[論文レビュー] Spatio-Temporal Structuring of Brain Activity - Description of Interictal EEG in Paediatric Frontal Lobe Epilepsy

W. Bunk, T. Aschenbrenner+2 more|ArXiv.org|May 24, 2009

Fractal and DNA sequence analysis被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、情報理論的相関測定法（例：相互情報量、カルバック・ライブラー距離）と階層的クラスタリングを組み合わせた新規手法を提案し、小児前頭側頭葉てんかん（FLE）における時空間的脳同期性を定量的に評価する。この手法は、従来の分析が正常と見える間欠期のEEGにおいても、異常な同期性を検出でき、治療中の神経的および精神的症状の回復を追跡し、有効な治療により同期性指標が時間経過とともに正常化することを示している。

ABSTRACT

A method for the quantitative assessment of spatio-temporal structuring of brain activity is presented. This approach is employed in a longitudinal case study of a child with frontal lobe epilepsy (FLE) and tested against an age-matched control group. Several correlation measures that are sensitive to linear and/or non-linear relations in multichannel scalp EEG are combined with an hierarchical cluster algorithm. Beside a quantitative description of the overall degree of synchronization the spatial relations are investigated by means of the cluster characteristics. The chosen information measures not only demonstrate their suitability in the characterization of the ictal and interictal phases but they also follow the course of delayed recovery of the psychiatric symptomatology during successful medication. The results based on this single case study suggest testing this approach for quantitative control of therapy in an extended clinical trial.

研究の動機と目的

• スキャップEEGを用いて脳活動の時空間的同期性を定量的に評価する手法を開発すること。
• 従来の視覚的解析が失敗する場合でも、小児FLE患者の間欠期EEGにおける微細な非てんかん異常を検出すること。
• 抗てんかん治療中の神経的同期性パターンと精神的症状の臨床的回復との相関を評価すること。
• 同期性指標がてんかん治療効果の客観的バイオマーカーとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 本手法は、相互情報量やカルバック・ライブラー距離を含む線形および非線形相関測定法を用い、多チャンネルEEGにおける同期性を定量化する。
• 時空間的パターンは、活動パターンの類似性に基づいて電極をグループ化する階層的クラスタリングアルゴリズムを用いて分析する。
• アラート状態（覚醒状態、類似した注意レベル）のエポックに焦点を当て、覚醒度による混同要因を最小限に抑える。
• クラスタの特性は頭部表面への2次元プロットを用いて可視化され、同期した活動の空間的組織をマップする。
• 小児FLE患者と年齢に matched した対照群との間で、同期性レベルおよびクラスタ構造を比較分析する。
• 有効な医療的治療を経験する2年間の縦断的フォローアップ中に、同期性指標の変化を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の視覚的解析が正常である場合でも、非線形および情報理論的相関測定法は、小児FLEの間欠期EEGにおける異常な脳同期性を検出できるか？
• RQ2 FLE患者の時空間的同期性パターンは、年齢に matched した健常対照群と比較してどのように異なるか？
• RQ3 同期性指標は、てんかん治療反応、特に精神的症状の回復に対して、客観的かつ定量的な指標として機能できるか？
• RQ4 標準的EEGでは検出できないが、後頭側頭葉のような非前頭領域に、異常な同期性の空間的パターンが存在するか？

主な発見

• 相互情報量およびカルバック・ライブラー距離が、他の相関測定法よりもFLE患者と対照群との間で最大の対比を示し、優れた性能を発揮した。
• 臨床的発現時において、FLE患者の同期性レベルは、対照群と比較して顕著に上昇しており、間欠期であっても同様であった。
• 有効な治療を約2か月継続した後、同期性指標は対照群と統計的に区別できなくなった。
• 本手法は、従来のEEG解析では検出できなかった、後頭部領域（O1-O2）における持続的な異常な同期性を検出できた。
• 二次的両側同期（SBS）に類似したパターンが観察され、前頭側頭葉と後頭側頭葉間の両側性同期性が強化されており、多焦点的病変の可能性を示唆した。
• 同期性指標の変化は、精神的症状の臨床的回復と密接に一致しており、神経的同期性と行動の正常化との間には関連がある可能性が示唆された。