Fooling senses with electrical and magnetic stimulation of the retina and vestibular system

Thumbnail Image

Files

isbn9789526426297.pdf (26.7 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2025-07-01
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

2025

Department

Sähkötekniikan ja automaation laitos
Department of Electrical Engineering and Automation

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

64 + app. 64

Series

Aalto University publication series Doctoral Theses, 130/2025

Abstract

Magnetic and electric stimulation of the sensory organs can cause artificial sensations even in the absence of a natural stimulus. For example, stimulation of the retina in the eye evokes visual sensations of white flickering lights called phosphenes, whereas stimulation of the vestibular system inside the ear evokes perceptions of movement and unstable balance. Various non-invasive stimulation methods have been used to study the function of the retina and the vestibular system. However, there is limited data on the internal electric fields induced by the stimulation that directly affect the sensory organs. This thesis consists of five peer-reviewed scientific publications. The publications characterise the properties of the retinal and vestibular electric fields that interfere with normal sensory function, produce phosphenes and alter balance. Publications I and II examine the electric field thresholds of phosphene perception in the retina evoked by external magnetic fields and transcranial currents, and the origin of the phenomenon. Publications III-V investigate the strength and frequency of the vestibular electric fields capable of causing lateral swaying while standing. The publications also assess the effect of the field direction and the possible sites of interaction within the vestibular system. The publications combine experimental measurements with state-of-the-art computational methods based on high-resolution anatomical models to provide realistic data on the strength and variability of the retinal and vestibular fields. The data can be used for the study of the underlying sensory mechanisms and the development of therapeutic sensory-stimulation applications aiming to help patients suffering from retinal or vestibular dysfunctions. Additionally, the findings of this work help to avoid the unwanted stimulation of these sensory organs, for example, during transcranial brain stimulation studies. The findings could also help to inform the revision of international health and safety guidelines that aim to protect humans from adverse reactions caused by low-frequency electromagnetic fields

Aistinelinten sähköisellä ja magneettisella stimulaatiolla voidaan aiheuttaa keinotekoisia aistimuksia jopa luonnollisen ärsykkeen puuttuessa. Esimerkiksi silmän verkkokalvon stimulaatio aiheuttaa havaintoja valkoisista välkkyvistä valoista, joita kutsutaan fosfeeneiksi, kun taas sisäkorvassa sijaitsevan tasapainoelimen stimulaatio saa aikaan tuntemuksia liikkeestä ja epävakaasta tasapainosta. Monenlaisia kajoamattomia stimulaatiomenetelmiä on käytetty tutkittaessa verkkokalvon ja tasapainoelimen toimintaa. Stimulaation suoraan aistinelimiin indusoimista sisäistä sähkökentistä on kuitenkin rajoitetusti tietoa. Tämä väitöskirja koostuu viidestä vertaisarvioidusta tieteellisestä julkaisusta. Nämä julkaisut arvioivat verkkokalvoon ja tasapainoelimeen kohdistettujen sähkökenttien ominaisuuksia, jotka vaikuttavat luonnolliseen aistintoimintaan, aiheuttavat fosfeeneja ja häiritsevät tasapainoa. Julkaisut I ja II tarkastelevat ulkoisten magneettikenttien ja transkraniaalisten virtojen aiheuttamia ja fosfeenihavaintoihin johtavia verkkokalvon sähkökenttien kynnysarvoja sekä fosfeenien alkuperää. Julkaisut III-V tutkivat niiden tasapainoelimen kenttien voimakkuuksia ja taajuuksia, jotka aiheuttavat sivuttaissuuntaista heiluntaa seisomisasennossa. Julkaisut arvoivat myös tasapainoelimeen kohdistuvan kentän suunnan vaikutusta ja mahdollisia stimulaation vaikutusalueita tasapainoelimen sisällä. Väitöskirjan julkaisut yhdistävät kokeelliset tulokset uusimpiin pään ja aistinelinten korkean resoluution anatomisiin malleihin perustuviin laskennallisiin menetelmiin, mikä tarjoaa realistista tietoa verkkokalvon ja tasapainoelimen sähkökenttien voimakkuuksista ja vaihteluista. Tätä tietoa voidaan hyödyntää tutkittaessa aistinelinten toiminnan mekanismeja ja kehitettäessä sähköisen aististimulaation sovelluksia verkkokalvon ja tasapainoelimen toimintahäiriöiden hoitoon. Työn tulokset auttavat lisäksi välttämään näiden aistinelinten ei-toivottua stimulaatiota esimerkiksi aivojen transkraniaalisen stimulaation tutkimuksessa. Tulokset voivat olla myös avuksi kehitettäessä kansainvälisiä terveys- ja turvaohjeistuksia, jotka pyrkivät suojelemaan ihmisiä matalataajuisten sähkömagneettisten kenttien haitallisilta vaikutuksilta.

Description

Supervising professor

Laakso, Ilkka, Prof., Department of Electrical Engineering and Automation, Aalto University, Finland

Thesis advisor

Laakso, Ilkka, Prof., Department of Electrical Engineering and Automation, Aalto University, Finland

Keywords

magnetophosphene, electrophosphene, electrical vestibular stimulation, computational modelling, electric field

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Janita Nissi and Ilkka Laakso. Magneto- and electrophosphene thresholdsin the retina: a dosimetry modeling study. Physics in Medicine & Biology,67(1):015001, January 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202202091815
    DOI: 10.1088/1361-6560/ac46df View at publisher
  • [Publication 2]: Alexandre Legros, Janita Nissi, Ilkka Laakso, Joan Duprez, Robert Kavet,and Julien Modolo. Thresholds and mechanisms of human magnetophospheneperception induced by low frequency sinusoidal magnetic fields.Brain Stimulation, 17(3):668-675, May 2024.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406124240
    DOI: 10.1016/j.brs.2024.05.004 View at publisher
  • [Publication 3]: Janita Nissi, Otto Kangasmaa, Juhani Kataja, Nicolas Bouisset, andIlkka Laakso. In vivo and dosimetric investigation on electrical vestibularstimulation with frequency- and amplitude-modulated currents. Journalof Neural Engineering, 21(4):046038, July 2024.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408285912
    DOI: 10.1088/1741-2552/ad658f View at publisher
  • [Publication 4]: Janita Nissi, Otto Kangasmaa, and Ilkka Laakso. Probing vestibularfunction with frequency-modulated electrical vestibular stimulation. IEEETransactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 33:1707-1714, April 2025.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505143636
    DOI: 10.1109/TNSRE.2025.3564388 View at publisher
  • [Publication 5]: Ilkka Laakso, Janita Nissi, and Otto Kangasmaa. Vestibular involvement intranscranial electrical stimulation: body sway as a marker of unintendedstimulation. Brain Stimulation, 18(1):34–36, December 2024.
    DOI: 10.1016/j.brs.2024.12.1188 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2629-7

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC