High-density EEG and cognitive assessment in COVID-19 survivors

SARS-CoV-2 survivors experience new or persistent symptoms up to weeks or months after recovery. These manifestations are of different nature and can arise in both hospitalized and non-hospitalized individuals. Fatigue, memory and attentive disorders, sleep troubles, anxiety and depression are those shared by most of the subjects. The aim of the thesis is to disentangle the physiopathology of long-term cognitive / affective impairment in COVID-19 survivors. We recruited 33 participants: 16 and 17 patients respectively discharged from intensive care unit (ICU) and sub-intensive ward (noICU) of the Padova Teaching Hospital between March and May 2020 and 12 subjects who have never been infected by the virus (CTRL). Starting from June 2021, the controls and the COVID-19 survivors underwent a neuropsychological and sleep assessment. Our experimental protocol included a battery of cognitive and psychological tests, lasting approximately one hour, and a nap high-density (256 channels) electroencephalography (EEG) recording. After the initial preprocessing step, the EEG patterns were segmented in 30-s epochs, then classified according to the patient’s current sleep stage. Slow (i.e., [9-12] Hz) and fast (i.e., [12- 16] Hz) sleep spindles were automatically detected and used as input of the EEG source analysis (ESI), aimed at localizing the spindle cortical generators. Some important parameters for the spindle analysis, such as the slow and fast spindle density, the peak frequency, the corresponding amplitude, and the spindle power, were then calculated. COVID-19 survivors showed depressive and post-traumatic symptoms, scored the lowest on the physical quality of life survey and exhibited a memory and attentive functions’ impairment. This evidence is more marked in the noICU population. The same group presented a different organization of the spindles’ cortical generators and changes in the spindle parameters. A correlation analysis, computed between the neuropsychological scores and spindle features, highlighted a relationship between the psychological evaluations with both the cognitive performances and the sleep spindle characteristics and the predictive potential of the Beck’s Depression Inventory (BDI) and post-traumatic stress disorder (PTSD) scores with respect to the other variables. Sleep neurophysiology turned out to be a valid tool to investigate the nature of the cognitive and executive functions' impairment manifested by the COVID-19 survivors, i.e., the ICU and noICU groups. According to spindle and correlation analysis’ results, we hypothesized that the depressive state and the post-traumatic stress disorder, shown by COVID-19 recovered patients and probably caused by the traumatic experience lived, involved both cognitive impairment and changes in sleep spindle features and distribution.

A distanza di settimane o mesi dalla guarigione, in diversi contagiati dal virus SARS-CoV-2 persistono o insorgono alcuni sintomi. Queste manifestazioni sono di diversa natura. Stanchezza, deficit di memoria e attenzione, disturbi del sonno, ansia e depressione sono i sintomi condivisi dalla maggior parte dei soggetti. Questa tesi ha l’obiettivo di valutare la fisiopatologia del deterioramento cognitivo/affettivo a lungo termine nei sopravvissuti al COVID-19. Sono stati reclutati 33 partecipanti: 16 dimessi dal reparto di terapia intensiva (ICU) e 17 dal reparto di terapia sub-intensiva (noICU) del Policlinico Universitario di Padova tra marzo e maggio 2020. A questi sono stati poi aggiunti 12 soggetti che non sono mai stati contagiati dal virus (CTRL). A partire da giugno 2021, i controlli e i due gruppi di pazienti, ICU e noICU, sono stati sottoposti ad un'esaustiva valutazione neuropsicologica e ad una registrazione elettroencefalografica (EEG) ad alta densità (256 canali) effettuata durante il sonno pomeridiano. Dopo una prima fase di pre-elaborazione, i tracciati EEG sono stati segmentati in epoche da 30 secondi, quindi classificati in base allo stadio del sonno . I fusi del sonno (sleep spindle) lenti ([9-12] Hz) e veloci ([12-16] Hz) sono stati rilevati automaticamente e utilizzati come input nell'analisi in sorgente (Electrical Source Imaging (ESI)), la quale mira a localizzare i generatori corticali di ciascuno spindle. Successivamente, sono stati calcolati alcuni parametri importanti per l'analisi dei fusi, come la densità, la frequenza di picco, l'ampiezza massima e la potenza. I sopravvissuti al COVID-19 hanno mostrato sintomi depressivi e post-traumatici, hanno ottenuto il punteggio più basso nell'indagine riguardante la qualità di vita percepita e hanno mostrato una parziale compromissione della memoria e delle funzioni attentive. Questa evidenza è più marcata nel gruppo di pazienti che durante la loro degenza ospedaliera sono stati curati esclusivamente con ossigenoterapia, ovvero i noICU. Lo stesso gruppo ha presentato anche una diversa organizzazione dei generatori corticali dei fusi e variazioni nei valori dei parametri calcolati. La correlazione tra i punteggi dei test neuropsicologici e le caratteristiche dei fusi ha evidenziato una relazione tra i punteggi delle valutazioni psicologiche sia con le prestazioni cognitive sia con le caratteristiche dei fusi e il potenziale predittivo dei punteggi delle valutazioni psicologiche rispetto alle altre variabili. La neurofisiologia si è rivelata un valido strumento per indagare la natura dell’indebolimento delle funzioni cognitive ed esecutive manifestato nei sopravvissuti al COVID-19, sia nei pazienti ricoverati in terapia intensiva sia in quelli ricoverati in terapia sub-intensiva. In base ai risultati emersi dalle analisi, si è ipotizzato che lo stato depressivo e i sintomi da disturbo da stress post-traumatico, mostrati dai soggetti guariti da COVID-19, fossero causati dall'esperienza traumatica vissuta, principale causa sia del parziale deterioramento delle funzioni cognitive ed esecutive sia delle variazioni delle caratteristiche dei fusi del sonno evidenziati in questi soggetti.