Automatic quantification of individual MEG signal timing during a naming task

Abstract

Speech production is a highly complex and coordinated cognitive function that involves multiple brain regions. Precisely locating speech-critical areas is especially important in preoperative mapping to provide surgeons with critical information, enabling them to avoid these areas. Currently, preoperative speech mapping is performed using transcranial magnetic stimulation (TMS). In this procedure, the patient is asked to name objects, while TMS pulses are being delivered across multiple brain regions. TMS helps to identify areas crucial for speech by producing naming errors. However, optimal timing of TMS pulses after picture onset in each individual is unknown.

The goal of this thesis was to quantify the onset of speech-related cortical activity using MEG, as individualized timing could potentially improve mapping accuracy. In the analysis, I identified the time point for each participant when the activation of non-visual areas was greatest compared to the activation in the primary visual cortex. This time likely corresponds to a moment when activation in speech-critical areas is also high, indicating the optimal timing for delivering TMS pulses after picture onset. Across individuals, these times ranged between 230–500 ms.

The results highlight the importance of determining individual timing, as significant differences were observed between participants. Individualized timing could enhance the accuracy of non-invasive speech mapping, reduce false negative findings, and optimize surgical planning, thereby supporting the preservation of speech functions post-surgery.

Puheen tuottaminen on monimutkainen prosessi, joka vaatii useiden aivoalueiden aktivoitumista sekä niiden välistä yhteistyötä. Puhealueiden tarkka paikantaminen on tärkeää etenkin ennen aivoleikkauksia, joissa resektioalue on lähellä puheen tuoton kannalta kriittisiä aivoalueita. Nykyisin preoperatiivinen puhealueiden kartoittaminen tehdään transkraniaalisen magneettistimulaation (TMS) avulla. Tässä prosessissa potilas suorittaa nimeämistehtävää samalla kun aivoihin annetaan TMS-pulsseja, jotka häiritsevät nimeämistä paljastaen tärkeimmät kielialueet. Tällä hetkellä ei ole kuitenkaan tiedossa menetelmää, jolla voitaisiin määrittää yksilölle optimaalinen TMS-pulssien ajoitus.

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli määrittää magnetoenkefalografian (MEG) avulla optimaalinen ajoitus TMS-pulsseille, koska yksilöllinen ajoitus voisi mahdollisesti parantaa kartoituksen tarkkuutta. Analyysissä määritin kullekin osallistujalle ajan, jolloin näköaivokuoren ulkopuolisten alueiden aktivaation suuruus oli suurinta verrattuna näköaivokuoren aktivaatioon. Näitä yksilöllisiä ajoituksia hyväksi käyttäen voisi tulevaisuudessa määrittää sopivan TMS-pulssien ajoituksen. Määrittämäni ajoitukset vaihtelivat 230-500 ms välillä.

Tulokset korostavat yksilöllisen ajoituksen määrittämisen tärkeyttä, sillä osallistujien välillä havaittiin suuria eroja. Yksilöllinen TMS-pulssien ajoitus voisi parantaa kielialueiden kartoituksen herkkyyttä ja tarkkuutta, ja siten optimoida preoperatiivista suunnittelua, mikä saattaisi vähentää leikkauksen jälkeisiä ongelmia potilaiden puheen tuotossa.