DOI: https://doi.org/10.3389/fneur.2025.1721726
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41669533
تاريخ النشر: 2026-01-26
المؤلف: William J. Marshall وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الاتصال الوظيفي في الدماغ
نظرة عامة
تبحث الدراسة في فائدة تخطيط الدماغ الكهربائي في حالة الراحة (RS-EEG) كعلامة حيوية محتملة لإصابة الدماغ الرضحية الخفيفة المزمنة (mTBI)، مع معالجة القيود التي تواجه طرق التشخيص الحالية التي تعتمد على المعايير الحادة والتقارير الذاتية. شملت الدراسة 44 مشاركًا، بما في ذلك 18 مصابًا بـ mTBI المزمن و26 ضابطًا، وتم تحليل بيانات EEG المعاد بناؤها من المصدر من حيث القدرة الطيفية، ومقاييس الحالة الدقيقة، والترابط الوظيفي (FC) باستخدام مقياس التفاعل المتعدد المتغيرات (MIM). كشفت النتائج عن عدم وجود اختلافات كبيرة في القدرة الطيفية أو مقاييس الحالة الدقيقة بين المجموعات؛ ومع ذلك، أظهر الأفراد المصابون بـ mTBI زيادة كبيرة في FC عبر ترددات ثيتا وبيتا وغاما والترددات العريضة، وهو تغيير استمر حتى 8 سنوات بعد الإصابة.
أظهرت نماذج التصنيف التي تستخدم MIM أداءً قويًا، حيث حققت قيم المنطقة تحت المنحنى (AUC) تتراوح من 0.79 إلى 0.89 لتمييز حالة الإصابة ومن 0.82 إلى 0.87 للتنبؤ بشدة الأعراض، متجاوزة النماذج المعتمدة على البيانات الديموغرافية. تشير هذه النتائج إلى أن FC المستمد من RS-EEG هو علامة حيوية حساسة وغير جراحية لـ mTBI المزمن، تتوافق مع عبء الأعراض وتقترح تغييرات مستمرة في ترابط الدماغ. تدعو الدراسة إلى دمج RS-EEG في الأطر الحالية للعلامات الحيوية، مع التأكيد على إمكانيته في تعزيز الوصف المتعدد الوسائط لإصابة الدماغ وتحسين استراتيجيات التقييم لوظائف الدماغ المزمنة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث تعقيدات تشخيص إصابة الدماغ الرضحية الخفيفة المزمنة (mTBI)، وهي حالة تتميز بأعراض مستمرة واضطرابات عصبية فسيولوجية. تختلف تعريفات “المزمن” mTBI، مع عتبات تتراوح من 3 إلى 12 شهرًا بعد الإصابة، مما يعقد التقييمات السريرية التي غالبًا ما تعتمد على تقارير الأعراض الذاتية بسبب نقص التدابير الحادة مثل مقياس غلاسكو للغيبوبة (GCS) والتصوير العصبي. من الجدير بالذكر أن نسبة كبيرة من الأفراد (35-53%) تظل تعاني من الأعراض لأكثر من 5-10 سنوات، مما يبرز الحاجة الملحة لعلامات حيوية موضوعية للكشف عن العجز المزمن ومراقبته.
تقدم الورقة إطار عمل المعدلات السريرية-العلامات الحيوية-التصوير (CBI-M)، الذي يركز على دمج العلامات الحيوية الوظيفية جنبًا إلى جنب مع المعايير المعتمدة على الأعراض لتحسين دقة التشخيص. بينما أظهرت العلامات الحيوية المعتمدة على الدم مثل بروتين GFAP وبروتين UCH-L1 وعديد الببتيد أن لها وعدًا في المراحل الحادة وما بعد الحادة، إلا أن فعاليتها في mTBI المزمن لا تزال غير مفحوصة إلى حد كبير. يقترح المؤلفون استخدام تخطيط الدماغ الكهربائي في حالة الراحة (RS-EEG) كطريقة غير جراحية للتحقيق في خلل الشبكة المستمر، مع التركيز على الترابط الوظيفي (FC) وتحليل الحالة الدقيقة. من المتوقع أن تكشف هذه التدابير عن تغييرات في ديناميات الدماغ المرتبطة بـ mTBI المزمن، لا سيما لدى الأفراد ذوي آليات الإصابة المتنوعة وفترات ما بعد الإصابة المطولة. تهدف الدراسة إلى تعزيز الخصوصية التشريحية من خلال إعادة بناء مصادر إشارات EEG من فروة الرأس وتقييم إمكانيات هذه الميزات في تصنيف حالة الإصابة، والتنبؤ بعبء الأعراض، والحفاظ على القوة مع تقليل عدد الأقطاب الكهربائية، مما يدعم استخدامها كعلامات حيوية قابلة للتطبيق سريريًا.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان إمكانية التكرار. تشمل المنهجية التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، بما في ذلك الطرق الإحصائية المطبقة لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الإعداد التجريبي، بما في ذلك الضوابط والمتغيرات، للتحقق من النتائج. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، يضمن هذا القسم أن يتمكن الباحثون الآخرون من تكرار الدراسة والتحقق من استنتاجاتها.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تضمين 44 مشاركًا (26 ضابطًا و18 مصابًا بإصابة دماغ رضحية خفيفة (mTBI)) بعد استبعاد الأفراد الذين لديهم تسجيلات غير مكتملة وعيوب مفرطة. كان متوسط عمر مجموعة الضبط 39.6 عامًا (SD = 11.5) وكانت في الغالب إناث (73%)، بينما كان متوسط عمر مجموعة mTBI 32.0 عامًا (SD = 11.4) مع توزيع متساوٍ بين الجنسين. كشفت التحليلات الإحصائية أن المشاركين المستبعدين من mTBI كانوا أكبر سناً بشكل ملحوظ من أولئك الذين تم تضمينهم (U = 53.0، p = 0.041)، مما يستلزم تضمين العمر كمتغير مصاحب في التحليلات اللاحقة. كان متوسط الوقت منذ آخر mTBI للمشاركين 7.7 سنوات (SD = 7.0)، مما يشير إلى تعافي في المرحلة المزمنة.
هدفت الدراسة إلى تمييز الأفراد المصابين بـ mTBI المزمن عن الضوابط الصحية باستخدام ميزات تخطيط الدماغ الكهربائي في حالة الراحة (RS-EEG)، بما في ذلك القدرة الطيفية، ومقاييس الحالة الدقيقة، والترابط الوظيفي (FC). بينما لم تظهر القدرة الطيفية ومقاييس الحالة الدقيقة اختلافات كبيرة بين المجموعات، كشفت تحليل الترابط الوظيفي عن فرط ترابط كبير في مجموعة mTBI، الذي استمر لمدة تقارب 8 سنوات بعد الإصابة. وُجد أن هذا الفرط في الترابط يتنبأ بشكل كبير بشدة الأعراض وحالة الإصابة، مما يشير إلى أن مقاييس الترابط المستمدة من EEG قد تعكس التحديات المستمرة التي يواجهها مرضى mTBI وتساهم في الأعراض المزمنة.
المناقشة
في هذه الدراسة التشخيصية القائمة على المراقبة، تم تجنيد 65 بالغًا تتراوح أعمارهم بين 18-72 عامًا للتحقيق في آثار إصابة الدماغ الرضحية الخفيفة المزمنة (mTBI) على الترابط العصبي وشدة الأعراض. شمل المشاركون 28 فردًا لديهم تاريخ من mTBI و34 ضابطًا، جميعهم كانوا يتمتعون بسمع طبيعي وحدّة بصرية طبيعية. استخدمت الدراسة تسجيلات EEG في حالة الراحة لتحليل القدرة الطيفية، وديناميات الحالة الدقيقة، والترابط الوظيفي باستخدام مقياس التفاعل المتعدد المتغيرات (MIM). من الجدير بالذكر أنه لم يتم العثور على اختلافات كبيرة في القدرة الطيفية أو مقاييس الحالة الدقيقة بين المجموعات، مما يشير إلى حساسية محدودة لهذه التدابير في mTBI المزمن. في المقابل، أظهرت مجموعة mTBI فرط ترابط واسع النطاق في القشرة الدماغية، لا سيما في نطاقات تردد ثيتا وبيتا وغاما، مما يشير إلى إعادة تنظيم غير ملائمة محتملة للشبكات العصبية.
أظهرت الدراسة أن MIM صنف بشكل فعال mTBI المزمن من الضوابط بدقة عالية، محققًا منطقة تحت المنحنى (AUC) تبلغ 0.793 باستخدام مصنف قائم على العتبة و0.887 مع نموذج XGBoost. كما ارتبط MIM بشدة الأعراض كما تم قياسها بواسطة قائمة أعراض السلوك العصبي، مما يعزز إمكانيته كعلامة حيوية وظيفية لـ mTBI المزمن. تشير هذه النتائج إلى أنه بينما قد تفتقر التحليلات التقليدية للقدرة الطيفية والحالة الدقيقة إلى الحساسية، فإن الترابط الوظيفي المستمد من EEG يقدم طريقًا واعدًا لتشخيص ومراقبة mTBI المزمن، مميزًا إياه عن العلامات الحيوية الحالية التي تعكس بشكل أساسي الإصابة الحادة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الدراسات الطولية لتقييم فائدة MIM في تتبع التعافي واستجابات العلاج.
القيود
تنبع قيود هذه الدراسة بشكل أساسي من حجم العينة الصغيرة، خاصة داخل مجموعة إصابة الدماغ الرضحية الخفيفة (mTBI) (n = 18)، مما يحد من القوة الإحصائية وقابلية تعميم النتائج. على الرغم من أن النتائج كانت مدعومة بالتحقق المتبادل واختبار التبديل، فإن الحاجة إلى مجموعات أكبر وأكثر تنوعًا ديموغرافيًا أمر حاسم لتأكيد قوة وموثوقية أنماط الترابط الملاحظة وأداء النموذج. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطبيعة المقطعية للدراسة تمنع أي استنتاجات بشأن الاستقرار الزمني لعيوب تخطيط الدماغ الكهربائي في حالة الراحة (RS-EEG) أو تطورها مع التعافي أو العلاج. يحد نقص مجموعة تحقق خارجية مستقلة من تقييم قابلية تعميم النموذج عبر مواقع وسكان وأنظمة تسجيل مختلفة.
علاوة على ذلك، بينما تم التحكم في العمر والجنس، قد تؤثر عوامل مشوشة محتملة أخرى مثل النوم، والأدوية، والأمراض المصاحبة أيضًا على قياسات RS-EEG. تؤكد هذه القيود على ضرورة إجراء دراسات أكبر وطولية ومتعددة المواقع للتحقق من الترابط الوظيفي لـ RS-EEG كعلامة حيوية قابلة للتطبيق سريريًا لـ mTBI المزمن. تشير النتائج إلى أن قياسات EEG الوظيفية، لا سيما مقياس المعلومات المتبادلة (MIM)، يمكن أن تكون مؤشرات موثوقة للاضطراب الشبكي المستمر في mTBI المزمن. من المهم أن التأثيرات القوية التي لوحظت مع تقليل عدد الأقطاب تشير إلى أن الأنظمة ذات الكثافة المنخفضة أو المحمولة قد توفر معلومات ذات صلة سريريًا، مما يعزز إمكانية تطبيقها في العالم الحقيقي. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التكرار في مجموعات أكبر وتصاميم طولية لتحديد استقرار فرط الترابط لـ RS-EEG بمرور الوقت وقيمته التنبؤية للنتائج المعرفية أو الوظيفية. سيكون دمج EEG مع طرق مكملة مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، أو التصوير بالرنين المغناطيسي الانتشاري أمرًا أساسيًا لتوضيح العمليات العصبية الفسيولوجية الأساسية المرتبطة بالترابط المرتفع. إذا تم التحقق من صحتها، يمكن أن تلبي هذه الطريقة حاجة حيوية لعلامات حيوية وظيفية موضوعية وقابلة للتوسع في خدمات إصابات الأعصاب، مما يتماشى مع الأولويات لتحسين تقييم TBI خارج مرافق التصوير المتخصصة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fneur.2025.1721726
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41669533
Publication Date: 2026-01-26
Author(s): William J. Marshall et al.
Primary Topic: Functional Brain Connectivity Studies
Overview
The research investigates the utility of resting-state EEG (RS-EEG) as a potential biomarker for chronic mild traumatic brain injury (mTBI), addressing the limitations of current diagnostic methods that rely on acute criteria and subjective reports. The study involved 44 participants, including 18 with chronic mTBI and 26 controls, and analyzed source-reconstructed EEG data for spectral power, microstate metrics, and functional connectivity (FC) using the Multivariate Interaction Measure (MIM). The findings revealed no significant differences in spectral power or microstate metrics between groups; however, individuals with mTBI exhibited significantly increased FC across theta, beta, gamma, and broadband frequencies, a change that persisted up to 8 years post-injury.
Classification models utilizing MIM demonstrated strong performance, achieving area under the curve (AUC) values ranging from 0.79 to 0.89 for distinguishing injury status and 0.82 to 0.87 for predicting symptom severity, surpassing demographic-based models. These results indicate that RS-EEG-derived FC is a sensitive and noninvasive biomarker for chronic mTBI, correlating with symptom burden and suggesting enduring alterations in brain connectivity. The study advocates for the integration of RS-EEG into existing biomarker frameworks, emphasizing its potential to enhance the multimodal characterization of TBI and improve assessment strategies for chronic brain dysfunction.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the complexities of diagnosing chronic mild traumatic brain injury (mTBI), a condition characterized by persistent symptoms and neurophysiological disruptions. Definitions of “chronic” mTBI vary, with thresholds ranging from 3 to 12 months post-injury, complicating clinical assessments that often rely on subjective symptom reports due to the lack of acute measures like the Glasgow Coma Scale (GCS) and neuroimaging. Notably, a significant percentage of individuals (35-53%) remain symptomatic for over 5-10 years, highlighting the urgent need for objective biomarkers to detect and monitor chronic impairments.
The paper introduces the clinical-biomarker-imaging modifiers (CBI-M) framework, which emphasizes the integration of functional biomarkers alongside symptom-based criteria to improve diagnostic accuracy. While blood-based biomarkers such as glial fibrillary acidic protein (GFAP) and ubiquitin C-terminal hydrolase L1 (UCH-L1) have shown promise in acute and subacute phases, their efficacy in chronic mTBI remains largely unexamined. The authors propose using resting-state EEG (RS-EEG) as a noninvasive method to investigate persistent network dysfunction, focusing on functional connectivity (FC) and microstate analysis. These measures are expected to reveal alterations in brain dynamics associated with chronic mTBI, particularly in individuals with varying injury mechanisms and prolonged post-injury durations. The study aims to enhance anatomical specificity through source reconstruction of scalp EEG signals and to evaluate the potential of these features in classifying injury status, predicting symptom burden, and maintaining robustness with reduced electrode montages, thereby supporting their use as clinically scalable biomarkers.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, as well as the protocols followed to ensure reproducibility. The methodology encompasses the techniques for data collection and analysis, including statistical methods applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, including controls and variables, to validate the findings. By providing a comprehensive overview of the methods, this section ensures that other researchers can replicate the study and verify its conclusions.
Results
In this study, 44 participants (26 controls and 18 with mild traumatic brain injury (mTBI)) were included after excluding individuals with incomplete recordings and excessive artifacts. The control group had a mean age of 39.6 years (SD = 11.5) and was predominantly female (73%), while the mTBI group had a mean age of 32.0 years (SD = 11.4) with an equal gender distribution. Statistical analyses revealed that excluded mTBI participants were significantly older than those included (U = 53.0, p = 0.041), necessitating the inclusion of age as a covariate in subsequent analyses. The average time since the last mTBI for participants was 7.7 years (SD = 7.0), indicating a chronic-phase recovery.
The study aimed to differentiate chronic mTBI individuals from healthy controls using resting-state EEG (RS-EEG) features, including spectral power, microstate metrics, and functional connectivity (FC). While spectral power and microstate metrics did not show significant group differences, functional connectivity analysis revealed significant hyperconnectivity in the mTBI group, which persisted nearly 8 years post-injury. This hyperconnectivity was found to significantly predict both symptom severity and injury status, suggesting that EEG-derived connectivity metrics may reflect ongoing challenges faced by mTBI patients and contribute to chronic symptoms.
Discussion
In this observational case-control diagnostic study, 65 adults aged 18-72 were recruited to investigate the effects of chronic mild traumatic brain injury (mTBI) on neural connectivity and symptom severity. Participants included 28 individuals with a history of mTBI and 34 controls, all of whom had normal hearing and visual acuity. The study employed resting-state EEG recordings to analyze spectral power, microstate dynamics, and functional connectivity using the Multivariate Interaction Measure (MIM). Notably, no significant differences in spectral power or microstate metrics were found between groups, suggesting limited sensitivity of these measures in chronic mTBI. In contrast, the mTBI group exhibited widespread cortical hyperconnectivity, particularly in the theta, beta, and gamma frequency bands, indicating potential maladaptive reorganization of neural networks.
The study demonstrated that MIM effectively classified chronic mTBI from controls with high accuracy, achieving an area under the curve (AUC) of 0.793 using a threshold-based classifier and 0.887 with an XGBoost model. MIM also correlated with symptom severity as measured by the Neurobehavioral Symptom Inventory, reinforcing its potential as a functional biomarker for chronic mTBI. These findings suggest that while traditional spectral and microstate analyses may lack sensitivity, EEG-derived functional connectivity offers a promising avenue for diagnosing and monitoring chronic mTBI, distinguishing it from existing biomarkers that primarily reflect acute injury. Future research should focus on longitudinal studies to assess MIM’s utility in tracking recovery and treatment responses.
Limitations
The limitations of this study primarily stem from its small sample size, particularly within the mild traumatic brain injury (mTBI) group (n = 18), which restricts statistical power and the generalizability of the findings. Although the results were supported by cross-validation and permutation testing, the need for larger and more demographically diverse cohorts is critical to confirm the robustness and reproducibility of the observed connectivity patterns and model performance. Additionally, the cross-sectional nature of the study precludes any conclusions regarding the temporal stability of resting-state EEG (RS-EEG) abnormalities or their evolution with recovery or treatment. The lack of an independent external validation cohort further limits the assessment of model generalizability across various sites, populations, and recording systems.
Moreover, while age and sex were controlled for, other potential confounders such as sleep, medications, and comorbidities may also impact RS-EEG measures. These limitations underscore the necessity for larger, longitudinal, multisite studies to validate RS-EEG functional connectivity as a clinically actionable biomarker for chronic mTBI. The findings suggest that functional EEG measures, particularly mutual information measure (MIM), could serve as reliable indicators of persistent network disruption in chronic mTBI. Importantly, the robust effects observed with reduced montages indicate that lower-density or portable systems may provide clinically relevant information, enhancing the feasibility of real-world applications. Future research should focus on replication in larger cohorts and longitudinal designs to determine the stability of RS-EEG hyperconnectivity over time and its predictive value for cognitive or functional outcomes. Integrating EEG with complementary modalities such as fMRI, PET, or diffusion MRI will be essential for elucidating the underlying neurophysiological processes associated with elevated connectivity. If validated, this approach could fulfill a critical need for objective, scalable functional biomarkers in neurotrauma services, aligning with the priorities for improving TBI assessment outside specialized imaging facilities.