Brain Criticality EEG analysis for tracking neurodevelopment from Childhood to Adolescence

临界性 脑电图 去趋势波动分析 心理学 故障模式、影响和危害性分析 神经科学 数学 物理 几何学 缩放比例 核物理学
作者
Mengjiao Hu,Haihong Zhang,Kai Keng Ang
标识
DOI:10.1109/embc40787.2023.10340775
摘要

The brain criticality hypothesis suggests that neural networks and multiple aspects of brain activity self-organize into a critical state, and criticality marks the transition between ordered and disordered states. This hypothesis is appealing from computer science perspective because neural networks at criticality exhibit optimal processing and computing properties while having implications in clinical applications to neurological disorders. In this paper, we introduced brain criticality analysis to track neurodevelopment from childhood to adolescence using the electroencephalogram (EEG) data of 662 subjects aged 5 to 16 years from the Child Mind Institute. We computed brain criticality from long-range temporal correlation (LRTC) using detrended fluctuation analysis (DFA). We also compared the brain criticality analysis with standard EEG power analysis. The results showed a statistically significant increase in brain criticality from childhood to adolescence in the alpha band. A decreasing trend was observed in theta band from EEG power analysis, but a much higher variance was observed compared to the brain criticality analysis. However, the significant results were only observed in some EEG channels, and not observed if the analysis were performed separately with eyes-open and eyes-close condition. Nonetheless, the results suggest that brain criticality may serve as a biomarker of brain development and maturation, but further research is needed to improve brain criticality algorithms and EEG analysis methods.Clinical Relevance— The brain criticality analysis may be used to characterize and predict neurodevelopment in early childhood.
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