Characterization of the human alpha rhythm by envelope analysis

Abstract

El ritmo alfa es un patrón de actividad eléctrica revelado por registros de electroencefalografía (EEG), el cual fue primeramente descrito por el Dr. Berger en individuos despiertos con los ojos cerrados, desapareciendo cuando los sujetos abren los ojos. La caracterización habitual de este fenómeno muestra actividad específica en el espacio y tiempo, distinguida como aumento de la potencia del espectro en la banda alfa (8-13 Hz) de señales obtenidas desde la región occipital del cuero cabelludo. Sin embargo, esta caracterización no permite realizar afirmación ninguna acerca de la dinámica de las poblaciones neuronales participantes. El análisis de la envolvente ofrece una herramienta para evaluar dicho comportamiento a partir de señales de EEG. En particular, este metodo se basa en el hecho de que el coeficiente de variación de la envolvente (CVE) de un proceso Gaussiano es una constante de la naturaleza igual a √ (4 − π)/π ≈ 0.523. Registros asincrónicos muestran un CVE cercano a esta constante, mientras que procesos sincronicos son detectados como desviaciones significatives de este valor de referencia. El análisis demostró que el ritmo alfa se comporta como un proceso Gaussiano y sincrónico debido a variabilidad intra e intersujeto. En cambio, la observación inicial de Berger respecto del cambio de energía entre condiciones experimentales se mantuvo independientemente de los valores de CVE involucrados. En luz de estos resultados, las implicancias para los campos del EEG y el análisis de señales son discutidas.

The alpha rhythm is an electrical activity pattern revealed by electroencephalography (EEG) recordings, which was first described by Dr. Berger in awake subjects with their eyes closed, disappearing when subjects open their eyes. The usual characterization of this phenomenon shows specific temporal and spatial activity, distinguished as an increase of the spectral power in the alpha band (8-13[Hz]) in signals obtained from the occipital region of the scalp. Nevertheless, this characterization allows making no assertion about the dynamics of the participating neural populations. The envelope analysis offers a tool to evaluate such behavior from EEG signals. In particular, this method is based on the fact that the coefficient of variation of the envelope (CVE) of a Gaussian process is a universal constant equal to √ (4 − π)/π ≈ 0.523. Asynchronous recordings show a CVE close to this constant, while synchronous processes are detected as significant deviations from this reference value. The analysis demonstrated that the alpha rhythm behaves as a Gaussian and a synchronous process due to intra- and inter-subject variability. On the other hand, Berger’s initial observation regarding the energy change between experimental conditions held regardless of the CVE values involved. In light of these results, the implications for the EEG and signal analysis fields are discussed.