Analysis of somatosensory evoked potentials in simultaneous EEG and SEEG recordings

The somatosensory system is a complex system that allows us to perceive changes in the internal or external environment by employing several structures in the peripheral and central nervous system. A successful non-invasive method to study the functional characteristics of the somatosensory system with millisecond precision is the Electroencephalography (EEG). To date, EEG has been successfully used in various applications such as diagnosis of brain diseases including Parkinson, Alzheimer’s and epilepsy. Despite the high-temporal precision and the non-invasiveness of EEG, the signals picked by the EEG cap placed on the scalp of the subject typically suffer from a spatial blurring effect due to the propagation of the cortical activity through several layers of the outer brain and scalp. As a consequence, the low spatial resolution of EEG prevents clinicians from obtaining a holistic picture of somatosensory processing. On the other hand, cortical and subcortical activity can be directly recorded using invasive methods such as stereotactic EEG (SEEG) where intracerebral electrodes are implanted in the brain. However, SEEG recordigns are only available when subjects are undergoing pre-surgical evaluation for identifying an ictal zone. In this project, simultaneous high-density EEG (HD-EEG) and SEEG recordings from eight drug-resistant epileptic patients following median nerve stimulation protocol were used to enhance our understanding about somatosensory processing. To the best of our knowledge, an analysis on simultaneous HD-EEG and SEEG recordings of somatosensory evoked responses has never been performed. Since intracranial recordings are rarely available, the ultimate goal of this project is to reveal a mapping between the intracranial (SEEG) and the extracranial space (EEG) which is typically the only available diagnostic tool for clinicians. Recent research on SEEG recordings from median nerve stimulation showed that certain areas involved in the distributed somatosensory processing exhibit distinct behaviour, namely early/short (i.e., phasic) and late/long (i.e., tonic) responses. In this thesis we show that the similar phasic and tonic behaviour is reflected in scalp EEG recordings, thus, enhancing our understanding about somatosensory processing. The findings of this thesis could assist practitioners to infer information about the neural dynamics which up to date were only observable with intracranial EEG, advancing clinical practice in diagnosis and treatment of conditions related to somatosensory processing including epilepsy, Parkinson’s disease and dystonia.

Il sistema somatosensoriale è un sistema complesso che ci permette di percepire i cambiamenti nell'ambiente interno o esterno utilizzando diverse strutture del sistema nervoso periferico e centrale. Un metodo non invasivo di successo per studiare le caratteristiche funzionali del sistema somatosensoriale con precisione al millisecondo è l'elettroencefalografia (EEG). Ad oggi, l'EEG è stato utilizzato con successo in varie applicazioni come la diagnosi di malattie cerebrali tra cui Parkinson, Alzheimer ed epilessia. Nonostante l'alta precisione temporale e la non invasività dell'EEG, i segnali raccolti dalla cuffia EEG posta sul cuoio capelluto del soggetto soffrono tipicamente di un effetto di sfocatura spaziale dovuto alla propagazione dell'attività corticale attraverso diversi strati del cervello esterno e del cuoio capelluto. Di conseguenza, la bassa risoluzione spaziale dell'EEG impedisce ai clinici di ottenere un quadro olistico dell'elaborazione somatosensoriale. D'altra parte, l'attività corticale e sottocorticale può essere registrata direttamente utilizzando metodi invasivi come l'EEG stereotassico (SEEG), dove gli elettrodi intracerebrali sono impiantati nel cervello. Tuttavia, le registrazioni SEEG sono disponibili solo quando i soggetti sono sottoposti a valutazione pre-chirurgica per identificare una zona ictale. In questo progetto, le registrazioni simultanee ad alta densità EEG (HD-EEG) e SEEG da otto pazienti epilettici resistenti ai farmaci dopo il protocollo di stimolazione del nervo mediano sono stati utilizzati per migliorare la nostra comprensione circa l'elaborazione somatosensoriale. Per quanto ne sappiamo, non è mai stata eseguita un'analisi sulle registrazioni HD-EEG e SEEG simultanee delle risposte evocate somatosensoriali. Poiché le registrazioni intracraniche sono raramente disponibili, l'obiettivo finale di questo progetto è quello di rivelare una mappatura tra lo spazio intracranico (SEEG) e quello extracranico (EEG) che è tipicamente l'unico strumento diagnostico disponibile per i clinici. Una recente ricerca sulle registrazioni SEEG dalla stimolazione del nervo mediano ha mostrato che alcune aree coinvolte nell'elaborazione somatosensoriale distribuita esibiscono un comportamento distinto, ovvero risposte precoci/brevi (cioè fasiche) e tardive/lunghe (cioè toniche). In questa tesi dimostriamo che il simile comportamento fasico e tonico si riflette nelle registrazioni EEG del cuoio capelluto, migliorando così la nostra comprensione dell'elaborazione somatosensoriale. I risultati di questa tesi potrebbero aiutare i professionisti a dedurre informazioni sull'attività intracranica senza la necessità di registrazioni intracraniche, facendo progredire la pratica clinica nella diagnosi e nel trattamento delle condizioni legate all'elaborazione somatosensoriale, tra cui l'epilessia, il morbo di Parkinson e la distonia.