Analysis of electroencephalography brain rhythms in the reading process.

OBJECTIVE: To verify if, by three distinct quantifiers, the measured electroencephalographic signal at rest is different from the signal measured during a word reading situation, especially considering the faster rhythms, gamma and high-gamma, as it occurs in clinical rhythms (delta to beta).
METHODS: A total of 96 electroencephalographic signals measured from neurologically healthy volunteers were evaluated at two moments: resting and word reading. Each signal segment was measured by three quantifiers that separately assess normalized power, percent power, and right and left hemisphere coherence. The Mann-Whitney test was used to compare the results of the quantifiers in each brain range.
RESULTS: The gamma and high-gamma rhythms presented a more distinct behavior when comparing the analyzed moments (resting and reading) than the clinical rhythms.
CONCLUSION: This finding contributes to the scarce literature on faster rhythms, which can contain information that is normally disregarded in neurological clinical practice.

INTRODUCTION

Reading improves the storage of information in the human brain, and requires a combination of skills and continuous study to enhance knowledge by learning of new words.() Multiple brain systems must interact cooperatively for a word to be recognized and a homogeneous interpretation of the visual input to occur.() Research indicates that several brain regions are triggered during reading.() However, using neuroimaging, it has been shown that an area in the occipitotemporal cortex is activated in fluent readers.() This region, located in the fusiform gyrus, has been termed the visual word form area.() Studies showed the activation of this region is evoked by written words, but not by spoken words.() Besides improving previously acquired knowledge, reading also improves auditory and visual perception,() and is a particular form of human evolution.

During a word reading situation, the electrical activity of the brain changes, and these changes can be captured in electroencephalogram (EEG) recordings. The transmission of brain information occurs via electrical activity, and the EEG records this activity, which is detected by electrodes placed on the scalp,(,) according to the following neuroanatomical locations: frontal (F), central (C), parietal (P), temporal (T), occipital (O). Odd numbered electrodes represent the left cerebral hemisphere, and even numbered electrodes represent the right hemisphere.()

The EEG spectral analysis is performed in the EEG frequency bands, which have well-defined limits,(,) namely: delta (ranging from 0.5 to 3.5Hz), theta (from 3.5 to 7.5Hz), alpha (ranging from 7.5 to 12.5Hz), beta (from 12.5 to 30Hz), gamma (from 30 to 80Hz), and high-gamma (above 80Hz).(,) The literature reports that the gamma and high-gamma rhythms are related to cognitive tasks involving perception, attention and memory.(,) However, as far as the authors are aware, no study analyzed the reading process per se. All previous studies analyzed reading associated with word comprehension, text interpretation, and visual stimulation. In addition, few articles studied the reading process in frequency bands above 40 Hz,(,,,) particularly in the context of Brazilian or Latin American individuals, assessing the degree of quantitative EEG changes that occur between resting and reading states, which is extremely important for a correct calibration of a brain-machine interface.

OBJECTIVE

To measure, by quantitative processing, the electroencephalographic signals of neurologically healthy volunteers during a word reading situation and in a resting situation, and to verify if the gamma and high-gamma rhythms contribute significantly to the differentiation between the reading and the resting states, demonstrating possible changes in brain activity caused by these rhythms in these two situations.

METHODS

This study was carried out in the first semester of 2019 and addressed the following topics in its methodological process: data collection; pre-processing; quantification of the brain signal; and statistical analysis.

Data collection

We analyzed EEG signals considered neurologically normal, collected from an EEG database and recorded from healthy volunteers, between the years 2016 and 2018.() Authorization by the Research Ethics Committee of the Universidade Federal de Uberlândia (UFU) was released under CAAE: 54781615.6.0000.5152, with approval number 1.715.960, allowing the collection and use/processing of these data. From this database, 96 EEG records were used (49 of the records were from male volunteers). The mean age of the volunteers was 24±7.5 years.

We used a 20-channel EEG equipment, with a high-pass filter with a cut-off frequency of 1Hz, a 100Hz low-pass filter, and a filter that rejected the range between 58 and 62Hz. The sampling frequency and impedance values set for the device were 1kHz and 1 KΩ, respectively. All records were collected following the international 10-20 collection system. The protocol recorded two events: event 1, termed no stimulus (NS) event, and event 2, in which the volunteer read ten words sequentially, termed word reading (WR) event.

For NS recording, the volunteer laid down, with eyes open and at rest, for 3 minutes, without any stimulation. In WR, the volunteer laid down, and one word at a time was presented sequentially. Each word was shown for a period of 5 seconds, at the height of the volunteer's eyes, written in large fonts on a piece of cardboard, for a silent reading. After the reading, another 5 seconds of recording took place, in silence, before moving on to the next word. In total, the volunteer was asked to read ten words, namely: dog, football, shirt, soap opera, banana, tomato, music, cell phone, fabric and work. This choice of words, although random, sought to use words that evoked memories and emotions associated with the daily life of a common Brazilian individual. Examples of filtered and unfiltered EEG signals in the time domain, collected from a volunteer for both situations studied here, are shown in figure 1.

Figure 1

Examples of unfiltered and filtered electroencephalographic signals in the time domain collected from a volunteer. (A) unfiltered signal of the no stimuli situation; (B) filtered signal of the no stimuli situation; (C) unfiltered signal of the word reading situation; (D) filtered signal of the word reading situation

Pre-processing

To ensure that the study considered a time interval during which the volunteer was actually performing the word reading act, the first and the last seconds recorded for each word read were excluded. Thus, for the WR event, ten 3-second epochs (stretches and segments) were analyzed, each epoch associated with the reading of a specific word. As for the NS event, each EEG recording was validated for separation into epochs of interest. The epochs, also lasting 3 seconds, were selected by a neurologist, who was a specialist in EEG analysis, through visualization. The morphology of a neurologically normal recording, devoid of visual artifacts, as expected for a healthy volunteer, was adopted as pattern.

We relied on filtering methods and visual analysis to avoid artifacts, such as 60Hz noise, muscle artifacts, blinks, or others, to assure that the analyzed signal was related to the EEG tracing.

Quantification of the brain signal

The first tool used to quantify the signal was the discrete time Fourier transform (DTFT), whose calculation results in the spectral density (power) of the signal distributed at each frequency analyzed. The DTFT calculation is defined as shown in equation 1.

where F(ω) is the DTFT of f(t).

The normalized power percentage (NPP) quantifier measures the amount of signal power, covering all existing rhythms between 1 and 100Hz (delta, theta, alpha, beta, gamma and high-gamma). The power contribution percentage (PCP) quantifier measures the power of each brain rhythm relatively to the total power of the spectrum, informing the contribution of each rhythm in the evaluated epoch. The input data for both quantifiers were ten epochs of the NS event, and ten epochs of the WR event.

Initially, for both NPP and PCP, the power spectral density S, was calculated using the DTFT.(–) With the result of the calculation S, for all epochs of the NS and WR events, the values of NPP (equation 2), and the values of PCP were calculated (equation 3).() The NPP quantifier is defined as in equation 2.

Where Sxa(f,b) is the power spectral density of the EEG signal at the X electrode, for event a (NS or WR); where b and f correspond, respectively, to the corresponding epoch and the frequency value. Sxa is the power spectral density matrix, in which the lines represent the frequency values (f), and the columns refer to the epochs (b) [W/Hz]. Max(Sxa) is the maximum amplitude, calculated after analyzing all elements of the Sxa matrix [W/Hz].

In this way, the calculation of the PCP quantifier is made according to equation 3:

Where the index i is associated with the epochs; index a, with the event (NS or WR); finrhythm is the first frequency value of the analyzed rhythm [Hz]; foutrhythm is the last frequency value of the analyzed rhythm [Hz]; Pia is the power calculated across the spectrum [W], whereas a is the event.

The input data for the coherence quantifier were the same as for NPP and PCP (selected epochs of each event). Coherence is a statistical measure related to the degree of coupling of the frequency spectra, and its value depends on the correlations between the events in the frequency domain. Additional diagnostic information can also be provided by measuring the pairs of neocortical regions.(–) This refers to the degree of phase similarity between two signals.() The coherence calculation is done by the square magnitude of the cross spectral density of the two signals, as seen in equation 4.

I b is the epoch considered; Sxy, the cross power spectral density [W/Hz]; Sx, the spectral density of the X electrode; and Sy, the spectral density of the U electrode.

Results of equation 3 vary from zero to one, and values close to zero indicate a low correlation, and values close to one indicate a high correlation. This property is expressed by equation 5.

To perform the coherence calculations, the electrode pairs F3–F4, C3–C4, P3–P4 and O1–O2 were taken into consideration, in the spectral range from 1 to 100Hz, from the delta rhythm to the high-gamma rhythm.

Statistical analysis

Since the NPP values varied over a wide range of frequency bands (1 to 100Hz), it was decided to divide these data into three bands: clinical rhythms (ranging between 1 and 30Hz); gamma rhythm (from 30 to 80Hz); and high-gamma rhythm (from 80 to 100Hz). From the NPP values per band, the NS and WR events were arranged in that order, so that time-frequency diagrams could be drawn up. These values were arranged in chronological order of events and by frequency, from the lowest to the highest values (considering each band separately). For each electrode analyzed, three time-frequency diagrams were generated: clinical rhythms, gamma rhythm, and high-gamma rhythm.

In order to verify the hypothesis of equality of NPP data in both events (NS and WR), the Mann-Whitney test was used, with 95% confidence interval. This is a non-parametric test for comparing independent samples to verify whether there is a difference between them.() The result shows the level of significance between the data, represented by the p value. When the p value is less than 5%, the equality hypothesis is rejected, assuming that the compared data are different.

The PCP values obtained were assessed using descriptive calculation (median±median standard deviation) to summarize the information obtained from each brain rhythm. These values were also compared for the two events using the Mann-Whitney test with the same level of significance, and the results are shown in a table.

Finally, the coherence values obtained in both the NS and WR events were used to create time-frequency diagrams. The time axis was defined, as well as for NPP, by values measured in the chronological epochs, respecting the order of events, in seconds, and the frequency axis comprised values ranging from the lowest to the highest contribution within each rhythm, in Hz. The statistical comparison between the coherence values measured in the NS event and those obtained in the WR event was also implemented using the Mann-Whitney test, with a 5% significance level.

RESULTS

Figure 2 shows non-normalized topographies with the mean values of PCP of all volunteers for all rhythms: clinical (delta to beta), gamma, and high-gamma, demonstrating how the distribution and variation of rhythms occur, during the resting situation and the word reading situation, throughout all scalp leads. Using non-normalized topography, each rhythm has its own scale, which is constructed using the maximum and minimum average power of the specific rhythm.

Figure 2

Topographies of the mean values of power contribution percentage of all volunteers. (A) topographies of clinical rhythms (delta to beta), gamma, and high-gamma for the no stimulus situation; (B) topographies of clinical rhythms (delta to beta), gamma, and high-gamma for the word reading situation

Figure 3 shows the time-frequency diagrams of the NPP values. In each figure, the Fz, Cz, Pz and Oz electrodes are shown. Figure 3, from A to D, shows the clinical rhythms; from E to H, shows the gamma rhythm; and from I to L, shows the high-gamma rhythm. In all comparisons between NS (1 to 30 seconds) and WR (30 to 60 seconds) using the Mann-Whitney statistical test, the p values were less than 0.05, indicating a statistical difference between the NPP measured at rest and the NPP measured during the word reading situation.

Figure 3

Time-frequency diagram of normalized power percentage for brain rhythms, with the first 30 seconds referring to the no stimulus event, and the last 30 seconds referring to the word reading event. (A) diagram of the Fz electrode, clinical rhythms; (B) diagram of the Cz electrode, clinical rhythms; (C) diagram of the Pz electrode, clinical rhythms; (D) diagram of the Oz electrode, clinical rhythms; (E) diagram of the Fz electrode, gamma rhythm; (F) diagram of the Cz electrode, gamma rhythm; (G) diagram of the Pz electrode, gamma rhythm; (H) diagram of the Oz electrode, gamma rhythm; (I) diagram of the Fz electrode, high-gamma rhythm; (J) diagram of the Cz electrode, high-gamma rhythm; (K) diagram of the Pz electrode, high-gamma rhythm; (L) diagram of the Oz electrode, high-gamma rhythm

Md: Median; SD: standard deviation; NS: no stimuli; WR: word reading.

Figure 3, from A to D, shows that, in the frequency range between 10 and 13Hz, which the alpha band was more evident, the discrepancy between the NS and WR events was noticeable. In figure 3, from E to H, showing the gamma rhythm, the highest NPP values were concentrated in the 30 to 52Hz bands, not only visually, but quantitatively. These values decreased in the WR process (p value <0.05). In figure 3, from I to L, showing the high-gamma rhythm, there was a more evident separation between NS and WR in this frequency range, and also, as in the gamma rhythm, there was a decrease in the NPP values during the WR event.

The PCP values of each event, with their respective p values, for each brain rhythm, are shown in table 1 (delta to beta) and table 2 (gamma and high-gamma), for the C3, Cz, C4, P3, Pz, P4, T5, T6, O1, Oz, and O2 electrodes.

Table 1

Percentage values of power contribution – clinical rhythms (α=5%)

Electrodes and situation		Delta	Theta	Alpha	Beta
C3
	NS	40.9	19.7	11.2	9.1
	WR	51.3	18.8	7.8	7.6
	p value	0	0.6	0	0
CZ
	NS	40.8	23.3	11.4	8.2
	WR	53.3	22.4	7.5	6.6
	p value	0	0.3	0	0
C4
	NS	41.1	18.3	12.9	9.2
	WR	52.9	18.2	7.6	7.4
	p value	0	0.8	0	0
P3
	NS	40.7	18.3	13.1	9.3
	WR	49.9	18.3	8.7	8.2
	p value	0	0	0	0
PZ
	NS	41.5	16.0	13.2	9.1
	WR	52.6	19.7	8.5	7.8
	p value	0	0	0	0
P4
	NS	40.2	14.7	14.7	9.2
	WR	50.8	18.5	8.9	8.3
	p value	0	0	0	0
T5
	NS	39.9	15.6	13.3	9.8
	WR	49.5	17.6	8.6	9.8
	p value	0	0	0	0.5
T6
	NS	39.9	13.2	14.4	9.6
	WR	51.3	17.0	8.4	9.1
	p value	0	0	0	0
O1
	NS	35.7	12.4	15.3	11.1
	WR	47.9	18.4	9.6	9.9
	p value	0	0	0	0
OZ
	NS	37.1	13.1	15.2	10.5
	WR	48.8	17.9	9.9	9.6
	p value	0	0	0	0
O2
	NS	35.3	10.9	18.2	11.0
	WR	47.8	18.1	10.4	10.1
	p value	0	0	0	0

p≥0.05 indicates statistical equality.

NS: no stimulus; WR: word reading.

Table 2

Percentage values of power contribution – faster rhythms (α=5%)

Electrodes and situation		Gamma	High-gamma
C3
	NS	3.8	0.5
	WR	3.5	0.4
	p value	0	0
CZ
	NS	3.5	0.4
	WR	3.1	0.4
	p value	0	0
C4
	NS	3.7	0.5
	WR	3.0	0.4
	p value	0	0.1
P3
	NS	3.6	0.5
	WR	3.6	0.5
	p value	0.7	0.7
PZ
	NS	3.5	0.4
	WR	3.3	0.4
	p value	0.1	0.1
P4
	NS	3.5	0.5
	WR	3.7	0.5
	p value	0.1	0.3
T5
	NS	3.8	0.5
	WR	4.3	0.5
	p value	0	0
T6
	NS	3.6	0.5
	WR	4.1	0.5
	p value	0	0
O1
	NS	3.7	0.5
	WR	4.1	0.5
	p value	0	0
OZ
	NS	3.6	0.5
	WR	3.9	0.5
	p value	0	0
O2
	NS	3.7	0.5
	WR	4.1	0.5
	p value	0	0

p≥0.05: indicates statistical equality.

NS: no stimulus; WR: word reading.

In the PCP calculation, as to clinical rhythms, the delta rhythm showed an increase in power in all electrodes during WR, when compared to NS. On the other hand, both in alpha and beta rhythms, PCP values decreased in the word reading situation. The theta frequency band variation showed a different PCP behavior, according to the region measured. For example, in the P, O and T regions, the PCP increased during the word reading situation, whereas in the other regions this index decreased. In gamma and high-gamma rhythms, PCP values decreased in the word reading situation, except in the occipital and temporal region. The gamma and high-gamma rhythms, in terms of PCP, were sensitive to the brain region. In the parietal region, there was no differentiation between the PCP values measured at rest and during the word reading situation. This indicated that, for these rhythms, analyzing the electrodes in this region was not effective for EEG segmentation into resting and cognitive activity.

The analysis of the third EEG signal quantifier, i.e. coherence, indicated that both for the clinical rhythms (Figure 4) and the gamma and high-gamma rhythms (Figures 5 and 6, respectively), the coherence between the symmetrical pairs of the electrodes was higher during the word reading situation. The discrepancy between these values measured at rest and during word reading situation was markedly greater for faster rhythms, rendering these rhythms clinically important in the evaluation conducted by neurologists.

Figure 4

Time-frequency coherence diagram for clinical rhythms, with the first 30 seconds referring to the no stimulus event, and the last 30 seconds referring to the word reading event. (A) diagram of the Fz electrode; (B) diagram of the Cz electrode; (C) diagram of the Pz electrode; (D) diagram of the Oz electrode

Md: median; SD: standard deviation; NS: no stimulus; WR: word reading.

Figure 5

Time-frequency coherence diagram for gamma band, with the first 30 seconds referring to the no stimulus event, and the last 30 seconds referring to the word reading event. (A) diagram of the Fz electrode; (B) diagram of the Cz electrode; (C) diagram of the Pz electrode; (D) diagram of the Oz electrode

Md: median; SD: standard deviation; NS: no stimulus; WR: word reading.

Figure 6

Time-frequency coherence diagram for high-gamma band, with the first 30 seconds referring to the no stimulus event, and the last 30 seconds referring to the word reading event. (A) diagram of the Fz electrode; (B) diagram of the Cz electrode; (C) diagram of the Pz electrode; (D) diagram of the Oz electrode

Md: median; SD: standard deviation; NS: no stimulus; WR: word reading.

DISCUSSION

The review by Antonenko et al.,() describes two case studies: one on the cognitive load in hypertext reading, with 20 students, and the other on the cognitive load in multimedia reading, with 38 students. The results of the first case showed a significant decrease in alpha power during the 20 seconds of reading and, in the second case, this reduction was also noticed in the frontal region of the brain.

In the study by von Stein et al.,() with 19 volunteers, coherence was analyzed in three different modalities: written word, auditory presentation and visual presentation of the object. Each stimulus lasted 2 seconds, with an interval of 2 to 3 seconds between all conditions. For comparison, a resting state was used with the volunteer relaxed and with eyes open. During reading, the gamma coherences between the parietal and temporal cortex increased. In addition, alpha coherence also demonstrated an increase in temporal electrodes.

The study by Bedo et al.,() analyzing independent components, showed that, both in the ventral occipitotemporal cortex and in the central cortex, progression of theta band and gamma band synchronization occurs, and the information flow from these bands are associated with the visual and language processing areas.

The study,() carried out with two male volunteers, evaluated guitar score reading, involving an unpublished sequence of musical notes, previously developed for the experiment. The results obtained revealed changes in the theta to gamma bands during cognitive activities. Our study shows changes in the four brain rhythms during reading activities.

In a review by Klimesch,() alpha activity is suppressed in the word reading situation, which was also evidenced in our present study.

In the research by Fitzgibbon et al.,() an analysis implemented in 20 adults showed that, during cognitive tasks, including reading, the powers of the gamma and theta bands increased, respectively, by two to five, and one to three times, when compared to resting.

The study by Kornrumpf et al.,() aimed to investigate the spatial distribution of attention during reading, analyzing alpha band oscillations in the EEG. In their findings, it was concluded that, during reading, there is a right lateralization of posterior alpha activity, which is directly linked to attention, and is also related to oculomotor behavior in reading.

The study by Bizas et al.,() evaluated the EEG of 17 neurologically healthy, adult and right-handed volunteers, during the execution of several cognitive processes, involving reading. EEG records were quantified using energy spectrum measurements in the four frequency bands (delta to beta). The results led to the conclusion that the left cerebral hemisphere showed greater spectral variations in the word reading situation. In contrast, our study showed greater PCP variation in the right hemisphere for the parietal and occipital regions. In the other regions, the variations in both hemispheres were similar.

CONCLUSION

This article is essentially focused on the reading activity and, therefore, the results characterize this pure cognitive process, avoiding several types of simultaneous stimuli and allowing the quantitative results to be associated specifically with the physiology of reading, based on the electroencephalographic signal.

Most of the results obtained in this research are in agreement with the literature. Particularly considering the faster, gamma (30-80Hz) and high-gamma (80-100Hz) rhythms, the changes in the power contribution percentage values in the temporal and occipital regions during the word reading situation, compared to the frontal and central regions, increased reasonably. The quantitative data obtained represent a proposal for a “normal” quantitative pattern associated with the pure reading process, in view of the high number of individuals evaluated. Therefore, these results can be useful both in the assessment of clinical neurological conditions (patients in a coma) and for brain–machine interface applications (patients/individuals with hearing/verbalization problems). For a patient in an open-eyed coma-like state, unable to communicate verbally, if brain changes similar to those found in this study are observed, this could be an indication that the patient can read. This may be an alternative communication channel between the patient and the medical team/family. However, it is impossible to affirm that the same changes found in a “normal” neurological situation are present in a neurological condition with any form of brain dysfunction. These perspectives represent possible future studies, as a result of this article.

INTRODUÇÃO

A leitura é responsável por aprimorar o armazenamento de informações no homem, sendo necessária uma conjuntura de habilidades e estudo contínuo para que a aprendizagem de novas palavras proporcione ampliação nos conhecimentos.() A fim de que uma palavra seja reconhecida, múltiplos sistemas cerebrais precisam se conciliar, para que ocorra a interpretação homogênea da entrada visual.() Pesquisas indicam que várias regiões cerebrais são acionadas durante a leitura,() porém, por meio da neuroimagem, constata-se que uma área do córtex occipito-temporal é ativada em leitores fluentes.() Essa região, localizada no giro fusiforme, foi nomeada de “área visual da palavra” (visual word form area).() Estudos desenvolvidos demonstram que tal região da leitura ativa-se quando indivíduos são submetidos às palavras escritas, mas não se ativa quando as mesmas são ouvidas.() A prática da leitura, além de levar ao aprimoramento dos conhecimentos prévios, também é responsável pelo aperfeiçoamento da percepção auditiva e visual,() sendo uma forma particular da evolução humana.

Durante o processo de leitura, a atividade elétrica do cérebro sofre alterações, as quais podem ser captadas pelo exame eletroencefalográfico (EEG). Sabendo-se que a transmissão das informações cerebrais ocorre por meio de atividade elétrica, o EEG grava essa atividade, que é detectada por eletrodos colocados no couro cabeludo,(,) conforme as seguintes localizações neuroanatômicas: frontal (F), central (C), parietal (P), temporal (T), occipital (O). Os eletrodos ímpares representam o hemisfério esquerdo cerebral, e os pares, o hemisfério direito.()

A análise espectral de EEG é realizada em suas bandas de frequência, as quais possuem limites bem definidos,(,) sendo elas: delta (variando entre 0,5 e 3,5Hz), teta (entre 3,5 e 7,5Hz), alfa (que varia entre 7,5 e 12,5Hz), beta (entre 12,5 e 30Hz), gama (entre 30 e 80Hz) e supergama (acima 80Hz).(,) A literatura afirma que os ritmos gama e supergama estão relacionados às tarefas cognitivas que envolvem percepção, atenção e memória.(,) Todavia, do conhecimento dos autores, nenhum artigo encontrado analisou apenas o processo de leitura em si; todas as análises feitas em estudos anteriores a esse utilizavam juntamente a leitura com compreensão de palavras, a interpretação de texto e o estímulo visual. Além disso, poucos artigos estudam o processo de leitura em faixas de frequência acima de 40Hz,(,,,) principalmente no contexto de indivíduos brasileiros ou latino-americanos, e avaliam o grau de modificação quantitativa do EEG entre repouso e processo de leitura, que é de suma importância para uma calibração correta da interface cérebro-máquina.

OBJETIVO

Mensurar, por meio do processamento quantitativo, sinais eletroencefalográficos de voluntários neurologicamente saudáveis no processo de leitura, bem como em situação de repouso, e verificar se os ritmos gama e supergama contribuem majoritariamente na separação entre os momentos de leitura e de repouso; demonstrar quais são essas possíveis alterações na atividade cerebral que esses ritmos causam no cérebro nessas duas situações.

MÉTODOS

Este estudo foi realizado no primeiro semestre do ano de 2019 e abordou os seguintes tópicos de processo metodológico: coleta de dados; pré-processamento; quantificação do sinal cerebral; e análise estatística.

Coleta de dados

Sinais EEG considerados neurologicamente normais foram analisados, tendo sido retirados de uma base de dados de EEG e medidos em voluntários saudáveis, entre os anos de 2016 e 2018.() A autorização pelo Comitê de Ética em Pesquisas (CEP) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU) foi liberada sob número CAAE: 54781615.6.0000.5152, com parecer de número 1.715.960, permitindo a coleta e uso/processamento desses dados. Dessa base, foram utilizados 96 registros de EEG (49 referentes a voluntários do sexo masculino). A média de idade dos voluntários foi de 24±7,5 anos.

O equipamento operado para a coleta dos exames possuía capacidade para 20 canais, e a filtragem utilizada em todos os registros fez uso de filtro passa-alta com frequência de corte de 1Hz, filtro passa-baixa a 100Hz e filtro rejeita faixa entre 58 e 62Hz. A configuração utilizada no aparelho como frequência de amostragem e impedância foi de 1kHz e 1 KΩ, respectivamente. Todos os registros foram coletados seguindo o sistema internacional de coletas 10-20. O protocolo envolveu o registro de dois eventos: evento 1, denominado sem estímulo (SE), e evento 2, em que o voluntário foi submetido à leitura sequencial de dez palavras, aqui denominado leitura de palavras (LP).

Para a gravação SE, o voluntário permaneceu deitado, de olhos abertos e em repouso, ao longo de 3 minutos, sem nenhuma estimulação. Já em LP, com o voluntário ainda deitado, foram apresentadas uma palavra de cada vez, sequencialmente. Essas eram mostradas, durante um período de 5 segundos, na altura dos olhos do voluntário, escritas em tipos de letras grandes em um pedaço de cartolina, de forma que ele conseguisse fazer a leitura silenciosa. Posteriormente à leitura, realizaram-se mais 5 segundos de gravação, em silêncio, antes de passar para a próxima palavra. No total, o voluntário foi solicitado a ler dez palavras, a saber: cachorro, futebol, camisa, novela, banana, tomate, música, celular, tecido e trabalho. Essa escolha, embora tenha sido aleatória, buscou utilizar vocábulos de forma a evocar memória e emoções associadas ao dia a dia atual de um brasileiro comum. Um exemplo de um sinal filtrado e não filtrado de EEG no domínio do tempo, coletado em um voluntário para ambas as situações aqui estudadas, é apresentado na figura 1.

Figura 1

Exemplo de sinais não filtrados e filtrados de eletroencefalografia no domínio do tempo, coletados em um voluntário. (A) sinal não filtrado referente à situação sem estímulo; (B) sinal filtrado referente à situação sem estímulo; (C) sinal não filtrado referente à situação leitura de palavras; (D) sinal filtrado referente à situação leitura de palavras

Pré-processamento

Para garantir que o estudo considerasse um intervalo de tempo durante o qual o voluntário realmente estivesse realizando o ato da leitura da palavra, foram excluídos o primeiro e o último segundo de cada registro das palavras lidas. Assim, para o evento LP, foram analisadas dez épocas (trechos e segmentos) com duração de 3 segundos, cada época associada à leitura de uma palavra específica. Já para o evento SE, cada registro de EEG foi submetido à validação de separação de épocas de interesse. As épocas, também com duração de 3 segundos de sinal, foram escolhidas por um médico neurologista, especialista em análise de EEG, por meio da visualização. Adotou-se como padrão para escolha a morfologia do traçado neurologicamente normal, evidenciando momentos livres de artefatos visuais, cujas morfologias das ondas cerebrais estivessem dentro dos padrões esperados para um voluntário saudável.

A fim de que o sinal analisado fosse o mais livre possível de artefatos, como ruído de 60Hz, de artefato muscular, de piscada, ou outros, foram utilizadas, além de análises visuais do traçado, filtragens específicas, o que garantiu que o sinal analisado fosse referente ao traçado EEG.

Quantificação do sinal cerebral

A primeira ferramenta utilizada na quantificação do sinal foi a transformada de Fourier de tempo discreto (TDF), cujo cálculo resulta na densidade espectral (potência) do sinal distribuída em cada frequência analisada. O cálculo da TDF é definido como mostrado na equação 1.

onde F(ω) é a TDF de f(t).

O quantificador percentual de potência normalizada (PPN) mensura a quantidade de potência do sinal, abrangendo todos os ritmos existentes entre 1 e 100Hz (delta, teta, alfa, beta, gama e supergama). Já o quantificador percentagem de contribuição de potência (PCP) mensura, de maneira relativa, a potência presente em cada ritmo cerebral, em relação à potência total do espectro, informando a contribuição que cada ritmo tem perante a época avaliada. Os dados de entrada de ambos quantificadores foram dez épocas referentes ao evento SE e dez épocas referentes ao evento LP.

Tanto para PPN quanto para PCP, inicialmente calcula-se a densidade espectral de potência, Sx, por meio da TDF.(–) Com o resultado do cálculo de Sx, feito para todas as épocas dos eventos SE e LP, foram calculados os valores de PPN (equação 2), bem como os valores de PCP (equação 3).() O quantificador PPN é definido como na equação 2.

Em que Sxa(f,b) é densidade espectral de potência do sinal EEG no eletrodo X, para o evento a (SE ou LP); em que b e f correspondem, respectivamente, à época e ao valor de frequência correspondentes. Sxa é a matriz de densidade espectral de potência, em que as linhas representam os valores de frequências (f), e as colunas são referentes às épocas (b) [W/Hz]. Máx(Sxa) é a amplitude máxima, calculada após análise de todos elementos da matriz Sxa [W/Hz].

Desde modo, o cálculo do quantificador PCP é dado conforme a equação 3:

Em que o índice i está associado às épocas; índice a, ao evento (SE ou LP); finritmo é o primeiro valor de frequência do ritmo analisado [Hz]; foutritmo é o último valor de frequência do ritmo analisado [Hz]; Pia é a potência calculada em todo espectro [W], sendo a o evento.

Os dados de entrada para o quantificador coerência foram os mesmos que para PPN e PCP (épocas selecionadas de cada evento). A coerência é uma medida estatística relacionada ao grau de acoplamento dos espectros de frequência, e seu valor depende das correlações entre os eventos no domínio da frequência. Pode-se ainda fornecer informações adicionais em diagnósticos, ao se medirem os pares de regiões neocorticais.(–) Refere-se ao grau de similaridade de fase entre dois sinais.() O cálculo da coerência é feito pela magnitude quadrada da densidade espectral cruzada entre os dois sinais, como se observa na equação 4.

Sendo I b a época considerada; Sxy, a densidade espectral de potência cruzada [W/Hz]; Sx, a densidade espectral do eletrodo X; e Sy, a densidade espectral do eletrodo U.

Os valores resultantes da utilização equação 3 variam de zero a um, e valores próximos de zero apresentam baixa correlação, e aqueles próximos de um indicam correlação alta. Essa propriedade é expressa pela equação 5.

Para a realização dos cálculos de coerência, foram levados em consideração os pares de eletrodos F3–F4, C3–C4, P3–P4 e O1–O2, considerando o espectro de 1 a 100Hz, abordando do ritmo delta ao ritmo supergama.

Análise estatística

Como os valores de PPN variaram em uma faixa grande de frequências (1 a 100Hz), optou-se por repartir esses dados em três bandas: ritmos clínicos (variando entre 1 e 30Hz); ritmo gama (30 a 80Hz); e ritmo supergama (80 a 100Hz). A partir dos valores de PPN por banda, os eventos SE e LP foram dispostos nessa ordem, para que diagramas tempo-frequências pudessem ser elaborados. Tais valores foram dispostos no tempo em ordem cronológica de acontecimentos e na frequência, do menor ao maior valor (considerando cada banda isoladamente). Para cada eletrodo analisado, foram gerados três diagramas tempo-frequência: ritmos clínicos, ritmo gama e ritmo supergama.

A fim de verificar a hipótese da igualdade dos dados de PPN em ambos os eventos (SE e LP), o teste de Mann-Whitney, foi utilizado, com intervalo de confiança de 95%. Trata-se de teste não paramétrico responsável pela comparação de amostras independentes com o objetivo de testar se existe diferença entre elas.() O resultado mostra o nível de significância entre os dados, representados pelo valor de p. Este, quando menor que 5%, rejeita-se a hipótese da igualdade, assumindo-se que os dados comparados são distintos.

Os valores de PCP obtidos foram submetidos ao cálculo descritivo (mediana±desvio padrão de mediana) para resumir as informações obtidas por cada ritmo cerebral. Estes também foram comparados para os dois eventos por meio do teste Mann-Whitney com mesmo nível de significância, e os resultados dispostos em tabela.

Por fim, os valores de coerência obtidos tanto no evento SE, quanto no evento LP, foram utilizados para compor diagramas tempo-frequência. O eixo tempo foi formado, assim como para PPN, por valores medidos nas épocas cronológicas, respeitando a ordem dos acontecimentos, em segundos, e o eixo das frequências compreendeu valores que foram da menor à maior contribuição dentro de cada ritmo, em Hz. A comparação estatística entre os valores de coerência medidos no evento SE com os obtidos no evento LP foi implementada também usando o teste de Mann-Whitney, com 5% de significância.

RESULTADOS

Na figura 2, são apresentadas topografias não normalizadas com valores médios de PCP de todos os voluntários para todos os ritmos: clínicos (delta à beta), gama e supergama. Desse modo, é possível observar como ocorrem a distribuição e a variação dos ritmos na situação em repouso e no processo de leitura por todo o escalpo. Por meio da topografia não normalizada, cada ritmo contém sua escala própria, sendo essa construída utilizando o valor médio máximo e mínimo de potência que aquele ritmo em questão apresenta.

Figura 2

Topografias dos valores médios de percentagem de contribuição de potência de todos os voluntários. (A) topografias dos ritmos clínicos (delta à beta), gama e supergama para a situação sem estímulo; (B) topografias dos ritmos clínicos (delta à beta), gama e supergama para a situação leitura de palavras

Na figura 3, estão representados os diagramas tempo-frequência dos valores de PPN. Em cada figura, os eletrodos Fz, Cz, Pz e Oz foram apresentados. A figura 3, de A a D, refere-se aos ritmos clínicos; a figura 3, de E a H, ao gama; e a figura 3, I a L, ao supergama. Em todas as comparações realizadas pela estatística de Mann-Whitney entre SE (1 a 30 segundos) e LP (30 a 60 segundos), os valores de p foram menores que 0,05, apontando diferença estatística entre PPN medido na situação de repouso e o PPN mensurado durante o processo de leitura.

Figura 3

Diagrama tempo-frequência de percentagem de potência normalizada para ritmos cerebrais, sendo os 30 primeiros segundos referentes ao evento sem estímulo, e os 30 últimos segundos referentes ao evento leitura de palavras. (A) diagrama referente ao eletrodo Fz, ritmos clínicos; (B) diagrama referente ao eletrodo Cz, ritmos clínicos; (C) diagrama referente ao eletrodo Pz, ritmos clínicos; (D) diagrama referente ao eletrodo Oz, ritmos clínicos; (E) diagrama referente ao eletrodo Fz, ritmo gama; (F) diagrama referente ao eletrodo Cz, ritmo gama; (G) diagrama referente ao eletrodo Pz, ritmo gama; (H) diagrama referente ao eletrodo Oz, ritmo gama; (I) diagrama referente ao eletrodo Fz, ritmo supergama; (J) diagrama referente ao eletrodo Cz, ritmo supergama; (K) diagrama referente ao eletrodo Pz, ritmo supergama; (L) diagrama referente ao eletrodo Oz, ritmo supergama

Md: mediana; Dp: desvio padrão; E: sem estímulo; LP: leitura de palavras.

Ao fazer a análise da figura 3, de A a D, notou-se que, na faixa de frequência entre 10 e 13Hz, a qual a banda alfa foi mais evidente, a discrepância entre os eventos SE e LP foi perceptível. Quando se observa a figura 9 de E a H, que se referiu ao ritmo gama, notou-se que os maiores valores de PPN estiveram concentrados nas faixas de 30 a 52Hz e que não apenas visualmente, mas quantitativamente, esses valores diminuíram no processo de LP (valor de p <0,05). Já a observação da figura 3 de I à L, referente ao ritmo supergama, permitiu inferir que, nessa faixa de frequência, houve melhor separação entre SE e LP, além de demonstrar que, assim como no ritmo gama, houve diminuição dos valores de PPN no momento LP.

Os valores de PCP de cada evento, juntamente de seus respectivos valores de p, para cada ritmo cerebral, são expostos nas tabelas 1 (delta a beta) e tabela 2 (gama e supergama), para o conjunto de eletrodos C3, Cz, C4, P3, Pz, P4, T5, T6, O1, Oz e O2.

Tabela 1

Valores de percentagem de contribuição de potência – ritmos clínicos (α=5%)

Eletrodos e situação		Delta	Teta	Alfa	Beta
C3
	SE	40,9	19,7	11,2	9,1
	LP	51,3	18,8	7,8	7,6
	Valor de p	0	0,6	0	0
CZ
	SE	40,8	23,3	11,4	8,2
	LP	53,3	22,4	7,5	6,6
	Valor de p	0	0,3	0	0
C4
	SE	41,1	18,3	12,9	9,2
	LP	52,9	18,2	7,6	7,4
	Valor de p	0	0,8	0	0
P3
	SE	40,7	18,3	13,1	9,3
	LP	49,9	18,3	8,7	8,2
	Valor de p	0	0	0	0
PZ
	SE	41,5	16,0	13,2	9,1
	LP	52,6	19,7	8,5	7,8
	Valor de p	0	0	0	0
P4
	SE	40,2	14,7	14,7	9,2
	LP	50,8	18,5	8,9	8,3
	Valor de p	0	0	0	0
T5
	SE	39,9	15,6	13,3	9,8
	LP	49,5	17,6	8,6	9,8
	Valor de p	0	0	0	0,5
T6
	SE	39,9	13,2	14,4	9,6
	LP	51,3	17,0	8,4	9,1
	Valor de p	0	0	0	0
O1
	SE	35,7	12,4	15,3	11,1
	LP	47,9	18,4	9,6	9,9
	Valor de p	0	0	0	0
OZ
	SE	37,1	13,1	15,2	10,5
	LP	48,8	17,9	9,9	9,6
	Valor de p	0	0	0	0
O2
	SE	35,3	10,9	18,2	11,0
	LP	47,8	18,1	10,4	10,1
	Valor de p	0	0	0	0

Valor de p≥0,05 indica igualdade estatística.

SE: sem estímulo; LP: leitura de palavras.

Tabela 2

Valores de percentagem de contribuição de potência – ritmos rápidos (α=5%)

Eletrodos e situação		Gama	Supergama
C3
	SE	3,8	0,5
	LP	3,5	0,4
	Valor de p	0	0
CZ
	SE	3,5	0,4
	LP	3,1	0,4
	Valor de p	0	0
C4
	SE	3,7	0,5
	LP	3,0	0,4
	Valor de p	0	0,1
P3
	SE	3,6	0,5
	LP	3,6	0,5
	Valor de p	0,7	0,7
PZ
	SE	3,5	0,4
	LP	3,3	0,4
	Valor de p	0.1	0,1
P4
	SE	3,5	0,5
	LP	3,7	0,5
	Valor de p	0,1	0,3
T5
	SE	3,8	0,5
	LP	4,3	0,5
	Valor de p	0	0
T6
	SE	3,6	0,5
	LP	4,1	0,5
	Valor de p	0	0
O1
	SE	3,7	0,5
	LP	4,1	0,5
	Valor de p	0	0
OZ
	SE	3,6	0,5
	LP	3,9	0,5
	Valor de p	0	0
O2
	SE	3,7	0,5
	LP	4,1	0,5
	Valor de p	0	0

Valor de p≥0,05: indica igualdade estatística.

SE: sem estímulo; LP: leitura de palavras.

Ao analisar os valores correspondentes ao cálculo do PCP, percebeu-se que, ao se tratar dos ritmos clínicos, comparando SE com LP, o ritmo delta apresentou aumento da potência em todos os eletrodos durante a LP. Por outro lado, tanto no ritmo alfa, quanto no beta, os valores de PCP diminuíram no processo de leitura. A variação da banda de frequência teta apresentou comportamento diferente de PCP, conforme a região mensurada. Por exemplo, nas regiões P, O e T, o PCP aumentou durante o processo de leitura, enquanto nas demais regiões esse índice diminuiu. Já em gama e supergama, os valores de PCP diminuíram no processo de leitura, exceto na região occipital e temporal. Foi possível destacar, ainda, que os ritmos gama e supergama, em termos de PCP, eram sensíveis à região cerebral, ou seja, notou-se que, na região parietal, não havia diferenciação entre os valores de PCP medidos no momento de repouso e no de leitura. Isso indicou que, para tais ritmos, analisar os eletrodos nessa região não foi eficaz para segmentação entre repouso e atividade cognitiva.

A análise do terceiro quantificador do sinal EEG, coerência, indicou que tanto para os ritmos clínicos (Figura 4), quanto para os ritmos gama e supergama (Figuras 5 e 6, respectivamente), a coerência entre os pares simétricos dos eletrodos foi maior durante o processo de leitura. A discrepância entre tais valores medidos no momento de repouso e o momento de leitura foi nitidamente maior para os ritmos rápidos, o que apontou, mais uma vez, para a importância desses ritmos serem clinicamente considerados pelos neurologistas durante suas análises.

Figura 4

Diagrama tempo-frequência de coerência para ritmos clínicos, sendo os 30 primeiros segundos referentes ao evento sem estímulo, e os 30 últimos segundos referentes ao evento leitura de palavras. (A) diagrama referente ao eletrodo Fz; (B) diagrama referente ao eletrodo Cz; (C) diagrama referente ao eletrodo Pz; (D) diagrama referente ao eletrodo Oz

Md: mediana; Dp: desvio padrão; SE: sem estímulo; LP: leitura de palavras.

Figura 5

Diagrama tempo-frequência de coerência para gama, sendo os 30 primeiros segundos referentes ao evento sem estímulo, e os 30 últimos segundos referentes ao evento leitura de palavras. (A) diagrama referente ao eletrodo Fz; (B) diagrama referente ao eletrodo Cz; (C) diagrama referente ao eletrodo Pz; (D) diagrama referente ao eletrodo Oz

Md: mediana; Dp: desvio padrão; SE: sem estímulo; LP: leitura de palavras.

Figura 6

Diagrama tempo-frequência de coerência para supergama, sendo os 30 primeiros segundos referentes ao evento sem estímulo, e os 30 últimos segundos referentes ao evento leitura de palavras. (A) diagrama referente ao eletrodo Fz; (B) diagrama referente ao eletrodo Cz; (C) diagrama referente ao eletrodo Pz; (D) diagrama referente ao eletrodo Oz

Md: mediana; Dp: desvio padrão; SE: sem estímulo; LP: leitura de palavras.

DISCUSSÃO

A revisão de Antonenko et al.,() descreve dois estudos de caso sobre a carga cognitiva da leitura de hipertextos em 20 estudantes, além da leitura de multimídia analisando 38 estudantes. Os resultados do primeiro caso mostraram diminuição significativa na potência de alfa durante os 20 segundos de leitura e, no segundo caso, essa redução também foi notada na região frontal do cérebro.

No estudo desenvolvido por von Stein et al.,() com 19 voluntários, analisou-se a coerência em três modalidades distintas: palavra escrita, apresentação auditiva e apresentação visual do objeto. Cada estímulo teve duração de 2 segundos, com intervalo de 2 a 3 segundos entre todas as condições, e, para efeito de comparação, foi utilizado o repouso com o voluntário relaxado e de olhos abertos. Durante a leitura, as coerências gama entre os córtices parietal e temporal aumentaram. Além disso, a coerência alfa também demonstrou aumento nos eletrodos temporais.

O estudo de Bedo et al.,() por meio da análise de componentes independentes, mostrou que, tanto no córtex occipito-temporal ventral, quanto no central, ocorre progressão da sincronização da banda teta e gama, sendo que o fluxo de informação dessas bandas está associado às regiões responsáveis pelas partes visual e de processamento de linguagem.

O estudo() realizado com dois voluntários masculinos avaliou a leitura de partituras de violão, envolvendo uma sequência de notas musicais inéditas, desenvolvidas previamente para o experimento. Os resultados obtidos revelaram que as bandas teta a gama sofrem alterações durante atividades cognitivas. Ao fazer uma análise geral dos dados obtidos no presente estudo, os quatro ritmos cerebrais dispuseram de alterações durante as atividades de leitura.

Na revisão de Klimesch,() ficou notório que a atividade alfa é suprimida no processo de leitura, o que também foi evidenciado no presente estudo.

Na pesquisa de Fitzgibbon et al.,() uma análise implementada em 20 adultos mostrou que, durante tarefas cognitivas, inclusive na leitura, as potências das faixas gama e teta aumentaram, respectivamente, de duas a cinco, e de uma a três vezes, quando comparadas ao repouso.

O estudo de Kornrumpf et al.() teve como objetivo investigar a distribuição espacial da atenção durante a leitura, analisando as oscilações da banda alfa no EEG. Desse modo, em seus achados, concluiu-se que, durante a leitura, existe uma lateralização alfa posterior direita, que está diretamente ligada à atenção, e também guarda relação com o comportamento oculomotor durante a leitura.

O estudo de Bizas et al.() avaliou o EEG de 17 voluntários neurologicamente saudáveis, adultos e destros, durante a execução de diversos processos cognitivos, envolvendo a leitura. Os registros de EEG foram quantificados usando medidas do espectro de energia nas quatro bandas de frequência (delta a beta). Os resultados levaram a concluir que o hemisfério cerebral esquerdo apresentou maiores variações espectrais no processo de leitura. Em contrapartida, o presente estudo obteve maiores variações de PCP no hemisfério direito para as regiões parietal e occipital, e, nas demais regiões, ambos os hemisférios apresentaram variações similares.

CONCLUSÃO

O presente artigo está essencialmente focado na atividade de leitura e, portanto, os resultados caracterizam este processo cognitivo puro, evitando-se diversos tipos de estímulos simultâneos e permitindo associar os resultados quantitativos especificamente com a fisiologia da leitura, baseado no sinal eletroencefalográfico.

A maioria dos resultados obtidos nessa pesquisa está em concordância com a literatura. Particularmente considerando os ritmos rápidos, gama (30Hz a 80Hz) e supergama (80Hz a 100Hz), o comportamento observado para valores de percentagem de contribuição de potência nas regiões temporal e occipital durante o processo de leitura, se comparada às regiões frontais e centrais, aumenta razoavelmente. Ainda como contribuição deste trabalho, deve-se salientar que os dados quantitativos obtidos representam proposta de padrão quantitativo “normal” associado ao processo de leitura puro, tendo em vista a elevada quantidade de indivíduos avaliada. Assim, tais resultados podem ser úteis tanto para a clínica neurológica (pacientes em estado de coma), quanto para aplicações em interface cérebro-máquina (pacientes/indivíduos com problemas de audição/verbalização). Para um paciente em estado de coma, que permanece de olhos abertos, porém não consegue se comunicar verbalmente, se forem observadas alterações cerebrais próximas às encontradas nesse estudo, este poderia ser um indicativo de que esse paciente consegue ler. Trata-se de uma alternativa de comunicação entre paciente e equipe médica/familiares, porém não é possível afirmar que as mesmas alterações encontradas em uma situação neurológica “normal” são apresentadas em uma situação neurológica com alguma disfunção cerebral. Em vista disso, tais perspectivas representam possíveis trabalhos futuros, em consequência deste artigo.