Improved transcranial magnetic stimulation protocols to locate brain activations

Thumbnail Image

Files

isbn9789526420899.pdf (9.33 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-11-01
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

2024

Department

Sähkötekniikan ja automaation laitos
Department of Electrical Engineering and Automation

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

65 + app. 71

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 225/2024

Abstract

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive neurostimulation technique used in clinical treatment and research. It is a technique that provides essential information about brain activity and function, as well as effective treatment for certain neurological disorders. The use of TMS is however still limited by several fundamental uncertainties. For example, it remains uncertain which forms of stimulation are required to elicit specific responses. In addition, the TMS procedure itself can be time consuming and is prone to errors. This summary offers new knowledge of how TMS parameters affect neurostimulation and what they stimulate. Publication I examines the effect of the TMS inter-pulse interval (IPI) on motor evoked potential (MEP) amplitude in active and resting muscles. Previous research has shown that MEP amplitudes are significantly influenced by IPI in resting muscles, with shorter intervals generally leading to decreased amplitudes. This study, however, reveals that active muscle contraction during TMS eliminates the modulating effect of IPI, allowing the use of shorter IPIs which speeds up TMS procedures. Publication II investigates the accuracy of a three-point navigated TMS, still a commonly used approach for neuronavigation. The findings reveal that errors in landmark pointing can significantly impact the accuracy of coil positioning and the induced electric field, highlighting the importance of minimizing such errors in TMS research. Publication III explores the use of computational dosimetry to predict the optimal coil positioning and to estimate motor threshold values in TMS. While the study shows promising results in predicting optimal coil locations, the accuracy of predicting hotspots is slightly less than the hypothetical target of 1 cm. Nevertheless, the method is possibly useful in clinical practise, offering potential improvements in the speed and reliability of TMS hotspot-finding procedures. Publication IV contributes to TMS localization and investigates the differences between posteroanterior (PA) and anteroposterior (AP) coil current directions. The study suggests that PA-TMS primarily activates the precentral gyrus, while AP-TMS is more likely to activate the postcentral gyrus, with both directions showing a higher likelihood of white matter activation. Together, these four studies contribute to a deeper understanding of TMS mechanisms, the optimization of stimulation protocols, and improved accuracy in TMS procedures, with implications for both research and clinical applications.

Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on kajoamaton aivostimulaatiomenetelmä, jota käytetään sekä terveydenhoidossa että tutkimuksessa. TMS:n avulla saadaan tärkeää tietoa aivojen toiminnasta, minkä lisäksi sillä voidaan hoitaa erinäisiä neurologisia sairauksia. TMS:n käyttöä rajoittavat kuitenkin edelleen monet perustavanlaatuiset epävarmuudet. Ei ole esimerkiksi vielä selvää, millaista stimulaatiota tietyn vasteen herättäminen vaatii. Lisäksi TMS-toimenpide itsessään voi olla aikaa vievä ja virhealtis. Tämä yhteenveto tarjoaa uutta tietoa TMS:n parametrien vaikutuksesta stimulaatioon sekä stimulaation vaikutusalueista. Julkaisussa I tutkitaan TMS:n pulssivälin vaikutusta motorisen herätevasteen (motor-evoked potential, MEP) amplitudiin sekä aktiivisessa että levossa olevassa lihaksessa. Aiempien tutkimusten mukaan pulssiväli vaikuttaa merkittävästi MEP-amplitudiin lihaksen ollessa levossa, lyhyemmän pulssivälin yleisesti pienentäen amplitudia. Tämä tutkimus kuitenkin osoittaa, että aktiivinen lihassupistus TMS:n aikana poistaa pulssivälin vaikutuksen MEP-amplitudiin, mahdollistaen lyhyemmän pulssivälin käytön ja siten nopeuttaen TMS-toimenpiteitä. Julkaisussa II tutkitaan kolmipisteohjatun TMS:n tarkkuutta, mikä on edelleen yleisesti käytetty menetelmä. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että virheet pintamerkkien kohdistamisessa voivat vaikuttaa merkittävästi kelan sijainnin ja indusoidun sähkökentän tarkkuuksiin, mikä korostaa kohdistamisvirheiden vähimmäistämisen tärkeyttä TMS-tutkimuksissa. Julkaisussa III tutkitaan sähkökenttälaskujen käyttöä suotuisimman kelapaikan ennustamiseen ja liikkeellisten kynnysarvojen arvioimiseen TMS:ssä. Vaikka tutkimuksen tulokset suotuisimman kelapaikan ennustamiseksi ovat lupaavia, ne eivät aivan saavuta oletettua 1 cm:n tarkkuutta. Tästä huolimatta menetelmä voi olla hyödyllinen hoitotyössä ja parantaa TMS-hotspotin löytämisnopeutta ja -luotettavuutta. Julkaisu IV edistää TMS-paikannusta ja tutkii kelan posterioanteriorisen (PA) ja anteroposteriorisen (AP) virtasuunnan eroja. Tutkimus ehdottaa, että PA-TMS aktivoi ensisijaisesti etukeskipoimua, kun taas AP-TMS aktivoi todennäköisemmin takakeskipoimua, ja molemmilla suunnilla on suurempi todennäköisyys aktivoida valkeaa aivokudosta kuin harmaata aivokudosta. Kokonaisuutena työn sisältämät tutkimukset edesauttavat TMS:n toiminnan syvempää ymmärtämistä, edistävät stimulointitoimintatapojen tehostamista ja parantavat TMS-toimenpiteiden tarkkuutta, mikä vaikuttaa sekä tutkimukseen että kliinisiin käyttökohteisiin.

Description

Supervising professor

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

Thesis advisor

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

Keywords

transcranial magnetic stimulation, computational modelling, primary motor cortex, motor-evoked potential, motor mapping, transkraniaalinen magneettistimulaatio, laskennallinen mallinnus, liikeaivokuori, motorinen herätevaste, motorinen kartoitus

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Noora Matilainen, Marco Soldati, and Ilkka Laakso. The effect of interpulse interval on TMS motor evoked potentials in active muscles. Frontiers in Human Neuroscience, 16:845476, March 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205043002
    DOI: 10.3389/fnhum.2022.845476 View at publisher
  • [Publication 2]: Noora Matilainen, Juhani Kataja, and Ilkka Laakso. Verification of neuronavigated TMS accuracy using structured-light 3D scans. Physics in Medicine & Biology, 69(8):085004, April 2024.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202404173138
    DOI: 10.1088/1361-6560/ad33b8 View at publisher
  • [Publication 3]: Noora Matilainen, Juhani Kataja, and Ilkka Laakso. Predicting the hotspot location and motor threshold prior to transcranial magnetic stimulation using electric field modelling. Physics in Medicine & Biology, 69(1):015012, December 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401171494
    DOI: 10.1088/1361-6560/ad0219 View at publisher
  • [Publication 4]: Ilkka Laakso, Juhani Kataja, Noora Matilainen, Timo Roine, Thomas Tarnaud, and Yoshikazu Ugawa. TMS with opposite current directions activates white matter under pre- and postcentral gyri. Submitted to Brain Stimulation, 2024

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2089-9

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC