Cortical fingerprints of reach-to-grasp movements in Parkinson's disease

The increasing incidence of Parkinson’s disease (PD) and the negative impact of motor and non-motor symptoms on the patients’ quality of life require the introduction of reliable and quantitative biomarkers in the clinical practice. In this scenario, electroencephalography (EEG) microstate analysis can be employed for assessing on a millisecond timescale disease-specific features of cortical activity, characterized in terms of transiently stable topographical structures (i.e., EEG microstates) with spatiotemporal characteristics whose abnormalities can be considered quantifiable markers of PD. Very few studies exploited microstate approach in PD while no literature is present concerning the use of EEG microstates for the investigation of movement execution in PD. My work represents a first pioneering analysis to define novel movement-related cortical biomarkers for PD. The cortical activity of eight parkinsonian patients, characterized by different degrees of disease severity, was collected during resting state and during the execution of reach-to-grasp movements. Microstate topographies and their temporal features (average duration, coverage, frequency of occurrence, Hurst exponent, Lempel-Ziv complexity) were computed. Kinematic analysis was also conducted for retrieving motor performance parameters (duration, peak and mean velocity, time-to-peak). The results of my study revealed that in resting condition an increase in microstate B contribution and a decrease in microstate A contribution were evocative of a greater motor impairment. Coherently, the temporal features of microstate A and B correlated negatively and positively with the duration of movement, respectively. The increased contribution of microstate A was also showed to be essential for movement execution. Additionally, an increase in the Lempel-Ziv complexity was discovered as necessary for fulfilling task requirements. My study demonstrated the capability of EEG microstate parameters of discriminating between different disease severities paving the way for the use of these parameters as EEG-based biomarkers in the clinical evaluation of parkinsonian patients. EEG microstate analysis proved to provide useful information about motor control strategies.

L’analisi dei microstati elettroencefalografici (EEG) può rappresentare una nuova strategia per valutare, con un’accuratezza nell’ordine dei millisecondi, le alterazioni dell’attività corticale, determinate dalla malattia: l’attività cerebrale viene rappresentata da mappe topografiche transitoriamente stabili e con caratteristiche spaziotemporali, le cui anomalie possono essere considerate biomarcatori quantificabili della malattia di Parkinson. Nel mio studio, è stata registrata l’attività corticale di otto pazienti parkinsoniani con un diverso grado di severità della malattia e in assenza di terapia, sia in fase di riposo che durante l’esecuzione di un movimento di raggiungimento e presa di un definito target attraverso l’arto superiore dominante, al fine di estrarre i microstati EEG e calcolare le caratteristiche temporali di quest’ultimi (durata media, contributo, frequenza, esponente di Hurst e complessità di Lempel-Ziv). Inoltre, è stata effettuata una valutazione cinematica dell’arto superiore, al fine di determinare specifici parametri di performance motoria. I risultati del mio studio hanno rivelato che, in condizioni di riposo, un aumento del contributo del microstato B e/o una diminuzione del contributo del microstato A, nella sequenza di microstati, sono significativamente rappresentativi di una condizione motoria più compromessa; coerentemente, un aumento dei parametri temporali dei microstati A e B correla, rispettivamente, negativamente e positivamente, con la durata del movimento. Inoltre, l’aumento del contributo del microstato A è associato ad un miglioramento della performance motoria e si dimostra essenziale per l’esecuzione del movimento. Un ultimo risultato, degno di nota, riguarda la complessità di Lempel-Ziv, il cui aumento risulta essere necessario per soddisfare i requisiti motori. In conclusione, i parametri estratti dai microstati possono essere considerati potenziali biomarcatori EEG nella definizione dei diversi livelli di severità della malattia e nella valutazione delle alterazioni delle strategie di controllo motorio determinate dalla malattia di Parkinson.