Probing brain connectivity with transcranial magnetic stimulation
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2019-09-06
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.
Author
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
79 + app. 51
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 151/2019
Abstract
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a noninvasive method for exciting neurons below the TMS coil. TMS is usually applied with electromyography (EMG) to study motor evoked potentials (MEPs), but it can be combined with various other technologies, e.g., electroencephalography (EEG). When combined with EMG, TMS is applied to investigate the function of muscle pathways from the brain to the muscles. Much more about the function of the brain can be learned when EEG is used to measure the brain's response to the stimulation. TMS–EEG describes causal connectivity (effective connectivity) between different brain areas. In the first study (Paper I), we studied effective connectivity with TMS–EEG on an individual level and learned that the spreading of activation patterns in the brain varies between individuals when primary and non-primary motor areas are stimulated. However, the spreading of brain activation right after the stimulation (< 50 ms) was quite similar for the subjects when the same area was stimulated. More differences in the spreading of brain activation were observed with larger latencies (> 50 ms) when the same area was stimulated and when different areas were stimulated. In the second study (Paper II), we investigated whether acute pain caused by cold water (2–4 degrees) would alter short-interval intracortical inhibition (SICI). SICI is a measure of cortical inhibition. It was concluded that SICI increased after the acute pain had ended and the effect lasted under 18 minutes. The effect was seen only in a hand muscle exposed to the experimental pain but not in a remote upper limb muscle not exposed to the experimental pain. In the third study (Paper III), we presented that signal-space projection (SSP) combined with source-informed reconstruction (SIR) was effective to suppress artifacts from the EEG data even when lateral brain areas are stimulated. However, brain signals were suppressed near the stimulation site, but the topographies of these brain signals remained even after the cleaning. In the fourth study (Paper IV), we studied how the activation patterns spread when lateral brain areas were stimulated. We observed that brain activation spreads quickly to the other hemisphere. This Thesis provides new knowledge about brain connectivity and offers a pathway between instrumentation and method development to clinical applications.Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on kajoamaton menetelmä, jolla TMS-kelan alla olevia hermosoluja aktivoidaan. TMS:ää käytetään usein lihassähkökäyrän (EMG) avulla lihasherätevasteiden tutkimiseen, mutta TMS voidaan yhdistää myös muihin tekniikoihin kuten aivosähkökäyrään (EEG). TMS:n ja EMG:n yhdistelmällä voidaan tutkia lihasrataa aivoista lihaksiin saakka. EEG:n avulla saadaan enemmän tietoa aivojen vasteesta stimulaatioon. TMS–EEG kuvaa kausaalisia eli toiminnallisia yhteyksiä eri aivoalueiden välillä. Ensimmäisessä tutkimuksessa (Paperi 1) tutkimme toiminnallisia yhteyksiä TMS–EEG:n avulla yksilötasolla ja huomasimme, että aktivaatiokuvioiden leviämisessä aivoissa on erilaisuuksia eri yksilöille, kun ensisijaisia ja ei-ensisijaisia aivokuoren lihasalueita stimuloidaan. Aktivaatiokuvioiden leviäminen oli kuitenkin melko samanlaista heti (< 50 ms) stimulaation jälkeen eri koehenkilöiden välillä, kun samaa aluetta stimuloitiin. Eroja aktivaatiokuvioiden leviämisessä havaittiin pidemmän ajan jälkeen (> 50 ms), kun samaa aluetta stimuloitiin tai kun eri alueita stimuloitiin. Toisessa tutkimuksessa (Paperi II) selvitimme, voisiko kylmällä vedellä (2–4 celsiusastetta) tuotettu akuutti kipu aiheuttaa muutoksia aivokuoren estävässä toiminnassa. Mittarina käytimme SICIä, joka kuvaa aivokuoren estävää toimintaa. Tutkimuksen johtopäätös oli, että SICI kasvoi sen jälkeen, kun akuutti kipu oli loppunut ja vaikutus kesti alle 18 minuuttia. Ilmiö havaittiin käsilihaksessa, joka oli altistettu kivulle, mutta ei käsivarren lihaksessa, jota ei ollut altistettu kivulle. Kolmannessa tutkimuksessa (Paperi III) esittelemme, että yhdistämällä signaaliavaruuden projektio- ja lähdeinformoidut jälleenrakentamistamenetelmät EEG:n artifaktoja voitiin vaimentaa myös silloin, kun stimuloidaan lateraalisia aivoalueita. Menetelmä kuitenkin vaimensi myös aivosignaaleja, jotka oli mitattu stimulaatioalueen lähellä. Näiden signaalien topografiat kuitenkin säilyttivät muotonsa puhdistuksessa. Neljännessä tutkimuksessa (Paperi IV) tutkimme, miten aktivaatiokuvioiden leviäminen aivoissa tapahtuu, kun lateraalisia aivoalueita stimuloitiin ja huomasimme, että aivosignaalit leviävät nopeasti toiselle aivopuoliskolle. Tässä väitöskirjassa esitellään uutta tietoa aivojen yhteyksistä ja annetaan väylä instrumentaatista ja menetelmäkehityksestä kliinisiin sovelluksiin.Description
Supervising professor
Ilmoniemi, Risto J., Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, FinlandThesis advisor
Ilmoniemi, Risto J., Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, FinlandVaalto, Selja, Dr., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
Keywords
transcranial magnetic stimulation, electroencephalography, electromyography, brain connectivity, cortical inhibition, transkraniaalinen magneettistimulaatio, aivosähkökäyrä, lihassähkökäyrä, aivoyhteydet, aivokuoren estävä toiminta
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Karita S.-T. Salo, Selja M. I. Vaalto, Tuomas P. Mutanen, Matti Stenroos, Risto J. Ilmoniemi. Individual activation patterns after the stimulation of different motor areas: a transcranial magnetic stimulation–electroencephalography study. Brain Connectivity, volume 8, issue 7, pp. 420–428, September 2018.
DOI: 10.1089/brain.2018.0593 View at publisher
-
[Publication 2]: Karita S.-T. Salo, Selja M. I. Vaalto, Lari M. Koponen, Jaakko O. Nieminen, Risto J. Ilmoniemi. The effect of experimental pain on short-interval intracortical inhibition with multi-locus transcranial magnetic stimulation. Experimental Brain Research, volume 237, issue 6, pp. 1503–1510, June 2019.
DOI: 10.1007/s00221-019-05502-5 View at publisher
-
[Publication 3]: Karita S.-T. Salo, Tuomas P. Mutanen, Selja M. I. Vaalto, Risto J. Ilmoniemi. EEG artifact removal in TMS studies of cortical speech areas. Brain Topography, published online first, 9 pages, July 2019.
DOI: 10.1007/s10548-019-00724-w View at publisher
-
[Publication 4]: Karita S.-T. Salo, Selja M. I. Vaalto, Pantelis Lioumis, Risto J. Ilmoniemi. TMS-evoked potentials after the stimulation of the right-hemispheric homologue of Broca’s area. Submitted, 11 pages, April 2019.
DOI: 10.1097/WNR.0000000000001337 View at publisher
