Modelling the effects of transcranial magnetic stimulation on a network of cortical neurons with realistic morphology and synaptic connections
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
SCI3092
Degree programme
Language
en
Pages
36
Series
Abstract
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive brain stimulation method, which can be used to study the functionality of different brain regions and their connections. Despite its wide usage, the understanding of the exact neuronal mechanisms contributing to the activation elicited by TMS is still limited. The aim of this Thesis is to model the effects of TMS at a neuronal level, when applied over the primary motor cortex. The modelling is performed using a subject-specific MRI head model to take into account the effect of individual brain geometry on the resulting activation. This Thesis combines a model of primary activation of individual neurons with a model of secondary, synaptic activation of a network of neurons. Two separate neuronal populations, one at the gyrus top and one on the sulcal wall, are studied to gain understanding about the potential locations of the TMS-induced activation. This computational model is used to simulate the epidural response elicited by the TMS pulse. The simulated epidural responses imply strong activation at the gyrus top. Both with synaptically isolated neurons and in the feedforward network, the stimulation intensity required to elicit an action potential was higher on the sulcal wall compared to the gyrus top. The activation thresholds on the sulcal wall had a strong correlation with both the E-field magnitude and normal component, whereas at the gyrus top the correlation was stronger with the E-field magnitude.Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on aivostimulaatiomenetelmä, jonka avulla voidaan tutkia aivoalueiden toimintaa sekä niiden välisiä yhteyksiä. Vaikka TMS on laajasti käytetty stimulaatiomenetelmä, sen vaikutusmekanismeja hermoverkkotasolla ei kovin hyvin tunneta. Tämän diplomityön tavoitteena on mallintaa TMS:n hermosoluverkostoon aiheuttamia vaikutuksia motorisella aivokuorella. Mallinnuksessa käytetään magneettikuvien (engl. magnetic resonance imaging, MRI) perusteella luotua yksilöllistä päämallia, jota käyttämällä voidaan huomioida yksilölliset erot aivojen geometriassa. Tässä diplomityössä luotu malli yhdistää stimulaation avulla indusoidun sähkökentän aiheuttaman yksittäisten hermosolujen aktivaatiota kuvaavan mallin hermosoluverkkomallin kanssa, joka kuvaa hermosolujen välisiä synaptisia yhteyksiä ja siten muodostuvaa sekundääristä aktivaatiota. Mallin avulla simuloidaan kahden erillisen hermosolupopulaation toimintaa, joista toinen sijaitsee aivopoimun (gyrus) päällä ja toinen uurteessa (sulcus), jotta saadaan tietoa mahdollisista aktivaatiopaikoista. Lopputuloksena simulaatiosta saadaan malli epiduraalivasteesta, jonka TMS-pulssi saa aikaan. Simuloidut epiduraalivasteet viittaavat siihen, että aktivaatio on voimakkainta aivopoimun päällä. Sekä yksittäisten hermosolujen että hermosoluverkon tapauksessa aktivaation tuottamiseen tarvittava stimulaatiointensiteetti oli korkeampi uurteessa sijaitsevan populaation kohdalla kuin aivopoimun päällä. Uurteessa olevan hermosolupopulaation aktivaatiokynnykset korreloivat vahvasti sekä sähkökentän voimakkuuden että sen normaalikomponentin kanssa, kun taas aivopoimun päällä korrelaatio oli voimakkaampaa sähkökentän voimakkuuden kanssa.Description
Supervisor
Ilmoniemi, RistoThesis advisor
Souza, VictorMutanen, Tuomas