Neurophysiological correlates of sensory-attentional processing in migraine during the interictal phase

Abstract

La migranya és un trastorn neurosensorial cíclic, caracteritzat per mal de cap i processament sensorial-atencional alterat, fluctuant entre atacs aguts (ictal) i normalitat (interictal). L’avaluació del processament sensorial-atencional interictal pot aportar idees pel tractament, així com contribuir a anticipar i predir futurs atacs. Específicament, falta per dilucidar la influència dels mecanismes impulsats per estímuls (mecanismes exògens) i modulats internament (mecanismes endògens) en el processament sensorial-atencional en pacients amb migranya episòdica (ME) comparat amb controls sense cefalea (CS). En aquesta tesi, es van usar registres d’electroencefalografia (EEG) combinats amb diferents paradigmes experimentals per a estudiar els correlats neurofisiològics del processament sensorial-atencional en ME interictal i CS. En primer lloc, es va desenvolupar una tasca per a estudiar els mecanismes exògens i endògens del processament sensorial-atencional en el domini visual (Estudi 1). Per a això, es va modificar una tasca de detecció i es van afegir estímuls rítmics per a generar la sincronització neuronal amb aquests estímuls (neural entrainment). CS van completar la tasca d’EEG, es va obtenir la coherència (ITC) i l’alineació de fase, entre altres mesures. Els resultats van demostrar sincronització neuronal, a través d’una alineació de fase amb els estímuls externs i la persistència de l’alineació un cop finalitzada l’estimulació rítmica. En segon lloc, la mateixa tasca es va usar per a comparar ME i CS (Estudi 2). Els resultats van indicar que tant la resposta exògena com l’endògena eren similars entre grups, segons el ITC, l’alineació de fase amb el senyal rítmic i la persistència de l’alineació després de la desaparició del senyal. Aquest fet, sembla indicar que els mecanismes relacionats amb la sincronització neuronal no estan alterats en ME interictal. En tercer lloc, explorem els mecanismes exògens del processament sensorial visual (Estudi 3). Aquest estudi va consistir en dos experiments: el primer va avaluar adults joves amb ME i CS, mentre que el segon va avaluar pacients de mitjana edat amb ME i CS. En tots dos experiments, els participants van completar el Quocient de Percepcio Sensorial (QPS) per a avaluar la sensibilitat sensorial i una tasca d’EEG d’inversió de patrons, i es van obtenir potencials evocats visuals, concretament diferències d’amplitud pic-a-pic N1-P1 (N1-P1). Els resultats van mostrar puntuacions més baixes en el QPS (sensibilitat sensorial augmentada) en ME comparat amb CS, així com amplituds de N1-P1 similars a l’inici de l’experiment entre grups amb una disminució d’aquesta mesura al llarg del temps en ME i CS, indicant una excitabilitat cortical similar i una habituació normal, respectivament. Finalment, es van avaluar els mecanismes exògens i endògens del processament sensorial-atencional en l’àmbit auditiu (Estudi 4). ME i CS van emplenar qüestionaris i van completar una tasca oddball auditiva amb EEG. Es van obtenir mesures conductuals, potència espectral i sincronització de fase (theta, alfa, beta-gamma), i potencials evocats relacionats amb esdeveniments pels estímuls estàndard (amplituds N1, P2, N2), diana i nous (amplituds MMN, P3a primerenca/tarda, P3b, RON). Els resultats van mostrar un augment de l’amplitud de la N1 i una major sincronització de la fase theta, la qual indica hipersensibilitat auditiva en ME comparat amb CS. A més, es va detectar una reducció de l’amplitud de la P3a-primerenca, amb un augment de l’amplitud de la P3a-tardana, i una disminució de l’amplitud de la RON en resposta a estímuls nous en ME comparat amb CS, la qual cosa indica una resposta postsensorial reduïda, una major assignació de recursos atencionales i una dificultat per a desviar l’atenció dels estímuls nous a la tasca principal. En conjunt, els resultats suggereixen que els pacients amb ME interictal poden presentar uns certs dèficits en el processament sensorial-atencional, encara que els efectes són més limitats del que es pensava.

La migraña es un trastorno neurosensorial cíclico, caracterizado por dolor de cabeza y procesamiento sensorial-atencional alterado, fluctuando entre ataques agudos (ictal) y normalidad (interictal). La evaluación del procesamiento sensorial-atencional interictal puede aportar ideas para su tratamiento, así como contribuir a anticipar y predecir futuros ataques. Específicamente, queda por dilucidar la influencia de los mecanismos impulsados por estímulos (mecanismos exógenos) y modulados internamente (mecanismos endógenos) en el procesamiento sensorial-atencional en pacientes con migraña episódica (ME) comparado con controles sin cefalea (CS). Esta tesis usó registros de electroencefalografía (EEG) emparejados con diferentes paradigmas experimentales para estudiar los correlatos neurofisiológicos del procesamiento sensorial-atencional en ME interictal y CS. En primer lugar, se desarrolló una tarea para estudiar los mecanismos exógenos y endógenos del procesamiento sensorial-atencional en el dominio visual (Estudio 1). Para ello, se modificó una tarea de detección y se añadieron estímulos rítmicos para generar la sincronización neuronal con estos estímulos (neural entrainment). CS completaron la tarea de EEG y se extrajo la sincronización (ITC) y alineación de fase, entre otras medidas. Los resultados demostraron sincronización neuronal, a través de una alineación de fase significativa entre la actividad neuronal y los estímulos externos y la persistencia de esta alineación una vez finalizada la estimulación rítmica. En segundo lugar, la misma tarea se usó para comparar ME y CS (Estudio 2). Los resultados indicaron que tanto la respuesta exógena como la endógena eran similares entre grupos, según el ITC, la alineación de fase con la señal rítmica y la persistencia de la alineación tras la desaparición de la señal. Eso parece indicar que los mecanismos relacionados con la sincronización neuronal no están alterados en ME interictal. En tercer lugar, exploramos los mecanismos exógenos del procesamiento sensorial visual (Estudio 3). Este estudio consistió en dos experimentos: el primero evaluó adultos jóvenes con ME y CS, mientras que el segundo evaluó pacientes de mediana edad con ME y CS. En ambos experimentos, los participantes completaron el Cociente de Percepción Sensorial (CPS) para evaluar la sensibilidad sensorial y una tarea de EEG de inversión de patrones, de la cual se obtuvieron potenciales evocados visuales, concretamente diferencias de amplitud pico-a-pico de N1-P1. Los resultados mostraron puntuaciones más bajas en el CPS (sensibilidad sensorial aumentada) en ME comparado con CS, así como amplitudes de N1-P1 similares al inicio del experimento entre grupos con una disminución de esta medida a lo largo del tiempo tanto en ME y CS, indicando una excitabilidad cortical similar y una habituación normal, respectivamente. Por último, se evaluaron los mecanismos exógenos y endógenos del procesamiento sensorial-atencional en el ámbito auditivo (Estudio 4). ME y CS rellenaron cuestionarios y completaron una tarea oddball auditiva con EEG. Se obtuvieron medidas conductuales, potencia espectral y sincronización de fase (theta, alfa, beta-gamma), y potenciales evocados relacionados con eventos para estímulos estándar (amplitudes N1, P2, N2), estímulos diana y novedosos (amplitudes MMN, P3a temprana/tardía, P3b, RON). Los resultados mostraron un aumento de la amplitud de la N1 y una mayor sincronización de la fase theta, lo que indica hipersensibilidad auditiva en ME comparado con CS. Además, se detectó una disminución de la amplitud de la P3a-temprana, y un incremento de la amplitud de la P3a-tardía, junto con una reducción de la amplitud de la RON en respuesta a estímulos nuevos en ME comparado con CS, lo que indica una respuesta postsensorial reducida, una mayor asignación de recursos atencionales y una dificultad para desviar la atención de los estímulos nuevos a la tarea principal. En conjunto, los resultados sugieren que los pacientes con ME interictal pueden presentar ciertos déficits en el procesamiento sensorial-atencional, aunque los efectos son más limitados de lo que se pensaba.

Migraine is a cyclic, neurosensory disorder, characterized by head pain and altered sensory-attentional processing, fluctuating between acute attacks (ictal) and normality (interictal). Evaluating sensory-attentional processing interictally may provide insights in terms of treatment, as well as contribute to anticipating and ideally predicting future attacks. In particular, the influence of stimulus-driven (exogenous) and internally modulated (endogenous) mechanisms on sensory-attentional processing in patients with episodic migraine (EM) compared to headache-free controls (HC) remains to be elucidated. This thesis used electroencephalographic (EEG) recordings paired with different experimental paradigms to study the neurophysiological correlates of sensory-attentional processing in EM interictally and HC. First, a task was developed to study the exogenous and endogenous mechanisms of sensory-attentional processing in the visual domain (Study 1). For this purpose, a detection task was modified and rhythmic stimuli were added to elicit neural entrainment, or the ability of neural oscillations to synchronize to rhythmic stimulation. HC completed the EEG task from which we computed the inter-trial coherence (ITC) and phase alignment, among other measures. The results confirmed neural entrainment, through a significant phase alignment of the neural activity to the external stimuli and the persistence of this alignment beyond the driving signal offset. Second, the same task was used to compare EM and HC (Study 2). The results indicated that both exogenous and endogenous responses were similar between groups according to the ITC, phase alignment with the rhythmic signal, and persistence of the rhythmic signal after the disappearance of the signal. This would appear to indicate that the mechanisms of neural entrainment are not altered in interictal EM. Third, we explored the exogenous mechanisms of visual sensory processing (Study 3). This study consisted of two experiments: the first evaluated young adults with EM and HC, whereas the second evaluated middle-aged patients with EM and HC. In both experiments, participants completed the Sensory Perception Quotient (SPQ) to assess sensory sensitivity and a pattern-reversal EEG task, from which visual evoked potentials, namely N1-P1 peak-to-peak amplitude differences (N1-P1), were obtained. Results showed lower SPQ scores (heightened sensory sensitivity) in EM as compared to HC, as well as similar N1-P1 amplitudes at the beginning of the experiment between groups with a decrement of this measure over time in both EM and HC, indicating similar cortical excitability and normal habituation, respectively. Finally, the exogenous and endogenous mechanisms of sensory-attentional processing were assessed in the auditory domain (Study 4). EM and HC filled out questionnaires and completed an auditory oddball EEG task. Behavioral measures, spectral power and phase synchronization (theta, alpha, beta-gamma), and event-related potentials for standard (N1, P2, N2 amplitudes), as well as target and novel stimuli (MMN, early/late P3a, P3b, RON amplitudes), were obtained. The results showed an increased N1 amplitude and increased theta phase synchronization, indicating auditory hypersensitivity in EM compared to HC. Furthermore, lower amplitudes of early P3a, increased amplitudes of late P3a, and reduced amplitudes of RON to novel stimuli were detected in EM compared to HC, signaling a reduced post-sensory response, increased allocation of attentional resources, and difficulty shifting attention away from novel stimuli back to the main task, respectively. Taken together, the results suggest that patients with EM interictally may exhibit certain deficits in sensory-attentional processing, although the effects are more limited than previously thought.