EEG band power analysis on the effects of seasonal affective disorder in state rumination

Abstract

Seasonal Affective Disorder (SAD) is a condition characterized by seasonally recurrent depressive episodes consisting of both vegetative and psychological mood symptoms. Few studies have been conducted in search of biological indicators of SAD but based on comparable studies on other depressive disorders, irregularities in activity of the frontal lobe is the most probable indicator. Negative rumination has been found to be critical in the maintenance of many affective disorders and a number of studies have indicated a similar connection between rumination and SAD. Ruminations effects on brain activity have mostly been noted in the prefrontal cortex, but to the best of our knowledge no EEG studies have been conducted on rumination in relation to seasonality. SAD can range from a mild subsyndromal affliction to a highly debilitating disorder with severe impairment, so further research on predictors is essential. We hypothesized a significant difference in activity in all frequency bands in the frontal area between groups and conditions. In addition we expected seasonality to be positively correlated with state rumination and tendency for negative thinking. We recorded 119 participants EEG during rest with eyes open and during induced rumination. In addition, participants completed the Seasonal Pattern Assessment Questionnaire (SPAQ), the Brief State Rumination Inventory (BSRI) and the Habit Index of Negative Thinking (HINT). Participants were divided into groups based on SPAQ scores; low seasonality group (score <10) and high seasonality group (score >11). We calculated the Fast Fourier Transform (FFT) for each segment and extracted bandpower in the delta, theta, alpha and beta range (1-30 Hz) for each condition. We computed General Linear Models with multiple comparisons for each condition, region and frequency with seasonality as a between-subject factor. In addition we computed pairedsample t-tests to identify change in each region and frequency between conditions. Finally we performed a two-tailed Spearman correlation between alpha activity in all regions and GSS, BSRI and HINT scores. Statistical analysis revealed decreased alpha power in the frontal region during both rest and rumination, which was more pronounced amongst high seasonality individuals. Independent of grouping, we found significant differences in activity in all regions and frequencies between conditions, with the exception of central beta and theta. No significant correlation was observed between alpha activity, GSS, BSRI and HINT scores. From this we conclude that frontal brain activity during rumination differs significantly depending on seasonality. The frontal region seems to be critical in state rumination, although other brain regions certainly play a role.

Árstíðabundið þunglyndi er röskun sem einkennist af árstíðabundnum sveiflum í líðan og atferli. Hingað til hefur fáum rannsóknum verið varið í athuganir á samspil þeirra líffræðilegu og hugrænu þátta sem liggja að baki röskunarinnar en sambærilegar rannsóknir á öðrum lyndisröskunum hafa þó sýnt fram á breytingar á taugavirkni í framheila, þá sérstaklega á alfa bylgjum, meðal sjúklinga. Samskonar breytingar á taugavirkni framheila hafa fundist í tengslum við neikvæða hugarferla, en tilhneyging til slíkra hugsana er talin leika lykilhlutverk í viðhaldi lyndisraskana. Höfundar hafa ekki orðið þess áskynja að til séu rannsóknir sem skoðað hafi áhrif neikvæðra hugsanaferla á heilastarfsemi í samhengi við árstíðabundið þunglyndi. Einkenni árstíðabundins þunglyndis geta verið gífurlega hamlandi og valdið mikilli skerðingu í daglegu lífi og er því nauðsynlegt að rannsaka möguleg lífmerki röskunarinnar. Tekin voru heilalínurit (e. electroencephalography [EEG]) af 119 einstaklingum í hvíld og við aðstæður sem kalla áttu fram neikvæðar hugsanir. Að auki svöruðu þátttakendur spurningalistunum Seasonal Pattern Assessment Questionnaire (SPAQ), Brief State Rumination Inventory (BSRI) og Habit Index of Negative Thinking (HINT). Þátttakendum var skipt í eftirfarandi hópa eftir skori á SPAQ; vægar árstíðabundnar breytingar á líðan (skor <10) og miklar árstíðabundnar breytingar á líðan (skor >11). Við vinnslu EEG gagna var notast við Fourier-varpanir (e. Fast Fourier Transform) og dregnar voru út heilabylgjur á delta, þeta, alfa og beta tíðnibilum. Til að meta mun á heilastarfsemi milli hópa við öll tíðnibil og í öllum heilasvæðum var notast við alhæfð línuleg líkön (e. generalized linear model) með margföldum samanburði. Gerð voru pöruð t-próf til að greina áhrif neikvæðra hugsana á heilastarfsemi í öllum heilasvæðum, óháð tilhneigingu til árstíðabundinna sveifla í líðan. Auk þess var reiknuð Spearman fylgni taugavirkni á alfa tíðnibili við skor á SPAQ, BSRI og HINT. Við gerðum ráð fyrir marktækum mun á heilastarfsemi á öllum tíðnibilum í framheila, milli hópa og aðstæðna. Þar að auki bjuggust rannsakendur við marktækri jákvæðri fylgni milli tilhneigingar til árstíðabundinna sveifla í líðan og skori á BSRI og HINT. Niðurstöður rannsóknarinnar leiddu í ljós minnkaða taugavirkni á alfa tíðnibili í framheila við báðar tilraunaaðstæður. Áhrifin voru sérstaklega sterk meðal einstaklinga með miklar árstíðabundnar breytingar á líðan. Óháð hópum fundum við marktækan mun á heilastarfsemi í öllum heilasvæðum og við öll tíðnibil milli aðstæðna, að undanskildum beta og þeta tíðnibilum í miðheila. Ekki fannst marktæk fylgni alfa taugavirkni við skor á SPAQ, BSRI eða HINT. Frá þessum niðurstöðum ályktum við að einstaklingar með miklar árstíðabundnar sveiflur í líðan sýni breytta heilastarfsemi í framheila á meðan neikvæðum hugsunum stendur, samanborið við aðra. Framheilinn virðist gegna mikilvægu hlutverki í neikvæðum hugsunarferlum, og tengsl hans við önnur heilasvæði gæti leikið veigamikið hlutverk.