Advances in detecting neuronal EEG signals during electromagnetic brain stimulation

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Ilmoniemi, Risto J., Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
dc.contributor.author Mutanen, Tuomas
dc.date.accessioned 2017-12-16T10:02:56Z
dc.date.available 2017-12-16T10:02:56Z
dc.date.issued 2017
dc.identifier.isbn 978-952-60-7773-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7772-7 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/29077
dc.description.abstract The combination of transcranial electromagnetic brain stimulation (TEBS) and electroencephalography (EEG) enables direct modulation of neuronal activity at different cortical areas while simultaneously measuring the resulting response. Recording EEG concurrently with TEBS, however, is technically challenging. This Thesis attempts to solve several methodological problems related to combining EEG with the transcranial magnetic stimulation (TMS) and transcranial alternating current stimulation (tACS) techniques. A major problem with TMS–EEG is that TMS easily activates cranial muscles, which results in large EEG disturbances that mask cortically evoked responses. This work demonstrates how to avoid muscle artifacts when recording the data, as well as how to suppress the remaining artifacts in the offline signal processing with minimal distortion in the signals of interest. The common approach to study the cortical effects of TMS is to concentrate on the average evoked EEG response. This approach fails to inform us of how TMS affects the ongoing brain activity. This Thesis introduces quantitative tools to measure the TMS-induced changes in the brain-activity dynamics. The results indicate that TMS shifts the brain to an unnatural state, which is manifested as facilitated EEG variability. TEBS–EEG signals often suffer from transient noise and artifact components that are present only in certain channels or trials. This Thesis shows how the disturbances can be automatically cleaned so that the collected data are optimally utilized and that the time used in signal processing is decreased. The presented approach is directly usable also with conventional EEG and, e.g., with magnetoencephalography data. Combining EEG with concurrent tACS is difficult because of the large tACS-induced EEG artifacts. The results presented in this Thesis indicate that the tACS-related EEG artifact can be successfully scaled down while preserving meaningful neuronal responses at the stimulation frequency. This Thesis includes significant methodological advances that help to measure neuronal EEG signals in the harsh electromagnetic environment during TMS and tACS. The presented work enables a more flexible and reliable use of TEBS–EEG to study new brain areas and cognitive processes. The new tools help to utilize the gathered data fully, decreasing both the data acquisition and analysis times. Consequently, TEBS–EEG becomes a more feasible tool for novel research paradigms, as well as for clinical applications. en
dc.description.abstract Yhdistämällä transkraniaalinen sähkömagneettinen aivostimulaatio (TSAS) avosähkökäyrämittaukseen (EEG) on samanaikaisesti mahdollista sekä suoraan säädellä että mitata eri aivokuorialueiden aktiivisuutta. EEG-mittausten suorittaminen yhtäaikaisesti aivostimulaation kanssa on kuitenkin teknisesti haastavaa. Tämä väitöskirjatyö pyrkii ratkaisemaan useita ongelmia, jotka liittyvät transkraniaalisen magneetti- (TMS) ja vaihtovirtastimulaation (tACS) kanssa rinnakkain suoritettaviin EEG-mittauksiin. Merkittävä ongelma TMS–EEG-mittauksissa on se, että magneettistimulaatio aktivoi herkästi pään alueen lihaksia. Tämä näkyy aivosähkökäyrissä suurina heilahteluina, jotka peittävät aivokuorelta peräisin olevat vasteet. Väitöskirjatutkimus havainnollistaa, kuinka lihasperäisiä EEGvääristymiä voidaan välttää mittaustilanteessa, sekä kuinka jäljelle jäävät lihashäiriöt voidaan poistaa myöhemmin jälkikäsittelyssä ilman, että tutkimuksen kannalta oleelliset signaalit kärsivät. Yleinen tapa tutkia TMS:n vaikutuksia aivokuorella on tarkastella keskimääräistä EEGherätevastetta. Kyseinen lähestymistapa estää havaitsemasta, kuinka TMS vaikuttaa käynnissä olevaan aivotoimintaan. Tässä väitöskirjassa esitellään kvantitatiivisia mittareita, joita voidaan käyttää arvioimaan TMS:n aikaansaamia muutoksia aivodynamiikassa. Saadut tulokset viittaavat siihen, että stimulaatio siirtää aivot epäluonnolliseen tilaan, mikä näkyy kasvaneena vaihteluna aivosähkökäyrässä. TSAS–EEG-signaalit kärsivät usein hetkellisistä häiriöistä ja vääristymistä, jotka ovat näkyvissä vain tietyissä koetoistoissa tai antureissa. Tämä työ näyttää, kuinka kohinaa on mahdollista poistaa automaattisesti, niin että kerätty aineisto hyödynnetään optimaalisesti, ja että signaalinkäsittelyyn käytetty aika on mahdollisimman pieni. Esitettyä menetelmää on mahdollista käyttää sellaisenaan perinteisen EEG- tai esimerkiksi magneettiaivokäyräaineiston puhdistukseen. EEG:n yhdistäminen samanaikaisesti tACS:n kanssa on hankalaa johtuen sähköstimulaation aiheuttamista EEG-häiriöistä. Väitöskirjassa osoitetaan, että tACS:n aiheuttamia EEG-vääristymiä on mahdollista vähentää säilyttäen samalla merkityksellisiä hermostollisia vasteita stimulaatiotaajuudella. Tämä väitöskirja sisältää useita merkittäviä menetelmäparannuksia, jotka auttavat mittaamaan neuraalisia EEG-vasteita TMS:n tai tACS:n aikaisessa ankarassa sähkömagneettisessa ympäristössä. Tehty työ mahdollistaa aikaisempaa käyttökelpoisemman ja luotettavamman TSAS– EEG:n käytön eri aivoalueiden ja kognitiivisten prosessien tutkimuksessa. Uudet työkalut auttavat hyödyntämään kerätyn aineiston mahdollisimman kattavasti, mikä vähentää jälkikäsittelyyn ja mittauksiin kuluvaa aikaa. Edellä mainitut edistysaskeleet takaavat, että TSAS–EEG:tä voidaan hyödyntää entistä laajemmin uusissa mittausasetelmissa sekä kliinisissä sovelluksissa. fi
dc.format.extent 93 + app. 95
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 249/2017
dc.relation.haspart [Publication 1]: Tuomas Mutanen, Hanna Mäki, Risto J. Ilmoniemi. The effect of stimulus parameters on TMS–EEG muscle artifacts. Brain Stimulation 6, 371–376, 2013, DOI: 10.1016/j.brs.2012.07.005
dc.relation.haspart [Publication 2]: Tuomas Mutanen, Jaakko O. Nieminen, Risto J. Ilmoniemi. TMS-evoked changes in brain-state dynamics quantified by using EEG data. Frontiers in Human Neuroscience 7, 155, 2013 DOI: 10.3389/fnhum.2013.00155
dc.relation.haspart [Publication 3]: Tuomas P. Mutanen, Matleena Kukkonen, Jaakko O. Nieminen, Matti Stenroos, Jukka Sarvas, Risto J. Ilmoniemi. Recovering TMS-evoked EEG responses masked by muscle artifacts. NeuroImage 2016, 139, 157– 166, DOI: 10.1016/j.neuroimage.2016.05.028
dc.relation.haspart [Publication 4]: Tuomas P. Mutanen, Johanna Metsomaa, Sara Liljander, Risto J. Ilmoniemi. Automatic and robust noise suppression in EEG and MEG: The SOUND algorithm. NeuroImage 2018, 166, 135–151. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2017.10.021
dc.relation.haspart [Publication 5]: Toralf Neuling, Tuomas P. Mutanen, Johannes Vosskuhl, Risto J. Ilmoniemi, Christoph S. Herrmann. Signal-space projection suppresses the tACS artifact in EEG recordings. Submitted. 31 May 2017.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.subject.other Medical sciences en
dc.title Advances in detecting neuronal EEG signals during electromagnetic brain stimulation en
dc.title Menetelmiä hermostollisten aivosähkökäyrävasteiden havaitsemiseksi sähkömagneettisen aivostimulaation aikana fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Neuroscience and Biomedical Engineering en
dc.subject.keyword transcranial magnetic stimulation en
dc.subject.keyword transcranial alternating current stimulation en
dc.subject.keyword electroencephalography en
dc.subject.keyword artifact rejection en
dc.subject.keyword noise cancellation en
dc.subject.keyword transkraniaalinen magneettistimulaatio fi
dc.subject.keyword transkraniaalinen vaihtovirtastimulaatio fi
dc.subject.keyword aivosähkökäyrä fi
dc.subject.keyword häiriöiden korjaus fi
dc.subject.keyword kohinan poisto fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7773-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ilmoniemi, Risto J., Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
dc.opn Babiloni, Fabio, Prof., Università degli Studi di Roma, Italia
dc.rev Siebner, Hartwig R., Prof., University of Copenhagen, Denmark
dc.rev Viik, Jari, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.date.defence 2018-01-12


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account