Conference PaperPDF Available

Obsesif Kompülsif Bozukluğun EEG Ölçümüne Dayalı Fourier Dipol Yaklaşımı Yöntemi ile İncelenmesi Investigation of Obsessive Compulsive Disorder with FFT Dipol Approximation by Means of EEG

  • September 2015
  • Conference: Tıp Tekno
  • At: Muğla
  • Volume: 2015
Authors:
Mehmet Akif Özçoban at İstanbul Gedik Üniversitesi
Mehmet Akif Özçoban
  • İstanbul Gedik Üniversitesi
Serap Aydin at Hacettepe University
Serap Aydin
Sadik Kara at Durham College North Carolina
Sadik Kara
  • Durham College North Carolina
Oguz Tan at Üsküdar University
Oguz Tan
Show all 13 authorsHide
Download full-text PDF
Read full-text
Download citation

Abstract

zetçe Nöropsikiyatrik bir hastalık olan Obsesif Kompulsif Bozukluğun (OKB), patofizyolojik araştırmalarında EEG analizi kullanılmaktadır. Önceki yıllarda gerçekleştirilen EEG tabanlı OKB araştırmalarında beyin korteksinde anormal fonksiyonlar gözlenmiştir. Kaynak lokalizasyonu amacıyla kullanılan ve konvansiyonel Hızlı Fourier Dönüşümü (HFD) Yöntemine göre daha iyi sonuçlar verdiği bilinen HFD Dipol Yaklaşımı (HFDDY) Yöntemi, EEG senkronizasyon seviyelerinin ölçülmesi amacıyla kullanılabilmektedir. Bu çalışmada; HFDDY yöntemi kullanılarak beyin korteksinde gerçekleşen nöral osilasyonlar arasındaki faz farkları hesaplanmıştır. Uluslar-arası 10-20 elektrot sistemine göre ölçülen 19 kanal EEG sinyalinin analizi sonucunda OKB hastalarında Theta frekans bandının faz senkronizasyonunda azalma tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler — obsesif kompulsif bozukluklar (OKB); EEG; hızlı fourier dönüşümü dipol yaklaşım yöntemi (HFDDYY) Abstract EEG analysis has been used in pathophysiological research of Obsessive Compulsive Disorder (OCD) that is one of the neuropsychiatric disease. EEG abnormalities was observed in brain cortex of patients with OCD. Fast Fourier Transform (FFT) Dipol Approximation Method (FFTDA), used for source localization and superior to conventional FFT method, has also been used for measurement of the level of EEG synchronization. In this research, phase differences between cortical neural oscillations was computed by using FFTDA. Then, analysis of 19 channel EEG series, collected with international 10-20 electrode placement system, shows the loss of Theta band phase synchronization in patients with OCD..
Content uploaded by Mehmet Akif Özçoban
Author content
All content in this area was uploaded by Mehmet Akif Özçoban on May 26, 2016
Content may be subject to copyright.
Obsesif Kompülsif Bozukluğun EEG Ölçümüne Dayalı
Fourier Dipol Yaklaşımı Yöntemi ile İncelenmesi
Investigation of Obsessive Compulsive Disorder with FFT
Dipol Approximation by Means of EEG
Mehmet Akif Özçoban 1,Serap Aydın 2, Sadık Kara 3, Oğuz Tan 4
1 İstanbul Gedik Üniversitesi
Tıbbi Görüntüleme Teknikleri Bölümü
mehmetakifozcoban@gmail.com
2 Bahçeşehir Üniversitesi
Biyomedikal Mühendislik Bölümü, İstanbul
drserapaydin@hotmail.com, serap.aydin@eng.bahcesehir.edu.tr
3Fatih Üniversitesi
Biyomedikal Mühendislik Enstitüsü, İstanbul
s.kara@fatih.edu.tr
4Üsküdar Üniversitesi, Nöropsikiyatri Araştırma ve Uygulama Merkezi, İstanbul
oguz.tan@uskudar.edu.tr
Özetçe
Nöropsikiyatrik bir hastalık olan Obsesif Kompulsif
Bozukluğun (OKB), patofizyolojik araştırmalarında EEG
analizi kullanılmaktadır. Önceki yıllarda gerçekleştirilen
EEG tabanlı OKB araştırmalarında beyin korteksinde
anormal fonksiyonlar gözlenmiştir. Kaynak lokalizasyonu
amacıyla kullanılan ve konvansiyonel Hızlı Fourier
Dönüşümü (HFD) Yöntemine göre daha iyi sonuçlar
verdiği bilinen HFD Dipol Yaklaşımı (HFDDY) Yöntemi,
EEG senkronizasyon seviyelerinin ölçülmesi amacıyla
kullanılabilmektedir. Bu çalışmada; HFDDY yöntemi
kullanılarak beyin korteksinde gerçekleşen nöral
osilasyonlar arasındaki faz farkları hesaplanmıştır.
Uluslar-arası 10-20 elektrot sistemine göre ölçülen 19
kanal EEG sinyalinin analizi sonucunda OKB hastalarında
Theta frekans bandının faz senkronizasyonunda azalma
tespit edilmiştir.
Anahtar Kelimeler — obsesif kompulsif bozukluklar
(OKB); EEG; hızlı fourier dönüşümü dipol yaklaşım
yöntemi (HFDDYY)
Abstract
EEG analysis has been used in pathophysiological
research of Obsessive Compulsive Disorder (OCD) that is
one of the neuropsychiatric disease. EEG abnormalities
was observed in brain cortex of patients with OCD. Fast
Fourier Transform (FFT) Dipol Approximation Method
(FFTDA), used for source localization and superior to
conventional FFT method, has also been used for
measurement of the level of EEG synchronization. In this
research, phase differences between cortical neural
oscillations was computed by using FFTDA.
Then, analysis of 19 channel EEG series, collected with
international 10-20 electrode placement system, shows the
loss of Theta band phase synchronization in patients with
OCD.. -
Keywords — obsessive compulsive disorders (OCD);
EEG; FFT Dipol Approximation Method
1. Giriş
Obsesif Kompulsif Bozukluklar (OKB); insanın düşünmek
istemediği halde zihnini sürekli meşgul eden düşünce,
imge, şüphe ve duyguların kompulsif davranışları
tetiklemesi sonucu oluşan nöropsikiyatrik bir hastalıktır. Bu
davranışların ritüellerin halinde defalarca tekrar etmesi,
depresyona kadar sürükleyen bir anksiyete bozukluğuna
neden olmaktadır. Düşünce ve davranış bozukluğu olarak
da nitelendirilebilen bu hastalık, toplum genelinde %2-%4
arasında bir “sıklıkta görülmekte iken psikiyatrik
hastalıkların içinde 10.sırada yer almaktadır [1]. OKB
hastalarının hikayelerinde en fazla şikayet edilen
semptomlardan bazılarına; kirlenme kaygısıyla bazı
nesnelere dokunamamak (para, kapı kolu vs) veya bıktırıcı
derecede tekrarlanan kontroller örnek olarak verilebilir [2].
OKB semptomlarının patofizyolojisini araştırabilmek için
bazı nöro-görüntüleme tekniklerinden yararlanılmıştır.
Pozitron Emisyon Tomografisi ile yapılan çalışmalarda
orbitofrontal korteks bölgesinde anormal hareketlilikler
gözlenmiştir[3]. Fonksiyonel Manyetik Rezonans
Görüntüleme tekniği ile gerçekleştirilen bağlılık
analizlerinde farklı beyin bölgeleri arasında konnektivite
bozukluğu tespit edilmiştir [4]. Gerçekleştirilen EEG
analizlerinde ise bu sonuçları destekleyen, çeşitli beyin
bölgelerinde anormallikler tespit edilmiştir [5, 6].
İlk olarak 1986 yılında Lehmann ve arkadaşları
tarafından beyin osilasyonlarının farklı frekans
bandlarındaki eşdeğer kaynaklarının araştırılmasında
978-1-4673-7765-2/15/$31.00 ©2015 IEEE
kullanılan HFDDY Yöntemi [7] daha sonra Alzheimer
hastlarında güç spektral analizi için kullanılmış ve
geleneksel HFD yöntemine göre daha iyi sonuçlar verdiği
gözlenmiştir [8]. Koenig ve arkadaşları tarafından ise HFD
yaklaşımı yöntemini kullanarak EEG osilasyonlarının faz
açılarını belirlemek suretiyle senkronizasyon
belirlenmesinde kullanılmıştır [9]. Bu çalışmada literatürde
HFDDY olarak bilinen yöntem geliştirilerek gözler kapalı
çekilen çok-kanallı yüzeysel EEG sinyallerinin analizine
uyarlanmış ve OKB hastalığının faz senkronizasyonu
açısından oluşturduğu fonksiyon bozuklukları, kontrol
grubu ile kıyaslanarak irdelenmiştir. Sonuçlar, Teta frekans
bandından faz senkronizasyonu açısından kontrol grubu ile
OKB hastaları arasında anlamlı bir fark olduğunu
göstermiştir. Elde edilen bulgu OKB hastalarında global
beyin senkronizasyonunun düştüğü sonucudur. Uygulanan
yöntem ve elde edilen sonuçlar ile yorumlar izleyen
bölümlerde tariflenmiştir.
2. Yöntem
Bir çok çalışmada kaynak lokalizasyonu amacıyla
kullanılan HDF yöntemi, bu çalışmada; uyanık durumdaki
hasta ve kontrol grubundan gözleri kapalı durumda
toplanan kısa süreli yüzeysel EEG sinyallerinin arasındaki
faz senkronizasyon seviyesinin ölçülmesi amacıyla
kullanılmıştır.
Yürütülen çalışmada kullanılan EEG verileri Üsküdar
Üniversitesi, Eğitim ve Araştırma Hastanesinde
kaydedilmiştir. Araştırmaya dahil edilen 15 hastanın
tamamı sağ elini kullanan, sigara içmeyen ve ilaç tedavisi
görmemiş hastalardır. Yaş ve cinsiyet açısından hasta
grubuna yakın seçilen kontrol grubu ise 15 sağlıklı
gönüllüden oluşmaktadır. EEG verilerinin bilgisayar
ortamında analiz edilmesi için Üsküdar Üniversitesi
Klinik Araştırmalar Etik Kurulundan onay alınmıştır.
2.1. Deneysel Veri: Yüzeysel EEG Ölçümleri
EEG kayıtları, gürültüden ve uyarıcı faktörlerden yalıtılmış
bir odada gönüllü kişilerin gözleri kapalı, dinlenme
durumunda iken alınmıştır. Kayıtlar Şekil 1'de gösterildiği
gibi uluslararası 10-20 elektrot yerleşim sistemine göre 19
adet yüzey elektrotu kullanarak alınmıştır. Her gönüllüden
ortalama 3 dk boyunca aralıksız kayıt alınmıştır. Örnekleme
frekansı 250 Hz dir.
Şekil 1: Uluslararası 10-20 elektrot sistemine göre
elektrot yerleşimi [10]
2.2. Hızlı Fourier Dönüşümü Dipol Yaklaşımı
HDFDY yönteminin EEG kayıtlarına uygulanmasından
önce izlenen ilk adım, kayıt süresi 3 dk olan tek kanal
ölçümlerinin 2 saniyelik dilimlerle pencerelenmesi
işlemidir. HDFDY algoritması, 2 saniyelik bölütlenmiş 19-
kanal EEG kayıtlarına uygulanmıştır. EEG sinyali Delta (0-
4 Hz), Theta (4-8 Hz), Alpha (8-16 Hz), Beta (16-20 Hz) ve
Gamma (20-32 Hz) alt frekans bantlarına ayrılır. HDFDY
uygulanan her bir kısa süreli EEG bölütünün tüm kafa
üzerindeki beş frekans bandına ait faz senkronizasyonunu
ölçen bir ölçüt elde edilmektedir. Gerçel ve sanal bileşenleri
olan bu ölçütün uygulanmasında, bu bileşenleri temsil eden
sinüs ve kosinüs fonksiyonlarının katsayıları, Sinus-
Cosinus diyagramı adı verilen 2-Boyutlu (2-B) kartezyen
sisteme yerleştirilmektedir. Sinus-Cosinus katsayıları her
bir elektrot yerleşim bölgesini temsilen 2-B bir nokta ile
gösterilmekte iken, referans elektrot ise sistemin orjin
noktasıdır [7, 11]. Kayıtlar bütün beyin bölgeleri için 19
kanallı EEG sisteminden alındığı için Sinus-Cosinus
diyagramında 19 nokta yer alacaktır. Bu 19 noktanın
sisteme yerleşim şekli bize, beyin osilasyonlarına hakim
olan faz açıları hakkında bilgi sağlamaktadır. Noktalar
eliptik şekilde dağılmış ise osilasyonlarda hakim olan ortak
bir fazdan söz edilmez, ancak noktalar yatay bir çizgiye ne
kadar benzeşirse ortak fazlılıktan söz edilebilmektedir.
Sinus-Cosinus diyagramında bulunan noktaların saçılım
durumunu matematiksel olarak ifade ederek istatistiksel test
uygulayabilmek için, noktaların dikey konumdan
sapmalarını tespite yarayan y eksenine göre aldığı değerler
toplanarak kanal sayısına bölünür (ortalamaları alınır). Bu
değere ‘saçılım değeri (SD)’ adı verilerek yeni bir
parametre oluşturulmuştur.
𝑆𝐷 =|∑ 𝑠𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒ğ𝑒𝑟𝑙𝑒𝑟|
19 (1)
3. Sonuçlar
Beyin faaliyetleri sırasında ortaya çıkan osilasyonlar, EEG
işareti şeklinde görüntülenebilmektedir ve bu işaretlerin faz
açıları incelendiğinde bir baskın fazlılık bulunması sağlıklı
bir beynin özellikleri arasında değerlendirilmektedir. Beyin
bölgelerini etkileyen önemli bir hastalık olan OKB’nin
incelendiği çalışmamızda, faz açılarını karşılaştırabilmek
için HFDDY yönteminden yararlanılmıştır. Bu yöntem de
her bir elektrot bağlı bulunduğu beyin bölgesinin
işaretlerine ait bilgileri taşır ve sinüs-kosinüs diyagramında
tek bir nokta ile gösterilir.
Şekil 2: Hasta grubunun Sinus-Cosinus diyagramı
Şekil 2’de OKB datasının HFDDY yöntemine göre analizi
gösterilmektedir.. Noktalar çok dağınık ve eliptik bir
yörüngede dağıldığı için SD parametresi çok yüksek
bulunmuştur. Bu sonuç senkronizasyon kaybı olarak
değerlendirilecektir.
Şekil 3: Kontrol grubunun Sinus-Cosinus diyagramı
Şekil-3’de ise sağlıklı bir beyine ait EEG analizi
gösterilmiştir.Noktalar yataya yakın açılarla yerleştiğinden
dolayı SD değeri düşük bulunmuştur. Bu data için bir
eşfazlılıktan söz edilebilmektedir.
Şekil 4: Hasta ve kontrol grubunun analiz sonuçları
Şekil 4’ de 15 kontrol ve 15 OKB hastasında alınan veriler
bütün beyin bölgeleri için analiz edilmiştir. SD
değerlerinden oluşan sonuçlar bağımsız örnek (independent
sample t-test) ile analiz edildiğinde Theta frekans bandında
hastalara ait SD ile sağlıklı kontrol grubuna ait SD arasında
0.001 önemlilik derecesinde anlamlı bir fark bulunmuştur.
4. Tartışma ve Yorum
Tıbbi görüntüleme teknolojisinde ki gelişmelere paralel
olarak elektrofizyolojik ve patofizyolojik araştırma olanağı
sağlayan EEG tekniği, fonksiyonel ve kognitiv konularda
da geniş bilgi sağlamaktadır [12]. Yürütülen çalışmada
OKB hastalarına ait EEG dataları bir ortak fazlılık kriteri
olarak bulunan SD parametresi açısından, sağlıklı datalarla
karşılaştırılmış ve teta frekans bandı için anlamlı bir fark
gözlenmiştir. EEG dalgalarında görülen senkronizasyon
kaybı, fonksiyonel bağlantı düşüşü şekilnde
yorumlanabilmektedir [13-15]. Teta frekans bölgesi ile
ilgili olarak yapılan çalışmlarda, teta frekansının kısa süreli
hafıza ile ilgili çok önemli bilgiler verdiğini
göstermiştir[16]. Buna ek olarak teta frekansında global
senkronizasyon azalışı, kısa süreli hafıza fonksiyonunda
bozulma olduğu şeklinde yorumlanmıştır [9].
Çalışmamaızdaki bulgular gelecekte başka senkronizasyon
yöntemleri ile karşılaştırılarak daha da
güçlendirilebilecektir.
Teşekkür
Zürih Üniversitesi Öğretim Üyelerinden Prof. Dr. Dietrich
Lehmann ve Bern Psikiyatri Üniversitesi, Psikiyatrik
Nörofizyoloji Bölümü Öğretim Üyesi Prof. Dr. Thomas
Koenig'e önerileri ve yorumları ile sağladığı katkılardan
dolayı teşekkür ederiz.
Kaynakça
[1] Saxena, S., and Rauch, S.L.: ‘Functional neuroimaging and
the neuroanatomy of obsessive-compulsive disorder’,
Psychiatric Clinics of North America 23, (3), pp. 563-586,
2000
[2] Tan, O.: ‘Takıntılar’ Sistem matbaacılık, İstanbul, 1994.
[3] Stein, D.J., Arya, M., Pietrini, P., Rapoport, J.L., and
Swedo, S.E.: ‘Neurocircuitry of disgust and anxiety in
obsessive-compulsive disorder: a positron emission
tomography study’, Metabolic brain disease, 21, (2-3), pp.
255-265, 2006.
[4] Cocchi, L., Harrison, B.J., Pujol, J., Harding, I.H., Fornito,
A., Pantelis, C., and Yücel, M.: ‘Functional alterations of
large‐scale brain networks related to cognitive control in
obsessive‐compulsive disorder’, Human brain mapping, 33,
(5), pp. 1089-1106, 2012
[5]Aydin, S., Arica, N., Ergul, E., and Tan, O.: ‘Classification
of Obsessive Compulsive Disorder by EEG Complexity and
Hemispheric Dependency Measurements’, International
journal of neural systems, 25, (03), pp. 1550010, 2015.
[6]Olbrich, S., Olbrich, H., Adamaszek, M., Jahn, I., Hegerl,
U., and Stengler, K.: ‘Altered EEG lagged coherence during
rest in obsessive–compulsive disorder’, Clinical
Neurophysiology, 124, (12), pp. 2421-2430, 2013.
[7] Lehmann, D., Ozaki, H., and Pal, I.: ‘Averaging of
spectral power and phase via vector diagram best fits
without reference electrode or reference channel’,
Electroencephalography and clinical neurophysiology, 64,
(4), pp. 350-363, 1986.
[8] Dierks, T., Ihl, R., Frölich, L., and Maurer, K.:
‘Dementia of the Alzheimer type: effects on the
spontaneous EEG described by dipole sources’, Psychiatry
Research: Neuroimaging, 50, (3), pp. 151-162, 1993.
[9] Koenig, T., Lehmann, D., Saito, N., Kuginuki, T.,
and Kinoshita, T.: ‘Decreased functional connectivity of
EEG theta-frequency activity in first-episode, neuroleptic-
naive patients with schizophrenia:preliminary results’,
Schizophr Research, 50, pp. 55-60, 2001.
[10] http://cogsci.stackexchange.com/questions/1553/do-
the-jungian-cognitive-functions-processes-really-exist)
[11] Michel, C.M., Lehmann, D., and Henggeler, B.:
‘Localization of the sources of EEG delta, theta, alpha and
beta frequency bands using the FFT dipole approximation’,
Electroencephalography and clinical Neurophystology, 82
pp. 38-44, 1992.
[12] Sauseng, P., and Klimesch, W.: ‘What does phase
information of oscillatory brain activity tell us about
cognitive processes?’, Neuroscience & Biobehavioral
Reviews, 32, (5), pp. 1001-1013, 2008.
[13] Friston, K.J., and Frith, C.D.: ‘Schizophrenia: a
disconnection syndrome’, Clin Neuroscience, 3, (2), pp. 89-
97, 1995.
[14] Liddle, P.F.: ‘Functional imaging—
schizophrenia’, British medical bulletin, 52, (3), pp. 486-
494, 1996.
[15] Andreasen, N.C.: ‘Linking mind and brain in the
study of mental illnesses: a project for a scientific
psychopathology’, Science, 275, (5306), pp. 1586-1593,
1997.
[16] Klimesch, W., Freunberger, R., Sauseng, P., and
Gruber, W.: ‘A short review of slow phase synchronization
and memory: evidence for control processes in different
memory systems?’, Brain research, 1235, pp. 31-44, 2008.
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Classification of Obsessive Compulsive Disorder by EEG Complexity and Hemispheric Dependency Measurements
Article
Full-text available
In the present study, both single channel electroencephalography (EEG) complexity and two channel interhemispheric dependency measurements have newly been examined for classification of patients with obsessive–compulsive disorder (OCD) and controls by using support vector machine classifiers. Three embedding entropy measurements (approximate entropy, sample entropy, permutation entropy (PermEn)) are used to estimate single channel EEG complexity for 19-channel eyes closed cortical measurements. Mean coherence and mutual information are examined to measure the level of interhemispheric dependency in frequency and statistical domain, respectively for eight distinct electrode pairs placed on the scalp with respect to the international 10–20 electrode placement system. All methods are applied to short EEG segments of 2 s. The classification performance is measured 20 times with different 2-fold cross-validation data for both single channel complexity features (19 features) and interhemispheric dependency features (eight features). The highest classification accuracy of 85 ±5.2% is provided by PermEn at prefrontal regions of the brain. Even if the classification success do not provided by other methods as high as PermEn, the clear differences between patients and controls at prefrontal regions can also be obtained by using other methods except coherence. In conclusion, OCD, defined as illness of orbitofronto-striatal structures [Beucke et al., JAMA Psychiatry70 (2013) 619–629; Cavedini et al., Psychiatry Res.78 (1998) 21–28; Menzies et al., Neurosci. Biobehav. Rev.32(3) (2008) 525–549], is caused by functional abnormalities in the pre-frontal regions. Particularly, patients are characterized by lower EEG complexity at both pre-frontal regions and right fronto-temporal locations. Our results are compatible with imaging studies that define OCD as a sub group of anxiety disorders exhibited a decreased complexity (such as anorexia nervosa [Toth et al., Int. J. Psychophysiol.51(3) (2004) 253–260] and panic disorder [Bob et al., Physiol. Res.55 (2006) S113–S119]). Keywords: Approximate entropy; sample entropy; permutation entropy
View
Schizophrenia: A disconnection syndrome?
Article
Full-text available
We review the evidence of pathophysiological changes in the prefrontal and temporal cortices of schizophrenic subjects and of abnormal integration of the physiological dynamics in these two regions. The argument we develop is that some schizophrenic phenomena are best understood in terms of abnormal interactions between different areas, not only at the levels of physiology and functional anatomy, but at the level of cognitive and sensorimotor functioning. We discuss recent functional imaging evidence suggesting abnormal prefronto-temporal interactions in relation to a psychological analysis of experiential symptoms in schizophrenia. Cortico-cortical interactions have been assessed in terms of functional connectivity and eigenimages, using time series of neurophysiological data obtained with positron emission tomography. The results of these analyses suggest that there is a profound disruption of large-scale prefronto-temporal interactions in schizophrenia. These disruptions are particularly relevant if one considers that many positive symptoms of schizophrenia reflect a failure to integrate intrinsically generated behaviour and concurrent perception.
View
Altered EEG lagged coherence during rest in obsessive-compulsive disorder
Article
  • Aug 2013
Functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies found alterations of functional connectivity in obsessive compulsive disorder (OCD). However, there is little knowledge about region of interest (ROI) based electroencephalogram (EEG) connectivity, i.e. lagged non-linear and linear coherence in OCD. Goal of this study was to compare these EEG measures during rest and at different vigilance stages between patients and healthy controls (HC). A 15min resting-state EEG was recorded in 30 unmedicated patients and 30 matched HC. Intracortical lagged non-linear coherence of the main EEG-frequency bands within a set of frontal ROIs and within the default mode network (DMN) were computed and compared using intracortical exact low resolution electromagnetic tomography (eLORETA) software. Lagged non-linear but not linear coherence was significantly decreased for patients in comparison to HC for the beta 2 frequency between frontal brain areas but not within the DMN. When analysing separate EEG-vigilance stages, only high vigilance stages yielded decreased frontal phase synchronisation at beta and theta frequencies. The results underline an altered neuronal communication within frontal brain areas during rest in OCD. These findings encourage further research on connectivity measures as possible biomarkers for physiological homogeneous subgroups.
View
Dementia of the Alzheimer type: Effects on the spontaneous EEG described by dipole sources
Article
The present study on brain electrical activity in healthy subjects (n = 35) and patients suffering from dementia, of the Alzheimer type (DAT; n = 35) used Fast Fourier Transformation-dipole approximation to quantify differences between the two groups. DAT patients showed a shift of alpha and beta activity toward frontal brain regions. The amount of this shift correlated with the degree of dementia. The relative distribution of magnitude of activity between the frequency bands differed between DAT patients and control subjects. DAT patients had higher magnitudes in the slow frequency range, correlating with the severity of dementia, and lower ones in the alpha and beta range compared with findings in age-matched control subjects.
View
Functional alterations of large-scale brain networks related to cognitive control in obsessive-compulsive disorder
Article
Neuroimaging studies have consistently implicated alterations of the basal ganglia and orbitofrontal cortex in the pathophysiology of OCD, however, recent work also emphasizes more diffuse patterns of brain alteration as occurring in this disorder. The goal of this study was to extend such observations by investigating large-scale brain functional network correlates of cognitive-control performance in OCD patients. We combined fMRI with a validated task of cognitive control and a multivariate statistical method to assess multiple functional networks encompassing broad task-relevant cortical regions in OCD patients and matched controls. Functional networks of interest were targeted a priori and the groups were compared in terms of the spatiotemporal profile of network responses (functional connectivity) during the task performance in a data-driven manner. Task performance was equivalent in both groups and each distinct network demonstrated strong overlap in its general response during task. However, significant differences in functional connectivity were also observed between groups that appeared driven by specific phases of task performance. Such differences were most pronounced during rest-task transitions and mainly involved dorsal anterior cingulate and insular cortices within the paralimbic network. Relative heightened functional connectivity of insula in patients during task correlated with a measure of patients' state anxiety. Our findings provide a novel functional imaging characterization of brain network alterations associated with cognitive-control in OCD. Additionally, these findings raise questions about the role of patients' arousal states on the performance of cognitive imaging tasks that are otherwise assumed to be emotionally neutral.
View
Localization of the sources of EEG delta, theta, alpha and beta frequency bands using the FFT dipole approximation
Article
FFT dipole approximation and 3-dimensional dipole modelling were used to determine the locations of the equivalent dipole model sources of the delta, theta, alpha, beta-1 and beta-2 frequency bands in 13 normal subjects during resting. From each subject, 2 successive data sets were analysed, each consisting of 10 epochs of 2 sec randomly collected during 30 min. ANOVAs showed that over subjects, the source locations of EEG frequency bands differed significantly in the vertical and antero-posterior dimensions. Results of data set 2 confirmed those of data set 1. The source of delta was deepest and most anterior, theta more posterior and less deep, alpha most posterior and highest on the vertical dimension, beta-1 deeper and slightly more anterior than alpha, and beta-2 again more anterior and deeper than beta-1. Thus, the depth of source location was not linearly related to temporal frequency. The sources of all 5 bands were oriented in the sagittal direction; delta mean fields had steeper gradients anteriorly, alpha and beta-1 posteriorly. The power map for any frequency was well described by a single phase angle. The results indicate that the different EEG frequency bands during a given EEG epoch are generated by neural populations in different brain locations.
View
Averaging of spectral power and phase via vector diagram best fits without reference electrode or reference channel
Article
A method is proposed to average results of Fourier analysis over epochs without assigning zero amplitude values to any electrode or zero phase values to any channel. The Fourier sine and cosine values of each electrode define its entry location into a vector diagram for the frequency component. The entry constellations thus formed are translated so that the mean of all entries (the virtual average reference which is the location of best fit) is at the centre of each constellation, and then they are rotated around the means into angles of best fit so that the sum of the squared distances between corresponding entries is minimal. The method leads to non-ambiguous mean results, with variance information for all recording points. Approaches for the assessment of the constellations, their transformation into field maps, and the problems with conventional phase measurements vs. real electrodes are discussed. The virtual average reference (spatial high pass filter) is proposed for assessing the time sequence (phase differences) between entry points, thus describing the internal structure of the constellations without bias and without reference to a zero phase point. Comparison of voltage and current density result constellations and consideration of reference-independent descriptors of the scalp field potential maps support the validity of the average reference for the approach.
View
Linking Mind and Brain in the Study of Mental Illnesses: A Project for a Scientific Psychopathology
Article
  • Apr 1997
Brain research on mental illnesses has made substantial advances in recent years, supported by conceptual and technological developments in cognitive neuroscience. Brain-based cognitive models of illnesses such as schizophrenia and depression have been tested with a variety of techniques, including the lesion method, tract tracing, neuroimaging, animal modeling, single-cell recording, electrophysiology, neuropsychology, and experimental cognitive psychology. A relatively sophisticated picture is emerging that conceptualizes mental illnesses as disorders of mind arising in the brain. Convergent data using multiple neuroscience techniques indicate that the neural mechanisms of mental illnesses can be understood as dysfunctions in specific neural circuits and that their functions and dysfunctions can be influenced or altered by a variety of cognitive and pharmacological factors.
View
Saxena S, Rauch SL. Functional neuroimaging and the neuroanatomy of obsessive-compulsive disorder. Psychiatr Clin N Am 23: 563-586
Article
Functional neuroimaging studies have advanced the understanding of the brain mediation of OCD by orbitofrontal-subcortical circuitry, but much is still unknown. Phenotypic heterogeneity could account for many of the inconsistencies among previous neuroimaging studies of OCD. Current studies are seeking to find the neurobiological basis of OCD symptom subtypes and predictors of treatment response. Future studies combining genetics and basic neuroanatomic research with neuroimaging may clarify the cause and pathophysiology of OCD. Although many lines of evidence point to dysfunction of orbitofrontal-subcortical circuitry in patients with OCD, many questions remain unanswered. Some have suggested that orbitofrontal-subcortical hyperactivity in OCD may be the result of abnormal neuroanatomic development of these structures or a failure of pruning of neuronal connections between them, as occurs in normal development, but no postmortem neuroanatomic studies of OCD exist to delineate its pathophysiology. Interventions that directly alter the indirect-direct pathway balance within frontal-subcortical circuits will allow for direct testing of the pathophysiologic hypotheses presented here. The roles of various neurochemical systems in OCD are similarly unclear. Although an abundance of indirect evidence suggests serotonergic abnormalities in patients with OCD, no direct evidence demonstrates what those abnormalities are or whether they are primary or secondary phenomena in patients with OCD. Ongoing studies of 5-HT synthesis in the brains of patients with OCD may shed light on this question.
View
Decreased functional connectivity of EEG theta-frequency activity in first-episode, neuroleptic-naive patients with schizophrenia: Preliminary results
Article
We explored and refined the hypothesis that during a first episode of acute schizophrenia a disorganization of brain functioning is present. A novel EEG measure was introduced, Global Field Synchronization (GFS), that estimates functional connectivity of brain processes in different EEG frequency bands. The measure was applied to EEG's from 11 never-treated, first-episode, young patients with an acute, positive, schizophrenic symptomatology and from 19 controls, residing in Bern, Switzerland. In comparison to age- and sex- matched controls, patients had significantly decreased GFS in the theta EEG frequency band, indicating a loosened functional connectivity of processes in this frequency. The result was confirmed in an independent, comparable patient group from Osaka, Japan (9 patients and 9 controls), thus making a total of 20 analyzed patients. Previous EEG research in healthy, awake subjects indicated a positive correlation of theta activity with memory functions. Thus, our result suggests a loss of mutual interdependence of memory functions in patients with acute schizophrenia, which agrees well with previous reports of working memory dysfunction in schizophrenia.
View