Effective brain connectivity computational methods for the localization of the epileptogenic zone

This research focused on the development of a methodology for analysing electrophysiological intracranial EEG signals from patients with drug-resistant focal epilepsy in order to support clinicians and surgeons in localizing the area responsible for seizure generation, organization and propagation, i.e. the Epileptogenic Zone (EZ). In the context of focal and drug-resistant epilepsy, surgical resection of the EZ may be the only therapeutic option for reducing or suppressing seizures. EZ represents the minimum amount of cortex that must be resected in order to achieve seizure freedom, therefore the correct identification of its extent and organization is a crucial objective. Despite the great improvements in brain imaging techniques (MRI, PET), the presurgical evaluation of drug-resistant patients with focal epilepsies is still often challenging since the lesion, when present, may not coincide with the EZ, or the obtained information is insufficient to exclude the involvement of “eloquent cortical areas”. Thus patients are often admitted to invasive Stereo-EEG (SEEG) recordings considered the gold standard for the identification and extent of the EZ Nevertheless, the rather high rate of failure in epilepsy surgery in extra-temporal epilepsies highlights that the precise identification of the EZ is still an unsolved problem and that more sophisticated methods of investigation are required. Over the last ten years, considerable efforts have been made to develop advanced signal analysis techniques able to improve the identification of the EZ. Since it is widely assumed that epileptic phenomena are associated with abnormal changes in brain synchronisation mechanisms, particular attention has been paid to those methods aimed at quantifying and characterising the interactions and causal relationships of neuronal populations, and initial evidence has shown that this can be a suitable approach to localising the EZ. The main aim of this research was to develop a methodology based on advanced signal processing methods to study the connectivity patterns of intracranial signals, in order to provide an automatic tool able to classify automatically the intracranial electrode contacts as belonging or not to the EZ, and thus supporting epileptologists in better localizing the EZ. The developed methodologies were also applied to study connectivity between scalp EEG activities recorded from patients with photosensitive epilepsy or disorder of consciousness, to evaluate their usefulness in other clinical and cognitive contests.

Obiettivo di questa ricerca è lo sviluppo di una metodologia per l’analisi dei segnali EEG intracranici, registrati in pazienti con epilessia focale farmaco-resistente, che supporti clinici e chirurghi nella corretta localizzazione dell’area responsabile della generazione, organizzazione e propagazione delle crisi, definita Zona Epilettogena (ZE). Le epilessie focali sono caratterizzate dalla presenza di una zona corticale lesionale che si suppone essere responsabile della generazione e della propagazione iniziale dell’attività epilettica. Nei pazienti con crisi resistenti alla terapia anti-epilettica si può ricorrere alla chirurgia, con l’obiettivo di rimuovere la zona epilettogena, per eliminare o almeno ridurre l’insorgenza delle crisi. Questa procedura richiede una precisa identificazione della ZE, un problema tutt’ora lontano dall’essere risolto, come dimostra il numero non trascurabile di interventi chirurgici con esiti insoddisfacenti o negativi. Le indagini neurofisiologiche costituiscono, insieme alle tecniche d’immagine, uno strumento essenziale per l’identificazione della zona epilettogena; nei casi complessi, quando gli esami non-invasivi non permettono una precisa localizzazione dell’area da rimuovere, la registrazione EEG intracranica di lunga durata rimane il “gold standard” nel percorso di valutazione pre-chirurgica. Negli ultimi anni notevoli sforzi sono stati fatti per sviluppare tecniche avanzate di analisi del segnale in grado di migliorare l'identificazione della ZE. Inoltre, numerose evidenze hanno indicato che alcune patologie cerebrali, tra cui l’epilessia, sono caratterizzate da un’alterazione dei meccanismi di sincronizzazione neuronale. Queste osservazioni rendono di cruciale importanza lo studio della sincronizzazione delle reti corticali e l’identificazione delle alterazioni patologiche che portano all’insorgere delle crisi epilettiche. Per questi motivi l’obiettivo principale di questa ricerca è stato quello di sviluppare una metodologia basata su metodi avanzati di elaborazione del segnale per studiare il pattern di connettività in segnali EEG intracranici, al fine di fornire uno strumento automatico in grado di classificare automaticamente i contatti degli elettrodi intracranici come appartenenti o meno alla ZE, in modo da fornire un supporto alla localizzazione della ZE. Le metodologie sviluppate sono state applicate anche per lo studio della connettività in segnali EEG di superficie registrati in pazienti affetti da epilessia fotosensibile, disordini della coscienza, per poter valutare la loro utilità anche in altri contesti clinici e cognitivi.