Dynamics of cortical brain activity during movie viewing

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Koskinen, Miika, Dr., University of Helsinki, Finland
dc.contributor.advisor Hari, Riitta, Prof. Emer., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
dc.contributor.author Lankinen, Kaisu
dc.date.accessioned 2018-01-06T10:02:24Z
dc.date.available 2018-01-06T10:02:24Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-7807-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7806-9 (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/123456789/29553
dc.description.abstract Movies can trigger perceptual, cognitive and emotional processes at multiple levels in the viewer's brain and thus provide useful tools to study human brain function. Furthermore, movies - as relatively natural stimuli - can help understand the brain activity supporting our everyday life. Earlier, brain activity during movie viewing has been studied mostly with functional magnetic resonance imaging (fMRI). Although fMRI provides a spatial resolution of millimeters, the temporal resolution of fMRI is limited, as fMRI measures the relatively slow changes of blood flow in the brain. Magnetoencephalography (MEG) measures the electromagnetic activity of synchronized neuronal populations with a temporal resolution of a millisecond. This Thesis focuses on finding consistent MEG signals across different movie viewers. In naturalistic experimental settings, it is challenging to uncover the signals of interest from the measured brain activity due to the com-plexity of both the brain function and the measured signals. Movies are also typically shown to the subjects only once, so that signal averaging cannot be used to enhance the signal-to-noise ratio. This Thesis aimed at developing MEG analysis tools that can capture complex brain responses to movies. Multiset canonical correlation analysis (MCCA) with spatial filtering, used to find consistent time-varying patterns of brain activity across viewers, played a major role in this Thesis. The first study addressed the similarity of MEG signals of eight movie viewers. Because the single-trial MEG signals are noisy, the previously used intersubject correlation methods did not uncover consistent brain activity across the viewers. However, MCCA-based spatial filtering allowed extract-ing signals that were significantly correlated across the subjects in several frequency bands. These signals originated from brain areas relevant for movie viewing, mostly visual cortices. The second study unraveled the dynamics of MEG signals originating in the somatosensory cortex during movie viewing. Tactile stimuli, presented once per second, probed the functional state of the somatosensory cortex during movie viewing. The evoked single-trial responses to these stimuli covaried with the appearance of haptic events in the movie. Thus, the movie contents continuously modulated the viewer's brain activity in a fine-grained manner. The third study compared MEG and fMRI signals of the same subjects during movie viewing. The correlations both across and within the subjects were stronger for fMRI than MEG signals. General linear modeling between the MEG and fMRI data demonstrated similarity between the electromagnetic and hemodynamic brain activity in occipital, temporal and frontal cortices. These studies demonstrate the feasibility of the developed and validated analysis approaches to uncover consistency in complex MEG signals measured during movie viewing. The results show that a part of the neuromagnetic brain activity is synchronized across viewers with high temporal accuracy in multiple brain regions. en
dc.description.abstract Elokuvat synnyttävät katselijan aivoissa monitasoisia aistihavaintoihin, kognitioon ja tunteisiin liittyviä prosesseja ja tarjoavat siksi erinomaisen välineen aivotutkimukseen. Elokuvien avulla päästään myös kohti aiempaa luonnollisempia koeasetelmia, mikä auttaa ymmärtämään aivojen toimintaa jokapäiväisessä toimintaympäristössämme. Aiemmin elokuvan synnyttämää aivotoimintaa on tutkittu lähinnä toiminnallisella magneettikuvauksella (functional magnetic resonance imaging; fMRI). Vaikka fMRI:n paikkatarkkuus on millimetrien luokkaa, fMRI:n aikatarkkuutta rajoittaa se, että menetelmä mittaa verenkiertoon liittyviä suhteellisen hitaita muutoksia. Magnetoenkefalografialla (MEG) voidaan mitata hermosolupopulaatioiden magneettikenttiä jopa millisekunnin tarkkuudella. Väitöskirjan tavoitteena oli löytää MEG-mittauksista luotettavasti toistuvaa aivoaktivaatiota katsojien välillä. Kiinnostavien signaalien löytäminen muun aivotoiminnan joukosta on kuitenkin haastavaa luonnollisissa koeasetelmissa, joissa sekä aivotoiminta että mitattu signaali ovat monimutkaisia ja ärsyke esitetään vain kerran. Tässä väitöskirjassa tutkittiin uusia lähestymistapoja elokuvan katselun aikana mitattujen MEG-signaalien analyysiin. Keskeinen menetelmä oli kanonista korrelaatiota eri koehenkilöiden mittaus-aineiston välillä (MCCA; multi-set canonical correlation analysis) hyödyntävä spatiaalinen suodatusmalli, jonka avulla löydettiin luotettavasti toistuvaa aivoaktivaatiota koehenkilöiden välillä. Ensimmäisessä osatyössä tutkittiin MEG-signaalien samankaltaisuutta koehenkilöiden välillä elokuvan katselun aikana. MEG-signaalien kohinaisuuden vuoksi luotettavia signaaleja ei pystytty löytämään aiemmin käytetyillä menetelmillä. MCCA:n avulla löydettiin useilta eri taajuuskaistoilta katsojien välillä korreloivia signaaleja lähinnä visuaaliseen prosessointiin liitetyiltä aivoalueilta. Toisessa osatyössä tutkittiin tuntoaivokuoren toimintaa elokuvan katselun aikana. Erityisesti oltiin kiinnostuneita siitä, kuinka elokuvan sisältö moduloi vasteita tuntoärsykkeille, joita annettin koehenkilöille sekunnin välein elokuvan katselun aikana. Aivovasteiden muutosten havaittiin korreloivan elokuvan haptiikkaan liittyvän sisällön kanssa. Työ osoitti, että elokuvan sisältö moduloi jatkuvasti katsojan aivotoiminnan dynamiikkaa. Kolmannessa osatyössä vertailtiin elokuvan katselun aikana mitattuja MEG- ja fMRI-signaaleja. Sekä koehenkilöiden että katselukertojen väliset korrelaatiot olivat suurempia fMRI- kuin MEG-signaaleille. Yhdistämällä MEG- ja fMRI-signaalit yleisen lineaarisen mallin (general linear model; GLM) avulla havaitiin samankaltaisuutta sähkömagneettisen ja hemodynaamisen aivotoiminnan välillä aivojen takaosissa, ohimolohkolla sekä aivojen etuosissa. Tulokset osoittavat, että kehitettyjen menetelmien avulla voidaan löytää toistettavaa aivoaktivaatiota elokuvan katselun aikana mitatuista MEG-signaaleista ja että elokuva synnyttää katsojien kesken synkronoitunutta sähkömagneettista aivoaktivaatiota useilla eri aivoalueilla. fi
dc.format.extent 66 + app. 70
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 11/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: Lankinen, K., Saari, J., Hari, R., & Koskinen, M. (2014). Intersubject consistency of cortical MEG signals during movie viewing. Neuroimage, 92, 217– 224. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2014.02.004
dc.relation.haspart [Publication 2]: Lankinen, K., Smeds, E., Tikka, P., Pihko, E., Hari, R., & Koskinen, M. (2016). Haptic contents of a movie dynamically engage the spectator’s sensorimotor cortex. Human Brain Mapping, 37, 4061–4068. DOI: 10.1002/hbm.23295
dc.relation.haspart [Publication 3]: Lankinen, K., Saari, J., Hlushchuk, Y., Tikka, P., Parkkonen, L., Hari, R., & Koskinen, M. (2017). Consistency and similarity of MEG- and fMRI-signal time courses during movie viewing. Submitted.
dc.subject.other Medical sciences en
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Dynamics of cortical brain activity during movie viewing en
dc.title Aivokuoren dynamiikka elokuvankatselun 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 brain en
dc.subject.keyword magnetoencephalography (MEG) en
dc.subject.keyword functional magnetic resonance imaging (fMRI) en
dc.subject.keyword brain imaging en
dc.subject.keyword canonical correlation analysis en
dc.subject.keyword naturalistic stimulation en
dc.subject.keyword movie en
dc.subject.keyword aivot fi
dc.subject.keyword magnetoenkefalografia (MEG) fi
dc.subject.keyword toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI) fi
dc.subject.keyword aivokuvantaminen fi
dc.subject.keyword kanoninen korrelaatioanalyysi fi
dc.subject.keyword luonnolliset ärsykkeet fi
dc.subject.keyword elokuva fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7807-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Parkkonen, Lauri, Asst. Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
dc.opn Astolfi, Laura, Asst. Prof., Sapienza University of Rome, Italy
dc.rev Tohka, Jussi, Asst. Prof., University of Eastern Finland, Finland
dc.rev Gramfort, Alexandre, Dr., French Institute for Research in Computer Science and Automation, France
dc.date.defence 2018-01-19
local.aalto.acrisexportstatus checked


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