Analisi di Picchi Spettrali e Scale Temporali Neurali Intrinseche come Marcatori dello Stato di Coscienza

Abstract

Il tracciato EEG a riposo nei pazienti con disordini di coscienza (Disorders of Consciousness, DOC) è caratterizzato da un aumento della potenza nella banda di frequenza delta e una concomitante diminuzione nell'intervallo alfa, equivalente a un indebolimento o scomparsa del picco alfa. Anche il prolungamento delle Intrinsic Neural Timescales (INTs) è associato ai DOC. L’associazione di questi due elementi pone la domanda se la diminuzione del picco alfa sia correlata alle INTs prolungate e, soprattutto, come ciò possa essere utilizzato per diagnosticare lo stato di coscienza negli individui con DOC. Analizzando registrazioni EEG in stato di riposo sia di soggetti sani che di pazienti con DOC, misuriamo le INTs attraverso la Autocorrelation Window (ACW) e sviluppiamo nuove misure per quantificare l'indebolimento del picco alfa. Innanzitutto, replichiamo i risultati precedenti di ACW prolungata nei pazienti con DOC. Identifichiamo quindi misure del picco alfa significativamente inferiori nei DOC rispetto ai controlli. Di particolare interesse è il riscontro di picchi spettrali che si spostano dall'intervallo alfa a quello theta in diversi soggetti con DOC, mentre tale cambiamento è assente nei controlli sani. Successivamente, il nostro studio rivela una stretta relazione tra ACW e picco alfa sia nei soggetti sani che nei DOC, una correlazione che vale anche per i picchi theta nei DOC. Inoltre, l'ACW prolungata correla con lo stato di coscienza, quantificato dalla Coma Recovery Scale – Revised (CRS-R), e media la relazione tra picco theta e CRS-R. Infine, attraverso analisi di divisione e machine learning, dimostriamo che le misure di ACW e del picco alfa insieme distinguono controlli sani e pazienti con DOC con alta precisione (95,5%). In conclusione, dimostriamo che il prolungamento dell'ACW, insieme alle misure del picco spettrale, sono promettenti aggiunte alla lista di potenziali biomarcatori EEG per diagnosticare lo stato di coscienza nei soggetti con DOC.

Resting state EEG in patients with disorders of consciousness (DOC) is characterized by an increase of power in the delta frequency band and a concurrent decrease in the alpha range, equivalent to a weakening or disappearance of the alpha peak. Prolongation of Intrinsic Neural Timescales (INTs) is also associated with DOCs. Together, this raises the question whether the decreased alpha peak relates to the prolonged INTs and, importantly, how that can be used for diagnosing the state of consciousness in DOC individuals. Analyzing resting state EEG recordings from both healthy subjects and DOC patients, we measure INTs through autocorrelation window (ACW) and develop novel measures to quantify the weakening of the alpha peak. First, we replicate previous findings of prolonged ACW in DOC patients. We then identify significantly lower alpha peak measures in DOC compared to controls. Interestingly, spectral peaks shift from the alpha to the theta range in several DOC subjects while such change is absent in healthy controls. Next, our study reveals a close relationship between ACW and Alpha Peak in both healthy and DOC subjects, a correlation that holds for theta peaks in DOC. Further, the prolonged ACW correlates with the state of consciousness, as quantified by the Coma Recovery Scale-Revised (CRS-R), and mediates the relationship between theta peak and CRS-R. Finally, through split analyses and machine learning, we show that ACW and alpha peak measures conjointly distinguish healthy controls and DOC patients with high accuracy (95.5%). In conclusion, we demonstrate that the prolongation of ACW, together with spectral peak measures, holds promise to serve as additional EEG biomarkers for diagnosing the state of consciousness in DOC subjects.