Brain functional interactions: quantitative evaluation in physiological and pathological conditions

The study of the brain functional interactions is fundamental to understand the mechanisms generating neurophysiological functions and pathological conditions. The complexity of the human brain and of its functional interaction patterns are still not fully comprehended and further investigations are needed. Electroencephalography (EEG) is particularly suited to grasp the dynamics of the mutable brain functional organization, by directly measuring the neural correlates with high temporal resolution. Moreover, the invasive intracerebral EEG, providing multi-channel recordings from cortical areas and deep structures, adds the possibility of an even more direct exploration of the functional and dysfunctional patterns of interactions at different time and spatial scales, finding its principal application in the study of brain network disorders, such as epilepsy. From a functional point of view, epilepsy is described as a network disorder in which altered brain rhythms, abnormal neural interactions, complex functional connectivity and dynamics play a fundamental role for the rising of epileptic seizures and their propagation. In this context, the present PhD dissertation addresses three complementary aspects of the study of cerebral interactions taking advantage of both invasive and non-invasive EEG: functional network interactions, rhythms synchronization and waves propagation. The studies presented in this thesis aim at the identification and development of analysis methods to describe and provide quantitative measures of the EEG functional interactions in physiological and pathological conditions. A new time-frequency adaptation of a functional clustering approach exploiting the Tononi’s Cluster Index is presented aiming at developing a data-driven tool for the investigation of the functional patterns of electroencephalographic activity at different time and frequency scales. The proposed method is then employed to prove that the sleep stages exert a specific influence on the epileptiform activity. The whole study was carried out on a set of Stereo-electroencephalographic recordings of seven patients affected by Focal Cortical Dysplasia Type II (FCD-II) with Sleep Hypermotor Epilepsy (SHE). The non-linear brain-rhythms interaction issue is addressed by examining the EEG response to a visual stimulation protocol in a group of healthy subjects and patients affected by photosensitive epilepsy (PSE), using the higher order spectral analysis. From a physiological point of view, the study confirmed the non-linear behavior of the cortex in response to rhythmic visual stimulation, while the bicoherence was shown useful for the investigation of the interactions between stimulus-related frequency components. Finally, a method to study the traveling of brain waves within cortical structures is proposed. The main focus is on the feasibility of the cortical traveling wave analysis adaptation to a SEEG framework and the extraction of useful measures to describe the epileptic network. In conclusion, this dissertation proposes innovative tools for the research on brain functional interactions and for the study of the physio-pathological mechanisms in epilepsy from different perspectives.

Lo studio delle interazioni funzionali cerebrali risulta fondamentale per capire i meccanismi alla base delle funzioni neurofisiologiche e di varie condizioni patologiche. La complessità del cervello umano e dei suoi schemi di interazione non sono tutt’oggi completamente compresi, per questo motivo si rendono necessari ulteriori studi in questa direzione. L’elettroencefalografia (EEG) è una tecnica d’indagine particolarmente adatta a cogliere le dinamiche di continuo cambiamento dell’organizzazione funzionale corticale, permettendo di registrare direttamente l’attività elettrica cerebrale con elevata risoluzione temporale. Inoltre, l’elettroencefalografia invasiva permette di analizzare ancora più da vicino i meccanismi di interazione fisiopatologici a diverse scale spaziali e temporali, attraverso la registrazione multicanale delle strutture corticali di profondità. L’EEG intracerebrale è particolarmente utile per lo studio dei disordini cerebrali associati ad anomalie della rete neuronale, come l’epilessia. Da un punto di vista funzionale, l’epilessia viene infatti attualmente descritta come un disturbo di rete, dove alterazioni dei ritmi fisiologici e delle interazioni neuronali, nonché complesse dinamiche funzionali, giocano un ruolo fondamentale nella generazione delle attività epilettiformi e della loro propagazione. In questo contesto, la presente tesi di dottorato affronta tre aspetti complementari relativi allo studio delle interazioni cerebrali, sfruttando sia registrazioni di EEG invasivo che non invasivo. Tali aspetti sono le interazioni di rete, la sincronizzazione non lineare dei ritmi e la propagazione di eventi. Gli studi presentati mirano quindi allo sviluppo di metodi di analisi per descrivere le interazioni funzionali fisiologiche e patologiche, oltra a fornirne misure quantitative. Nel primo lavoro descritto, viene proposto un metodo di clustering funzionale in grado di applicare l’indice di cluster di Tononi sfruttando una struttura tempo-frequenza, al fine di fornire un algoritmo di analisi multi-scala. Il metodo implementato è quindi applicato a dati di stereo-elettroencefalografia di pazienti affetti da epilessia focale e Sleep Hypermotor Epilepsy (SHE) con lo scopo di indagare l’effetto degli stadi del sonno sull’organizzazione della rete epilettogena. Lo studio delle interazioni non-lineari tra i ritmi è stato affrontato tramite l’analisi dell’attività registrata da EEG di superficie in risposta a stimolazioni visive, in un gruppo di soggetti sani e di pazienti affetti da epilessia fotosensibile. L’utilizzo di metodi di analisi spettrale di ordine superiore ha permesso di confermare il comportamento non lineare della corteccia visiva in risposta a stimolazioni ritmiche e, allo stesso tempo, è stato possibile dimostrare la validità di misure di bicoerenza per la caratterizzazione di tale fenomeno. Infine, a conclusione dell’elaborato, si riporta uno studio riguardante l’applicazione di metodi innovativi per la caratterizzazione della propagazione di eventi epilettiformi all’interno delle strutture della corteccia cerebrale, sfruttando registrazioni di stereo-elettroencefalografiche. In conclusione, la presente tesi di dottorato propone una serie di metodi per lo studio delle interazioni funzionali caratterizzanti le attività fisiopatologiche dell’epilessia analizzandole sotto diverse prospettive.