Linear and Nonlinear EEG Synchronization in Alzheimer’s Disease

Abstract

As is known, Alzheimer’s disease (AD) is associated with cognitive deficits due to significant neuronal loss. Reduced connectivity might be manifested as changes in the synchronization of electrical activity of collaborating parts of the brain. We used wavelet coherence to estimate linear/nonlinear synchronization between EEG samples recorded from different leads. Mutual information was applied to the complex wavelet coefficients in wavelet scales to estimate nonlinear synchronization. Synchronization rates for a group of 110 patients with moderate AD (MMSE score 10 to 19) and a group of 110 healthy control subjects were compared. The most significant decrease in mutual information in AD patients was observed on the third scale in the fronto-temporal area and for wavelet coherence within the same areas as for mutual information; these areas are preferentially affected by atrophy in AD. The new method used utilizes mutual information in wavelet scales and demonstrates larger discriminatory values in AD compared to wavelet coherence.

Як відомо, хвороба Альцгеймера (ХА) пов’язана з прогресуючим когнітивним дефіцитом у результаті істотної загибелі нейронів. Зменшення міжнейронних зв’язків може проявлятись як зміни ступеню синхронізації електричної активності взаємодіючих мозкових структур. Ми використовували методику оцінки вейвлет-когерентності для оцінки лінійної або нелінійної синхронізації зразків ЕЕГ, відведених від різних локусів кори. Визначення індексів взаємної інформації використовувалося для оцінки нелінійної синхронізації згідно з комплексними вейвлет-коефіцієнтами за вейвлет-шкалами. Було порівняно ступені синхронізації ЕЕГ-активності в групі пацієнтів, що страждали на ХА помірної тяжкості (оцінки за MMSE від 10 до 19 балів), та в групі із 110 контрольних здорових суб’єктів. Найістотніші зменшення індексів взаємної інформації у пацієнтів із ХА спостерігалися по третій шкалі для фронто-темпоральної зони; зменшення вейвлет-когерентності відзначались у тих самих зонах, що й зміни взаємної інформації. Саме ці зони зазнають переважної атрофії при ХА. Використаний новий метод базується на оцінках взаємної інформації за вейвлет-шкалами та демонструє більшу дискримінаційну здатність в умовах ХА, аніж визначення вейвлет-когерентності.