Unravelling somatosensory connectivity with peripheral and central stimulation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
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
2023-01-16
Department
Major/Subject
Human Neuroscience and Technology
Mcode
SCI3061
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
52+6
Series
Abstract
Sensations corresponding to somatosensory stimuli, such as touch, pain and temperature are a part of our everyday lives. In the cortex, the primary and secondary somatosensory cortices (SI and SII, respectively) are responsible for processing somatosensory information. Magneto- and electroencephalography (MEG and EEG, respectively) with simultaneous peripheral nerve stimulation have been used successfully in measuring activation patterns of SI and SII, which have been shown to activate at different latencies. However, the nature of connectivity between SI and SII has not been unravelled. With transcranial magnetic stimulation (TMS), SI can be stimulated without activating the natural extracephalous somatosensory pathways. Different activation patterns evoked by peripheral and central stimulation provide essential information for assessing the nature of connectivity between SI and SII. In this master’s thesis, the spatiotemporal activation patterns of SI and SII evoked by electric median nerve stimulation (MNS) at the left wrist were examined from seven subjects with simultaneous MEG and EEG measurements. The individual location of initial SI activation based on MEG was used in stimulation targeting in TMS. Based on individual anatomical magnetic resonance images and the multimodal MEG–EEG data, individually-calibrated head models were constructed to enhance the EEG forward models used in analyzing TMS–EEG data. TMS–EEG source modelling was done using spatial priors based on the locations of initial SI and SII activation found from MEG data. For both stimulation modalities, the source time courses were estimated and used to analyze the activation dynamics between SI and SII. Both stimulation modalities were found to evoke activation in the right SI and bilaterally in SII. The different bilateral activation patterns of SII across hemispheres and stimulation modalities suggest that SII receives information both from the peripheral nervous system via thalamocortical pathways and from SI. The earlier and stronger peaks of the right-hemisphere SII due to electric MNS at the left wrist suggest that the contralateral SII activates first and is dominant in processing unilateral somatosensory stimuli.Tuntoaistimuksia tuottavat ärsykkeet, kuten kosketus, kipu ja lämpö ovat osana jokapäiväistä elämäämme. Primaarinen ja sekundaarinen tuntoaivokuori (SI ja SII) ovat pääasiallisesti vastuussa tuntoaistimuksiin liittyvästä prosessoinnista. Somatosensoristen aivokuorten aktivaatioita on onnistuttu mallintamaan käyttäen perifeerisellä stimuluksella herätettyä magneto- ja elektroenkefalografista (MEG ja EEG) dataa, minkä avulla SI- ja SII-alueiden aktivaatioiden on todettu esiintyvän erilaisilla aikaviiveillä. Tosin tällä hetkellä tuntoaivokuorten välisistä mahdollisista kulkuyhteyksien luonteesta ei ole varmaa tietoa. Transkraniaalisella magneettistimulaatiolla (TMS) on mahdollista stimuloida sentraalisesti SI-aivokuorta ohittamalla luonnolliset aivojen ulkopuoliset somatosensoriset reitit. Erilaiset perifeerisellä ja sentraalisella stimulaatiolla herätetyt tuntoaivokuorten vasteet kertovat tuntoaivokuoren alueiden järjestäytyneisyydestä. Tässä diplomityössä SI- ja SII-aivokuorten MEG- ja EEG-herätevasteita mitattiin seitsemältä koehenkilöltä käyttäen vasemman ranteen sähköistä medianus-hermon stimulaatiota (MNS). MEG-datasta lokalisoituja ensisijaisia SI-vasteita käytettiin myöhemmin samanaikaisen TMS–EEG-mittausprotokollan stimulaation kohdentamiseen. Koehenkilöiden yksilöllisiä aivojen magneettikuvia sekä medianus-hermon stimulaation herättämiä SI-alueen MEG–EEG-vasteita käytettiin yksilöllisten päämallien kalibrointiin tarkkaa TMS–EEG-lähdemallinnusta varten. MEG-datasta lokalisoituja ensisijaisten SI- ja SII-vasteiden paikkoja käytettiin spatiaalisina ennakkoina TMS–EEG-herätevasteiden lähdemallinnukseen. MNS- ja TMS-protokollien herättämien vasteiden aikasarjat estimoitiin SI- ja SII-alueilta. Erilaiset stimulusmodaliteeteilla herätetyt SII-aivokuorten bilateraaliset aktivaatiot viittaavat siihen, että SII saa informaatiota sekä ääreishermostolta talamokortikaalisten yhteyksien välityksellä että SI-aivokuorelta. Aikaisemmat ja vahvemmat vasemman ranteen sähköisen MNS-protokollan herättämät oikean aivopuoliskon SII aktivaatioiden piikit viittaavat siihen, että kontralateraalinen SII-aivokuori aktivoituu ensin ja on hallitsevassa roolissa unilateraalisten somatosensoristen ärsykkeiden prosessoinnissa.Description
Supervisor
Parkkonen, LauriThesis advisor
Mutanen, TuomasKeywords
primary somatosensory cortex, secondary somatosensory cortex, somatosensory connectivity, median nerve stimulation, transcranial magnetic stimulation