Nonlinear Dynamic Analysis in EEG of Alzheimer's Dementia - A Preliminary Report Using Correlation Dimension -

알츠하이머형 치매 환자 뇌파의 비선형 역동 분석 - 상관차원을 이용한 예비적 연구 -

The changes of electroencephalogram(EEG) in patients with dementia are most commonly studied by analyzing power or magnitude in certain traditionally defined frequency bands. However because of the absence of an identified metric which quantifies the complex amount of information, there are many limitations in using such a linear method. According to chaos theory, irregular signals of EEG can also result from low dimensional deterministic chaos. Chaotic nonlinear dynamics in the EEG can be studied by calculating the correlation dimension. The authors have analyzed EEG epochs from three patients with dementia of Alzheimer type and three matched control subjects. The multichannel correlation dimension is calculated from EEG epochs consisting of 15 channels with 16,384 data points per channel. The results showed that patients with dementia of Alzheimer type had significantly lower correlation dimension than non-demented controls on 12 channels. Topographic analysis showed that the correlation dimensions were significantly lower in patients with Alzheimer's disease on frontal, temporal, central, and occipital head regions. These results show that brains of patients with dementia of Alzheimer type have a decreased complexity of electrophysiological behavior. We conclude that the nonlinear analysis such as calculating correlation dimension can be a promising tool for detecting relative changes in the complexity of brain dynamics.

치매에서의 뇌파 연구는 주로 주파수 분석과 지형화 분석을 이용하여 정량화하는 것을 위주로 진행되어 왔으나 이러한 선형적 분석은 뇌파와 같이 복잡한 신호를 분석하는 것에는 한계가 있었다. 최근 새로운 패러다임인 카오스이론에 근거를 두고 뇌파를 비선형적으로 측정하는 방법이 소개되고 있다. 본 연구는 알츠하이머형 치매환자의 뇌파 신호를 상관차원을 이용하여 비선형적으로 분석하는 것이 가능한가를 알아보고 그 결과를 대조군과 비교해보기 위하여 시도되었다. 3명의 알츠하이머형 치매 환자와 3명의 대조군에서 뇌파 신호를 받아 디지털 화한 후에 비선형분석법 중 하나인 상관차원 값을 계산하였다. 전체 15개의 전극부위 중 3곳을 제외하고는 모든 전극과 두뇌 영역별, 반구별 분석 모두에서 알츠하이머형 치매군의 상관차원값이 유의하게 낮았다. 본 연구 결과는 알츠하이머형 치매 환자에서 카오스 이론을 이용한 비선형적 전기신경생리학적 분석으로 알아낼 수 있는 두뇌의 복합성, 즉 두뇌의 카오스적 성상이 감소되어 있다는 것을 의미하며 향후 뇌파의 비선형적 분석이 두뇌 기능을 조사하는 데에 유용한 새로운 방법이 될 가능성이 있다는 것을 시사한다.