Riassunto analitico
L’elettroencefalogramma (EEG) è ancora oggi lo strumento più efficiente per indagare direttamente l’attività elettrica cerebrale mentre la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è uno strumento non invasivo per indagare indirettamente, attraverso le variazioni del segnale BOLD (blood oxygen level dependent), le modificazioni delle attività neuronali. La co-registrazione EEG-fMRI è una metodica che consiste nella contemporanea acquisizione dell’EEG e delle immagini di risonanza magnetica funzionale; ciò permette di compensare alle limitazioni delle due tecniche prese singolarmente: la bassa risoluzione spaziale dell’EEG e la bassa risoluzione temporale della fMRI.
Questa tesi definisce la metodica di co-registrazione EEG-fMRI, le sue possibili applicazioni, in ambito clinico e di ricerca. Il primo capitolo della tesi affronta le metodologie di ottimizzazione nella acquisizione e nell’analisi dei dati EEG e di risonanza. In particolare, descriviamo l’utilità della coregistrazione di segnali video per monitorare i movimenti involontari del paziente ed in particolare della regione del viso/capo. Tali movimenti rappresentano, infatti, eventi di non interesse, sia nell’analisi di modificazioni fisiologiche dell’attività cerebrale a riposo (resting-state), che nell’analisi di attività patologiche cerebrali quali quelle osservate nel paziente affetto da epilessia.
Nei successivi capitoli sono descritti gli studi effettuati applicando la metodica in ambito clinico e specificatamente nello studio dei network cerebrali alterati nei pazienti affetti da epilessie fotosensibili, cioè in una serie di sindromi epilettiche in cui le modificazioni della luce ambientale possono indurre la comparsa di anomalie EEG e crisi epilettiche. Abbiamo, infatti, analizzato attraverso metodiche di imaging avanzato la possibilità che in tali quadri sindromici possano essere presenti sia alterazioni strutturali (microstrutturali della sostanza grigia), che alterazioni funzionali nelle proprietà di network cortico-sottocorticali fisiologici.
Nel secondo capitolo descriviamo i correlati strutturali (densità di sostanza grigia – voxel based morphometry) e funzionali (EEG-fMRI) della fotosensibilità in pazienti affetti da una particolare sindrome epilettica caratterizzata da mioclonie palpebrali con assenze (Eyelid Myoclonia with Absences; o sindrome di Jeavons).
Nel terzo e quarto capitolo descriviamo i correlati emodinamici dell’attività alpha (8-12 Hz) spontanea osservata sull’EEG in quattro differenti gruppi di soggetti: (1) pazienti con epilessia idiopatica generalizzata e fotosensibilità; (2) pazienti con epilessia generalizzata idiopatica senza fotosensibilità; (3) pazienti affetti da epilessie focali; (4) controlli sani.
Dai risultati ottenuti dallo studio di queste diverse popolazioni di soggetti evidenziamo come i soggetti con epilessia generalizzata idiopatica e fotosensibilità presentano alterazioni anatomo-funzionali nel sistema visivo rispetto ai soggetti con epilessia generalizzata idiopatica che non presentano fotosensibilità. Inoltre sono evidenti alterazioni funzionali nei circuiti talamo-corticali che sottendono il ritmo alpha nei pazienti affetti da epilessia, in particolare nel gruppo di pazienti fotosensibili.
Riassumendo, questa tesi rileva l’importanza della metodica di co-registrazione EEG-fMRI nello studio di forme di epilessia che coinvolgono il sistema visivo contribuendo a fornire nuove informazioni sulle alterazioni di network cortico-sottocorticali le cui alterazioni sottendono il fenomeno della fotosensibilità.
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Abstract
The electroencephalogram (EEG) is still the most efficient tool to directly investigate the brain electrical activity while functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a non-invasive technique to investigate indirectly, through the BOLD signal variations (blood oxygen level dependent), the changes in the neuronal activity. EEG-fMRI coregistration consists of the simultaneous acquisition of EEG and functional magnetic resonance imaging; it compensates the limitations of the two techniques, separately: the low spatial resolution of EEG and low temporal resolution of fMRI.
This thesis defines the coregistration EEG-fMRI technique and its possible applications in clinical and research fields. The first chapter of the thesis deals with the optimization methods in the acquisition and analysis of EEG and fMRI data. In particular, we describe the usefulness of video recording to monitor the involuntary movements of the patient, especially occurring in the face/head region. In fact, these movements are events of no interest, both in the analysis of physiological changes in brain activity at rest (resting-state studies), and in the analysis of pathological brain activity, as the one observed in patients with epilepsy.
The following chapters described the studies carried out by applying this technique in the clinical field and particularly in the study of altered brain networks in patients suffering from photosensitive epilepsies, which are a series of epileptic syndromes in which the changes in ambient light can induce the occurrence of EEG abnormalities and seizures. Indeed, we analyzed through advanced imaging methods, the possibility that in these syndromes may present both structural (microstructure of gray matter) and functional alterations in cortico-subcortical networks.
In the second chapter we describe the structural (density of gray matter - voxel based morphometry) and functional (EEG-fMRI) correlates of photosensitivity in patients with a particular epileptic syndrome characterized by eyelid myoclonus with absences (EMA or Jeavons Syndrome).
In the third and fourth chapters we describe BOLD signal changes related to the fluctuation of the brain resting rhythms, indexed by the ‘alpha’ rhythm in four different groups of subjects: (1) patients with idiopathic generalized epilepsy and photosensitivity; (2) patients with idiopathic generalized epilepsy without photosensitivity; (3) patients with focal epilepsies; (4) healthy controls.
The results obtained from these studies show that subjects with photosensitivity (IGE and Jeavons syndrome) have anatomical and functional alterations in the visual system. Moreover, functional changes in the thalamo-cortical circuits underlying the alpha rhythm generation, are evident in patients with epilepsy, particularly in the subset of patients showing photosensitive phenomena.
In summary, this thesis points out the importance of EEG-fMRI coregistration in the study of epilepsies involving the visual system and provides new information on the cortico-subcortical networks whose alterations underlie the photosensitivity phenomenon.
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