Priv. Doz. Dr. Manuel Schabus

Team „Schlaf- undBewusstseinsforschung“Langzeit - EEG - Untersuchungbei WachkomapatientenPriv.Doz., Dr. Manuel Schabus *+Priv.Doz., .Dr. Manuel Schabus,Mag.Dr. Kerstin HödlmoserNicole Chwala, Katharina Weilhart,Christoph Pelikan*Division of Physiological Psychology, University of Salzburg+Cyclotron Research Center, Université de LiègeAbteilungsleiter„PhysiologischePsychologie“Univ.Prof. Dr. WolfgangKlimeschKooperation mitSprachwissenschaftenUniv.Prof. Dr. D. Roehm &Univ.Prof. Dr. H. HaiderI. Stand der Forschungi. Schlafii.ÜberblickKognitive ParadigmenII. Experimentelles Design & ProblemeIII. AuswertungsschritteIV. Erste Ergebnisse...Ziel der Studie Verbesserung der Differenzierung der verschiedenenWachkoma- Zustände (diagnostische Relevanz) Prognostische Relevanz der erhobenen PSG-Daten im24h Verlauf, sowie der EEG-Daten whd. kognitiverParadigmenPositive Indikatioren (to date): Valente et al., 2002 Chelout-Heraut et al., 2001 Evans & Bartlett, 1995 D‘Aleo et al., 1994

BEWUSSTSEIN2 „Komponenten“ des BewusstseinsNORMALCONSCIOUSNESSCOMAVEGETATIVESTATEMINIMALLYCONSCIOUSSTATE“WAKEFULNESS”« AWARENESS »AROUSALAWARENESSAROUSALAWARENESSAROUSALAWARENESSAROUSALAWARENESS?-Behavioral assessment remains the gold standard to monitor level ofconsciousness in patients with DOC.Wakefulness--depends principally on the functioning of reticular activating system in the brainstem. NREMSleep--depends on the basal forebrain. REM Sleep--depends on the dorsolateral pontine tegmentum.I. Stand der ForschungI. Stand der Forschung Patienten im Koma, VS, MCS, „locked-in“:Schwerwiegendes diagnostisches, prognostisches undtherapeutisches Problem Ca. 1/3 VS Patienten zeigen u.U. doch Zeichen vonBewusstsein (e.g., Owen et al., 2006; Perrin et al., 2006) Schlaf-Wach-Zyklus und spezielleSchlafmuster beeinträchtigt Erhöhte Schlaffragmentierung Veränderungen der Schlafarchitektur(Rückgang Stage 2, REM-sleep-disinhibiton) Vermuteter prognostischer/diagnostischer Wertvon Schlafarchitektur und Schlafmustern (wie etwaSchlafspindeln)

Einteilung der SchlafstadienI. Aktueller Forschungsstand:Kognitive Verarbeitung in verändertenBewusstseinszuständenSchlafspindel (12-15Hz „bursts“) die den Einschlafzeitpunktmarkieren und mit dem Abschalten des Wach-BewusstseinseinhergehenBrain response to the patient’s first nameSequences of 8 equiprobable first names: theown name and 7 non familiar first namesParadigmenwechsel„Aktive“ Paradigmen mit InstruktionenManuel Simon Patrick Hector Manuel VictorVSPartially preservedsemantic processingcan be observed innon-communicativebrain-damagedpatients P3 responsePerrin, Schnakers, Schabus et al, Arch Neurol, 2006Owen, Coleman, Boly, Davis, Laureys & Pickard, Science 2006

„Aktives“ EEG Paradigma(extendedanalyses from Schnakers, Perrin, Schabus et al., 2008)„Aktives“ EEG Paradigma(extendedanalyses from Schnakers, Perrin, Schabus et al., 2008)12 controls (CO)13 minimallyconscious patients(MC)8 vegetative statepatients (VS)p

PolysomnographieProbleme in derDurchführung 20 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 derPatienten) 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 durchlangwierige Elek.Plazierung und Paradigmen ( häufigePausen) Problem der qualifizierten und wiederholten (cross-validierten)CRS-R DiagnoseECG200 µVResp50 µVVEOG50 µVHEOG50 µVEMGlo50 µVEMGup50 µVF3 - RefEars50 µVF4 - RefEars50 µVFC5 - RefEars50 µVFC6 - RefEars50 µVC3 - RefEars50 µVC4 - RefEars50 µVP3 - RefEars50 µVP4 - RefEars50 µVT3 - RefEars50 µVT4 - RefEars50 µVF7 - RefEars50 µVF8 - RefEars50 µVPO7 - RefEars50 µVPO8 - RefEars50 µVFz - RefEars50 µVCz - RefEars50 µVPz - RefEars50 µVOz - RefEars50 µVA1 - RefEars50 µVA2 - RefEars50 µVFCz - RefEars50 µVProblem – EEG-ArtefakteKognitive EEG Paradigmen- Motorimagination - 30x links und 30x rechts in Vorstellung nach „Glasgreifen und trinken“ Erwartet wird charakteristische Veränderung vonAlpha/Beta GehirnoszillationenBitte vorstellen…

- Eigennamen Paradigma -- Linguistisches Paradigma 1- 6 Sequenzen je 75 Stimulationen. 4 Vornamen,und Eigenname des Patienten Vergleich: passives Zuhören (eigener und fremderNamen), aktives Zählen eines dieser Namen• Das Gegenteil von X ist Y.• Schwarz - weiß• Schwarz - gelb• Schwarz - nettF3 Fz F4C3 Cz C4P3 Pz P4•Perrin, Schnakers, Schabus et al(2006)•Schnakers, Perrin, Schabus et al.(2008)Roehm et al. (2007). Journal ofCognitive Neuroscience, 19:8,1259-1274.-88µV0.4 0.8s(A) Antonyms(B) Related(C) Non-related- Linguistische Paradigma 2 -Friederici & Alter (2004).Brain Lang 89, 267 - 276III. AUSWERTUNGSSCHRITTE(UND ZIELGRÖSSEN) klassische « N400 » Verletzungen

Zielgrößen in EEG-AnalyseKorrektur 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)eineVerbesserung ihrer Diagnose aufweisen (bei Langzeit Patientendaher leider nicht mögl.)ECG200 µVResp50 µVVEOG50 µVHEOG50 µVEMGlo50 µVEMGup50 µVF3 - RefEars50 µVF4 - RefEars50 µVFC5 - RefEars50 µVFC6 - RefEars50 µVC3 - RefEars50 µVC4 - RefEars50 µVP3 - RefEars50 µVP4 - RefEars50 µVT3 - RefEars50 µVT4 - RefEars50 µVF7 - RefEars50 µVF8 - RefEars50 µVPO7 - RefEars50 µVPO8 - RefEars50 µVFz - RefEars50 µVCz - RefEars50 µVPz - RefEars50 µVOz - RefEars50 µVA1 - RefEars50 µVA2 - RefEars50 µVFCz - RefEars50 µVBlinkBlinkBlinkBlinkS 3 S 3Es folgen weitereAnalyse- Schritte wieRereferenzierung,Filterungen, …Manuelle Markierung derverbleibenden ArtefakteSegmentierung und Mittelung –Ereignis-korrelierte AnalysenECG Resp VEOGECG Resp VEOGS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500HEOG EMGlo EMGupHEOG EMGlo EMGupS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500F3 RefEars F4 RefEars FC5 RefEarsF3 - RefEars F4 - RefEars FC5 - RefEarsS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500FC6 RefEars C3 RefEars C4 RefEarsFC6 - RefEars C3 - RefEars C4 - RefEarsS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500P3 RefEars P4 RefEars T3 RefEarsP3 - RefEars P4 - RefEars T3 - RefEarsS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500T4 RefEars F7 RefEars F8 RefEarsT4 - RefEars F7 - RefEars F8 - RefEarsEinzel- „Trial“ (z.B.Reaktion auf 1xNamen)„Grand-Average“-Mittelung (z.B.Reaktion auf 40xNamen)S 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500PO7 RefEars PO8 RefEars Fz RefEarsPO7 - RefEars PO8 - RefEars Fz - RefEarsS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500Cz RefEars Pz RefEars Oz RefEarsCz - RefEars Pz - RefEars Oz - RefEarsS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500A1 RefEars A2 RefEars FCz RefEarsA1 - RefEars A2 - RefEars FCz - RefEarsS 1S 1S 1-500 500-500 500-500 500-500 0 500 -500 0 500 -500 0 500

Stage 1 Schlaf in VSIV. Erste Befunde zumSchlafECG500 µVResp100 µVVEOG100 µVHEOG100 µVEMGlo100 µVEMGup100 µVF3 - RefEars100 µVF4 - RefEars100 µVFC5 - RefEars100 µVFC6 - RefEars100 µVC3 - RefEars100 µVC4 - RefEars100 µVP3 - RefEars100 µVP4 - RefEars100 µVT3 - RefEars100 µVT4 - RefEars100 µVF7 - RefEars100 µVF8 - RefEars100 µVSlow oscillations + Spindeln inMCSECG500 500 µV µVResp100 100 µV µVVEOG100 100 µV µVHEOG100 100 µV µVEMGlo100 100 µV µVEMGup100100µVµVF3 - RefEars100100µVµVF4 - RefEars100100µVµVFC5 - RefEars100 µV100 µVFC6 - RefEars100 µV100 µVC3 - RefEars100 µV100 µVC4 - RefEars RefEars100 µV100 µVP3 - RefEars RefEars100 µV100 µVP4 P4 - RefEars RefEars100 µV100 µVT3T3 -RefEarsRefEars100 µV100 µVT4T4 -RefEarsRefEars100 µV100 µVF7F7 -RefEarsRefEars100 µV100 µVF8F8 -RefEarsRefEars100 µV100 µVKohärent findensich Spindeln, sowieSWS-REMAbfolgen nur inMCS Patienten (cf.Cologan & Schabus et al.)Zur Konnektivität während spez.Schlafmuster liegen noch keineErgebnisse vor.IV. Erste Befunde zu denkognitiven Paradigmen

F3F4F3F43535353530303030252525252020202015151515101010105555-400 -200 0 200 400 600 800150100-400 -200 0 200 400 600 800150100-400 -200 0 200 400 600 800150100-400 -200 0 200 400 600 800150100F3-400 -200 0 200 400 600 800-400 -200 0 200 400 600 8000.00 µV 140.00 µV0.00 µV 140.00 µVOwn Name Passive_MCS F3/F4F4Beim passivenHören desEigennamens,F3-400 -200 0 200 400 600 800-400 -200 0 200 400 600 800140.00 0.00 µV 140.00 µV0.00 µV µVTarget Name Active_MCS F3/F4F4Beim aktiven„Zählen“ eines„Zielnamens“,3530252015105-400 -200 0 200 400 600 800-400 -200 0 200 400 600 8001003530252015105-400 -200 0 200 400 600 800-400 -200 0 200 400 600 800100zeigt sich auffrontalen Regionenstärkere Theta ERSbei MCS vs. VSPatienten.3530252015105-400 -200 0 200 400 600 800-400 -200 0 200 400 600 8001501003530252015105-400 -200 0 200 400 600 800-400 -200 0 200 400 600 800150100zeigt sich auffrontalen Regionenstärkere Theta ERSbei MCS vs. VS.Alpha ERD ist zudem wie invorherigem Datensatz bei VSvöllig abwesend.0.00 µV 140.00 µV0.00 µV 140.00 µVOwn Name Passive_VS F3/F40.00 µV 140.00 µV0.00 µV 140.00 µVTarget Name Active_VS F3/F4VS KohärenzKonnektivität für „Antonyme Sätze“MCS KohärenzConclusioThetaAlphaThetaAlphaEs zeigen sichstärkere „longdistance“Konnektivitäten aufdas kritische„Zielwort“ in MCSPatienten. Schlafmuster scheinen zwischen MCS & VS zudifferenzieren ( Indikator intakter Gehirnvernetzung) Residuelle kognitive Verarbeitung kann mittels EEGidentifiziert werden („instructionfollowing“ in MCS). Einzelpatient Aussagen hoch-relevant jedoch sehr schwerrealisierbar (signalto noise ratios) Ziel ist weitere Verfeinerung der EEG-Paradigmen undAnalysen um die klinischen Diagnose & Prognose zuunterstützenBetaBeta0.5 1.00.5 1.0

EEG-TeamUniversity of Salzburg, AustriaDivision Physiological Psychology…andnational 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, MedicalUniversity Vienna**Department of Physiological Psychology,University of Salzburg***Department of Neurology, MedicalUniversity ViennaNeuroimaging- TeamUniversité de Liège, BelgiumCyclotron Research CentreDanke für Ihre Aufmerksamkeit!!!