Event-related desynchronization (ERD) of sensorimotor EEG rhythms in hemiparetic patients with acute hemispheric stroke

Abstract

In this study we investigated event-related desynchronizations in 17 hemiparetic patients after acute stroke (2-13 days) subcortical (n=10) and cortical (n=7) lesions and age-matched healthy subjects (n=10) during performance of a simple motor task. In a “rest” condition, data were recorded in a similar setting where subjects were only observing visual cues. In the second “active” task, subjects pressed a mouse button either with their left or right index finger as required by a visual stimulus. A 65-channel EEG, including EOG and EMG, was recorded. Event-related desynchronization (ERD) was measured for both tasks in four frequency bands: 8-10Hz, 10-12Hz, 15-20Hz and 20-25Hz. For interhemispherical comparisons, an electrode with the strongest ERD over the motor cortex was chosen. The data were statistically analyzed with analysis of variance (ANOVA) and, if needed, with post-hoc Tukey's test. The aim of this study was to gain insight into the kinds of changes in the dynamics of the neuronal oscillations in the acute phase of stroke. The other goal was to prove if the lesion location has a significant influence on the brain oscillations. Moreover, this work was intended to investigate possible correlations between the grade of the paresis and the severity of ERD changes. The analysis of the “rest” task did not reveal any differences of ERDs between the two hemispheres of the two groups, nor did in-between group comparisons. In the “active” task for paretic hand movements the cortical stroke patients showed with a stronger ipsilateral (contralesional) than contralateral (ipsilesional) alpha-ERD. The hemisphere with cortical lesions exhibited stronger 8-10Hz - ERD for ipsilateral (healthy) than for contralateral (paretic) hand movements. Within the cortical group, for contralateral hand movements, the alpha-ERD found in the affected hemisphere was smaller than in the unaffected hemisphere. In comparison with the control group, in patients with cortical stroke the amplitude of the alpha-ERD was decreased for both the affected and the unaffected hemispheres. No interhemispherical difference of the alpha-ERD amplitude was found in patients with subcortical stroke. Likewise, the alpha-ERD measured in the unaffected and affected hemisphere did not differ from the control group, but was significantly stronger in the affected hemisphere than in patients with cortical stroke. No significant differences were detected for either of the beta frequency bands. Interestingly, relative preservation of the alpha-ERD amplitude in a hemisphere with a cortical stroke for non-paretic hand movements could exhibit a potential for rehabilitation through training of the remaining cortical network with enforced use of the paretic hand.

In dieser Studie wurde die ereigniskorrelierte Desynchronisation (event- related desynchronization, ERD) in 17 hemiparetischen Patienten nach einem akuten Schlaganfall (2-13 Tage) mit subkortikalen (n=10) und kortikalen (n=7) Läsionen als auch in einer Kontrollgruppe von gesunden und gleichaltrigen Personen während Ausführung einer einfachen motorischen Aufgabe untersucht. Während der „passiven“ Aufgabe wurden die Daten erfasst, während die Patienten die visuellen Stimuli nur beobachtet haben. In der „aktiven“ Aufgabe drückten die Patienten eine Maustaste entweder mit dem linken oder mit dem rechten Zeigefinger entsprechend der Stimulusausrichtung. Es wurde eine EEG mit 65 Elektroden, einschließlich EOG und EMG, aufgenommen. ERD wurde während Ausführung beider Aufgaben in vier Frequenzbereichen: 8-10Hz, 10-12Hz, 15-20Hz und 20-25Hz gemessen. Für die interhemisphärischen Vergleiche wurde immer die Elektrode gewählt, die die stärkste ERD oberhalb des motorischen Kortex aufnahm. Die statistische Auswertung der Daten wurde mittels Varianzanalyse und wenn nötig, auch mittels a posteriori Tukey Test durchgeführt. Das Ziel der Studie war die Untersuchung der dynamischen Veränderungen der neuronalen Oszillationen in der akuten Schlaganfallphase. Zusätzlich sollte der Einfluss der Schlaganfalllokalisation auf die Oszillationen untersucht werden. Weiterhin wurden auch die Korrelationen zwischen dem Grad der Parese und dem Grad der ERD-Veränderungen untersucht. Die Auswertung der „passiven“ Aufgabe zeigte, dass keine interhemisphärischen ERD-Unterschiede innerhalb jeder Gruppe und zwischen den Gruppen bestehen. In der „aktiven“ Aufgabe zeigte sich für die Bewegung der paretischen Hand bei Schlaganfallpatienten mit kortikalen Läsionen stärkere ipsilaterale als kontralaterale alpha-ERD. Die Hemisphäre mit kortikaler Läsion zeigte stärkere 8-10Hz- ERD für ipsilaterale (gesunde) als für kontralaterale (paretische) Handbewegungen. In der Schlanganfallpatientengruppe mit kortikalen Läsionen konnte für die kontralateralen Handbewegungen eine kleinere alpha-ERD in der geschädigten als in der ungeschädigten Hemisphäre gefunden werden. Im Vergleich zu der Kontrollgruppe wurde bei den Patienten mit kortikalen Läsionen eine kleinere alpha-ERD-Amplitude sowohl für die geschädigte als auch für die ungeschädigte Hemisphäre gemessen. Keine interhemisphärischen Unterschiede der alpha-ERD konnten in den beiden Hemisphären der Schlaganfallpatienten mit subkortikalen Läsionen beobachtet werden. Weiterhin, die gemessenen alpha- ERD-Werte unterschieden sich in der geschädigten und ungeschädigten Hemisphäre von der Werten gemessenen bei der Kontrollgruppe nicht, allerdings waren höher als bei Patienten nach kortikalen Schlaganfällen. Keine signifikanten Unterschiede konnten für den Beta-Frequenzbereich erfasst werden. Interessanterweise zeigt die relative Erhaltung der alpha-ERD-Amplitude in der durch den kortikalen Schlaganfall geschädigten Hemisphäre bei nicht-paretischen Handbewegungen ein Rehabilitationspotential durch das Training des kortikalen Netzwerks durch einen verstärken Gebrauch der paretischen Hand.