aalto1 untyped-item.component.html
Mutual information between BOLD fMRI and corresponding MEG signals
Loading...
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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
Department
Major/Subject
Mcode
SCI3029
Degree programme
Language
en
Pages
25
Series
Abstract
In neuroimaging studies, information is gathered of temporary, non-structural changes in the brain. The choice of imaging modality is largely dependent on the nature of the study and the available resources. Different modalities are suitable for different kinds of research questions, but in cases where two distinct modalities are equally suitable, it would be preferable to choose the more accessible and cheaper one. In order for two imaging modalities to be used interchangeably, the data from the two modalities would need to share the information relevant for the study in question.
In this thesis, the relationship between information provided by two distinct imaging modalities is considered. The modalities in question are magnetoencephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI). These imaging modalities differ in their principles of function and current applications. MEG is based on measuring magnetic fields generated by electric currents in the brain. fMRI on the other hand measures changes in the oxygenation of blood circulating in the brain. fMRI is comparatively inexpensive, and fMRI devices are widely more available, which is in part due to the method's clinical applications. Given that MEG is expensive, replacing it with fMRI where it is suitable would bring considerable financial savings. In order for this to be possible, fMRI data would need to contain a sufficient amount of information on the brain activity relevant for the study in question.
We created a model, supported by current research, with which we are able to study temporal- and spatial dependencies of signals that are in our interest. Using the model, we simulate MEG- and BOLD fMRI signals, whose relationship is examined using Mutual Information. We also study MEG-signal reconstruction from BOLD-signals using Wiener deconvolution, comparing two distinct convolution models for the relationship of the MEG- and BOLD-signals.
The results suggest that noise has a significant effect on both the Mutual Information of the signals and the success in the MEG signal reconstruction. The examined convolution models are different to such a degree that they should not be used interchangeably. An appropriate choice of a model for the relationship of the MEG- and BOLD signals is necessary in order to attain reliable results.
Neurotieteiden toiminnallisissa kuvantamistutkimuksissa kerätään tietoa aivoissa tapahtuvista hetkellisistä, ei-rakenteellisista muutoksista. Kuvantamismenetelmien valintaan vaikuttaa tutkimuksen luonteen lisäksi saatavilla olevat resurssit. Erilaisten tutkimuskysymysten tutkimiseen soveltuvat erilaiset kuvantamismenetelmät, mutta mikäli kaksi erilaista menetelmää soveltuisivat yhtä hyvin, olisi edullista valita vaihtoehdoista saavutettavampi ja edullisempi. Jotta kuvantamismenetelmällä voisi korvata toisen, täytyisi korvaajasta saatavan datan sisältää tutkimuksen kannalta olennainen tieto.
Tässä työssä tarkastellaan simuloimalla kahden eri kuvantamismenetelmän tarjoaman tiedon suhdetta toisiinsa. Tarkasteltavat kuvantamismenetelmät ovat magnetoenkefalografia (MEG) ja funktionaalinen magneettikuvaus (fMRI). Nämä kuvantamismenetelmät ovat toimintaperiaatteiltaan ja sovelluksiltaan erilaisia. MEG perustuu aivosolujen sähköisen aktiivisuuden synnyttämän magneettikentän mittaamiseen. fMRI puolestaan mittaa muutoksia aivoissa kulkevan veren happipitoisuudessa. MEG on verrattaen kallis, ja kuvantamislaitteita on vähän verrattuna fMRI-laitteisiin. fMRI on verrattaen edullinen, ja kuvantamislaitteita on laajalti saatavilla, mihin vaikuttavat osin teknologian monipuoliset kliiniset sovellukset. Koska MEG on verrattaen kallis, sen käytön osittainenkin korvaaminen fMRI-teknologialla voisi tuoda merkittäviä taloudellisia säästöjä. Jotta MEG:n korvaaminen olisi mahdollista, täytyisi fMRI-datan sisältää riittävästi samaa tietoa tutkimuksen kannalta kiinnostavasta aivojen aktiivisuudesta.
Työssä luotiin vallitsevaan tutkimukseen sopiva malli, jolla saadaan kuvattua kiinnostavien signaalien aika- ja paikkariippuvuuksia. Mallia käyttäen simuloidaan MEG- ja BOLD fMRI -signaaleja, joiden välistä riippuvuutta mitataan käyttämällä keskinäisinformaatiota. Tämän lisäksi tutkitaan MEG-signaalin palauttamista BOLD-signaalista Wienerin dekonvoluution avulla, vertaillen kahta erillistä konvoluutiomallia MEG- ja BOLD-signaalien väliselle yhteydelle.
Tulosten perusteella kohinalla on merkittävä vaikutus sekä signaalien keskinäisinformaatioon että dekonvoluution onnistumiseen. Tutkittavien MEG- ja BOLD-signaalien välisen yhteyden mallit ovat siinä määrin erilaisia, että oikean mallin valinta on välttämätöntä luotettavien tulosten saamiseksi.