Inter-subject correlation during natural viewing with on-scalp MEG

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2021-12-13

Department

Major/Subject

Biomedical Engineering

Mcode

SCI3059

Degree programme

Master’s Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

60+8

Series

Abstract

Magnetoencephalography (MEG) is a functional brain imaging modality measuring the subtle magnetic fields generated by electrical brain activity. Superconducting quantum interference device (SQUID) sensors have been generally used in MEG, but they require cryogenic temperatures to operate. Thus, highly effective thermal insulation between the sensors and the scalp is needed. Optically-pumped magnetometers (OPMs) are sensitive-enough magnetometers without the need for extreme cooling. Therefore, less thermal insulation is needed, and the OPMs can be placed closer to the brain. Using natural stimuli, such as movies, is a growing trend in neuroimaging. Earlier, the stimulus has been highly controlled and simplified, whereas dynamic and complex natural stimuli may bring the measurements closer to real-life circumstances. Inter-subject correlation (ISC) is a data-driven analysis method commonly used in studies with naturalistic stimuli, measuring the temporal synchronicity of the brain activity across subjects. In this thesis, ten subjects were measured with OPM-based MEG while freely viewing a 12-minute clip from the movie \emph{Forrest Gump} twice. 15 OPM sensors were used, located above the visual and auditory cortices. The ISC values were computed as correlations between amplitude envelopes of activity in corresponding source points in the brain for each subject pair and for six frequency bands. ISCs were calculated both for the entire stimulus duration, and dynamically using a 10-s sliding window. Theta, alpha and beta frequencies showed statistically significant average ISC during movie viewing compared to resting state, enhanced in the occipital regions. The results also show that ISC was reduced during the second viewing of the movie clip, most likely due to decreased subject engagement to the stimulus. Gamma activity produced only little correlation. The temporal fluctuations of ISC during the stimulus were assessed using the sliding window data. Some suggestions for the future would include an OPM helmet more comfortable for the subject, measurements with larger sensor coverage, and comparison of the measured data to other free-viewing datasets of the same movie.

Magnetoenkefalografia (MEG) on toiminnallinen aivokuvantamismenetelmä, joka mittaa sähköisen aivotoiminnan aikaansaamia magneettikenttiä. Tähän asti MEG-mittauksissa on käytetty SQUID-antureita (superconducting quantum interference device), mutta niiden käyttö vaatii erittäin alhaisen lämpötilan sekä tehokkaan lämmöneristyksen. OPM-anturit (optically pumped magnetometer) ovat riittävän herkkiä magnetometrejä, jotka eivät vaadi äärimmäisen kylmiä lämpötiloja toimiakseen. Siten myöskään lämmöneristykselle ei ole tarvetta, joten OPM-anturit voidaan asettaa lähemmäs aivoja. Luonnolliset ärsykkeet, kuten elokuvat, ovat kasvattaneet suosiotaan aivotutkimuksen parissa. Perinteisesti aivotutkimuksissa käytetyt ärsykkeet ovat olleet yksinkertaistettuja ja kontrolloituja. Luonnolliset ärsykkeet tarjoavat näille dynaamisemman ja monimutkaisemman vaihtoehdon. Koehenkilöiden välinen korrelaatio on analyysimenetelmä, joka sopii hyvin käytettäväksi luonnollisten ärsykkeiden yhteydessä. Sillä mitataan eri koehenkilöiden aivovasteiden välistä samankaltaisuutta. Tässä diplomityössä koehenkilöiden aivotoimintaa mitattiin OPM-antureilla samalla, kun he katselivat vapaasti 12 minuutin kestoista pätkää elokuvasta \emph{Forrest Gump} kahdesti. Käytössä oli 15 OPM-anturia, jotka oli aseteltu aivojen näkö- ja kuuloalueiden ylle. Koehenkilöiden väliset korrelaatiot laskettiin MEG-signaalien verhokäyrien välillä kussakin lähdepisteessä, koko ärsykkeen ajalta sekä kymmenen sekunnin liikkuvaa aikaikkunaa hyödyntäen kuudelle taajuuskaistalle. Elokuvankatselu tuotti theta-, alpha- ja beta-taajuuksilla merkittäviä korrelaatioita lepomittaukseen verrattuna. Toinen katselukerta tuotti pienempiä korrelaatioita kuin ensimmäinen, mikä todennäköisesti johtui koehenkilöiden vähentyneestä mielenkiinnosta ärsykettä kohtaan. Gamma-taajuus tuotti hyvin pieniä korrelaatioita. Liikkuvaa aikaikkunaa käytettiin koehenkilöiden välisen korrelaation ärsykkeen aikaisten vaihteluiden tarkasteluun. Tulevaisuudessa olisi suositeltavaa käyttää koehenkilön kannalta mukavampaa OPM-kypärää sekä mitata suuremmalla määrällä antureita.

Description

Supervisor

Parkkonen, Lauri

Thesis advisor

Pfeiffer, Christoph

Keywords

magnetoencephalography, OPM, on-scalp MEG, inter-subject correlation, natural stimuli, movies

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021121910839

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI