A Preliminary Study for Nonlinear Dynamic Analysis of EEG in Patients with Dementia of Alzheimer's Type Using Lyapunov Exponent

리아프노프 지수를 이용한 알쯔하이머형 치매 환자 뇌파의 비선형 역동 분석을 위한 예비연구

The changes of electroencephalogram(EEG) in patients with dementia of Alzheimer's type are most commonly studied by analyzing power or magnitude in 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 the chaos theory, irregular signals of EEG can be also resulted from low dimensional deterministic chaos. Chaotic nonlinear dynamics in the EEG can be studied by calculating the largest Lyapunov exponent($L_1$). The authors have analyzed EEG epochs from three patients with dementia of Alzheimer's type and three matched control subjects. The largest $L_1$ is calculated from EEG epochs consisting of 16,384 data points per channel in 15 channels. The results showed that patients with dementia of Alzheimer's type had significantly lower $L_1$ than non-demented controls on 8 channels. Topographic analysis showed that the $L_1$ were significantly lower in patients with Alzheimer's disease on all the frontal, temporal, central, and occipital head regions. These results show that brains of patients with dementia of Alzheimer's type have a decreased chaotic quality of electrophysiological behavior. We conclude that the nonlinear analysis such as calculating the $L_1$ 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 카오스 이론에 근거를 두고 뇌파를 비선형적으로 측정하는 방법이 소개되고 있다. 본 연구는 알쯔하이머형 치매 환자의 뇌파 신호를 최대 양수 리아프노프 지수를 이용하여 비선형적으로 분석하는 것이 가능한 가를 알아보고 그 결과를 대조군과 비교해보기 위하여 시도되었다. 3명의 알쯔하이머형 치매 환자와 3명의 대조군에서 뇌파 신호를 받아 디지털화한 후에 비선형 분석법 중 하나인 최대 양수 리아프노프 지수를 산출하였다. 알쯔하이머형 치매군은 전체 15개의 전극 부위 중 8곳의 전극 부위에서 대조군에 비하여 유의하게 낮은 최대 양수 리아프노프 지수를 나타내었다. 각 두뇌 영역별 및 반구별 분석에서도 알쯔하이머형 치매군이 대조군에 비하여 전 두뇌 영역에서 최대 양수 리아프노프 지수가 유의하게 낮았다. 이에 따라 알쯔하이머형 치매 환자의 뇌파를 비선형적 분석하여 조사한 이들 두뇌의 카오스적 성상이 감소되어 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 향후 뇌파의 비선형적 분석인 리아프노프 지수 산출이 두뇌 기능을 조사하는 데에 유용한 새로운 방법이 될 가능성이 있다는 것을 시사한다.