Come usiamo l’esame EEG nel progetto AINCP (Italian/English)

Foto @AINCP

Nell’intervista che segue abbiamo fatto alla Dott.ssa Fabrizia Festante alcune domande sull’esame EEG nello studio della Paralisi Cerebrale e il suo coinvolgimento sul progetto AINCP. 

1. Fabrizia, grazie per la tua disponibilità. Iniziamo dai tuoi studi, quali sono stati e qual è il tuo lavoro di ricerca attuale? 

Da quanto tempo lavori sul progetto AINCP e di che cosa ti stai occupando? 

Ho studiato Neurobiologia e successivamente ho conseguito un dottorato di ricerca in Neuroscienze. Durante il dottorato, la mia ricerca si è concentrata sullo studio dei neuroni specchio, e ho utilizzato la tecnica dell'elettroencefalografia (EEG) per analizzare lo sviluppo di questi neuroni fin dai primi mesi di vita, in particolare nei primati non umani. I neuroni specchio sono neuroni che si attivano sia durante lo svolgimento di un’azione, sia quando si osserva un’altra persona compiere la stessa azione, processo descritto in inglese come “Action Observation”. 

Negli anni successivi, ho mantenuto il focus di ricerca sui neuroni specchio, avvicinandomi però alla ricerca nell'ambito clinico. Faccio parte del gruppo di ricerca AINCP da due anni e in collaborazione con tutto il gruppo dell'Università di Pisa e dell'IRCCS Fondazione Stella Maris al momento stiamo lavorando alla definizione del protocollo sperimentale1 per le valutazioni elettroencefalografiche (EEG) previste nel progetto. Tali valutazioni faranno parte della Fase Riabilitativa, come spiegheremo tra poco. 

Inoltre, con Noldus, altro Partner del progetto AINCP, stiamo integrando un sistema di Eye-tracking che ci permetta di monitorare anche l’attenzione dei bambini agli stimoli durante le registrazioni EEG. In questo modo potremo ottenere un quadro più completo dei processi neurofisiologici coinvolti durante l’Action Observation.  

2. Che cos'è l'EEG e a che cosa serve? 

L’elettroencefalogramma (EEG) è una tecnica neurofisiologica ampiamente utilizzata sia in ambito clinico che nella ricerca. Si tratta di un metodo non invasivo e non doloroso, che prevede l’uso di cuffiette simili a quelle da piscina che sono dotate di piccoli elettrodi o di elettrodi superficiali posizionati direttamente sul cuoio capelluto, per registrare l’attività elettrica proveniente dal cervello. Il nostro cervello è costantemente attivo, anche mentre dormiamo, e ogni volta che processa o elabora uno stimolo, produce dell’attività elettrica con specifiche frequenze.  

Il segnale registrato viene visualizzato su uno schermo proprio sotto forma di una serie di onde di diversa frequenza e ampiezza, che viene chiamato tracciato EEG. Grazie alla posizione degli elettrodi sulla testa, possiamo capire in quali aree cerebrali si verifica la modulazione dell’attività elettrica e se questa è alterata. In altre parole, il tracciato EEG permette di tradurre visivamente l’attività del cervello.  

In ambito clinico, l’EEG è uno strumento fondamentale per identificare e monitorare anomalie funzionali cerebrali, come l’epilessia, i disturbi del sonno o altre alterazioni neurologiche. Inoltre, è utilizzato per monitorare l’efficacia delle terapie farmacologiche antiepilettiche. Nella ricerca, l’EEG viene utilizzato per studiare il funzionamento del cervello sia a riposo, sia in risposta a specifici stimoli (in questo caso si parla di attività evocata o evento-correlata), in condizioni di sviluppo tipico o in presenza di condizioni cliniche. Grazie ad un’elevata risoluzione temporale, l’EEG è in grado di rilevare i cambiamenti nell'attività cerebrale con una precisione di pochi millisecondi, quindi in tempo reale. Ciò lo rende ideale per studiare come e quando avvengono determinati processi cerebrali. Sebbene non abbia una risoluzione spaziale particolarmente elevata, l’introduzione dell’EEG ad alta densità (HD-EEG) che utilizza cuffie con un numero elevato di elettrodi (fino a 256), permette una discreta localizzazione delle aree corticali coinvolte in un’attività specifica. Queste caratteristiche fanno dell'EEG uno strumento particolarmente adatto nella ricerca, per ottenere informazioni dettagliate non solo sulle caratteristiche dell'attività cerebrale, ma anche per comprendere le dinamiche con cui il cervello elabora e processa informazioni di diversa natura. 

3. Qual è secondo te la parte più interessante di questo tipo di esame in ricerca? 

L’EEG, soprattutto quello ad alta densità (HD-EEG), è uno strumento interessante per diversi motivi. Innanzitutto, è estremamente versatile e permette di studiare sia l’attività cerebrale spontanea sia la sua modulazione in risposta a stimoli specifici, come quelli sensoriali, visivi, uditivi o durante l’esecuzione di compiti motori o cognitivi. Proprio grazie alla sua versatilità, l’EEG trova, infatti, applicazione in diversi ambiti di ricerca, dalla psicologia alla neurobiologia o alle neuroscienze cliniche. Può essere utilizzato per indagare processi attentivi, motori, cognitivi ma anche per studiare il sonno e le sue diverse fasi o gli stati emotivi. 

Ogni “funzione” cerebrale è generalmente associata a specifiche caratteristiche del tracciato EEG, bande di frequenza (o ritmi corticali) o specifiche forme d’onda. Analizzando come queste si comportano in situazioni spontanee o la loro modulazione in relazione a uno stimolo specifico, possiamo comprendere i meccanismi di codifica di quell’informazione nel nostro cervello. Esistono numerosi approcci per estrarre le informazioni sull’attività cerebrale dal tracciato EEG, uno di questi è proprio l’analisi delle frequenze nel tempo.  

Ad esempio, nello studio del sistema del Sistema dei Neuroni Specchio, l’attenzione si concentra sugli elettrodi posizionati centralmente sulla cuffia. Questi elettrodi registrano l’attività delle aree corticali sensori-motorie, ovvero le aree che controllano e regolano il movimento durante l’esecuzione di un compito motorio, ma che sono coinvolte anche nell’osservazione di azioni. In questo caso un parametro chiave del tracciato EEG è il Ritmo Mu, una banda di frequenza (8-13Hz) che si modula sia quando il partecipante esegue un’azione sia quando, da fermo, osserva qualcun altro eseguire la stessa azione. Questa caratteristica rende il Ritmo Mu un ottimo indicatore per studiare i circuiti corticali coinvolti nei processi motori, o di preparazione motoria, ma anche nella codifica delle azioni svolte da altri. Recenti studi sulla Paralisi Cerebrale hanno evidenziato che la modulazione di questo ritmo corticale può rappresentare un indicatore efficace di plasticità cerebrale, per valutare gli effetti del trattamento riabilitativo basato proprio sull’ osservazione dell’azione (Action Observation Therapy, AOT). 

Grazie alla sua natura non invasiva, l’EEG è ideale per studi di diversa durata, dai pochi minuti fino a diverse ore, come nel caso delle ricerche sul sonno, ed è particolarmente adatto per studi “longitudinali”, cioè ricerche in cui lo stesso partecipante effettua più registrazioni a distanza di tempo per monitorare eventuali cambiamenti nell'attività corticale. Inoltre, può essere utilizzato in popolazioni di tutte le età, dagli adulti ai bambini, fino ai neonati. Un altro aspetto secondo me importante è la sua trasportabilità, che permette di effettuare registrazioni non solo in laboratorio ma anche al di fuori, ampliando le possibilità di ricerca.

Ultimo ma non ultimo, l’EEG ha il vantaggio di essere ampiamente diffuso e relativamente poco costoso; quindi, risulta uno strumento più facilmente utilizzabile anche in Paesi a reddito medio-basso. 

4. Dove si trova il paziente durante le registrazioni EEG?  Ci sono controindicazioni per l’esame? 

Una volta indossata la cuffia EEG o applicati gli elettrodi, il partecipante non ha particolari limitazioni fisiche. Può restare comodamente seduto su una sedia o una poltrona, ad esempio se deve osservare video o altri stimoli su uno schermo, oppure eseguire movimenti con gli arti superiori, come nelle registrazioni previste dal progetto AINCP. L’EEG può essere registrato anche in posizione sdraiata, come negli studi sul sonno, o in piedi, nel caso di ricerche sulla deambulazione. I genitori possono essere presenti durante le registrazioni e, nel caso di lattanti e bambini piccoli, possono anche tenerli in braccio. Di solito un tecnico o un ricercatore è sempre presente per dare istruzioni al bambino durante le varie fasi della registrazione e per rispondere a qualsiasi domanda.  

L’EEG a scopo di ricerca è un esame sicuro e, in generale, non presenta controindicazioni. Prima di eseguirlo vengono definiti attentamente dei criteri di inclusione (ad esempio, esclusione epilessia o fotosensibilità) per garantire la sicurezza e l’idoneità di ogni partecipante a un determinato studio. Inoltre, gli elettrodi registrano esclusivamente l’attività elettrica del cervello, senza emettere alcuna corrente nel corpo. L’unico possibile fastidio è legato al gel usato per gli elettrodi o alla cuffia stessa che può risultare un po’ stretta (nulla di più di una cuffia da piscina) ed è inumidita con una soluzione di acqua e una piccola quantità di sale e shampoo per migliorare la conduzione del segnale. Al termine della registrazione, i capelli potrebbero risultare leggermente umidi o in disordine e, per qualche minuto, potrebbe rimanere un lieve segno degli elettrodi sulla cute. 

5. Quali sono le differenze più importanti tra EEG, RM e fMRI?   

L’elettroencefalogramma (EEG), la risonanza magnetica strutturale (RM) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) sono tre tecniche avanzate fondamentali per lo studio dell’attività cerebrale, che forniscono informazioni diverse ma complementari.  

Come spiegato in un articolo del Blog AINCP 

• l’RM è particolarmente importante per ottenere immagini dettagliate delle strutture cerebrali. Viene utilizzata per individuare lesioni, malformazioni o altre anomalie neurologiche quando presenti, ma fornisce una “fotografia” statica e istantanea del cervello e non informazioni su come venga modulata l’attività cerebrale nel tempo.  

• L’fMRI fornisce informazioni sul funzionamento del cervello misurando l'attività cerebrale in tempo reale. Questa tecnica consente di mappare le aree cerebrali attivate in risposta a specifici stimoli, durante l'esecuzione di un compito o anche in stato di riposo. Si basa sulla misurazione dei cambiamenti nei livelli di ossigeno nel sangue nelle regioni cerebrali attive, offrendo un'indicazione precisa, seppur indiretta, dell'attività neuronale. L'fMRI ha un'elevata risoluzione spaziale, permettendo di localizzare con precisione le aree cerebrali coinvolte in specifiche funzioni. Tuttavia, la sua risoluzione temporale è limitata, poiché il segnale emodinamico che permette di rilevare un’attivazione corticale è significativamente più lento rispetto ai rapidi cambiamenti dell'attività elettrica neuronale. 

• L’EEG funziona in modo molto diverso rispetto alla risonanza magnetica, sia strutturale (RM) o che funzionale (fMRI), poiché registra direttamente l’attività elettrica proveniente dal nostro cervello, senza però produrre immagini. Il principale punto di forza dell’EEG è la sua elevata risoluzione temporale.  

Ad esempio, se consideriamo l’esecuzione di un’azione come afferrare un oggetto, l’analisi tempo-frequenza del tracciato EEG può fornire informazioni dettagliate: 

• sulla fase di preparazione motoria, ancora prima che il movimento inizi,  

• sulle diverse fasi dell’azione vera e propria, dalla fase di inizio di raggiungimento dell’oggetto fino alla prensione.  

Lo stesso principio si applica anche a stimoli diversi da quelli motori, ad esempio l’osservazione della stessa azione. Con l’EEG, infatti, è possibile valutare la modulazione dell’attività cerebrale durante le diverse fasi del movimento osservato (inizio del movimento, raggiungimento dell’oggetto e atto di prensione). Questo aspetto è particolarmente rilevante se pensiamo alla popolazione di bambini con Paralisi Cerebrale coinvolti nel progetto AINCP, perché l’attività EEG in questa popolazione potrebbe risultare nel complesso simile a quella dei coetanei con sviluppo tipico in termini di frequenze EEG, ma allo stesso tempo presentare alterazioni in alcune fasi dello stimolo o in specifiche aree cerebrali, ad esempio nelle regioni coinvolte nel movimento, ma non nella preparazione motoria, o viceversa.  

Rispetto all’fMRI, l’EEG ha una risoluzione spaziale inferiore. Ciò significa che non consente di localizzare con precisione l’area corticale sottostante gli elettrodi da cui proviene il segnale elettrico, ma fornisce un’indicazione più approssimativa delle regioni cerebrali coinvolte in una specifica funzione, anche quando utilizziamo tecniche più avanzate come l’HD-EEG. 

Ovviamente, ogni tecnica neurofisiologica presenta sia vantaggi che limiti: l’EEG, ad esempio, offre un’ottima risoluzione temporale ma una precisione spaziale limitata, mentre l’fMRI permette di localizzare con grande accuratezza le aree cerebrali attivate, ma con una risoluzione temporale inferiore rispetto all’EEG. Proprio per via di queste differenze, le varie tecniche neurofisiologiche e di neuroimaging possono fornire informazioni complementari. Per questo, quando possibile, risulta particolarmente vantaggioso combinare più metodologie, poiché questo ci consente di ottenere una visione più completa del funzionamento cerebrale e dei correlati neurofisiologici che vogliamo investigare. 

6. Nel progetto AINCP, in che modo l'EEG viene usato? 

Nell’ambito del progetto AICP, abbiamo deciso di integrare le registrazioni EEG principalmente nella fase riabilitativa, con l’obiettivo di monitorare l’attività cerebrale prima e dopo l’Action Observation Therapy (AOT). Queste valutazioni rientreranno nella parte del progetto dedicata allo studio delle neuroimmagini e della neuroplasticità, per avere una visione più completa dei cambiamenti neurofisiologici associati all’intervento riabilitativo. 

Stiamo sviluppando un paradigma in cui i bambini, mentre indossano la cuffia HD-EEG, osservano video di azioni simili a quelle utilizzate nell’AOT – ad esempio, afferrare un oggetto – e successivamente vengono invitati a riprodurre le stesse azioni. Questo tipo di registrazioni è differente rispetto al tipico esame EEG svolto a scopi clinici e ha l’obiettivo di studiare l'attivazione delle aree corticali coinvolte nel movimento, sia durante l'esecuzione di un'azione sia durante la sua osservazione. In parallelo, in collaborazione con Noldus, stiamo implementando un sistema di Eye-tracking per monitorare anche il comportamento oculomotorio dei bambini durante l’osservazione delle azioni, così da combinare le informazioni provenienti dall’EEG con i dati sull’attenzione provenienti dall’Eye-tracking.  

A breve avvieremo le registrazioni pilota su un campione di bambini con diagnosi di Paralisi Cerebrale unilaterale, tra i quali saranno inclusi anche i bambini che partecipano alla fase osservazionale dello studio AINCP, e su un gruppo di bambini a sviluppo tipico. L’obiettivo è ottimizzare il protocollo e caratterizzare l’attività corticale e oculomotoria nella nostra popolazione di riferimento. Una volta completato lo studio pilota, il paradigma sarà integrato nella fase riabilitativa del progetto. In questa fase, proporremo ai bambini coinvolti nello studio AINCP di completare sia le registrazioni EEG + Eye-Tracking sia le acquisizioni fMRI. In questo modo, potremo integrare i dati ottenuti con entrambe le tecniche funzionali, per studiare in modo più approfondito gli effetti dell’AOT sulla modulazione dell’attività cerebrale. 

7. In generale, che cosa ci dice la ricerca attuale sull'importanza dell’EEG nella paralisi cerebrale?  

Nella clinica, l’EEG ha sicuramente un ruolo essenziale per la valutazione e il monitoraggio delle anomalie cerebrali conseguenti ad un danno cerebrale precoce.  

La ricerca attuale, inoltre, sta mettendo sempre più in evidenza l’importanza dell’utilizzo di questa tecnica nella valutazione e comprensione di specifici aspetti della Paralisi Cerebrale.  L’EEG permette non solo di individuare differenze nell'attività cerebrale tra pazienti con Paralisi Cerebrale e coetanei con sviluppo tipico, ma anche di approfondire e caratterizzare le dinamiche attraverso cui il cervello processa ed elabora informazioni di varia natura in presenza di una lesione. In generale, la neurofisiologia, attraverso tecniche come l’EEG o le Neuroimmagini, ma anche tramite l’utilizzo di altre metodologie, ad esempio la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), contribuisce in modo determinante alla comprensione dei correlati neurofisiologici delle difficoltà motorie, sensoriali, attentive e cognitive che un bambino con Paralisi Cerebrale affronta. Inoltre, queste tecniche consentono di identificare indicatori oggettivi di neuroplasticità. Questi elementi sono essenziali per la personalizzazione dei percorsi riabilitativi e per il monitoraggio nel tempo dell’efficacia degli interventi terapeutici.  

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English Translation 

How we use EEG testing in the AINCP project 

In the following interview we asked Dr. Fabrizia Festante some questions about the EEG exam in the study of Cerebral Palsy and her involvement in the AINCP project. 

1. Fabrizia, thank you for your availability. Let's start with your studies and what is your current research work?

How long have you been working on the AINCP project and what are you doing? 

I have a Master’s degree in Neurobiology and a PhD in Neuroscience. During my PhD, my research focused on the study of mirror neurons, and I used the electroencephalography (EEG) technique to analyze the development of these neurons in non-human primates since the first months of life. Mirror neurons are neurons that are activated both during the execution of a goal-directed action and when observing another person performing the same action, a process described in English as “Action Observation”. 

In the years following the PhD, I maintained my research focus on mirror neurons, but I approached research in the clinical field. I have been part of the AINCP research group for two years and in collaboration with the entire group of the University of Pisa and the IRCCS Fondazione Stella Maris we are currently working on the definition of the experimental protocol for the electroencephalographic (EEG) assessments as part of the project. These assessments will be part of the Rehabilitation Phase, as we will explain below. 

Furthermore, with Noldus, another AINCP Partner, we are integrating an Eye-tracking system that will allow us to monitor children's attention to stimuli during EEG recordings. This will allow us to obtain a more complete picture of the neurophysiological processes involved during Action Observation. 

2. What is EEG and what is it used for? 

The electroencephalogram (EEG) is a neurophysiological technique widely used both in the clinical field and in research. It is a non-invasive and painless method that involves the use of caps (like swimming caps) fitted with small electrodes or surface electrodes positioned directly on the scalp to record the electrical activity coming from the brain. Our brain is constantly active, even while we sleep, and every time it processes or elaborates a stimulus, it produces electrical activity with specific frequencies. 

The recorded signal is displayed on a screen in the form of a series of waves of different frequencies and amplitudes, which is called an EEG tracing (or EEG signal). The placement of the electrodes on the head allows us to understand the brain regions where electrical activity is modulated and if it is altered. In other words, the EEG signal allows us to visually translate the activity of the brain. 

In the clinical field, the EEG is a fundamental tool for identifying and monitoring functional brain abnormalities, such as epilepsy, sleep disorders or other neurological alterations. Furthermore, it is used to monitor the efficacy of anti-epileptic drug therapies. In research, EEG is used to study the brain functioning both at rest and in response to specific stimuli (in this case we speak of evoked or event-related activity), in conditions of typical development or in the presence of clinical conditions. Thanks to a very high temporal resolution, EEG can detect changes in brain activity with a precision of a few milliseconds, therefore in real time. This makes it ideal for studying how and when certain brain processes occur. Although it does not have a particularly high spatial resolution, the introduction of high-density EEG (HD-EEG) which uses caps (even called HD-EEG nets) fitted with a high number of electrodes (up to 256), allows for a discrete localization of the cortical areas involved in a specific activity. These characteristics make EEG a particularly suitable tool in research, to obtain detailed information not only on the characteristics of brain activity, but also to understand the dynamics with which the brain elaborates and processes information of different nature. 

3. What do you think is the most interesting part of this method in research? 

EEG, especially high-density EEG (HD-EEG), is an interesting tool for several reasons. First, it is extremely versatile and allows us to study both spontaneous brain activity and its modulation in response to specific stimuli, such as sesnsory, visual, auditory or during the execution of motor or cognitive tasks. Thanks to its versatility, EEG finds application in various fields of research, from psychology to neurobiology or clinical neuroscience. It can be used to investigate attention, motor, cognitive processes, but also to study sleep and its different phases or emotional states. 

Each brain “function” is generally associated with specific characteristics of the EEG signal, such as frequency bands (or cortical rhythms) or specific waveforms. By analyzing their modulation in spontaneous situations or their changes in relation to a specific stimulus, we can understand the neural mechanisms underlying the encoding of that stimulus in our brain. There are numerous approaches to extract information on brain activity from the EEG signal, one of these is indeed the analysis of frequencies over time (time-frequency analysis). 

For example, in studies investigating the Mirror Neuron System, the attention is focused on the electrodes centrally located on the EEG cap or net. These electrodes record activity from the sensorimotor cortical areas, namely areas that control and regulate movement during the execution of a motor task, but which are also involved in the observation of actions. In this case, a key marker of the EEG signal is the Mu Rhythm, a frequency band (8-13Hz) that is modulated both when the participants perform an action and when they passively (i.e. remaining still) observe someone else performing the same action. This characteristic makes the Mu Rhythm an excellent index for studying the cortical circuits involved in motor processes, or motor preparation, but also in the encoding of actions performed by others. Recent studies  on Cerebral Palsy have shown that the modulation of this cortical rhythm can represent an effective indicator of brain plasticity, to evaluate the effects of rehabilitation treatments based on the observation of actions (Action Observation Therapy, AOT). 

Thanks to its non-invasive nature, the EEG is ideal for studies of varying durations, ranging from few minutes to several hours, as in the case of sleep research, and it is particularly suitable for "longitudinal" studies, i.e. research in which the same participant undergoes multiple recordings over time to monitor any changes in cortical activity. Furthermore, it can be used across populations of all ages, from adults to children, and even newborns. Another key aspect that I believe is important to underline is its portability, which allows recordings to be performed not only in laboratory settings but also in other environments, thereby expanding research possibilities. Last but not least, EEG has the advantage of being a widely available and relatively affordable technique; which makes it a more accessible tool for use also in low-middle-income countries. 

4. Where is the patient during EEG recordings? Are there any contraindications for the test? 

Once the EEG cap is fitted or the electrodes are applied, the participant experiences no physical limitations. They can comfortably sit in a chair or armchair, for example if they have to watch videos or other stimuli on a screen, or perform movements with their upper limbs, as required in the recordings planned for the AINCP project. The EEG can also be recorded while the participant is lying down, as in sleep studies, or standing, in case of research investigating gait. Parents can be present during the recordings, and, in the case of infants and toddlers or young children, they can also hold them in their arms or on their lap. Typically, a technician or researcher is present throughout the session to give instructions to the child during the various phases of the recording and to answer any questions. 

The EEG performed for research purposes is a safe test and, in general, has no contraindications. Prior to the recording, inclusion criteria are carefully defined (for example, exclusion of epilepsy or photosensitivity) to guarantee the safety and suitability of each participant for a given study. Furthermore, the electrodes only record the electrical activity from the brain, without emitting any current into the body. The only possible discomfort is related to the gel used for the electrodes or to the cap itself, which may be a little tight (nothing more than a swimming cap) and is soaked in a solution of water and a small amount of salt and shampoo to improve the signal conduction. At the end of the recording, the hair may be slightly damp or messy and, for a few minutes, slight marks of the electrodes may remain on the skin, but nothing more. 

5. What are the most important differences between EEG, MRI and fMRI? 

The electroencephalogram (EEG), structural magnetic resonance imaging (MRI) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) are three advanced techniques that are fundamental for the study of brain activity, and provide different but complementary information. 

As explained in one article of the AINCP Blog:

• MRI is particularly important for obtaining detailed images of brain structures. It is used to detect lesions, malformations or other neurological anomalies when present, but it provides a static and instantaneous “photograph” of the brain and not dynamic information on how brain activity is modulated over time. 

• fMRI provides information on brain functioning by measuring brain activity in real time. This technique enables to map the brain areas activated in response to specific stimuli, during the execution of a task or even during a resting state. It is based on measuring changes in blood oxygen levels in active brain regions, providing a precise, yet indirect, measure of neural activity. fMRI has a very high spatial resolution, allowing for the precise localization of brain areas involved in specific functions. However, its temporal resolution is limited, as the haemodynamic signal that allows for the detection of cortical activation is significantly slower than the rapid fluctuations in neuronal electrical activity. 

• EEG functions in a very different way from the Magnetic Rsonance, whether structural (MRI) or functional (fMRI), as it directly records electrical activity from our brain, but does not produce images. The main strength of EEG is its very high temporal resolution. 

For example, if we consider the execution of an action such as grasping an object, the time-frequency analysis of the EEG signal can provide detailed information: on the motor preparation phase, even before the movement begins, and on the different phases of the actual action, from the initial phase of reaching to the actual grasping of the object. 

The same principle also applies to stimuli different from motor ones, for example the observation of the same action. With the EEG, in fact, it is possible to evaluate the modulation of brain activity during the different phases of the observed movement (start of the movement, reaching t and grasping of the object). This aspect is particularly relevant for the population of children with Cerebral Palsy involved in the AINCP project, because the EEG activity in this population could be overall similar to that of peers with typical development in terms of EEG frequencies, but at the same time it could present alterations in some phases of the stimulus processing or in specific brain regions, for example those involved in the movement, but not in motor preparation, or viceversa. 

Compared to fMRI, EEG has a lower spatial resolution. This means that it does not allow for the precise localization of the cortical area underlying the electrodes from which the electrical signal originates, but it provides a more approximate indication of the brain regions involved in a specific function, even when we use more advanced techniques such as HD-EEG. 

Obviously, each neurophysiological technique has both advantages and limitations: EEG, for example, offers an excellent temporal resolution but limited spatial precision, while fMRI allows us to localize the activated brain areas with great accuracy, but has a lower temporal resolution than EEG. Due to these differences, the various neurophysiological and neuroimaging techniques can provide complementary information. For this reason, when possible, it is particularly advantageous to combine multiple methodologies, since this allows us to obtain a more complete vision of the brain functioning and the neurophysiological correlates that we want to investigate. 

6. In the AINCP project, how is EEG used? 

As part of the AINCP project, we decided to integrate EEG recordings mainly in the rehabilitation phase, with the aim of monitoring brain activity before and after “Action Observation Therapy” (AOT). These assessments will be included in the part of the project dedicated to the study of neuroimaging and neuroplasticity, to have a more complete view of the neurophysiological changes associated with the rehabilitation intervention. 

We are developing a paradigm in which children, while wearing the HD-EEG net, observe videos of actions similar to those used in AOT – for example, grasping an object – and are subsequently asked to reproduce the same actions. This type of recording is different from the typical EEG examination performed for clinical purposes and aims to study the activation of the cortical areas involved in movement, both during the execution of an action and during its observation. In parallel, in collaboration with Noldus, we are implementing an Eye-tracking system to monitor also the oculomotor behavior of children during the observation of actions, to combine the information coming from the EEG with the attention data coming from the Eye-tracking. 

We will soon start the pilot recordings on a sample of children diagnosed with unilateral Cerebral Palsy, among which children participating in the observational phase of the AINCP study will be included, and on a group of typically developing children. The aim is to optimize the protocol and characterize the cortical and oculomotor activity in our target population. Once the pilot study will be completed, the paradigm will be integrated into the rehabilitation phase of the project. In this phase, we will propose to the children involved in the AINCP study to complete both EEG + Eye-Tracking recordings and fMRI acquisitions. In this way, we will be able to integrate the data obtained with both functional techniques, to study more in depth the effects of AOT on the modulation of brain activity. 

7. In general, what does current research tell us about the importance of EEG in cerebral palsy? 

In the clinical field, EEG certainly plays an essential role in the evaluation and monitoring of brain abnormalities resulting from early brain damage. 

Current research is also increasingly emphasizing the importance of using this technique in the evaluation and understanding of specific aspects of Cerebral Palsy. EEG allows not only to identify differences in brain activity between patients with Cerebral Palsy and their peers with typical development, but also to deepen and characterize the dynamics through which the brain processes and elaborates information of various kinds in the presence of a lesion. In general, neurophysiology, through techniques such as EEG or Neuroimaging, but also using other methodologies, such as functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), contributes significantly to the understanding of the neurophysiological correlates of motor, sensory, attentive and cognitive challenges that a child with Cerebral Palsy faces. Furthermore, these techniques allow us to identify objective indicators of neuroplasticity.  

These elements are essential for the personalization of rehabilitation paths and for monitoring the effectiveness of therapeutic interventions over time.