Tourette's syndrome (TS) characterized by sudden, repetitive, and stereotyped motor and vocal tics has been known an involuntary. But most TS patients can suppress their tics consciously for some time period. We can infer from it that some cortical parts are involved in the inhibition of tic occurrence. The goal of this study is to find where brain regions concern in tic suppression in TS patients by several linear and nonlinear methods underlying the electroencephalogram (EEG).
In this paper we calculated Power spectrum (PS) and Approximate entropy (ApEn) as a single channel analysis to find out how different regularity and complexity exists in each EEG channels, and also estimated Coherence and Transfer entropy (TE) as a multi channel analysis to measure the degree of functional connectivity among EEG channels obtained from 1) TS patients and normal controls (NC) in resting state, 2) tic suppression and resting state for TS patients. Especially TE is, a new nonlinear method which can quantify the direction and amount of information transition between two channels, estimated to find out the cortical areas on the scalp relating to tic suppression of TS patients. We used parzen window estimation method to get the probability density function (PDF) which is less dependent on the bin size for TE analysis.
The comparison results between TS patients and normal controls in resting state showed that TS patients had higher power at frontal and temporal regions (Fz, T3, T5, and T6) for high frequency bands (slow-beta, fast-beta, and gamma) and more complex at frontal regions (F3, F4), and increased functional connectivity between frontal, central, temporal, and parietal regions than NC. Similarly, in case of comparison results between tic suppression and resting state for TS patients, TS patients in tic suppression showed higher power at frontal, central, and temporal regions (Fz, C4, T3, and T4) over all frequency bands except alpha band. The functional connectivity increased between frontal and temporal regions for the delta band and information transition also increased between frontal, central, temporal, and parietal regions as compared with TS patients in resting state, but there were no difference complexity between two groups.
This study suggests that the EEG analysis using linear and nonlinear methods can be a useful tool to measure and investigate the cortical mechanism of tic suppression in TS patients and provide a clue to develop a therapeutic cortical modulator for tic suppression.
갑작스러우며 반복적인 특성을 보이는 운동틱 증상과 음성틱 증상으로 특징지워지는 뚜렛 증후군은 의도하지 않아도 움직이는 불수의적인 증상이지만 대부분의 뚜렛 환자들은 일정시간동안은 억제가 가능하다. 이로부터 우리는 뇌의 특정 영역이 틱증상의 억제에 관여하고 있다는 것을 유추할 수가 있다. 본 논문은 뇌파를 여러가지 선형/비선형 분석법을 사용하여 분석 뚜렛 환자의 틱 증상 억제와 관련된 brain 영역들을 찾고자 한다. 뚜렛환자와 대조군의 뇌파에서 한 채널에서의 규칙성과 복잡도가 얼마인지를 알아보기 위해 파워스펙트럼과 근사 엔트로피 분석법을 사용하였으며 대뇌 피질의 여러 영역간 기능적 연결의 정도를 측정하기 위하여 코히어런스 와 트렌스퍼 엔트로피 분석법을 사용하였다. 특히 트렌스퍼 엔트로피 분석법은 두 채널간 정보의 교류에 대한 양적 정보만 알 수 있었던 기존에 분석법과 달리 두 채널간 정보의 교류 양뿐만 아니라 이동 방향도 알아낼 수 있는 새로운 비선형 분석법으로서 뚜렛 환자의 틱 증상 억제와 관련된 뇌 영역간 정보흐름의 방향성을 알아내기 위해 사용되었다. 트렌스퍼 엔트로피 분석법에 사용되는 확률 밀도 함수가, 나누어지는 빈도에 덜 의존적이게 하는 방법으로 parzen window 근사 방법을 사용하였다. 휴식시의 경우 TS 환자가 대조군 보다 고주파 영역의 (느린 베타파, 빠른 베타파, 감마파) 전두엽과 측두엽 영역에서 (Fz, T3, T5, T6) 높은 파워값을 보였고 전두엽에서의 (F3, F4) 복잡도도 증가하였으며 전두엽, 중엽, 두정엽, 측두엽에서 채널간 활발한 정보 교류가 있음을 알 수 있었다. 유사하게 틱 억제시의 뚜렛 환자가 휴식시보다 알파파를 제외한 전대역에서 전두엽, 중엽, 측두엽 영역에서 (Fz, C4, T3, T4) 높은 파워값을 보였으며 두정엽, 축두엽의 델파대역에서는 기능적 연결이 강해졌으며 두정엽, 중엽, 두정엽, 측두엽 각 영역간 정보 교류가 증가하였다. 이를 통해 우리는 뚜렛 환자의 틱증상 억제에 전두엽, 중엽, 측두엽, 두정엽 채널간 정보 흐름이 주요하게 연관되어 있음을 알 수 있다. 본 논문은 선형/비선형 방법을 이용한 뇌파 분석법이 뚜렛 환자의 틱 증상 억제에 관여하는 대뇌 피질 영역의 작용 기작을 알아내기 유용한 도구임을 제시하였으며, 이를 통해 알아낸 틱 증상 억제에 관여되 뇌 영역들을 조절하는 대뇌 피질 조절기의 설계에 선행적인 연구를 수행하였다.
