Designing a pilot experiment to study dissimilarity of neural activation detected by MEG and fMRI when imaging language processes
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-09-04
Department
Major/Subject
Biomedical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
64
Series
Abstract
Multiple functional brain imaging methods, such as electroencephalography (EEG), magnetoencephalography (MEG), and functional magnetic resonance imaging (fMRI), are commonly used to study the activity of the human brain. These methods rely on different physiological phenomena to capture information about neural activity, and their findings may not always align, even when they are used to image the same brain processes. Differences have been found when comparing MEG and fMRI measurements of the same high-level cognitive tasks, such as reading. The reason for these discrepancies is not fully understood. However, differences might have to do with the distinct nature of the electrophysiological signals measured by MEG and the hemodynamic signals measured by fMRI. The relationship between hemodynamic signals and neural activity is complex. Therefore, the two modalities could be differently sensitive to some aspects of neural activation, such as varying top-down and bottom-up processes. Understanding better what causes the difference in the activation seen by MEG and fMRI would allow better spatiotemporal insight into how the brain works. Carefully designed experimental paradigms are needed to test the relationship between the signals measured by these imaging modalities. This thesis aimed to design an experimental paradigm for an imaging experiment to study the relationship between MEG and fMRI during language processing tasks. The main aim of the thesis was to determine a suitable parameter that could be tuned to increase/decrease the similarity between the MEG and fMRI imaging results and create an experimental setup where the effects of this parameter could be systematically investigated. A comprehensive literature review was performed on which to base the decisions regarding the experimental paradigm. Sentences with varying syntactic and semantic structures were chosen to alter the similarity between MEG and fMRI data. Furthermore, a pilot measurement using MEG was performed. The results seem promising. They show differences in responses when the semantic and syntactic structures of the sentences are modified, indicating that the experimental design works. The next step will be to continue with an fMRI pilot measurement, which will allow a comparison of the results of MEG and fMRI to see whether they reveal the postulated graded dissimilarities between the two imaging modalities.Aivojen toimintaa voidaan mitata käyttämällä toiminnallista aivokuvantamista, kuten elektroenkefalografiaa (EEG), magnetoenkefalografiaa (MEG) ja toiminnallista magneettikuvantamista (tMK). Nämä mittausmenetelmät perustuvat erilaisiin fysiologisiin ilmiöihin, joilla mitataan aivojen toimintaa, eivätkä niiden tulokset aina vastaa toisiaan tutkittaessa samojen tehtävien aivoprosesseja. Eroavaisuuksia on löydetty vertaamalla samanlaisia MEG- ja tMK-tutkimuksia vaativan tason kognitiivisissa tehtävissä kuten lukemisessa. Näiden erojen syytä ei täysin vielä ymmärretä, mutta ne saattaisivat liittyä siihen, että elektrofysiologinen (MEG) ja hemodynaaminen (tMK) signaali, joita nämä kuvantamismenetelmät mittaavat, ovat luonteeltaan erilaisia signaaleja. Etenkin hemodynaamisen signaalin yhteys neuronien toimintaan on monimutkainen. Tämän vuoksi nämä kaksi kuvantamismenetelmää voivat olla eri tavoilla herkkiä aivosolujen toiminnalle ja esimerkiksi erilaiset informaation prosessointitavat saattavat näkyä niissä eri tavoin. MEG:n ja tMK:n tulosten erojen ymmärtäminen auttaisi merkittävästi ymmärtämään aivoja paremmin, sillä se mahdollistaisi paremman aikaa ja paikkaa koskevan tiedon keräämisen. Näiden kahden signaalin yhteyden tutkiminen vaatii tarkkaan suunniteltua koeasetelmaa, joka sopii sekä MEG- että tMK-mittauksiin. Tämän työn tavoitteena oli suunnitella koeasetelmapilotti, jonka avulla MEG:n ja tMK:n välistä yhteyttä voitaisiin tutkia käyttäen kielellistä koetta. Tavoitteena oli löytää sopiva parametri, jota muuttamalla olisi mahdollista vaikuttaa MEG:n ja tMK:n tulosten samanlaisuuteen, ja suunnitella koeasetelma tämän parametrin vaikutuksen systemaattiseksi tutkimiseksi. Ensin tehtiin kattava kirjallisuuskatsaus pohjaksi koeasetelmaa koskeville päätöksille. Työssä päätettiin käyttää ärsykkeinä lauseita, joiden semanttista ja syntaktista rakennetta muutettiin niin, että niillä uskottiin voitavan vaikuttaa MEG:n ja tMK:n tuloksien samankaltaisuuteen. Lisäksi tehtiin pilottimittaus MEG:llä. Alustavat tulokset vaikuttavat lupaavilta. Tuloksissa näkyivät tunnetut aivoaktivaatiot semanttiselle ja syntakstiselle prosessoinnille sekä odotettuja eroja eri ärsykkeiden välillä. Seuraavassa vaiheessa tehdään tMK-mittaus, jonka jälkeen tuloksia voidaan vertailla ja tutkia, havaitaanko ennustettuja eroja MEG- ja tMK-tulosten välillä.Description
Supervisor
Salmelin, RiittaThesis advisor
Cotroneo, SilviaKeywords
MEG, fMRI, EEG, language processing, multimodal imaging, experimental design