Electroencephalographic functional connectivity analysis in preterm infants

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-10-27
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
74 + app. 55
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 159/2023
Abstract
Preterm birth coincides with a critical period of brain development and can disturb the early organization of both the structural network and the large-scale functional connections within it, which are imperative for normal neurocognitive development. Despite the well-mapped structural connectome, the development of the functional networks, and the effects of prematurity on them, are poorly understood. Further, recent endeavours to improve neurocritical care of preterm infants via environmental enrichment (EE) strategies exerted in the neonatal intensive care unit (NICU) lack assessment of the direct effects on their therapeutic target, functional brain networks. Scalp electroencephalography (EEG) provides a method for recording cortical activity with high temporal resolution. Functional cortico-cortical networks may be identified by estimating interareal synchronization between the phase or amplitude attributes of cortical signals from distinct brain regions with measures of functional connectivity (FC). There is extensive research on FC in adults, but studies on neonates are scarce and require specific methods adapted for the physiological and technical requirements of this population. This Thesis uses FC analysis methods optimized on neonates to study the developing functional networks on preterm populations during the neonatal period. In Study I, prematurity-related changes in FC were investigated at term age, and correlations between functional networks and later neurodevelopmental outcomes were explored. Spectrally and regionally distinct network differences were found between the cohorts, and the correlation of networks to later clinical outcomes was found to be amplified in the preterm cohort. In Study II, the effects of Family Nurture Intervention (FNI), a bedside EE intervention aiming to facilitate the parent-infant emotional contact, on functional networks were assessed at term age. The results showed a clinically relevant change in the FC levels of infants receiving FNI, which even rendered the intervention cohort comparable to a cohort of healthy term-born controls. In Study III, the development of distinct neuronal coupling modes was investigated during the neonatal period from the last trimester to the first weeks after term age. The findings indicated differential development of different coupling modes, providing developmental growth charts which are consistent with established neonatal neurophysiological mechanisms. The results together give new insight on the functional networks of preterm infants, on their longitudinal development, and on the effect of the endogenous parent-infant contact on network development. This Thesis supports FC measures as a clinically relevant tool with potential for use in both basic scientific research and clinical intervention studies in neonates.

Keskoset syntyvät keskellä aivoille kriittistä kehitysvaihetta, ja ennenaikainen syntymä voi häiritä normaalille neurokognitiiviselle kehitykselle välttämättömien rakenteellisten ja toiminnallisten aivoverkostojen muodostumista. Rakenteellisia aivoverkkoja on hyvin kartoitettu, mutta toiminnallisten verkostojen kehitystä, sekä keskosuuden vaikutusta niihin, tunnetaan vielä heikosti. Lisäksi viimeaikaisten teho-osastolle kehitettyjen ympäristöä rikastavien aistiärsykkeiden vaikutusta toiminnallisiin aivoverkkoihin on tutkittu varsin vähän. Aivojen sähköistä toimintaa voidaan mitata pinta-aivosähkökäyrätutkimuksella (elektroenkefalografia, EEG), jonka etuna on erinomainen aikaresoluutio. Toiminnallisia verkostoja voidaan havaita arvioimalla aivoalueiden välistä synkroniaa eli toiminnallista konnektiviteettia (functional connectivity), jonka laskennassa määritetään eri alueilta mitattujen signaalien vaihe- tai amplitudipiirteiden yhteneväisyyttä. Aikuisväestöllä on tehty runsaasti toiminnallisen konnektiviteetin tutkimuksia, mutta vastasyntyneillä tutkimuksia on vain vähän. Tällä populaatiolla on myös lukuisia erityispiirteitä, jotka tulee ottaa huomioon menetelmiä käytettäessä. Tässä väitöskirjassa hyödynnetään vastasyntyneille optimoituja menetelmiä toiminnallisten aivoverkostojen tutkimiseen keskospopulaatioissa. Ensimmäisessä osatyössä tutkittiin keskosuuden aiheuttamia muutoksia aivoverkoissa laskettuna aikana sekä niiden yhteyttä myöhempään neurokognitiiviseen kehitykseen. Ryhmien välillä havaittiin taajuus- ja paikkariippuvaisia verkostoeroja, ja verkostojen korrelaatio myöhempiin neurokognitiivisiin tuloksiin oli keskosryhmällä voimistunut. Toisessa osatyössä tutkittiin tehohoitojakson aikana annetun vanhemman ja keskosvauvan välisen tunneyhteyden tukemiseen tähtäävän intervention vaikutusta vauvan aivoverkostoihin laskettuna aikana. Intervention saaneiden keskosten verkostot osoittivat kliinisesti merkittävää parantumista jopa niin paljon, että näiden vauvojen aivoverkot muistuttivat täysiaikaisena syntyneiden verrokkien verkostoja. Komannessa osatyössä tutkittiin pitkittäismittauksilla toiminnallisen konnektiviteetin tyyppien kehitystä vastasyntyneisyyskaudella. Tulokset osoittivat, että eri kommunikaatiotyypeillä on ominaiset kehityskäyrät, jotka sopivat aiemmin osoitettuihin vastasyntyneiden neurofysiologisiin mekanismeihin. Väitöskirjan tulokset antavat uutta tietoa keskosten toiminnallisista aivoverkostoista, niiden kehityksestä, sekä vanhemman ja keskosen välisen tunneyhteyden vaikutuksesta niiden toimintaan. Tulokset tukevat  toiminnallista konnektiviteettia kliinisesti relevanttina työkaluna, jolla on potentiaalia niin perustutkimuksen kuin kliinisten interventioiden vaikuttavuuden tutkimuksessa vastasyntyneillä.
Description
Supervising professor
Palva, J. Matias, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
Thesis advisor
Vanhatalo, Sampsa, Prof., University of Helsinki, Finland
Tokariev, Anton, Dr., University of Helsinki, Finland
Keywords
neonatal EEG, functional connectivity, preterm infants, brain networks, vastasyntyneiden EEG, toiminnallinen konnektiviteetti, keskoset, aivoverkostot
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Yrjölä, P., Stjerna, S., Palva, J. M., Vanhatalo, S., Tokariev, A. Phasebased cortical synchrony is affected by prematurity. Cerebral Cortex, Volume 32, Issue 10, Pages 2265–227, May 2022.
    DOI: 10.1093/cercor/bhab357 View at publisher
  • [Publication 2]: Yrjölä, P., Myers, M. M., Welch, M. G., Stevenson, N. J., Tokariev, A., Vanhatalo, S. Facilitating early parent-infant emotional connection improves cortical networks in preterm infants. Science Translational Medicine, Volume 14, Issue 664, eabq4786, September 2022.
    DOI: 10.1126/scitranslmed.abq4786 View at publisher
  • [Publication 3]: Yrjölä, P., Vanhatalo, S., Tokariev, A. Neuronal coupling modes show differential development in the early cortical activity networks of human newborns. Submitted to Journal of Neuroscience, May 2023
Citation