Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση των
χαρακτηριστικών των σύγχρονων νευρικών αλληλεπιδράσεων (synchronous neural
interactions – SNI), όπως εκφράζονται στο εγκεφαλογραφικό σήμα μέσω των
σύγχρονων μερικών ετεροσυσχετίσεων (partial cross-correlations – 0 ij 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
Integrative Moving Average – ARIMA) από την οποία λήφθηκαν οι στάσιμες
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 Sjogren, 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.
(EL)
DYNAMIC STUDY THROUGH THE USE OF MAGNETOENCEPHALOGRAPHY –
ELECTROENCEPHALOGRAPHY OF PATIENTS WITH COGNITIVE DEFICITS.
Elissaios Karageorgiou.
PhD Dissertation. Division of Social Medicine, Psychiatry and Neurology, Medical
School, National and Kapodistrian University of Athens, Greece. January 12,
2015.
Thesis Supervisors: Nikolaos Smyrnis, Apostolos P. Georgopoulos.
Key Words: Magnetoencephalography, Cognitive Deficits, Electroencephalography.
The main goal of this doctoral thesis was to elucidate the characteristics of
synchronous
neural interactions (SNI), as represented in the encephalographic signal, in
patients with
cognitive disorders.
In the first part of the present thesis, a diagnostic test to assess the
dynamic brain
function at high temporal resolution using magnetoencephalography (MEG) is
described.
The essence of the test is the measurement of the dynamic SNI, an essential
aspect of
brain function. MEG signals were recorded from 248 axial gradiometers while 142
human subjects fixated a spot of light for 45–60 s. After fitting an
autoregressive
integrative moving average (ARIMA) model and taking the stationary residuals,
all
pairwise, zero-lag, partial cross-correlations ( 0
ij 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
respective
groups (multiple sclerosis, Alzheimer’s disease, schizophrenia, Sjogren’s
syndrome,
0
ij z
xvi
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.
(EN)
