Phase-amplitude coupling between slow and high frequency EEG oscillations after peripheral nerve stimulation in humans

Abstract

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a complex neurodegenerative syndrome affect- ing upper and lower motor neurons (UMN and LMN, respectively). Current diagnosis relies on evidence of simultaneous brain and spinal motor neuron degeneration, which is often imprecise due to the clinical challenge of recognising cortical dysfunctions. Muscle atrophy from LMN degeneration, frequently masks UMN symptoms, complicating the diagnosis and delaying treatment initiation. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) studies have identified an imbalanced exci- tation/inhibition (E/I) ratio in the early stages of ALS, indicating motor cortex hyperex- citability even before symptoms appear. However, this method is unreliable with disease progression, emphasizing the need for biomarkers that can consistently track cortical dysfunctions in order to enhance ALS diagnosis. It has been shown that theta-gamma phase-amplitude coupling (PAC) extracted from resting state electroencephalography (EEG) can serve as a neuromarker of early cortical dysfunctions in ALS. This suggests that EEG analysis, especially through PAC, can break new ground. The present study further explores beta-gamma PAC after peripheral nerve stimulation as a potential early biomarker for cortical dysfunctions in ALS. By exploring the effects of applied stimuli, the aim is to uncover valuable insights into disease evaluation, presenting a departure from previous approaches and methodologies. Coupling mean modulation index (MI) was assessed to estimate PAC between slow signals within the beta band (12-30 Hz), and higher frequency oscillations within the gamma band (30-100 Hz), at the level of 12 channels covering the sensorimotor cortex of both hemispheres. Results from linear mixed models show no significant differences between healthy and ALS patients, indicating that, through this method, a biomarker for early stage ALS disease cannot be detected in stimulated data.

A Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA) é uma síndrome neurodegenerativa complexa que afeta os neurónios motores superiores (NMS) e inferiores (NMI). O diagnóstico atual baseia-se na evidência de degeneração simultânea dos neurónios motores cerebrais e espinais, o que é muitas vezes complicado devido ao desafio clínico de reconhecer as disfunções corticais. A atrofia muscular resultante da degenerescência dos NMI camufla frequentemente os sintomas dos NMS, complicando o diagnóstico e atrasando o início do tratamento. Alguns estudos de Estimulação Magnética Transcraniana (EMT) identificaram um desequilíbrio na relação excitação/inibição (E/I) nas fases iniciais da ELA, indicando uma hiperexcitabilidade do córtex motor mesmo antes do aparecimento dos sintomas. No entanto, este método não é fiável com a progressão da doença, enfatizando a necessidade de biomarcadores que possam rastrear consistentemente as disfunções corticais, a fim de melhorar o diagnóstico da ELA. Já foi demonstrado que o acoplamento fase-amplitude (AFA) theta-gamma extraído de dados de eletroencefalografia (EEG) em estado de repouso pode servir como um neuromarcador precoce de disfunções corticais na ELA. Isto sugere que a análise de EEG, especialmente através do AFA, pode abrir novos caminhos. O presente estudo explora ainda mais o AFA beta-gamma após estimulação do nervo periférico como um potencial biomarcador precoce para disfunções corticais na ELA. Ao explorar os efeitos dos estímulos aplicados, o objetivo é descobrir informações valiosas sobre a avaliação da doença, apresentando um desvio em relação a abordagens e metodo- logias anteriores. O índice de modulação (IM) médio do acoplamento foi avaliado para estimar o AFA entre sinais lentos na banda beta (12-30 Hz) e oscilações de frequência mais elevada na banda gamma (30-100 Hz), ao nível de 12 canais que cobrem o córtex sensório-motor de ambos os hemisférios. Contudo, os resultados dos modelos lineares mistos não mostram diferenças significativas entre os sujeitos saudáveis e os doentes com ELA, indicando que não é possível detetar um biomarcador para a fase inicial da doença nos dados estimulados, adotando este método.