Dependence of neuronal entrainment on individual brain dynamics: A joint experimental and computational modelling study

Thumbnail Image

Files

master_Repo_Joona_2024.pdf (2.25 MB)

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

2024-03-11

Department

Major/Subject

Human Neuroscience and Technology

Mcode

SCI3061

Degree programme

Master’s Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

76

Series

Abstract

20 to 60% of people suffering from mental disorders do not respond to conventional treatments. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) has emerged as a non-invasive, FDA-approved alternative for some treatment resistant mental disorders. However, the efficacy of rTMS varies with response rates estimated between 40 and 60%. Personalized rTMS protocols are developed as a response for these low response rates, but current research has not been able to achieve this. Neuronal entrainment, the ability of rTMS to elicit cortical oscillations, has been linked to the neuroplastic effects of rTMS required for treatment response. Therefore, linking individual brain dynamics with entrainment is important. Brain criticality describes the dynamics of the brain operating near the critical point, a phase transition point of a complex system between order and disorder. Detrended fluctuation analysis (DFA) can be used for quantifying long-range temporal correlations, a hallmark of criticality. This thesis explores the relationship of criticality and entrainment by comparing entrainment responses, measured with the phase-locking factor (PLF) with DFA for 19 subjects who were administered 10 Hz rTMS with concurrent electroencephalography. The dependence is further explored with virtual rTMS experiment with a hierarchical Kuramoto model. The findings suggest that entrainment decreases and entrainment spreading increases closer to the critical point. The modeling supports these findings, together emphasizing the possibility of utilizing individual brain dynamics in rTMS personalization.

20–60 %:a mielenterveyden häiriöistä kärsivistä ihmisistä eivät saa helpotusta perinteisistä hoitomuodoista. Rytminen transkraniaalinen magneettistimulaatio (rTMS) on Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeviraston hyväksymä hoitomuoto joihinkin hoitoresistentteihin mielenterveyden häiriöihin. rTMS:n tehokkuus kuitenkin vaihtelee ja hoitovaste saavutetaan vain 40–60 %:ssa tapauksia. Yksilöllistettyjä rTMS protokollia on kehitteillä näiden hoitovasteiden parantamiseksi, mutta nykyiset tutkimustulokset eivät ole tätä saavuttaneet. rTMS:n indusoimat neuronaaliset oskillaatiot on liitetty rTMS:n kykyyn vaikuttaa aivojen plastisuuteen, mitä tarvitaan hoitovasteen saavuttamiseksi. Tämän seurauksena, yksilöllisten aivodynamiikkojen liittäminen rTMS -indusoituihin oskillaatioihin on tärkeää. Aivojen kriittisyys kuvaa aivojen dynamiikkaa kriittisen pisteen läheisyydessä, jossa vuorovaikutteiset järjestelmät siirtyvät järjestäytyneestä faasista epäjärjestyneeseen faasiin. Keskitetty vaihteluanalyysi (engl. Detrended fluctuation analysis, DFA) mittaa pitkän aikavälin korrelaatioita, jotka toimivat kriittisyyden tuntomerkkeinä. rTMS-indusoituja oskillaatioita mitataan vaihelukitustekijän (engl. phase-locking factor, PLF) avulla. Tässä diplomityössä tutkitaan aivojen kriittisyyden ja rTMS-indusoitujen oskillaatioiden välistä riippuvuutta vertaamalla PLF-vasteiden ja DFA-arvojen välistä riippuvuutta, jotka on saatu 19 koehenkilöstä, joita stimuloitiin 10 Hz:n rTMS:llä ja mitattiin elektroenkefalografialla. Lisäksi riippuvuutta vertailtiin virtuaalisella rTMS-kokeella hierarkkisella Kuramoto-mallilla. Tutkimustulokset osoittavat, että rTMS-indusoidut oskillaatiot heikkenevät mutta leviävät laajemmalle alueelle lähempänä kriittistä pistettä. Tietokonemallinnus tukee näitä havaintoja. Yhdessä nämä tulokset viittaavat siihen, että yksilöllisiä aivodynamiikkoja voitaisiin hyödyntää rTMS:n yksilöllistämisessä.

Description

Supervisor

Palva, Matias

Thesis advisor

Palva, Satu

Keywords

entrainment, repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS, brain criticality, Kuramoto model

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403172806

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI