Larson-Prior, L.J.1, Zempel, J. , Prior, F.W. , Vincent, J ... · ), and the coefficient of...

1
AN EEG-fMRI STUDY OF THE RELATIONSHIP BETWEEN ALPHA-BAND POWER AND BOLD SIGNAL Larson-Prior, L.J. 1 , Zempel, J. 2 , Prior, F.W. 1 , Vincent, J. L. 1 , Snyder, A. Z. 1 , Raichle, M. E. 1 Dept. of Radiology 1 , Dept. of Neurology 2 Washington University in St. Louis, MO, USA The EEG alpha rhythm is characteristic of the awake state, is enhanced by eye closure and attenuated by task performance. As such, alpha has long been considered a correlate of introspection and disengagement with the environment. Functional neuroimaging studies suggest that the inner- vs. outer-directedness dichotomy is associated with relative activity increases vs. decreases in a distributed set of brain regions that has come be known as the ‘default system’ (Raichle et al., 2001; Fox et al., 2005). These considerations suggest that the prevalence of alpha in the EEG should correlate with increased activity in the default system. However, the implied model assumes that alpha prevalence corresponds to a particular brain state with a consistent activity profile as imaged by fMRI. We examined this hypothesis by computing alpha:BOLD correlations over two different durations of continuous recording (5 and 20 minutes). !"#$% Corbetta, M., Shulman, G.L. (2002) Nat. Rev. Neurosci., 3:201 !"#$%&’()*+’(), -. /0 120 3 #4 5 1+/ 0 6 *"#$%&%%!*+%%!, -. //. 0 6 #-0 120 0 6 ("$-764 8 #29:--6 :%"#$’,&()(+(, 1/2//- /%";6;7<6 =%&%*!’+%*),> 8&??68;2-;-?@ !"#$ %&%%!’()$ !* $ Subjects: Thirty-four right-handed, healthy human subjects (ages 19-54, 20 females, 4 replicates) were recruited from the campus of Washington University under a protocol approved by the University’s Human Studies Committee. All subjects gave informed consent and were paid for their participation. Data collection and analysis: Whole brain fMRI (Siemens Allegra 3T scanner; TE = 30 ms, 4 mm 3 voxels, 3.013 sec/volume, 1 sec gap) was acquired in the eyes closed resting state using a signal/noise enhanced EPI sequence. Runs were either 5 minutes (110 volumes) or 20 minutes (398 volumes) in duration. Preprocessing of the BOLD timeseries included head motion correction within and across scans and atlas transformation on the basis of a T1-weighted structural image. EEG data were simultaneously acquired (DC-3500 Hz, 20 KHz sampling rate) using the MagLink™ (Compumedics Neuroscan, TX) system (modified 10/20, 64 electrodes) and the Synamps/2™ amplifier. Gradient artifact was reduced using Scan 4.5 software. Ballistocardiogram artifact was reduced using in-house software. Instantaneous alpha power (8-12 Hz) was computed, convolved with a canonical hemodynamic response function and correlated with the BOLD timeseries on a voxelwise basis. Random and fixed effects analyses were performed on group data. Cluster analyses were performed using JMP (SAS Institute, 2005). CARET brain mapping software (Van Essen et al., 2005) and the PALS human cortical atlas were used to create display maps. AN HIERARCHICAL CLUSTER ANALYSIS was performed using 6 parameters which characterize the peak power time series in the alpha (8-12 Hz) and theta (4-7 Hz) bands used in EEG:BOLD correlation analyses (the ratio of the total power in the alpha and theta bands (ATR), the first 4 moments of the alpha power time series (M i ), and the coefficient of variation (C v = σ Α' / μ Α ) of the alpha power time series convolved with a canonical hemodynamic response function). The 5 and 20 minute runs were treated separately (N= 24 for the 5 min runs, N= 21 for 20 min runs). PCA and pairwise correlation analyses were used to reduce the dimensionality of the problem. It was determined that ATR and M 2 (variance) partitioned the data into the same two identifiable clusters that resulted from the analysis with all 6 parameters. The distribution of each parameter is illustrated using a oneway ANOVA of M 2 and ATR showing the distribution of each parameter within the two clusters. The mean and 95% confidence limit of the parameter in each cluster is also illustrated. A. For 5 min runs the differences between the two clusters are statistically significant at the .001(i) and .0022 (ii) level (Wilcoxon Rank Sums test). B. For 20 min runs M 2 still partitions the data accurately (p = .001) but ATR does not. ! ! ! ! " # " # " # " # M 2 ! " # $ % & ’ ( & # % % ) * $ " + , * $ % $ % $ % $ % ! " # $ - & ’ ( & # % % ) * . " + , * ( ( / & ! M 2 & ( & ( ’ & & ! & ( ’ ’ ! & ( ( ( & ! 0 ! ( / + , ( & ( " & . % % - * & M 2 ! " # ) & ’ ( & # % % ) * $ " + , * 1 + 2 3 ! & 4 $ % $ % $ % $ % ! " # $ 5 & ’ ( & # % % ) * . " + , * 0 ( & ’ $ " + ) * & ( ( ! 1 & ’ & ! " # ! " # ! " # ! " # + !, - ". - ##. $%&/ 0 1 . (2 2 3 !4 $!5 64 "7 8 $ !"$ / %9 + 4 %: 9 9 $ % & ( ) % # & ) % % * & ( + ( , $ % & ( ) % # & ) % % * & ( + ( , $ % & ( ) % # & ) % % * & ( + ( , $ % & ( ) % # & ) % % * & ( + ( , )!, - 0 ; - ##4 $%& / 0 1 . + !*)$ %!+ "##. $!< : 9 9 $( !9 % "##"$ + !, - ""- ##. $%&/ "#9 %+ 4 ’ 4 . 666 + 4 ’ 6 )!, - ""- ##4 $%&/ "#*) %!+ "##. $ !< : 9 9 $%+ 4 + "’ + 4 ’ 187

Transcript of Larson-Prior, L.J.1, Zempel, J. , Prior, F.W. , Vincent, J ... · ), and the coefficient of...

Page 1: Larson-Prior, L.J.1, Zempel, J. , Prior, F.W. , Vincent, J ... · ), and the coefficient of variation (C v = s A' / m A) of the alpha power time series convolved with a canonical

AN EEG-fMRI STUDY OF THE RELATIONSHIP BETWEEN ALPHA-BAND POWER AND BOLD SIGNAL

Larson-Prior, L.J.1, Zempel, J.2, Prior, F.W. 1, Vincent, J. L.1, Snyder, A. Z.1, Raichle, M. E.1Dept. of Radiology1, Dept. of Neurology2 Washington University in St. Louis, MO, USA

������������������������������������������������The EEG alpha rhythm is characteristic of the awake state, is enhanced by eye closure and attenuated by task performance. As such, alpha has long been considered a correlate of introspection and disengagement with the environment. Functional neuroimaging studies suggest that the inner- vs. outer-directedness dichotomy is associated with relative activity increases vs. decreases in a distributed set of brain regions that has come be known as the ‘default system’(Raichle et al., 2001; Fox et al., 2005). These considerations suggest that the prevalence of alpha in the EEG should correlate with increased activity in the default system. However, the implied model assumes that alpha prevalence corresponds to a particular brain state with a consistent activity profile as imaged by fMRI. We examined this hypothesis by computing alpha:BOLD correlations over two different durations of continuous recording (5 and 20 minutes).

���������������������������������������������������� ������������������������ ����������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������� �!"#$%�

� � �� �� � �� �� � �� �� � �� �Corbetta, M., Shulman, G.L. (2002) Nat. Rev. Neurosci., 3:201����������� ����������������� ����� ���������������������������� !"�#$���% �&'()*+'(),��-. � /��0 �1�2�0 ����� 3 � #���4 � ���5 ��� �� �������1+/������ ���0 ������6��� ���� *"�#$����% &%% !*+%% !,��-. � /��/����������. �� ���0 �6� ����#�-�������0 �1�2�0 ��0 ������6��� ���� ("�$�- �76�4 �����8 ������������������������������ �����#�2� ��9���:-�� ��������-�6� :���� %"�#$����',&()(+(,����������������1������/� 2�������/���������� ����/��� - /���� %"��;�6;7<� 6����� �����=%&%*!'+%*),�>�

���8&??� ��6�8;2-���;��-?�� ��@

����� �� ��������� �� ��������� �� ��������� �� �������������������������� ����������������������������� ������������������������������������������� �������������������������������� ����������� ������������� �������������� �������������� ����������������������������� ��������� ����������������������������� ������������������������������ ���� ��������������������� ������������������������������������������������������������������������������������������!�����"#����$��������� ������������ �������������������������%&� ��� ��%�� ����������������� ��������%�����������������������������!� �����'()$��� ������ ��������� !*�$�� ������ ������� ��� �� ���� �������� ��� ����� ���� ��������� �������� �������� ���� ����� ���� ���������� ��

�� ��� �� ��� �� ��� �� ���Subjects: Thirty-four right-handed, healthy human subjects (ages 19-54, 20 females, 4 replicates) were recruited from the campus of Washington University under a protocol approved by the University’s Human Studies Committee. All subjects gave informed consent and were paid for their participation. Data collection and analysis: Whole brain fMRI (Siemens Allegra 3T scanner; TE = 30 ms, 4 mm3 voxels, 3.013 sec/volume, 1 sec gap) was acquired in the eyes closed resting state using a signal/noise enhanced EPI sequence. Runs were either 5 minutes (110 volumes) or 20 minutes (398 volumes) in duration. Preprocessing of the BOLD timeseries included head motion correction within and across scans and atlas transformation on the basis of a T1-weighted structural image. EEG data were simultaneously acquired (DC-3500 Hz, 20 KHz sampling rate) using the MagLink™ (Compumedics Neuroscan, TX) system (modified 10/20, 64 electrodes) and the Synamps/2™ amplifier. Gradient artifact was reduced using Scan 4.5 software. Ballistocardiogram artifact was reduced using in-house software. Instantaneous alpha power (8-12 Hz) was computed, convolved with a canonical hemodynamic response function and correlated with the BOLD timeseries on a voxelwise basis. Random and fixed effects analyses were performed on group data. Cluster analyses were performed using JMP (SAS Institute, 2005). CARET brain mapping software (Van Essen et al., 2005) and the PALS human cortical atlas were used to create display maps.

� � �� ��� � �� ��� � �� ��� � �� ��

�� �� � � � � � � ��� �� �� � �� � � � �� �� � � � � � � ��� �� �� � �� � � � �� �� � � � � � � ��� �� �� � �� � � � �� �� � � � � � � ��� �� �� � �� � � � �� �� � � � � � � � ��� �� �� � �� � � � �� �� � � � � � � � ��� �� �� � �� � � � �� �� � � � � � � � ��� �� �� � �� � � � �� �� � � � � � � � ��� �� �� � �� � � �

��������������� ����������� � � ��� � � �� �� �� � �� � �� � �� � � � �� �� � � ���� � � ��� �� � � � � � �� � �� � �� � � � � �� �� � � ���� � � ��� �� � � �

����������� � � ��� � � �� �� ����������������

�� �� � � � �� �� � � � �� �� � � � �� �� � � � AN HIERARCHICAL CLUSTER ANALYSIS was performed using 6 parameters which characterize the peak power time series in the alpha (8-12 Hz) and theta (4-7 Hz) bands used in EEG:BOLD correlation analyses (the ratio of the total power in the alpha and theta bands (ATR), the first 4 moments of the alpha power time series (Mi), and the coefficient of variation (Cv = σ Α' / µ Α) of the alpha power time series convolved with a canonical hemodynamic response function). The 5 and 20 minute runs were treated separately (N= 24 for the 5 min runs, N= 21 for 20 min runs). PCA and pairwise correlation analyses were used to reduce the dimensionality of the problem. It was determined that ATR and M2 (variance) partitioned the data into the same two identifiable clusters that resulted from the analysis with all 6 parameters. The distribution of each parameter is illustrated using a oneway ANOVA of M2 and ATR showing the distribution of each parameter within the two clusters. The mean and 95% confidence limit of the parameter in each cluster is also illustrated. A. For 5 min runs the differences between the two clusters are statistically significant at the .001(i) and .0022 (ii) level (Wilcoxon Rank Sums test). B. For 20 min runs M2 still partitions the data accurately (p = .001) but ATR does not.

�� ��

�� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � ��� �� �� �� � �� �� �� �

�������������� ��������������������� ����������������������������� ��������������������� ����������������������������� ��������������������� ����������������������������� ��������������������� ������������������ ����� �� ��������� ��������� ���������� ��� � ��������� ����� �� ��������� ��������� ���������� ��� � ��������� ����� �� ��������� ��������� ���������� ��� � ��������� ����� �� ��������� ��������� ���������� ��� � ������� ��� �������������� � ��� ������� � ���� ������ ����� ��� �������������� � ��� ������� � ���� ������ ����� ��� �������������� � ��� ������� � ���� ������ ����� ��� �������������� � ��� ������� � ���� ������ ����� ������ ��� � ������ ��� � ������ ��� � ������ ��� �� �� � � ���� � ����������������! ��������������� � ���� � ����������������! ��������������� � ���� � ����������������! ��������������� � ���� � ����������������! ��������������" �� ��# ��" �� ��# ��" �� ��# ��" �� ��# ������������������� ������������������������ �� ����������������� � �� ���M2 ���� � � �������� ��������� � ��������������� ��� ����� � � � �� ������������ ��� ������� ������������� ��� ���������� ��������� ! �� ���" �# $ % & �� �' ����� � �� ���� �������( ���& �� # % � % ) �� ����� ���* �� ���� �������$ �" + �� � �, � * � ��

$ ���������% ��$ ���������% ��$ ���������% ��$ ���������% �� � ���� �� ���������������� ��� ��������� ������ ! �� ���" �# $ - & �� �' ����� � �� �����( ���& �� # % � % ) �� ����� ���* �� ���� �������. �" + �� � �, � * � ��� �������� �����������( �� �������������� ����������������� ( �� ����� ����������/ �& ������� ������� ��������� ���������� ����������� ! �� ���� ����� ��������M2 ���� � � � ��� �������� ��& �� ������������������� �� ����������������� ���(� ���������& ������ ����( �� ������������ �������������������� ��� ��� ���� � ����' � ��� �����& ��������� ������������������� �& ����� ������ ! �� ��& �� ��������������� ( �� ������������������� ��������� ������� �� ��� ��� ���� � ����' �����' � ������������� ����������������������� ������ ! �� ��������������� ���� ��� ���������� � ����� �& ���������� �������������� � ����� ������ ( ������ �� �������������� ���� ( ������ ���������( ���& �� ��! ���� ���������� � �� ����������� ����������� ��������� �������� � �����' ������� �� ����������� � �� �� �� ��� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � ��� �� �� ��

���������������������������������������������������� 0 � ! �� �����( / ������+ �� � �, � ������� ������� ( �� �������������������� �� ��& ��� �� ������� � ������ ( ��� ����" � �� � ����� & �. % % - * & �� ��������������� ������ ���� � �� ���M2 ���� � � ������������� ������� ������������������ ��������� � ��������������� ��� ����� � � � �� ����������� ��� ���������� ��������� ! �� ���" �# ) & �� �' ����� � �� ���� �������( ���& �� # % � % ) �� ����� ���* �� ���� �������$ �" + �� � �, � * � ��1 ����� ����� � ����� ������ ��������������� ����������������+ �� � �2 � 3 ����� ������ ! �� ��& ������������� ������������ ������ �������� ����� ����� ������������ �������������4 ������������ �������������� ������������' ������ ��������������� ������ ��� ���� ��� ����� �

$ ���������% ��$ ���������% ��$ ���������% ��$ ���������% �� � ���� �� ���������������� ��� ��������� ������ ! �� ���" �# $ 5 & �� �' ����� � �� �����( ���& �� # % � % ) �� ����� ���* �� ���� �������. �" + �� � �, � * � ��0 ��� ������������ �( & �� ����� ���������������' ����������������� ������������� ������������� �������$ �" + �� � �) � * & ���� �( ��������� �������� ��������( ����� ���� ����� ��� ! �� ��� ����� ��� ������ �� ������� ��1 ������ ������& �� ���� �������������' � ���� ����� ��������������� ������� ��� ���� ���& ���� ����� ���������� ����� ��� �� ���' �������� � ����� ���

�� �� � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � �� �� � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � �� �� � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � �� �� � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � � �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � � ���� ���� ��� �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � � ���� ���� ��� �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � � ���� ���� ��� �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � � ���� ���� ����� � � � � �� �� �� � � ���� � � � � �� �� �� � � ���� � � � � �� �� �� � � ���� � � � � �� �� �� � � �

� � � � ! " # � � �� �� �� � � � ! " # � � �� �� �� � � � ! " # � � �� �� �� � � � ! " # � � �� �� � + �������� ���������������������!, - ". ���- #�#. � ���� ��$�����������%&� ������/ ������������������������ ���������0 1 . ����������(��������������2 2 3 �!�4 ���� ����$������������!�����5 64 "�7 8 $������������������������ � �����!"��� $�� �������������� ���� � �������� ������������ ����������������������������� / ����������������������������������� %������9 ������������+ ����4 ���������������� ���������� ���������������������������������������%�������: 9 9 �

� �� �� � �� �� �� ��� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � �

� � � � $ % & ' ( ) % # � & ) % % * & ' ( + ( ' , � �� � � � $ % & ' ( ) % # � & ) % % * & ' ( + ( ' , � �� � � � $ % & ' ( ) % # � & ) % % * & ' ( + ( ' , � �� � � � $ % & ' ( ) % # � & ) % % * & ' ( + ( ' , � � )�������� ���������������������!, - 0 ; ���- #�#4 � ���� ��$�����������%&� ������/ ������������������������ ���������0 1 . �����������+ �� ������ ���� ��������!� *) $���������������������������� ��%��!+ ����������"##. $��������������������������������!���������� �������< ��� �������: 9 9 $��(����������� ����������������������������������������������� ������� ����������������������������������������� �������!9 ��%��� �������"##"$�

� �� �� � �� �� �� ��� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � �

�� �� � � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � �� �� � � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � �� �� � � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � �� �� � � � � � � ���� � � ��� �� � � � �� �� � � � � � � � �� �� ���� � � ����� � � � � � �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � ��� � ���� �� � �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � ��� � ���� �� � �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � ��� � ���� �� � �� �� � � ���� � � �� �� � � � �������� � � ���� ���� ��� � ��� � ��� � ���� ����� � � � � �� �� �� � � ���� � � � � �� �� �� � � ���� � � � � �� �� �� � � ���� � � � � �� �� �� � � �

� � �� � �� � �� � � + �������� ���������������������!, - ""���- #�#. � ���� ��$�����������%&� ������/ ������������������������ ���������"#����������9 ��������������� ��%�����+ ����4 '����� ����������������������������� ������������������������������������������������� ������������4 . �����������6 �������������6 ����6�������������������������� ��������������������������������� ������������� �������������� ����������������������+ ����4 '������������������ ��������������������� ������� ������������������ ������ ���� ������������������� �������������������������6 ����������������

� �� �� � �� �� �� ��� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � �

� � � �� � � �� � � �� � � � )�������� ���������������������!, - ""���- #�#4 � ���� ��$�����������%&� ������/ ������������������������ ���������"#������������ *) ��������������������������� ��%��!+ ����������"##. $��������������������������������!���������� �������< ��� �������: 9 9 $������������������������� ���%�����������������+ ��� 4 ��������������������� ���������� ���� ������������������ ���������� � ���������������������������������������������������� ��������������������������������+ ����"'����������������������������������������� �������������� �������������+ ����4 '�

� �� �� � �� �� �� ��� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � �

�� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � ��� �� �� �� � �� �� �� �

187

�� �� � �� �� �� � � � �� � �� � �� � ��� �� �� �� � �� �� �� �