Electrophysiological brain networks and cognition in patients with Generalized Epilepsy: an exploratory TMS-EEG study
Creators: name: Τηγανούρια, Αλεξάνδρα Ελευθερίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Granger causality measures
Epilepsy
EEG-TMS
Μέτρα αιτιότητας Granger
Επιληψία
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα-διακρανιακός μαγνητικός ερεθισμός

description: This thesis focuses on constructing electrophysiological brain networks in patients with Generalized Epilepsy both at rest and under the perturbational effects of Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) and correlating these networks with the patients’ cognitive status. A TMS-EEG experiment was conducted using a 64-channel TMS compatible hd-EEG device and EEG recordings with TMS episodes were recorded for each patient. Single and paired pulse magnetic stimuli were applied with a H7 deep TMS coil (Brainsway, Jerusalem) centered over the mid-frontal, mid-central and mid-parietal areas. The same epilepsy patients were tested with an epilepsy-specific battery of neuropsychological tests (Epitrack) assessing various domains of human cognition. Brain networks are constructed in artifact-free resting EEG epochs as well as in the period immediately preceding and following TMS delivery using Granger causality measures. These include information theory metrics, such as Partial Mutual Information from Mixed Embedding (PMIME), and measures from linear modeling in the time domain, such as Restricted Conditional Granger Causality Index (RCGCI), and in the frequency domain, such as Restricted Partial Directed Coherence (RPDC). These measures are widely used in EEG connectivity analysis. PMIME, RCGCI and RPDC are all measures of direct Granger causality incorporating dimension reduction to account for the large number of observed variables. Additionally, various network metrics were computed on the causality networks derived from PMIME, RCGCI, and RPDC, considering both weighted and binary connections within the networks. The practical aim of the thesis was to assess the discriminative ability between patients with different cognitive performances. The study found that PMIME and RCGCI estimated distinctly different networks, with PMIME capturing more homogeneity among nodes and RCGCI highlighting unique network structures in certain patients. However, neither algorithm demonstrated significant correlations with cognitive performance as measured by the Epitrack test, nor did TMS stimulation significantly impact the network values. Differences were primarily observed between individual patients rather than between groups or time periods. The analysis focused on global network metrics, and future research should consider local network metrics or causal relationships between distinct pairs of electrodes to gain more nuanced insights.
description: Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην κατασκευή ηλεκτροφυσιολογικών δικτύων εγκεφάλου σε ασθενείς με Γενικευμένη Επιληψία τόσο σε κατάσταση ηρεμίας όσο και υπό τις διεγερτικές επιδράσεις της Διεγκεφαλικής Μαγνητικής Διέγερσης (TMS) και τη συσχέτιση αυτών των δικτύων με την γνωστική κατάσταση των ασθενών. Τα υψηλής πυκνότητας ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα (ΗΕΓ) λήφθηκαν, χρησιμοποιώντας μία 64 καναλιών TMS συμβατή συσκευή hd-EEG. Μεμονωμένα και συζευγμένα παλμικά μαγνητικά ερεθίσματα εφαρμόστηκαν με ένα βαθύ πηνίο (H7 TMS Brainsway, Jerusalem) επικεντρωμένο στις μεσο-μετωπιαίες, μεσο-κεντρικές και μεσο-βρεγματικές περιοχές. Οι ίδιοι ασθενείς με επιληψία υποβλήθηκαν σε μια εξειδικευμένη για την επιληψία σειρά νευροψυχολογικών δοκιμασιών Epitrack που αξιολογούν διάφορους τομείς της ανθρώπινης γνωστικής λειτουργίας. Τα δίκτυα εγκεφάλου κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας ΗΕΓ σε ηρεμία χωρίς τεχνουργήματα, στην περίοδο αμέσως πριν και μετά του TMS ερεθίσματος χρησιμοποιώντας μέτρα αιτιότητας Granger. Αυτά περιλαμβάνουν μετρικές της θεωρίας πληροφορίας, όπως την μερική αμοιβαίας πληροφορίας από μικτή εμβύθιση (PMIME) και μέτρα γραμμικής μοντελοποίησης στον τομέα του χρόνου, όπως ο περιορισμένος υπό όρους δείκτης αιτιότητας Granger(RCGCI), και στον τομέα των συχνοτήτων, όπως η περιορισμένη μερική κατευθυνόμενη συνάφεια RPDC. Αυτά τα μέτρα χρησιμοποιούνται ευρέως στην ανάλυση συνδεσιμότητας ΗΕΓ. Τα PMIME, RCGCI, και RPDC είναι όλα μέτρα της άμεσης αιτιότητας κατά Granger που ενσωματώνουν τη μείωση της διάστασης για να λάβουν υπόψη τον μεγάλο αριθμό των παρατηρούμενων μεταβλητών. Επιπλέον, διαφορετικά μέτρα δικτύου υπολογίστηκαν στα δίκτυα αιτιότητας που προέρχονται από τα PMIME, RCGCI και RPDC, λαμβάνοντας υπόψη τόσο τις σταθμισμένες όσο και τις δυαδικές συνδέσεις εντός των δικτύων. Ο πρακτικός στόχος της διπλωματικής εργασίας ήταν να αξιολογηθεί η διακριτική ικανότητα μεταξύ ασθενών με διαφορετικές γνωστικές επιδόσεις. Η μελέτη διαπίστωσε ότι οι PMIME και RCGCI εκτίμησαν εντελώς διαφορετικά δίκτυα, με την PMIME να καταγράφει περισσότερη ομοιογένεια μεταξύ των κόμβων και την RCGCI να επισημαίνει μοναδικές δομές δικτύου σε ορισμένους ασθενείς. Ωστόσο, καμία από τις μεθόδους δεν έδειξε σημαντικές συσχετίσεις με την γνωστική απόδοση όπως μετρήθηκε με το τεστ Epitrack, ούτε η διέγερση TMS επηρέασε σημαντικά τις τιμές των δικτύων. Οι διαφορές παρατηρήθηκαν κυρίως μεταξύ μεμονωμένων ασθενών και όχι μεταξύ ομάδων ή χρονικών περιόδων. Η ανάλυση επικεντρώθηκε σε συνολικές μετρικές δικτύου και η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να εξετάσει τοπικές μετρικές δικτύου ή αιτιώδεις σχέσεις μεταξύ συγκεκριμένων ζευγών ηλεκτροδίων για να αποκτήσει πιο λεπτομερή συμπεράσματα.
description: Τμήμα Οικονομικών Επιστημών, Συνεργαζόμενα Τμήματα, Μαθηματικών, Βιολογίας, Γεωλογίας