Reliable MEG metrics of cortical language function
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-12-02
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
53 + app. 89
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 175/2024
Abstract
For brain imaging the reliability of the findings is the cornerstone for their precision. However, the reliability of brain imaging findings has been found to be variable. This thesis identified reliable magnetoencephalography (MEG) evoked responses, modulation of oscillations, and functional connectivity related to language production. In addition, the thesis studied the factors affecting reliability, as well as reliability at the level of individual participants. Study 1 identified reliable evoked activity and modulations of oscillations related to picture naming and semantic judgment, while Study 2 identified reliable functional connectivity related to picture naming. Reliability was assessed using Intraclass Correlation Coefficient (ICC). The naming task showed the reliability of the left-hemisphere evoked activity sequence described in previous MEG studies and in a neurocognitive model of picture naming. The naming task also demonstrated reliable beta oscillatory suppression in premotor and sensorimotor regions showed in previous MEG studies. For the naming-related functional connectivity, a reliable beta connectivity increase in the left motor and frontal regions was found. In the semantic judgment task, the spatial extent of reliable evoked activity and oscillatory modulation was more limited. It is important to query the factors that might influence the reliability. Study 2 showed that the reliable functional connections were linked to stronger functional connectivity, as well as to stronger structural connectivity and shorter structural path length than the non-reliable connections. These findings may suggest that the most efficient communication between brain regions happens especially in reliable connections. It was also found that the reliable connections were linked to language performance, providing additional validation of the findings. Study 3 assessed the reliability (ICC) of resting state sensorimotor power spectral characteristics across a range of analysis parameters. It was found that these characteristics were reliable across different parameters. However, the reliability was affected by variability across individuals. Current methods, such as ICC, mostly assess reliability at the group level. New methods to identify reliable activation at the level of individual participants are needed. Study 4 developed a method to extract reliable individual-level patterns of evoked responses during picture naming. The Study revealed notable variability among participants, highlighting the need for individual measures of reliability. In summary, this thesis demonstrated different MEG metrics giving complementary reliable information on language production in the brain. When studying reliability, this thesis suggests that it might be beneficial to utilize the brain's functional and structural information, and also behavior-based validation. Furthermore, this thesis highlights the need for individual-level measures of reliability.Aivokuvantamistulosten luotettavuus on edellytys niiden täsmällisyydelle. Kuitenkin tulosten luotettavuuden on havaittu vaihtelevan. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli määritellä luotettavat magnetoenkefalografialla (MEG) mitattavat herätevasteet, rytmisen toiminnan muutokset ja toiminnalliset aivoalueiden väliset yhteydet puheentuottoon liittyen. Tämän lisäksi väitöskirjassa tutkittiin luotettavuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä luotettavuutta yksilötasolla. Väitöskirjan Tutkimuksessa 1 määritettiin luotettavat herätevasteet ja rytmisen toiminnan muutokset kuvan nimeämiseen ja semanttiseen tehtävään liittyen; Tutkimuksessa 2 määritettiin luotettavat toiminnalliset yhteydet nimeämiseen liittyen. Luotettavuutta mitattiin sisäkorrelaatiokertoimella (Intraclass Correlation Coefficient, ICC). Nimeämiseen havaittiin liittyvän luotettava vasemman aivopuoliskon herätevasteketju, joka on näytetty aikaisemmissa MEG-tutkimuksissa sekä esitetty puheentuoton neurokognitiivisissa malleissa. Nimeämistehtävään liittyi myös luotettava tyypillinen beta-taajuuden rytmisen toiminnan väheneminen liikeaivokuorella. Toiminnallisten yhteyksien osalta nimeämistehtävässä havaittiin luotettava beta-taajuuden kytkeytyvyyden kasvu vasemman liikeaivokuoren ja otsalohkon aivoalueiden välillä. Semanttisen tehtävän osalta luotettavat herätevasteet ja rytmisen toiminnan muutokset havaittiin harvemmilla aivoalueilla. Tutkittaessa luotettavuuteen vaikuttavia tekijöitä Tutkimuksessa 2 havaittiin luotettavien toiminnallisten yhteyksien olevan vahvempia kuin ei-luotettavien yhteyksien. Lisäksi luotettavien yhteyksien taustalla olevat rakenteelliset yhteydet olivat vahvempia ja niiden etäisyys lyhyempi. Nämä tulokset viittaavat, että tehokas kommunikaatio aivoalueiden välillä tapahtuu erityisesti luotettavissa yhteyksissä. Luotettavat yhteydet olivat myös yhteydessä kielelliseen suoriutumiseen useammin kuin ei-luotettavat yhteydet tukien löydösten validiteettia. Tutkimuksessa 3 arvioitiin spontaanin sensorimotorisen beta-taajuuden tehospektrin ominaisuuksien luotettavuutta (ICC) eri analyysiparametreilla. Nämä ominaisuudet olivat luotettavia eri analyysiparametreilla, mutta luotettavuuteen vaikutti yksilöiden välinen vaihtelu. Luotettavuuden arviointiin käytettävät menetelmät, kuten ICC, pohjaavat laajalti ryhmätason tarkasteluihin. Tutkimuksessa 4 kehitettiin menetelmä, jonka avulla onnistuttiin tunnistamaan luotettavat nimeämiseen liittyvät herätevasteet yksilötasolla. Luotettavien herätevasteiden havaittiin olevan vaihtelevia yksilöiden välillä tukien tarvetta luotettavuuden tarkasteluun yksilötasolla. Tämä väitöskirja osoitti, että eri MEG-mittarit tuottavat toisiaan täydentävää tietoa aivojen puheentuottoon liittyvistä luotettavista piirteistä. Lisäksi luotettavuutta tarkasteltaessa voi olla hyödyllistä hyödyntää aivojen toiminnallista ja rakenteellista tietoa sekä tehtäväsuoriutumista. Tämä väitöskirja myös korostaa yksilötason tarkastelun tärkeyttä luotettavuutta tutkittaessa.Description
Supervising professor
Salmelin, Riitta, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, FinlandThesis advisor
Liljeström, Mia, Dr., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, FinlandKeywords
reliability, magnetoencephalography, language production, luotettavuus, magnetoenkefalografia, puheentuotto
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Ala-Salomäki, H., Kujala, J., Liljeström, M., & Salmelin, R. (2021). Picture naming yields highly consistent cortical activation patterns: Test–retest reliability of magnetoencephalography recordings. NeuroImage, 227, 117651.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202101251509DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.117651 View at publisher
- [Publication 2]: Ala-Salomäki, H., van Vliet, M., Kujala, J., Roine, T., Liljeström, M., & Salmelin, R. Test-retest reliability of MEG functional brain connectivity related to language production. 42 pages, submitted to Imaging Neuroscience, June 2024
-
[Publication 3]: Pauls, A., Nurmi, P., Ala-Salomäki, H., Renvall, H., Kujala, J., & Liljeström, M. (2024). Human sensorimotor resting state beta events and aperiodic activity show good test–retest reliability. Clinical Neurophysiology, 163, 244–254.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406124275DOI: 10.1016/j.clinph.2024.03.021 View at publisher
-
[Publication 4]: Cotroneo, S. F., Ala-Salomäki, H., Parkkonen, L., Liljeström, M., & Salmelin, R. (2024). Extracting reproducible subject-specific MEG evoked responses with independent component analysis. Imaging Neuroscience, 2, 1–13.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202409046165DOI: 10.1162/imag_a_00182 View at publisher