Altered long-range temporal correlations of alpha-oscillations in limbic and attentional systems predict depression severity

Tausta ja tavoitteet. Masennuksen (Major Depression Disorder, MDD) taustalla on ehdotettu olevan lukuisia eri neurobiologisia häiriöitä mutta yhtenevää sairauden mekanismeja selittävää teoriaa ei ole pystytty luomaan. Aivojen poikkeava toiminta masennuksessa voidaan havaita muutoksina pitkäkestoisissa ajallisissa korrelaatioissa (Long Range Temporal Correlations, LRTC:t). LRTC:iden muutoksien on ehdotettu heijastavan häiriöitä eksitaatio/inhibitio -tasapainossa, neuromodulaatiossa tai konnektiivisuudessa. Aikaisempien tutkimustuloksien perusteella on epäselvää, liittyykö masennukseen vähentyneitä vai lisääntyneitä LRTC:itä. Dynamiikan muutoksia on toistaiseksi tutkittu ainoastaan sensoritasolla eikä niitä ole paikannettu aivoissa. Tämän tutkimuksen tavoite oli selvittää missä taajuuskaistoissa ja millä aivoaluilla LRTC:t ovat häiriintyneet masennuksessa. Erillisten aivoalueiden lisäksi LRTC:iden ja masennuksen vakavuuden välistä korrelaatiota tutkittiin myös toiminnallisissa verkostoissa, pyrkimyksenä lisätä ymmärrystä masennukseen liittyvistä systeemitason häiriöistä aivoissa. Myös reaktioaikojen LRTC:iden mahdollista yhteyttä masennukseen ja suoritustasoon selvitettiin. Menetelmät. Yhdeksäntoista koehenkilön aivokuoren oskillaatioita mitattiin lepotilan ja toiminnan estämistä mittaavan tehtävän aikana magnetoenkefalografian (MEG) avulla ja pitkäkestoisia ajallisia korrelaatioita tutkittiin DFA-analyysin avulla. Koehenkilöiden masennuksen vakavuutta mitattiin BDI-21 -masennuskyselyllä. Tulokset ja johtopäätökset. LRTC:iden havaittiin korreloivan positiivisesti masennuksen vakavuuden kanssa alpha-taajuudella (8–12Hz) pääasiallisesti limbisessä järjestelmässä, joka vastaa tunteiden säätelystä. Tulosta tukee erillisten aivoalueiden tasolla tehty analyysi, jossa alpha-taajuuskaistan LRTC:iden huomattiin korreloivan masennuksen kanssa orbitofrontaalisessa aivokuoressa ja temporaalisessa lohkossa. Tämä osoittaa, että limbisen järjestelmän yliaktiivisuus saattaa selittää masennuksessa ilmenevän negatiivisen vääristymän ajattelussa. Positiivisia korrelaatioita havaittiin lisäksi frontoparietaalisessa verkostossa, sekä ventraalisessa ja dorsaalisessa tarkkaavaisuudesta vastaavissa verkostoissa, jotka tukevat kognitiivista säätelyä. Alpha-taajuuskaistan LRTC:t korreloivat myös reaktioaikojen LRTC:iden kanssa lepotasomittauksen ja tehtävän aikana. Korrelaatioita alpha-taajuuskaistan LRTC:iden ja depression välillä havaittiin kuitenkin laajemmalla alueella kuin alpha-taajuuskaistan LRTC:iden ja reaktioaikojen LRTC:iden välisiä korrelaatioita. Lisäksi reaktioaikojen LRTC:t korreloivat masennuksen kanssa mutta korrelaatiota ei havaittu reaktioaikojen LRTC:iden ja suoritustason välillä. Näiden tuloksien perusteella voidaan päätellä, että masennukseen liittyy laajoja muutoksia aivojen toiminnan dynamiikassa, ja että taudin erilaisten oireiden kirjo voidaan selittää eksitaation ja inhibition välisen tasapainon muutoksilla limbisissä ja kognitiivisissa verkostoissa.Introduction and aims. Multiple different neurobiological alterations have been hypothesized to underlie Major Depression Disorder (MDD), but no unifying theory exists to explain the mechanisms of the disorder. The aberrant brain dynamics in MDD can be seen in the alterations of long-range temporal correlations (LRTCs), which have been proposed to be an indication of criticality in healthy brain. Alterations in LRTCs have been suggested to reflect deficiencies in excitation-inhibition (E/I) balance, neuromodulation or connectivity patterns, which have also been proposed to be the underlying mechanisms of MDD. There has been controversy whether the pathology is related to attenuated or increased LRTCs, and the sources of altered brain dynamics have not yet been localized. The aim of this study was to find in which frequency bands and where in the brain the neuronal LRTCs are altered in MDD on source level. In addition to analyzing the correlations between neuronal LRTCs and depression severity in parcel level, we studied correlations in functional networks to get a better understanding of the system level alterations in MDD. We also studied whether behavioral LRTCs correlate with depression severity or with behavioral performance. Methods. We investigated the long-range temporal correlations in a cohort of 19 depressed subjects by using magnetoencephalography (MEG) for recording brain activity during resting state and response inhibition task and performed DFA analysis on the amplitude envelopes of cortical oscillations. The depression severity was measured with BDI-21 questionnaire. Results and conclusions. We found the LRTCs to be positively correlated with depression severity in the alpha frequency band (8–12Hz) predominantly in the limbic system that underlies emotional control. This result was supported by the parcel level analysis in which correlations between alpha band LRTCs and depression severity were observed in the orbitofrontal cortex and temporal pole, indicating that the hyper-activation of limbic system could explain the negative bias characteristic to depression. Positive correlations were also found in frontoparietal, ventral, and dorsal attentional networks that support cognitive control. Alpha band LRTCs correlated also with behavioral LRTCs during both resting state and task conditions. However, we observed more wide-spread correlations between alpha range LRTCs and depression severity than between neuronal LRTCs and behavioral LRTCs. Behavioral LRTCs correlated with depression severity, but not with behavioral performance. These results indicate that depression is characterized by vast alterations in the brain dynamics and imply that the wide range of different symptoms in MDD could be explained by alterations in the excitation/inhibition balance in the limbic system and cognitive networks

Reading compound words in Finnish and Chinese

Four eye-tracking experiments were conducted to study reading of two-constituent compound words in Finnish and Chinese