Characterization of motor cortical function with navigated transcranial magnetic stimulation

Abstract

In this Thesis, motor cortical function was mapped with transcranial magnetic stimulation (TMS). Alternative mapping methods were introduced and compared with conventional ones. In Study I, representation areas of excitatory and inhibitory motor responses were investigated. The areas displayed only minor differences and, therefore, inhibitory responses could be mapped instead of excitatory responses.

Commonly, TMS is applied as single magnetic pulses. When a pair of TMS pulses is given with specific intensity and timing, motor responses are facilitated and lower TMS intensity is required to induce responses. In Study II, single-pulse and paired-pulse maps did not differ. Hence, motor representations could also be mapped with paired-pulse TMS if single pulses are unable to induce motor responses even with the maximum stimulator output.

TMS induces an electric field on the cortex. The spread of the electric field may often result in the overestimation of mapped areas. Therefore, in Study III, the effect of the electric field spread on the motor representation areas was considered by minimum-norm estimation data analysis method.

In Study IV, TMS motor maps were compared with those measured with magnetoencephalography (MEG). MEG is also suitable for motor mapping but the MEG maps differed from the TMS maps.

In Study V, the optimal inter-train interval (ITI) was investigated for short TMS trains that induce repetition suppression (RS) or habituation of TMS-induced motor responses. Previously applied ITI of 17 s can significantly be shortened to approximately 6 s in order to reduce the measurement duration, while still preserving RS.

This Thesis introduces TMS methods that can be used instead of conventional ones, for example, when subjects' cortical excitability is low or when the electric field distribution affects the determination of the representation areas. Moreover, TMS-evoked motor RS may reliably be estimated faster than previously.

Tässä väitöstyössä kartoitettiin liikeaivokuoren toimintoja transkraniaalisella magneettistimulaatiolla (TMS). Vaihtoehtoisia kartoitusmenetelmiä esiteltiin ja niitä verrattiin yleisemmin käytössä oleviin. Tutkimuksessa I TMS:llä kartoitettiin motoriset aivokuoren edustusalueet mittaamalla sekä eksitatorisia että inhibitorisia vasteita. Eksitatorisia ja inhibitorisia vasteita tuottavat alueet erosivat vain hieman, joten inhibitoriset vasteet voidaan kartoittaa eksitatoristen sijasta.

Yleensä TMS:ssä annetaan yksittäisiä magneettipulsseja. Jos kaksi TMS-pulssia annetaan sopivilla intensiteeteillä ja aikavälillä, liikevasteet vahvistuvat ja matalampi TMS-intensiteetti riittää niiden tuottamiseen. Tutkimuksessa II yksittäispulsseilla ja paripulsseilla kartoitetut edustusalueet olivat samankaltaisia, joten myös paripulsseja voidaan käyttää kartoituksessa, jos yksittäispulssit eivät tuota liikevasteita edes suurimmalla mahdollisella stimulaatiovoimakkuudella.

TMS indusoi sähkökentän aivokuorelle. Sähkökentän leviäminen voi usein aiheuttaa TMS-kartoitusten laajuuden yliarvioimista. Tutkimuksessa III sähkökentän leviäminen otettiin huomioon käyttämällä miniminormiestimointia data-analyysissä.

Tutkimuksessa IV TMS-kartoituksia verrattiin magnetoenkefalografialla (MEG) kartoitettuihin sijainteihin. MEG:ia käytetään myös motoristen edustusalueiden kartoitukseen, mutta MEG-kartoitukset erosivat TMS-kartoituksista.

Tutkimuksessa V selvitettiin optimaalinen stimulussarjojen välinen aika lyhyille TMS-sarjoille, jotka voivat aiheuttaa liikevasteiden habituaatiota. Sarjojen välinen aika voidaan lyhentää noin kuuteen sekuntiin aiemmin käytetyn 17 sekunnin sijasta, mikä nopeuttaa tutkimusta.

Tässä väitöskirjassa esitellään TMS-menetelmiä, joita voidaan käyttää perinteisten sijasta esimerkiksi kun tutkittavan aivokuoren herkkyys stimulaatiolle on matala tai kun sähkökenttä vaikuttaa kartoituksiin. Lisäksi optimaalisen aikavälin seurauksena liikevasteiden habituaatio voidaan luotettavasti estimoida aiempaa nopeammin.