Verbesserung der Differenzierung der verschiedenen Wachkoma- Zustände (diagnostische Relevanz)

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1 Team Schlaf- und Bewusstseinsforschung Langzeit - EEG - Untersuchung bei Wachkomapatienten Priv.Doz., Dr. Manuel Schabus *+ Priv.Doz.,.Dr. Manuel Schabus, Mag.Dr. Kerstin Hödlmoser Nicole Chwala, Katharina Weilhart, Christoph Pelikan *Division of Physiological Psychology, University of Salzburg + Cyclotron Research Center, Université de Liège Abteilungsleiter Physiologische Psychologie Univ.Prof. Dr. Wolfgang Klimesch Kooperation mit Sprachwissenschaften Univ.Prof. Dr. D. Roehm & Univ.Prof. Dr. H. Haider I. Stand der Forschung i. Schlaf ii. Überblick Kognitive Paradigmen II. Experimentelles Design & Probleme III. Auswertungsschritte IV. Erste Ergebnisse... Ziel der Studie Verbesserung der Differenzierung der verschiedenen Wachkoma- Zustände (diagnostische Relevanz) Prognostische Relevanz der erhobenen PSG-Daten im 24h Verlauf, sowie der EEG-Daten whd. kognitiver Paradigmen Positive Indikatioren (to date): Valente et al., 02 Chelout-Heraut et al., 01 Evans & Bartlett, 199 D Aleo et al., 1994

2 BEWUSSTSEIN 2 Komponenten des Bewusstseins NORMAL CONSCIOUSNESS COMA VEGETATIVE STATE MINIMALLY CONSCIOUS STATE WAKEFULNESS «AWARENESS» AR ROUSAL AW WARENESS AR ROUSAL AW WARENESS AR ROUSAL AWA ARENESS AR ROUSAL AW WARENESS? -Behavioral assessment remains the gold standard to monitor level of consciousness in patients with DOC. Wakefulness--depends principally on the functioning of reticular activating system in the brainstem. NREM Sleep--depends on the basal forebrain. REM Sleep--depends on the dorsolateral pontine tegmentum. I. Stand der Forschung I. Stand der Forschung Patienten im Koma, VS, MCS, locked-in : Schwerwiegendes diagnostisches, prognostisches und therapeutisches Problem Ca. 1/3 VS Patienten zeigen u.u. doch Zeichen von Bewusstsein (e.g., Owen et al., 06; Perrin et al., 06) Schlaf-Wach-Zyklus und spezielle Schlafmuster beeinträchtigt Erhöhte Schlaffragmentierung Veränderungen der Schlafarchitektur (Rückgang Stage 2, REM-sleep-disinhibiton) Vermuteter prognostischer/diagnostischer Wert von Schlafarchitektur und Schlafmustern (wie etwa Schlafspindeln)

3 Einteilung der Schlafstadien I. Aktueller Forschungsstand: Kognitive Verarbeitung in veränderten Bewusstseinszuständen Schlafspindel (12-Hz bursts ) die den Einschlafzeitpunkt markieren und mit dem Abschalten des Wach-Bewusstseins einhergehen Brain response to the patient s first name Sequences of 8 equiprobable first names: the own name and 7 non familiar first names Paradigmenwechsel Aktive Paradigmen mit Instruktionen Manuel Simon Patrick Hector Manuel Victor VS Partially preserved semantic processing can be observed in non-communicative brain-damaged patients P3 response Perrin, Schnakers, Schabus et al, Arch Neurol, 06 Owen, Coleman, Boly, Davis, Laureys & Pickard, Science 06

4 Aktives EEG Paradigma (extended analyses from Schnakers, Perrin, Schabus et al., 08) Aktives EEG Paradigma (extended analyses from Schnakers, Perrin, Schabus et al., 08) 12 controls (CO) 13 minimally conscious patients (MC) 8 vegetative state patients (VS) p <.001 p<.021 n.s. Actively counting the own name elicits higher theta ERS than passively hearing in CO and MCS. Event-related theta synchronisation (ERS) to counted own vs. other names even in VS patients, yet delayed!! Schabus, Fellinger et al., in preparation Schabus, Fellinger et al., in preparation II. Experimentelles Design Polysomnographie mit (i) Motorimagination und (ii) Sprachverständnis Aufgaben am Beginn/Ende (vgl. Owen et al., 06; Schnakers et al., 08) Ca. 3 min Motor Imagination & Sprachverständnis 24 Stunden PSG Schlaf/Wach- Zyklen Ca. 3 min Eigennamen & Sprachverständnis Paradigmen EEG + PSG Aufnahmezeitpunkte EEG + Polysomnographie 1. Erhebung (möglichst akut) 2. Erhebung der kognitiven Paradigmen (nach ca. 2 Wochen) Weitere Erfassungen nach jeder bedeutsamen Entwicklung (Koma VS, VS MCS) bzw. nach 6 Monaten

5 Polysomnographie Probleme in der Durchführung Kanäle EEG, 4 EOG, 2 ECG, 4 EMG, Respirationsgürtel an Brust Applikation: Nuprep Gel, EC2 Elektroden Paste, u. Kollodion Verhaltensskalen: CRS-R vor und nach PSG Aufnahmen ohne Medikation (vegetative Reaktionen der Patienten) Aufnahme nur von ruhigen Patienten möglich Überschneidung mit Pflegetätigkeiten, Physioth.,... Störung durch Mitpatienten (Geräusche, oder TV) Vertraulichkeit der Patientendaten (Diagnose, Ätiologie,...) Flukturierende Aufmerksamkeits-Niveaus und Müdigkeit durch langwierige Elek.Plazierung und Paradigmen ( häufige Pausen) Problem der qualifizierten und wiederholten (cross-validierten) CRS-R Diagnose ECG 0 Resp VEOG HEOG EMGlo EMGup F3 - F4 - FC - FC6 - C3 - C4 - P3 - P4 - T3 - T4 - F7 - F8 - PO7 - PO8 - Fz - Cz - Pz - Oz - A1 - A2 - FCz - Problem EEG-Artefakte Kognitive EEG Paradigmen - Motorimagination - x links und x rechts in Vorstellung nach Glas greifen und trinken Erwartet wird charakteristische Veränderung von Alpha/Beta Gehirnoszillationen Bitte vorstellen

6 - Eigennamen Paradigma - - Linguistisches Paradigma 1-6 Sequenzen je 7 Stimulationen. 4 Vornamen, und Eigenname des Patienten Vergleich: passives Zuhören (eigener und fremder Namen), aktives Zählen eines dieser Namen Das Gegenteil von X ist Y. Schwarz - weiß Schwarz - gelb Schwarz - nett F3 Fz F4 C3 Cz C4 P3 Pz P4 Perrin, Schnakers, Schabus et al (06) Schnakers, Perrin, Schabus et al. (08) Roehm et al. (07). Journal of Cognitive Neuroscience, 19:8, s (A) Antonyms (B) Related (C) Non-related - Linguistische Paradigma 2 - Friederici & Alter (04). Brain Lang 89, III. AUSWERTUNGSSCHRITTE (UND ZIELGRÖSSEN) klassische «N400» Verletzungen

7 Zielgrößen in EEG-Analyse Korrektur der Augenartefakte ICA Ocular Correction Evozierte Potentiale (ERPs) Kohärenzen (Konnektivität in unterschiedl. Frequenzbändern) Zeit-Frequenz Analysen auf Ereignisse (LRP Analyse und EMG- Analysen bei Motorparadigma) Unterscheidung zwischen VS und MCS Patienten Unterscheidung zwischen Patienten die in Folge (k)eine Verbesserung ihrer Diagnose aufweisen (bei Langzeit Patienten daher leider nicht mögl.) ECG 0 Resp VEOG HEOG EMGlo EMGup F3 - F4 - FC - FC6 - C3 - C4 - P3 - P4 - T3 - T4 - F7 - F8 - PO7 - PO8 - Fz - Cz - Pz - Oz - A1 - A2 - FCz - Blink Blink Blink Blink S 3 S 3 Es folgen weitere Analyse- Schritte wie Rereferenzierung, Filterungen, Manuelle Markierung der verbleibenden Artefakte Segmentierung und Mittelung Ereignis-korrelierte Analysen ECG Resp VEOG ECG Resp VEOG HEOG EMGlo EMGup HEOG EMGlo EMGup F3 F4 FC F3 - F4 - FC - FC6 C3 C4 FC6 - C3 - C4 - P3 P4 T3 P3 - P4 - T3 - T4 F7 F8 T4 - F7 - F8 - Einzel- Trial (z.b. Reaktion auf 1x Namen) Grand-Average - Mittelung (z.b. Reaktion auf 40x Namen) PO7 PO8 Fz PO7 - PO8 - Fz - Cz Pz Oz Cz - Pz - Oz - A1 A2 FCz A1 - A2 - FCz -

8 Stage 1 Schlaf in VS IV. Erste Befunde zum Schlaf ECG 00 Resp VEOG HEOG EMGlo EMGup F3 - F4 - FC - FC6 - C3 - C4 - P3 - P4 - T3 - T4 - F7 - F8 - Slow oscillations + Spindeln in MCS ECG Resp VEOG HEOG EMGlo EMGup F3 - F4 - FC - FC6 - C3 - C4 - P3 - P4 P4 - T3 T3 - T4 T4 - F7 F7 - F8 F8 - Kohärent finden sich Spindeln, sowie SWS-REM Abfolgen nur in MCS Patienten (cf. Cologan & Schabus et al.) Zur Konnektivität während spez. Schlafmuster liegen noch keine Ergebnisse vor. IV. Erste Befunde zu den kognitiven Paradigmen

9 F3 F4 F3 F F Own Name Passive_MCS F3/F4 F4 Beim passiven Hören des Eigennamens, F Target Name Active_MCS F3/F4 F4 Beim aktiven Zählen eines Zielnamens, zeigt sich auf frontalen Regionen stärkere Theta ERS bei MCS vs. VS Patienten zeigt sich auf frontalen Regionen stärkere Theta ERS bei MCS vs. VS. Alpha ERD ist zudem wie in vorherigem Datensatz bei VS völlig abwesend Own Name Passive_VS F3/F Target Name Active_VS F3/F4 VS Kohärenz Konnektivität für Antonyme Sätze MCS Kohärenz Conclusio Theta Alpha Theta Alpha Es zeigen sich stärkere longdistance Konnektivitäten auf das kritische Zielwort in MCS Patienten. Schlafmuster scheinen zwischen MCS & VS zu differenzieren ( Indikator intakter Gehirnvernetzung) Residuelle kognitive Verarbeitung kann mittels EEG identifiziert werden ( instruction following in MCS). Einzelpatient Aussagen hoch-relevant jedoch sehr schwer realisierbar (signal to noise ratios) Ziel ist weitere Verfeinerung der EEG-Paradigmen und Analysen um die klinischen Diagnose & Prognose zu unterstützen Beta Beta

10 EEG-Team University of Salzburg, Austria Division Physiological Psychology and national research partners. *Peter Anderer *Georg Gruber **Kerstin Hödlmoser **Wolfgang Klimesch ***Gerhard Klösch *Silvia Parapatics **Thomas Pecherstorfer *Bernd Saletu ***Cornelia Sauter ***Josef Zeitlhofer *Department of Psychiatry, Medical University Vienna **Department of Physiological Psychology, University of Salzburg ***Department of Neurology, Medical University Vienna Neuroimaging- Team Université de Liège, Belgium Cyclotron Research Centre Danke für Ihre Aufmerksamkeit!!!