The neurovascular coupling of inhibitory control in elderly depression : an EEG-fMRI integrated study

The combination of electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance (fMRI) has been actively sought because of the complementary characteristics of these non-invasive functional neuroimaging techniques. EEG has a high temporal resolution, while fMRI has a high spatial resolution. The EEG-fMRI technique is used in the research and cognitive neuroscience field, in particular for the study of evoked activity in cognitive paradigms. Inhibitory control is a cognitive process that has been widely investigated in both neural (EEG) and vascular (fMRI) studies. Response inhibition has been studied both in healthy subjects and in subjects affected by psychiatric illnesses that affect this process, like major depressive disorder (MDD). Only a few studies of the inhibitory process used the multimodal approach, and no one recruited MDD subjects. The event-related potentials (ERP) analysis, of a Go/NoGo task used to elicit inhibitory response, resulted in the increase of N2 and P3 amplitude in NoGo condition, compared to Go condition. fMRI studies reported activation of the anterior cingulate cortex, dorsolateral prefrontal cortex, and inferior frontal cortex. fMRI analysis performed on depressed subjects reported an abnormal activation of the anterior and frontal cingulate areas, while EEG analysis reported inconsistent results. In this study we investigate inhibitory control on 16 subjects, all right-handed, 8 healthy controls (HC) (2M, 6F, age 68.1 y ± 11.8 y) and 8 diagnosed with MDD (4M, 4F, age 63.5 y ± 9.5 y) using a modified Go/NoGo task during simultaneous EEG-fMRI recordings. The task is performed twice, each time with a different hand. ERP analysis reports an increase of the amplitude of N2 and P3a in NoGo condition with respect to Go condition. P1 amplitude is higher in the task performed with the left hand and in older subjects. The granger connectivity analysis (GCA) reports that information inflow and outflow of selected nodes is influenced by age. Also, the information outflow of the frontal node is positively correlated with MDD group and male group. We build the general linear models (GLMs), used for the EEG-driven fMRI analysis, with a new method that exploits both amplitude and latency of the ERP peaks. The combined analysis reports the activation of the supplementary motor area and the contralateral primary motor area with respect to the hand used to perform the task. ERPs events induce a deactivation in the default mode network (DMN) and the anterior cingulate cortex. DMN result less deactivated in MDD group, compared to HC group. The thesis widely investigates the neurovascular bases of inhibitory control in healthy and MDD subjects using a modified Go/NoGo task and a new method for the EEG-driven fMRI analysis. The EEG and EEG-driven fMRI results, taken together, provide suitable information on the functional brain network involved in response inhibition and in cognitive control.

L’elettroencefalografia (EEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) sono due tecniche di neuroimaging funzionale non-invasive. EEG ha una risoluzione temporale molto elevata, mentre fMRI ha un’alta risoluzione spaziale. A causa della complementarità di queste caratteristiche, la combinazione di queste due tecniche è stata attivamente ricercata. La tecnica multimodale EEG-fMRI viene utilizzata sia nel campo della ricerca che in quello delle neuroscienze cognitive, in particolare per lo studio dell’attività evocata da paradigmi cognitivi. Il controllo inibitorio è un processo cognitivo che è stato largamente studiato sia dal punto di vista neuronale (EEG), che dal punto di vista vascolare (fMRI). La risposta inibitoria è stata studiata sia in soggetti sani che in soggetti affetti da malattie psichiatriche che modificano questo processo cognitivo, come il disturbo depressivo maggiore (DDM). Solo pochi studi del processo inibitorio hanno utilizzato un approccio multimodale e nessuno ha reclutato soggetti affetti da DDM. L’analisi dei potenziali evocati evento correlati (ERP), di task di tipo Go/NoGo, utilizzati per stimolare la risposta inibitoria, ha riportato un aumento dell’ampiezza dei picchi N2 e P3 nelle condizioni NoGo, rispetto alle condizioni Go. Gli studi fMRI hanno riportato attivazioni della corteccia cingolata anteriore, della corteccia prefrontale dorsale e della corteccia frontale inferiore. L’analisi fMRI effettuata su soggetto depressi ha riportato un’anormale attivazione dell’area cingolata frontale e di quella anteriore, mentre l’analisi EEG ha riportato risultati inconsistenti. In questo studio indaghiamo il controllo inibitorio su 16 soggetti, tutti destrimani, di cui 8 controlli (HC) (2M, 6F, età 68.1 y ± 11.8 y) e 8 diagnosticati con DMM (4M, 4F, età 63.5 y ± 9.5 y), utilizzando un task di tipo Go/NoGo modificato, durante un’acquisizione simultanea EEG-fMRI. Il task è stato effettuato due volte, ogni volta con una mano diversa. L’analisi ERP ha riportato un incremento dell’ampiezza di N2 e P3a nelle condizioni NoGo rispetto alle condizioni Go. L’ampiezza del picco P1 è maggiore nel task effettuato con la mano sinistra e nei pazienti più anziani. L’analisi di connettività di Granger (GCA) ha riportato che il flusso di informazione in ingresso e in uscita dai nodi selezionati è influenzato dall’età. Inoltre, il flusso di informazioni in uscita dal nodo frontale è positivamente correlato con il gruppo DDM a con il gruppo maschile. Abbiamo costruito i modelli generali lineari (GLM), utilizzati per l’analisi EEG-guidata fMRI, con un nuovo metodo che utilizza sia l’ampiezza che la latenza dei picchi ERP. L’analisi combinata ha riportato l’attivazione dell’area motoria supplementare e dell’area primaria motoria controlaterale alla mano utilizzata per effettuare il task. Gli eventi ERPS hanno indotto una disattivazione della default mode network (DMN) e della corteccia cingolata anteriore. La DLM è risultata meno disattivata nel gruppo DDM, rispetto al gruppo HC. Questa tesi ha indagato ampiamente le basi neurovascolari del controllo inibitorio sia in soggetti sani che affetti da DDM, utilizzando un task Go/NoGo modificato ed un nuovo metodo per l’analisi EEG-guidata fMRI. I risultati neuronali e neurovascolari, presi insieme, forniscono informazioni precise sulle reti neurali funzionali coinvolte nella risposta inibitoria e nel controllo cognitivo.