Investigating the Relationship Between Resting-State EEG Gamma Power and Neuropsychological Performance in Healthy Adults

Yıl 2025, Cilt: 12 Sayı: 1, 23 - 31, 28.03.2025

Hafize Meryem Düşmez

https://doi.org/10.32739/jnbs.12.1.4

Öz

Aim: Resting-state gamma oscillations, less studied compared to task-related gamma activity, have increasingly been considered to reflect baseline cognitive processes and readiness for future cognitive demands. Previous research has largely focused on clinical populations, identifying aberrant gamma activity as a marker of cognitive dysfunction in conditions such as schizophrenia, Alzheimer’s disease, and ADHD. This study investigates the relationship between resting-state EEG gamma power and neuropsychological performance in healthy adults. Specifically, it examines the associations between absolute and relative gamma power across different brain regions (frontal, temporal, parietal, and occipital) during resting-state and performance in cognitive domains such as working memory, verbal fluency, face recognition, shortterm memory, and attention. Material and Methods: A total of 45 healthy individuals who underwent routine neuropsychiatric evaluations at NP Istanbul Brain Hospital and exhibited no pathological findings were included in the study. Resting-state EEG data, collected retrospectively, were analyzed to extract gamma power values, which were subsequently correlated with neuropsychological test scores. Results: The results revealed significant positive correlations between relative gamma power in the frontal and parietal regions and verbal fluency performance. This association suggests that specific brain regions contribute uniquely to cognitive functions during resting states, with gamma power providing insight into the neural substrates of language-related abilities. Conclusion: These findings highlight the relevance of resting-state gamma power in understanding individual differences in cognitive abilities. Future research should validate these findings with larger, more diverse samples and incorporate advanced techniques like MEG to better understand the neural mechanisms linking gamma oscillations to cognitive performance

Anahtar Kelimeler

EEG, Gamma Oscillations, Neuropsychological Performance, Resting-State, Cognitive Functions

Sağlıklı Yetişkinlerde Dinlenme Halindeki EEG Gama Gücü ile Nöropsikolojik Performans Arasındaki İlişkinin İncelenmesi

Öz

Dinlenme halindeki gamma osilasyonları, görevle ilgili gamma aktivitelerine kıyasla daha az incelenmiştir ve giderek artan bir şekilde temel bilişsel süreçleri ve gelecekteki bilişsel taleplere hazırlığı yansıttığı düşünülmektedir. Önceki araştırmalar büyük ölçüde klinik popülasyonlara odaklanmış ve gamma aktivitesindeki anormallikleri şizofreni, Alzheimer hastalığı ve Dikkat Eksikliği Hiperaktivite Bozukluğu (DEHB) gibi durumlarda bilişsel disfonksiyonun bir göstergesi olarak tanımlamıştır. Bu çalışma, sağlıklı yetişkinlerde dinlenme halindeki EEG gamma gücü ile nöropsikolojik performans arasındaki ilişkiyi araştırmaktadır. Özellikle, dinlenme sırasında farklı beyin bölgelerindeki (frontal, temporal, parietal ve oksipital) mutlak ve göreli gamma gücü ile çalışma belleği, sözel akıcılık, yüz tanıma, kısa süreli bellek ve dikkat gibi bilişsel alanlardaki performans arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Çalışmaya, NP İstanbul Beyin Hastanesi'nde rutin nöropsikiyatrik değerlendirmelere tabi tutulmuş ve patolojik bulgu göstermeyen toplam 45 sağlıklı birey dahil edilmiştir. Retrospektif olarak toplanan dinlenme halindeki EEG verileri analiz edilerek gamma gücü değerleri çıkarılmış ve bu değerler nöropsikolojik test skorları ile ilişkilendirilmiştir. Sonuçlar, frontal ve parietal bölgelerdeki göreli gamma gücü ile sözel akıcılık performansı arasında anlamlı pozitif korelasyonlar ortaya koymuştur. Bu ilişki, dinlenme sırasında belirli beyin bölgelerinin bilişsel işlevlere özgün katkılarda bulunduğunu ve gamma gücünün dil ile ilişkili yeteneklerin nöral alt yapısına dair önemli bilgiler sağladığını göstermektedir. Bu bulgular, dinlenme halindeki gamma gücünün bireyler arası bilişsel farklılıkları anlamada önemini vurgulamaktadır. Gelecekteki araştırmalar, bu bulguları daha büyük ve daha çeşitli örneklerle doğrulamalı ve gamma osilasyonlarını bilişsel performansla ilişkilendiren nöral mekanizmaları daha iyi anlamak için MEG gibi ileri teknikleri içermelidir.

Anahtar Kelimeler

EEG, Gama Osilasyonları, Nöropsikolojik Performans, Dinlenme Hali, Bilişsel Fonksiyonlar

Etik Beyan

Bu çalışma, Üsküdar Üniversitesi Girişimsel Olmayan Araştırmalar Etik Kurulu tarafından 26/07/2024 tarihinde yapılan toplantıda, etik açıdan uygun bulunmuştur. (Onay No: 61351342/020-262)

Destekleyen Kurum

Üsküdar Üniversitesi

Teşekkür

Bu çalışma, Üsküdar Üniversitesi'nin desteği ve danışman hocam Prof. Dr. Barış Metin'in rehberliğinde gerçekleştirilmiştir.

Kaynakça

• 1. Niedermeyer E, Lopes da Silva FH. Electroencephalography: Basic principles, clinical applications, and related fields. 5th ed. Lippincott Williams & Wilkins; 2005.
• 2. Luck SJ. An introduction to the event-related potential technique. 2nd ed. MIT Press; 2014.
• 3. Uhlhaas PJ, Pipa G, Lima B, Melloni L, Neuenschwander S, Nikolić D, et al. Neural synchrony in cortical networks: history, concept and current status. Front Integr Neurosci. 2009;3:17. doi:10.3389/ neuro.07.017.2009.
• 4. Bartos M, Vida I, Jonas P. Synaptic mechanisms of synchronized gamma oscillations in inhibitory interneuron networks. Nat Rev Neurosci. 2007;8(1):45–56. doi:10.1038/nrn2044.
• 5. Whittington MA, Cunningham MO, LeBeau FE, Racca C, Traub RD. Multiple origins of the cortical γ rhythm. Dev Neurobiol. 2011;71(1):92–106. doi:10.1002/dneu.20814.
• 6. Başar E, Başar-Eroğlu C, Karakaş S, Schürmann M. Brain oscillations in perception and memory. Int J Psychophysiol. 2000;35(2–3):95– 124. doi:10.1016/s0167-8760(99)00047-1.
• 7. Buzsáki G, Draguhn A. Neuronal oscillations in cortical networks. Science. 2004;304(5679):1926–9. doi:10.1126/science.1099745.
• 8. Herrmann CS, Fründ I, Lenz D. Human gamma-band activity: a review on cognitive and behavioral correlates and network models. Neurosci Biobehav Rev. 2010;34(7):981–92. doi:10.1016/j. neubiorev.2009.09.001.
• 9. Raichle ME, MacLeod AM, Snyder AZ, Powers WJ, Gusnard DA, Shulman GL. A default mode of brain function. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001;98(2):676–82. doi:10.1073/pnas.98.2.676.
• 10. Jensen O, Mazaheri A. Shaping functional architecture by oscillatory alpha activity: gating by inhibition. Front Hum Neurosci. 2010;4:186. doi:10.3389/fnhum.2010.00186.
• 11. Grent-'t-Jong T, Gross J, Goense J, Wibral M, Gajwani R, Gumley AI, et al. Resting-state gamma-band power alterations in schizophrenia reveal E/I-balance abnormalities across illness stages. eLife. 2018;7:e37799. doi:10.7554/eLife.37799.
• 12. Güntekin B, Erdal F, Bölükbaş B, Hanoğlu L, Yener G, Duygun R. Alterations of resting-state Gamma frequency characteristics in aging and Alzheimer's disease. Cogn Neurodyn. 2023;17(4):829–44. doi:10.1007/s11571-022-09873-4.
• 13. Tombor L, Kakuszi B, Papp S, Réthelyi J, Bitter I, Czobor P. Atypical resting-state gamma band trajectory in adult attention deficit/ hyperactivity disorder. J Neural Transm (Vienna). 2021;128(8):1239– 48. doi:10.1007/s00702-021-02368-2.
• 14. Tanaka-Koshiyama K, Koshiyama D, Miyakoshi M, Joshi YB, Molina JL, Sprock J, et al. Abnormal spontaneous gamma power is associated with verbal learning and memory dysfunction in schizophrenia. Front Psychiatry. 2020; 11:832. doi:10.3389/fpsyt.2020.00832.
• 15. de Haan W, Stam CJ, Jones BF, Zuiderwijk IM, van Dijk BW, Scheltens P. Resting-state oscillatory brain dynamics in Alzheimer disease. J Clin Neurophysiol. 2008;25(4):187–93. doi:10.1097/ WNP.0b013e31817da184.
• 16. Herrmann CS, Strüber D, Helfrich RF, Engel AK. EEG oscillations: From correlation to causality. Int J Psychophysiol. 2016; 103:12–21. doi:10.1016/j.ijpsycho.2015.02.003.
• 17. Oswald V, Zerouali Y, Boulet-Craig A, Krajinovic M, Laverdière C, Sinnett D, et al. Spontaneous brain oscillations as neural fingerprints of working memory capacities: A resting-state MEG study. Cortex. 2017;97:109–24. doi:10.1016/j.cortex.2017.09.021.
• 18. McKeon SD, Calabro F, Thorpe RV, de la Fuente A, Foran W, Parr AC, et al. Age-related differences in transient gamma band activity during working memory maintenance through adolescence. NeuroImage. 2023;274:120112. doi:10.1016/j.neuroimage.2023.120112.
• 19. Bennis K, Eustache F, Collette F, Vandewalle G, Hinault T. Daily dynamics of resting-state EEG theta and gamma fluctuations are associated with cognitive performance in healthy aging. J Gerontol B Psychol Sci Soc Sci. 2024. doi:10.1093/geronb/gbae152.
• 20. Oswald V, Zerouali Y, Boulet-Craig A, Krajinovic M, Laverdière C, Sinnett D, et al. Magnetoencephalography resting-state correlates of executive and language components of verbal fluency. Sci Rep. 2022;12(1):476. doi:10.1038/s41598-021-03829-0.
• 21. Tulsky DS, Chiaravalloti ND, Palmer BW, Chelune GJ. The Wechsler Memory Scale, Third Edition: A new perspective. In: Tulsky DS, Saklofske DH, Chelune GJ, Heaton RK, Ivnik RJ, Bornstein R, et al., editors. Clinical interpretation of the WAIS-III and WMS-III. Academic Press; 2003. p. 93–139. doi:10.1016/B978-012703570- 3/50007-9.
• 22. Espe-Pfeifer P, Wachsler-Felder J. Neuropsychological Interpretation of Objective Psychological Tests. Springer; 2000. p. 160. ISBN: 978- 0-306-46224-5.
• 23. Stroop JR. Studies of interference in serial verbal reactions. J Exp Psychol Gen. 1992;121(1):15–23. doi:10.1037/0096-3445.121.1.15.
• 24. Benton A, Hamsher KD, Varney N, Spreen O. Contribution to neuropsychological assessment. Oxford University Press; 1983.
• 25. Wechsler D. Wechsler Memory Scale (WMS-IV) Technical and Interpretive Manual. Pearson; 2009.
• 26. Oktem O. Verbal memory processes test (WMPT) – A preliminary study. Arch Neuropsychiatry. 1992;29(4):196–206.