwirkungen. Bei 57,1% der Patienten kam es zu einer Reduktion der Störwirkungsintensität insgesamt. Bei 47,6% der Patienten kam es zu einer Reduktion der Anfallsfrequenz. Es gab 14 Profiteure (73,7% mit Verbesserung der Störwirkungen oder Anfallsfrequenz) und 5 Nicht-Profiteure (26,3% ohne Veränderung der Nebenwirkungen bzw. mit mehr Störwirkungen oder mehr Anfällen) unter BRV-Medikation. In der Gesamtschau sind unsere Ergebnisse hinsichtlich der Verträglichkeit und Wirksamkeit einer BRV-Therapie mit den Ergebnissen bereits zu diesem Thema publizierter Studien vereinbar. Zusammenfassend kann BRV für eine Subgruppe an Patienten mit schwer einstellbarer Epilepsie und o. g. Störwirkungen unter vorangegangener frustraner Medikation mit u. a. LEV eine versuchenswerte Option in der Therapie der Epilepsie darstellen. In der Gesamtschau sind unsere Ergebnisse mit den Ergebnissen bereits zu diesem Thema publizierter Studien vereinbar
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