Electrophysiological correlates of cognitive functions in Multiple Sclerosis

Electrophysiological methods are valuable tools for the detection and monitoring of cognitive impairment in people with Multiple Sclerosis (pwMS) and towards the evaluation of the effectiveness of treatment. The Symbol Digit Modalities Test (SDMT), the gold-standard screening tool for cognitive dysfunction in MS, is often impaired in these patients. Our aim was to investigate the electrophysiological and behavioural correlates of the SDMT as indicators of cognitive impairment in pwMS, and to evaluate their potential to monitor cognitive changes before and after rehabilitation. We developed an EEG-compatible (EEG-SDMT) paradigm. Ninety-two pwMS and twenty-eight healthy controls (HC) underwent event-related potential (ERP), time-frequency, phase-locking value, reaction time (RT), and accuracy measurements during resting-state, oddball and EEG-SDMT tasks. EEG recordings were acquired pre- and post- multidisciplinary rehabilitation treatment. EEG analyses revealed significant alterations in event-related potentials and oscillatory activity in pwMS compared to healthy controls, particularly within centro-parietal regions. PwMS showed delayed and attenuated ERP components and reduced task-related modulation of alpha and theta power, indicating impaired neural efficiency during cognitive processing. Functional connectivity analyses demonstrated altered fronto-parietal synchronization patterns, especially in cognitively impaired individuals. Importantly, cognitive rehabilitation was associated with increased functional connectivity, suggesting enhanced neural plasticity. Behavioural results were consistent with the electrophysiological findings, with pwMS with cognitive impairment showing slower RTs and higher error rates. Notably, RTs significantly improved following the multidisciplinary rehabilitation program. This study demonstrates that electrophysiological measures derived from the EEG-SDMT paradigm can detect neural alterations associated with cognitive dysfunction in pwMS. While ERP components revealed a general slowing of cognitive processing, they did not distinguish between levels of cognitive impairment nor changes following rehabilitation. In contrast, connectivity analyses and behavioural measures - particularly RTs - were sensitive to both cognitive impairment and post-rehabilitation improvements, highlighting their potential as reliable correlates for the monitoring of cognitive function and treatment efficacy in MS.

I metodi elettrofisiologici rappresentano strumenti preziosi per la rilevazione e il monitoraggio del deficit cognitivo nelle persone con Sclerosi Multipla (SM) e per la valutazione dell’efficacia dei trattamenti. Il Symbol Digit Modalities Test (SDMT), considerato il gold standard per lo screening della disfunzione cognitiva nella SM, risulta spesso compromesso in questi pazienti. Il nostro obiettivo è stato indagare i correlati elettrofisiologici e comportamentali dell’SDMT come indicatori del deficit cognitivo nelle persone con SM, e valutare il loro potenziale nel monitorare i cambiamenti cognitivi prima e dopo la riabilitazione. Abbiamo sviluppato un paradigma compatibile con l’EEG (EEG-SDMT). Novantadue persone con SM e ventotto controlli sani (HC) sono stati sottoposti a misure di potenziali evento-correlati (ERP), analisi time-frequency, phase-locking value, tempi di reazione (RT) e accuratezza durante compiti di resting-state, oddball ed EEG-SDMT. Le registrazioni EEG sono state acquisite prima e dopo un trattamento riabilitativo multidisciplinare. Le analisi EEG hanno rivelato alterazioni significative negli ERP e nell’attività oscillatoria nelle persone con SM rispetto agli HC, in particolare nelle regioni centro-parietali. I pazienti hanno mostrato componenti ERP ritardate e attenuate, oltre a una ridotta modulazione task-related della potenza nelle bande alfa e theta, indicando una minore efficienza neurale durante l’elaborazione cognitiva. Le analisi di connettività hanno evidenziato pattern alterati di sincronizzazione fronto-parietale, soprattutto negli individui con deficit cognitivi. È importante sottolineare che la riabilitazione cognitiva è stata associata a un aumento della connettività, suggerendo un potenziamento della plasticità neurale. I risultati comportamentali sono risultati coerenti con i dati elettrofisiologici: le persone con SM con deficit cognitivi hanno mostrato RT più lenti e un maggior numero di errori. In particolare, i RT sono significativamente migliorati dopo il programma di riabilitazione multidisciplinare. Questo studio dimostra che le misure elettrofisiologiche derivate dal paradigma EEG-SDMT possono rilevare alterazioni neurali associate alla disfunzione cognitiva nelle persone con SM. Sebbene le componenti ERP abbiano evidenziato un generale rallentamento dell’elaborazione cognitiva, esse non sono risultate in grado di distinguere tra diversi livelli di deficit cognitivo né di rilevare cambiamenti successivi alla riabilitazione. Al contrario, le analisi di connettività e le misure comportamentali – in particolare i RT – si sono dimostrate sensibili sia al deficit cognitivo sia ai miglioramenti post-riabilitazione, evidenziando il loro potenziale come correlati affidabili per il monitoraggio della funzione cognitiva e dell’efficacia dei trattamenti nella SM.