Neuroimaging cortical proprioceptive processing with evoked movements

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPiitulainen, Harri, Prof., University of Jyväskylä, Finland
dc.contributor.authorNurmi, Timo
dc.contributor.departmentNeurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Neuroscience and Biomedical Engineeringen
dc.contributor.labSensorimotor Systems Neuroscience (MOTOR) groupen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorParkkonen, Lauri, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
dc.date.accessioned2024-05-25T09:00:44Z
dc.date.available2024-05-25T09:00:44Z
dc.date.defence2024-06-07
dc.date.issued2024
dc.description.abstractMotor function such as a person grasping an apple depends on functional motor efference. Motor efference means downstream neural, electrochemical signalling, where the motor regions of the brain send neural signals via the spinal cord for the appropriate muscles to contract and relax. Often overlooked aspect of motor function, however, is the sensory afference, where the feedback from the sensory organs is processed in the brain to plan and correct movement. Sensory afference includes proprioception which is the position, force and movement sense of the body. Signals from the proprioceptors residing mainly in the muscles inform the brain about the positional configuration of the body to initiate and adjust appropriate movements. Cortical proprioception is mainly processed in the somatosensory cortices. Cortical proprioception can be studied with neuroimaging methods in conjunction with evoked (passive) movements. Behavioral methods can also be used to study proprioception. This thesis consists of three publications (PI–PIII) studying cortical proprioception using functional magnetic resonance imaging (fMRI) and magnetoencephalography (MEG) with evoked movements of the index fingers and ankles. The evoked movements stimulating the proprioceptors were produced with pneumatic devices. First (PI) and second publications (PII) studied how varying kinematic parameters such as movement frequency and range of evoked index finger movements affected cortical proprioceptive responses in fMRI and MEG. The third publication (PIII) examined how cortical proprioceptive processing differed between adolescents with and without cerebral palsy and how these differences related to sensorimotor performance (i.e. motor and sensory abilities). Movement frequency ≥ 3 Hz and range ≥ 5 mm of the index finger elicited strongest cortical proprioceptive responses in fMRI (PI). In contrast, movement range did not have an effect on cortical proprioceptive response strength in MEG (PII). Adolescents with CP had stronger cortical proprioceptive responses of the somatosensory cortices in their more affected hemisphere to index finger stimulation compared to adolescents without CP (PIII). Moreover, worse sensorimotor performance was associated with stronger cortical proprioceptive responses regardless whether the participant had CP or not (PIII). These studies demonstrate that using evoked movements with neuroimaging is a viable tool to study cortical proprioception. The effect of kinematic stimulation parameters on cortical proprioceptive processing can be studied using evoked movements. Neuroimaging with evoked movements also revealed that proprioceptive processing differs between adolescents with and without CP and these differences are associated with sensorimotor performance or motor ability (PIII). Sensory afference in general and cortical proprioception in particular is a critical part of motor function and should be studied further with neuroimaging and evoked movements.en
dc.description.abstractLiikkuminen kuten silloin kun ihminen poimii omenan riippuu motorisesta efferenssistä. Motorinen efferenssi tarkoittaa aivoista lähteneitä, selkäytimen kautta välittyviä sähkökemiallisia signaaleita, jotka ohjaavat lihaksien toimintaa. Liike riippuu myös vähemmän tutkitusta sensorisesta afferenssista jossa palaute liikkeestä lähtee lihaksisissa, ihossa ja nivelissä olevista reseptoreista selkäytimen kautta takaisin aivoihin. Tätä palautetta käytetään liikkeen aikana pienien korjausten tekemiseen, jotta liike onnistuisi. Proprioseptiikka eli liikeaisti on kehon omaa paikkaa, liikettä ja voimia havainnoiva aisti. Erityisesti lihaksissa olevat proprioseptorit välittävät aivoille tietoa kehon sekä erityisesti raajojen asennoista liikkeiden suunnittelun sekä toteuttamisen aikana. Aivokuoren liikeaistia eli proprioseptiikkaa käsitellään eritoten aivojen tuntoaivokuorella. Liikeaistin käsittelyä aivokuorella voidaan tutkia aivokuvantamismenetelmillä käyttäen samalla esimerkiksi raajojen passiiviliikutuksia. Myös behavioraalisia- eli ulkoista käyttäytymistä mittaavia menetelmiä voidaan käyttää liikeaistin tutkimiseen. Väitöskirja koostuu kolmesta julkaisusta (PI–PIII) jossa aivokuorella tapahtuvaa liikeaistin käsittelyä on tutkittu aivokuvantamismenetelmillä eli toiminallisen magneettikuvauksen (fMRI) sekä magnetoenkefalografian (MEG) avulla etusormen sekä jalkaterän passiiviliikutuksia käyttäen. Passiiviliikutukset, joilla proprioseptoreita stimuloitiin toteutettiin paineilmalla toimivalla laitteella. Ensimmäinen (PI) sekä toinen (PII) julkaisu selvittivät miten etusormen stimulaation kinemaattiset parametrit kuten liikelaajuus tai stimulaatiotaajuus vaikuttivat tuntoaivokuorten aivovasteisiin fMRI:ssä ja MEG:ssä. Kolmas julkaisu (PIII) taas tutki miten tuntoaivokuorten aivovasteet etusormen ja nilkkojen passiiviliikutuksiin fMRI:ssä eroavat verrokki- sekä CP-nuorten välillä. Aivovasteita verrattiin myös suoriutumiseen sensorimotoriikkaa vaativissa tehtävissä. Ensimmäisen julkaisun (PI) tutkimuksessa selvisi että ≥ 3 Hz:n liiketaajuus sekä ≥ 5 mm liikelaajuus tuottivat voimakkaimmat vasteet fMRI:ssä. Toisen julkaisun (PII) tulos oli, että liikelaajuudella ei ollut vaikutusta tuntoaivokuorten aivovasteteisiin MEG:ssä. Kolmannen julkaisun tutkimuksessa selvisi, että CP-nuorten tuntoaivokuorten fMRI-aivovasteet etusormen passiiviliikutuksiin olivat vauriopuolella voimakkaamat kuin verrokeilla. Voimakkaamat tuntoaivokuoren aivovasteet etusormen passiiviliikutuksiin olivat myös yhteydessä heikompaan motoriseen suoriutumiseen sekä verrokki- että CP-nuorilla. Tutkimukset osoittavat, että passiiviliikutuksien käyttäminen aivokuvantamisen yhteydessä on toimiva työkalu tuntoaivokuorten liikeaistiafferenssin käsittelyn tutkimiseen. Tutkimukset selvittivät miten liikelaajuus sekä -taajuus vaikuttavat aivovasteisiin. Lisäksi tutkimuksissa selvisi, että CP-vamma vaikuttaa liikeaistin käsittelyyn aivokuorella ja nämä aivovasteiden erot ovat yhteydessä motoriseen suoriutumiseen. Liikeaisti on tärkeä osa motoriikkaa ja liikeaistin käsittelyä aivokuorella tulisikin tutkia aivokuvantamisen avulla laajemmin tulevaisuudessa.fi
dc.format.extent93 + app. 51
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-1774-5 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-1773-8 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/127943
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-1774-5
dc.language.isoenen
dc.opnBandettini, Peter, Dr., National Institute of Mental Health, United States
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Nurmi, Timo; Henriksson, Linda; Piitulainen, Harri. 2018. Optimization of Proprioceptive Stimulation Frequency and Movement Range for fMRI. Frontiers Media. Frontiers in Human Neuroscience, volume 12, article 477. 1662–5161. Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812216709. DOI: 10.3389/fnhum.2018.00477
dc.relation.haspart[Publication 2]: Nurmi Timo; Hakonen, Maria; Bourguignon, Mathieu; Piitulainen, Harri. 2023. Proprioceptive response strength in the primary sensorimotor cortex is invariant to the range of finger movement. Elsevier. NeuroImage, volume 269, article 119937. Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202302282239. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2023.119937
dc.relation.haspart[Publication 3]: Nurmi, Timo; Jaatela, Julia; Vallinoja, Jaakko; Mäenpää, Helena; Piitulainen, Harri. 2021. Stronger proprioceptive BOLD-responses in the somatosensory cortices reflect worse sensorimotor function in adolescents with and without cerebral palsy. Elsevier. NeuroImage: Clinical, volume 32, article 102795. 2213-1582. Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109159188. DOI: 10.1016/j.nicl.2021.102795
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL THESESen
dc.relation.ispartofseries81/2024
dc.revKurz, Max, Dr., Boys Town National Research Hospital, United States
dc.revSwinnen, Stephan, Prof., KU Leuven, Belgium
dc.subject.keywordproprioceptionen
dc.subject.keywordevoked movementsen
dc.subject.keywordcerebral palsyen
dc.subject.keywordsomatosensory corticesen
dc.subject.keywordpropriospetiikkafi
dc.subject.keywordpassiiviliikutuksetfi
dc.subject.keywordCPfi
dc.subject.keywordliikeaivokuorifi
dc.subject.otherMedical sciencesen
dc.titleNeuroimaging cortical proprioceptive processing with evoked movementsen
dc.titleAivokuoren liikeaistin käsittelyn tutkiminen aivokuvantamisen ja passiiviliikutusten avullafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2024-06-07_1502
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2024_05_24_klo_16_21
local.aalto.infraAalto NeuroImaging
local.aalto.infraScience-IT
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526417745.pdf
Size:
22.66 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
Collections
[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI