EEG-fMRI analysis for the study of brain mechanisms during photic stimulation

In the last decades, the improvements in the neuroimaging techniques have allowed a better understanding of the mechanisms of cerebral activity, both in physiology and in pathology. The Electroencephalography (EEG) technique measures instantaneously the synchronized electrical activity of large populations of neurons, by applying electrodes on the scalp. Its high temporal resolution makes it suitable for studying brain activity on the neuronal time scale. However, its main drawback is the low spatial resolution, which makes difficult to infer the spatial location of the neuronal sources in the brain. On the other hand, the functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) technique measures the metabolic and hemodynamic brain activity through the Blood Oxygenated Level Dependent (BOLD) contrast. This technique provides an excellent spatial resolution, but has the drawback of measuring the oxygenation changes, which are only indirectly related to neuronal activity, with a low temporal resolution. It is apparent that using a single modality for studying the cerebral activity does not allow to capture the brain complex nature. A comprehensive view can be obtained only by integrating complementary neuroimaging modalities. The aim of the present thesis was to evaluate the brain response to photic stimulation in a cohort of healthy subjects and one photosensitive patient, using the information provided by simultaneous EEG-fMRI recordings. To this end, the EEG and fMRI unimodal analyses were combined with two asymmetrical multimodal approaches: the EEG-informed fMRI and the fMRI-informed EEG analyses. The EEG and fMRI data were recorded from a group of eleven healthy volunteers and a patient affected by photosensitive epilepsy, due to the presence of a dysplasia in the right occipital cortex; they were recorded simultaneously during two tasks of hemilateral intermittent photic stimulations (IPS), in the left and right hemifields respectively, consisting of resting state blocks alternated with IPS blocks at 8, 10, and 12 Hz. The fMRI analysis has been done using a General Linear Model approach, which allowed the identification of the cerebral regions significantly activated by IPS; the BOLD responses originated in these areas were then extracted and quantitatively analyzed. The EEG analysis, instead, was performed by using the Morlet continuous wavelet transform (CWT) to evaluate the changes of the frequency content due to the stimulations. The EEG-informed fMRI analysis was applied to identify the brain areas with significant BOLD response to the EEG power variation in the IPS frequencies, thus using directly the information on neuronal activity in the GLM design. In a symmetric way, in the fMRI-informed EEG analysis the electromagnetic source reconstruction was guided using the information obtained from fMRI, specifically the position of the fMRI regions involved in IPS. The fMRI results on the healthy subjects showed the main involvement of the occipital region contralateral to the hemifield of IPS. The patient exhibited an asymmetric fMRI response to IPS in the two hemifields: indeed, the stimulation in the left hemifield elicited the activation of a wider region in the contralateral hemisphere (the dysplastic one) compared to the right hemifield stimulation, which induced the activity of a much more concentrated area in the left occipital region.The EEG results provided information on the neuronal processing of visual stimulation: in the healthy subjects’ occipital channels, the EEG power in the alpha band, high during resting state, showed a desynchronization immediately after the IPS onset, followed by the establishment of a new rhythm, still in the alpha band; interestingly, the patient showed a similar desynchronization only in the left hemisphere response to the homolateral IPS, while the establishment of a new rhythm was not present in the right dysplastic occipital channel response. In the patient, the CWT analysis allowed to detect the presence of a frontal activation in the left dominant hemisphere, enhanced by IPS, which was not found in the healthy controls. In the literature, the frontal hyperactivity has been shown to be related to the epileptic pathology (Artieda et al., 1993; Varotto et al., 2012). The results obtained from the EEG-informed fMRI analysis showed that the occipital regions, prevalently in the hemisphere contralateral to the stimulated hemifield, responded positively to the EEG power increases at 8 Hz and 12 Hz, mainly induced by IPS, and negatively to the ones at 10 Hz, which was the frequency of stimulation closest to the basal rhythm. Regarding the epileptic patient, the integration of the EEG and fMRI techniques confirmed the activation of the dysplastic brain region, already resulted from the previous unimodal fMRI analysis, in response to the abnormal EEG power changes. As concerned the fMRI-informed EEG technique, the obtained results had a minor quality compared to the ones emerging from the complementary multimodal method, as known from literature (Huster et al., 2012). The lower interpretability of the results may be related to the fact that the source reconstruction techniques are particularly sensitive to any artifacts of the EEG signals; as a consequence, it was not possible to perform a group analysis of the healthy subjects. It was possible to identify the exact position of the most active dipoles only in the analysis of a single patient. However, the patient’s results showed a peculiar behavior of the dysplastic region that confirmed the previous EEG findings: the left IPS did not show a change in the activity of the contralateral dysplastic area, especially for the 10/12 Hz stimulation, probably due to the impossibility of the dysplastic region to synchronize to the stimulation.

Gli sviluppi delle tecniche di neuroimaging conseguiti negli ultimi decenni hanno permesso di accrescere sempre di più la conoscenza dei diversi meccanismi di funzionamento dell’attività neuronale, in condizioni sia fisiologiche sia patologiche. L’ Elettroencefalografia (EEG) è una tecnica deputata allo studio dell’encefalo, che consente la registrazione istantanea dell’attività elettrica sincronizzata di una vasta distribuzione di neuroni per mezzo di elettrodi applicati sullo scalpo. Il suo maggior vantaggio consiste nell’alta risoluzione temporale, che la rende particolarmente adatta allo studio dell’attività cerebrale nel tempo, mentre presenta una scarsa risoluzione spaziale: è molto difficile, infatti, riuscire a risalire all’esatta localizzazione cerebrale delle sorgenti neuronali. In modo complementare, la Risonanza Magnetica Funzionale (fMRI) permette di misurare la variazione dell’attività metabolica ed emodinamica del cervello in funzione del livello di ossigenazione del sangue, tramite l’uso del contrasto BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent). Questa tecnica ha un’eccellente risoluzione spaziale, ma il suo punto debole consiste nel misurare le variazioni di ossigenazione che sono solo indirettamente legate all’attività neuronale, con una bassa risoluzione temporale. Risulta evidente, quindi, come l’utilizzo separato di queste due modalità di analisi non permetta di cogliere pienamente la complessità dei fenomeni cerebrali, mentre una loro integrazione possa consentire una visione più globale. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di valutare le risposte cerebrali alla stimolazione luminosa intermittente in un gruppo di soggetti sani e di una paziente fotosensibile, usando le informazioni fornite dalle registrazioni simultanee di EEG e fMRI. A questo proposito, i risultati ottenuti dall’applicazione delle analisi unimodali EEG e fMRI sono stati coniugati con quelli di due approcci multimodali asimmetrici: le analisi EEG-informed fMRI e fMRI-informed EEG. I dati EEG e fMRI considerati provengono da un gruppo di undici volontari sani e da una paziente affetta da epilessia fotosensibile, dovuta alla presenza di una displasia nella corteccia occipitale destra. Entrambi i segnali sono stati registrati contemporaneamente durante due prove di stimolazione luminosa intermittente (IPS), una per l’emicampo sinistro e l’altra per il destro, entrambe svolte alternando condizioni di riposo e IPS a diverse frequenze: 8, 10 e 12 Hz. L’analisi delle risposte fMRI è stata svolta tramite l’applicazione del General Linear Model (GLM), che ha permesso di identificare le regioni cerebrali maggiormente attivate dalla stimolazione; le risposte BOLD generate in queste aree sono poi state estratte e analizzate quantitativamente. Per valutare le variazioni del contenuto in frequenza dei segnali EEG dettate dalle stimolazioni è stata effettuata un’analisi tempo-frequenza per mezzo della trasformata wavelet continua (CWT) della famiglia di Morlet. Lo scopo dell’approccio multimodale EEG-informed fMRI, invece, è stato quello di identificare le regioni cerebrali con risposta BOLD significativa, in base alle variazioni di potenza EEG indotte dalle diverse frequenze di IPS, utilizzando queste stesse informazioni sull’attività neuronale direttamente nel GLM. In modo analogo, nell’analisi fMRI-informed EEG la localizzazione delle sorgenti elettriche cerebrali è stata guidata dalle informazioni emodinamiche ottenute dall’fMRI in merito alla localizzazione delle regione coinvolte con la stimolazione. I risultati della prima analisi hanno mostrato come, nei soggetti sani, la risposta alla stimolazione prevalga nell’emisfero controlaterale all’emicampo stimolato; nel caso patologico invece è emersa una risposta asimmetrica dei due emisferi: la stimolazione sinistra ha provocato l’attivazione di una regione più estesa nell’emisfero controlaterale (displasico), rispetto a quella destra che invece ha attivato aree più circoscritte dell’emisfero sinistro. L’esito dell’analisi EEG ha aggiunto informazioni importanti in merito alla risposta elettrica dell’encefalo al task visivo mostrando, una maggiore potenza EEG nella banda alfa dei segnali elettroencefalografici di tutti i canali occipitali dei soggetti di controllo durante il riposo, una desincronizzazione immediatamente successiva all’inizio della stimolazione luminosa e un assestamento finale ad un nuovo ritmo, sempre nella stessa banda di frequenze. Particolarmente interessante è stato notare come lo stesso comportamento sia stato riscontrato solo nei segnali occipitali sinistri della paziente durante stimolazione omolaterale, mentre questo instaurarsi di un nuovo ritmo non era presente nelle risposte dei canali occipitali relativi all’emisfero displasico. In aggiunta, si è però evidenziata un’attivazione, assente nella popolazione di controllo, dei canali frontali dell’emisfero non displasico. Dalla letteratura è emerso, infatti, che questa iperattività dei frontali dell’emisfero dominante è una caratteristica tipica di questo genere di epilessia (Artieda et al., 1993; Varotto et al., 2012). I risultati ottenuti dall’analisi EEG-informed fMRI hanno mostrato nei soggetti sani una risposta BOLD positiva all’aumento di potenza EEG, indotta dalle stimolazioni a 8 e 12 Hz, e una risposta BOLD negativa nel caso delle variazioni di potenza a 10 Hz, ovvero la frequenza di stimolazione più vicina al ritmo basale. In relazione al caso patologico, è stata confermata l’attivazione delle regioni cerebrali displasiche ottenuta dall’approccio unimodale fMRI, in risposta alle anormali variazioni di potenza EEG. Infine, l’analisi fMRI-informed EEG ha riscontrato una peggiore qualità di risultati rispetto al precedente approccio multimodale, come già noto dalla letteratura (Huster et al., 2012). La difficile interpretazione dei risultati può essere legata al fatto che questa tecnica sia molto sensibile alla presenza di vari artefatti nel segnale EEG: di conseguenza, non è stato possibile eseguire un’analisi a livello di gruppo sulla popolazione di controllo, ma si è proceduto a localizzare l’esatta posizione dei dipoli più attivi solo per un singolo soggetto sano e per la paziente epilettica. I risultati di quest’ultima vanno a confermare le osservazioni fatte sull’analisi EEG, facendo emergere una grande differenza di attivazione dei due emisferi cerebrali: quello displasico non è in grado di rispondere alle stimolazioni, in particolare quelle di 10 e 12 Hz.