Simultaneous EEG-fMRI in Patients with Unverricht-Lundborg Disease: Event-Related Desynchronization/Synchronization and Hemodynamic Response Analysis

We performed simultaneous acquisition of EEG-fMRI in seven patients with Unverricht-Lundborg disease (ULD) and in six healthy controls using self-paced finger extension as a motor task. The event-related desynchronization/synchronization (ERD/ERS) analysis showed a greater and more diffuse alpha desynchronization in central regions and a strongly reduced post-movement beta-ERS in patients compared with controls, suggesting a significant dysfunction of the mechanisms regulating active movement and movement end. The event-related hemodynamic response obtained from fMRI showed delayed BOLD peak latency in the contralateral primary motor area suggesting a less efficient activity of the neuronal populations driving fine movements, which are specifically impaired in ULD

EEG-informed fMRI analysis during a hand grip task: estimating the relationship between EEG rhythms and the BOLD signal.

In the last decade, an increasing interest has arisen in investigating the relationship between the electrophysiological and hemodynamic measurements of brain activity, such as EEG and (BOLD) fMRI. In particular, changes in BOLD have been shown to be associated with changes in the spectral profile of neural activity, rather than with absolute power. Concurrently, recent findings showed that different EEG rhythms are independently related to changes in the BOLD signal: therefore, it would be also important to distinguish between the contributions of the different EEG rhythms to BOLD fluctuations when modeling the relationship between the two signals. Here we propose a method to perform EEG-informed fMRI analysis where the changes in the spectral profile are modeled, and, at the same time, the distinction between rhythms is preserved. We compared our model with two other frequency-dependent regressors modeling using simultaneous EEG-fMRI data from healthy subjects performing a motor task. Our results showed that the proposed method better captures the correlations between BOLD signal and EEG rhythms modulations, identifying task-related, well localized activated volumes. Furthermore, we showed that including among the regressors also EEG rhythms not primarily involved in the task enhances the performance of the analysis, even when only correlations with BOLD signal and specific EEG rhythms are explore

Brain plasticity and stroke recovery

Brain plasticity and stroke recovery Recovery from stroke is based on the capability of the brain to reorganize its structure and function after lesion. An acute stroke triggers a cascade of time-dependent metabolic and physiological reactions, which enable changes in the organization and function of widespread cortical regions. A wide range of studies, using various functional imaging methods, have thrown light on the reorganizational changes after stroke. However, less is known about the temporal evolution of these changes and their correlation to clinical recovery. In this thesis, different aspects of neurophysiological changes related to sensorimotor recovery were studied in 18 patients with first-ever stroke in the middle cerebral artery territory, affecting upper limb motor function. Follow-up recordings of somatosensory evoked fields (SEF) and spontaneous rhythmic brain activity were performed with whole-head MEG within 1 week (T0), 1 month (T1), and 3 months (T2) after stroke with concomitant evaluation of clinical outcome. MEG suits stroke studies especially well, as it is independent from hemodynamic alterations, and the signals are practically unaffected by morbid tissue. The results indicated that the hand representation in the primary somatosensory cortex (SI) in the affected hemisphere (AH) was transiently enlarged at T1 and returned to normal size concomitantly with clinical improvement of hand function (Study I). Study II showed that the activation in the contralateral secondary somatosensory cortex (cSII) was decreased in the AH at T0 and increased during follow-up. The strength of cSII activation paralleled the recovery of hand function during the 3 months follow-up, suggesting that cSII may be an important region in mediating the somatosensory input to the motor cortex. The results in Study III indicated that afferent-input-modulated motor cortex excitability was increased in the AH in the acute phase after stroke and decreased during follow-up in association with recovery of hand function. Study IV showed that the ~10-Hz oscillations were enhanced in the AH at T1 and T2. Moreover, pathological perilesional low-frequency oscillations were detected in 7/16 patients at T0, and the low-frequency oscillations persisted for at least 3 months in 4 patients. These 4 patients had a worse clinical outcome at T2 than the rest of the patients. The results indicate that even small lesions can cause widespread neurophysiological changes in the cortical network. Certain brain regions, such as SII, seem to be specifically important for the recovery of hand function. The results underline the importance of parallel recovery of the somatosensory and motor systems for fluent hand function. The most evident neurophysiological changes were observed within 1 month after stroke in parallel with steepest improvement of clinical recovery, suggesting that the first 4 weeks are critical for functional recovery.Aivojen muovautuvuus ja aivoinfarktista toipuminen Aivoinfarkti on yksi merkittävimmistä pysyvää invaliditeettia aiheuttavista sairauksista länsimaissa. Vaikka aivoinfarktin akuuttihoito on viime vuosina kehittynyt merkittävästi, aktiivinen kuntoutus on edelleen merkittävin potilaan toipumiseen vaikuttava tekijä. Aivoinfarktista kuntoutuminen perustuu aivojen kykyyn muovautua ja sopeutua ympäristön aiheuttamiin muutoksiin. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että aivovaurion jälkeiset muovautumismuutokset ovat välttämättömiä toipumiselle, mutta edelleen tiedetään varsin vähän siitä, miten muutokset kehittyvät toipumisen myötä ja miten ne korreloivat kuntoutumiseen. Tässä väitöskirjassa tutkittiin magnetoenkefalografian (MEG) avulla, minkälaisia muutoksia akuutti aivoinfarkti aiheuttaa aivojen liike- ja tuntoaivokuorien toiminnassa, ja miten nämä muutokset vaikuttavat potilaan halvausoireista toipumiseen. Erityisesti keskityttiin siihen, miten tuntoaistijärjestelmän vauriot vaikuttavat liikkeen suoritukseen ja mitkä mekanismit vastaavat tunto- ja liikeaivokuorien välisestä tiedonkulusta. Tutkimuksessa seurattiin MEG mittauksin 18 elämänsä ensimmäiseen aivoinfarktiin sairastunutta potilasta, joilla aivoinfarkti aiheutti yläraajan halvausoireen. Potilailta tutkittiin aivojen tuntoherätevasteiden ja rytmisen toiminnan muutoksia viikon sisällä, 1 ja 3 kuukautta sairastumisesta. Kliinistä toipumista seurattiin useilla toimintakykyä mittaavilla testeillä. Tulokset osoittivat, että käden edustusalue sairastuneen aivopuoliskon primaarisella tuntoaivokuorella laajenee ensimmäisen kuukauden aikana. Toipumisen myötä edustusalue palautui normaaliksi 3:n kuukauden seuranta-aikana. Aiemmat eläinkokeet ovat osoittaneet, että edustusalueiden muutokset aivoissa liittyvät ennen kaikkea uuden oppimiseen eikä pelkästään jo osatun taidon toistamiseen. Näin ollen käden edustusalueen laajeneminen saattaa olla yhteydessä motorisen taidon uudelleenoppimiseen ja edustusalueen palautuminen normaaliksi voisi kuvastaa jo opitun taidon ylläpitämistä. Lisäksi tutkimustulokset osoittivat, että aivojen tuntoaivoverkostossa tapahtuu korjaavia muutoksia toipumisen myötä. Tietyt aivoalueet vaikuttivat erityisen tärkeiltä käden motoriselle toipumiselle. Esimerkiksi sekundaarisen tuntoaivokuoren aktivaation voimakkuus kasvoi merkittävästi seurantamittauksissa; ja aktivaation voimakkuus korreloi käden toimintakyvyn paranemiseen. Tulokset osoittivat myös, että tuntoaivokuorelta saapuva palaute vaikuttaa merkittävästi liikeaivokuoren toiminnan palautumiseen vaurion jälkeen. Tulokset alleviivaavat tunto- ja liikeaivoverkoston yhteistoiminnan tärkeyttä käden motorisessa toipumisessa. Suurimmat neurofysiologiset muutokset olivat havaittavissa kuukauden sisällä aivoinfarktiin sairastumisesta, korostaen ensimmäisten 4:n viikon tärkeyttä kuntoutuksessa

Aivojen muovautuvuus ja aivoinfarktista toipuminen

Brain plasticity and stroke recovery Recovery from stroke is based on the capability of the brain to reorganize its structure and function after lesion. An acute stroke triggers a cascade of time-dependent metabolic and physiological reactions, which enable changes in the organization and function of widespread cortical regions. A wide range of studies, using various functional imaging methods, have thrown light on the reorganizational changes after stroke. However, less is known about the temporal evolution of these changes and their correlation to clinical recovery. In this thesis, different aspects of neurophysiological changes related to sensorimotor recovery were studied in 18 patients with first-ever stroke in the middle cerebral artery territory, affecting upper limb motor function. Follow-up recordings of somatosensory evoked fields (SEF) and spontaneous rhythmic brain activity were performed with whole-head MEG within 1 week (T0), 1 month (T1), and 3 months (T2) after stroke with concomitant evaluation of clinical outcome. MEG suits stroke studies especially well, as it is independent from hemodynamic alterations, and the signals are practically unaffected by morbid tissue. The results indicated that the hand representation in the primary somatosensory cortex (SI) in the affected hemisphere (AH) was transiently enlarged at T1 and returned to normal size concomitantly with clinical improvement of hand function (Study I). Study II showed that the activation in the contralateral secondary somatosensory cortex (cSII) was decreased in the AH at T0 and increased during follow-up. The strength of cSII activation paralleled the recovery of hand function during the 3 months follow-up, suggesting that cSII may be an important region in mediating the somatosensory input to the motor cortex. The results in Study III indicated that afferent-input-modulated motor cortex excitability was increased in the AH in the acute phase after stroke and decreased during follow-up in association with recovery of hand function. Study IV showed that the ~10-Hz oscillations were enhanced in the AH at T1 and T2. Moreover, pathological perilesional low-frequency oscillations were detected in 7/16 patients at T0, and the low-frequency oscillations persisted for at least 3 months in 4 patients. These 4 patients had a worse clinical outcome at T2 than the rest of the patients. The results indicate that even small lesions can cause widespread neurophysiological changes in the cortical network. Certain brain regions, such as SII, seem to be specifically important for the recovery of hand function. The results underline the importance of parallel recovery of the somatosensory and motor systems for fluent hand function. The most evident neurophysiological changes were observed within 1 month after stroke in parallel with steepest improvement of clinical recovery, suggesting that the first 4 weeks are critical for functional recovery.Aivojen muovautuvuus ja aivoinfarktista toipuminen Aivoinfarkti on yksi merkittävimmistä pysyvää invaliditeettia aiheuttavista sairauksista länsimaissa. Vaikka aivoinfarktin akuuttihoito on viime vuosina kehittynyt merkittävästi, aktiivinen kuntoutus on edelleen merkittävin potilaan toipumiseen vaikuttava tekijä. Aivoinfarktista kuntoutuminen perustuu aivojen kykyyn muovautua ja sopeutua ympäristön aiheuttamiin muutoksiin. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että aivovaurion jälkeiset muovautumismuutokset ovat välttämättömiä toipumiselle, mutta edelleen tiedetään varsin vähän siitä, miten muutokset kehittyvät toipumisen myötä ja miten ne korreloivat kuntoutumiseen. Tässä väitöskirjassa tutkittiin magnetoenkefalografian (MEG) avulla, minkälaisia muutoksia akuutti aivoinfarkti aiheuttaa aivojen liike- ja tuntoaivokuorien toiminnassa, ja miten nämä muutokset vaikuttavat potilaan halvausoireista toipumiseen. Erityisesti keskityttiin siihen, miten tuntoaistijärjestelmän vauriot vaikuttavat liikkeen suoritukseen ja mitkä mekanismit vastaavat tunto- ja liikeaivokuorien välisestä tiedonkulusta. Tutkimuksessa seurattiin MEG mittauksin 18 elämänsä ensimmäiseen aivoinfarktiin sairastunutta potilasta, joilla aivoinfarkti aiheutti yläraajan halvausoireen. Potilailta tutkittiin aivojen tuntoherätevasteiden ja rytmisen toiminnan muutoksia viikon sisällä, 1 ja 3 kuukautta sairastumisesta. Kliinistä toipumista seurattiin useilla toimintakykyä mittaavilla testeillä. Tulokset osoittivat, että käden edustusalue sairastuneen aivopuoliskon primaarisella tuntoaivokuorella laajenee ensimmäisen kuukauden aikana. Toipumisen myötä edustusalue palautui normaaliksi 3:n kuukauden seuranta-aikana. Aiemmat eläinkokeet ovat osoittaneet, että edustusalueiden muutokset aivoissa liittyvät ennen kaikkea uuden oppimiseen eikä pelkästään jo osatun taidon toistamiseen. Näin ollen käden edustusalueen laajeneminen saattaa olla yhteydessä motorisen taidon uudelleenoppimiseen ja edustusalueen palautuminen normaaliksi voisi kuvastaa jo opitun taidon ylläpitämistä. Lisäksi tutkimustulokset osoittivat, että aivojen tuntoaivoverkostossa tapahtuu korjaavia muutoksia toipumisen myötä. Tietyt aivoalueet vaikuttivat erityisen tärkeiltä käden motoriselle toipumiselle. Esimerkiksi sekundaarisen tuntoaivokuoren aktivaation voimakkuus kasvoi merkittävästi seurantamittauksissa; ja aktivaation voimakkuus korreloi käden toimintakyvyn paranemiseen. Tulokset osoittivat myös, että tuntoaivokuorelta saapuva palaute vaikuttaa merkittävästi liikeaivokuoren toiminnan palautumiseen vaurion jälkeen. Tulokset alleviivaavat tunto- ja liikeaivoverkoston yhteistoiminnan tärkeyttä käden motorisessa toipumisessa. Suurimmat neurofysiologiset muutokset olivat havaittavissa kuukauden sisällä aivoinfarktiin sairastumisesta, korostaen ensimmäisten 4:n viikon tärkeyttä kuntoutuksessa