Mild traumatic brain injuries (mTBI) are common, and while most patients recover well, there is a minority of patients suffering from prolonged symptoms lasting over three months. Pathological processes provoke low-frequency (0.5 - 7 Hz) oscillatory brain activity, measurable with electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG). After mTBI, low frequency activity (LFA) is hypothesized to arise from cortical neurons suffering from de-afferentation after traumatic axonal injury. The natural evolution and prognostic value of low-frequency activity (LFA) measured with MEG, however, is not yet firmly established and reliable biomarkers for cognitive complaints after mTBI are lacking.
The aim of this thesis was to examine the occurrence and natural evolution of low frequency activity (LFA) after mild traumatic brain injury (mTBI), and to assess its prognostic value in predicting those with prolonged symptoms. Additionally, we wanted to examine the effect of mTBI to brain oscillatory activity during cognitive tasks and find indicators for altered processing.
The existence of LFA in healthy subjects might, however, hamper its’ diagnostic value. Therefore, in Study I we created a reference database of resting-state oscillatory brain activity and observed LFA in only 1,4% of healthy subjects’ MEG recordings. The Study II assessed the occurrence and evolution of LFA in resting-state MEG recordings of mTBI patients. At a single-subject level, 7/26 patients presented aberrant 4–7 Hz (theta) band activity; 3/7 patients with abnormal theta activity were without any detectable lesions in MRI. Of the twelve patients with follow-up measurements, five showed abnormal theta activity in the first recording, but only two in the second measurement, implying the importance of early measurements in clinical settings. The presence of LFA was not, however, correlated with the prevalence of self-reported symptoms.
The Study III concentrated on the modulation of oscillatory activity during cognitive tasks, Paced Auditory Serial Addition Test (PASAT) and a vigilance test. Attenuation of cortical activity at alpha band (8 – 14 Hz) during PASAT compared with rest was stronger in patients than in controls (p≤0.05, corrected). Furthermore, the patients presented significant attenuation of oscillatory activity also in the left superior frontal gyrus and right prefrontal cortices which was not detected in controls. Spectral peak amplitudes of areal mean oscillatory activity at the alpha band were negatively correlated with the patients’ neuropsychological performance (p<0.01, uncorrected). Areal alpha frequency modulation during PASAT compared with rest was altered in patients: While the alpha peak frequency increased occipitally and remained stable parietally in controls, it was stable occipitally and decreased parietally in mTBI patients (p=0.012).
According to our studies, LFA, especially theta-band oscillatory activity can provide an early objective sign of brain dysfunction after mTBI, and cortical oscillatory activity during a demanding cognitive task (PASAT) is altered after mTBI. Our observations suggest that both aberrant theta-band activity and the altered alpha activity during cognitive tasks may offer clinically relevant indicators of changes in neural processing after mTBI.Aivovamma on aivojen rakenteellinen tai toiminnallinen vaurio, joka syntyy kun päähän kohdistuu voimakas ulkoinen energia, tai äkillinen kiihtyvyys-hidastuvuusvoima (kuten äkkipysäyksissä). Aivovamma aiheuttaa tajunnanhäiriön tai muun neurologisen oireiston, joka voi olla ohimenevä tai pysyvä. Lievät aivovammat ovat yleisiä, ja vaikka suurin osa loukkaantuneista toipuu hyvin, kärsii pieni vähemmistö pitkäaikaisista jälkioireista. Lievä aivovamma ei aina aiheuta todennettavia diagnostisia muutoksia, eikä siitä toipumista ennustavia tekijöitä juuri tunneta.
Aivosairaudet, myös aivovammat, muuttavat aivojen sähköistä toimintaa ja aiheuttavat matalataajuista rytmistä toimintaa (0.5 – 7 Hz), joka voidaan tunnistaa aivosähkökäyrän (EEG) tai magnetoenkefalografian (MEG) avulla. Aivovamman jälkeisen hidasaaltotoiminnan ajatellaan johtuvan hermosolujen viejähaarakkeiden vaurion aiheuttamasta hermosolujen poikkeavasta sähköisestä toiminnasta.
Koska lievän- keskivaikean aivovamman todentaminen voi olla vaikeaa, tutkimme MEG:n mahdollisuuksia diagnostiikan apuvälineenä. Hidasaaltotoiminnan esiintyminen terveillä henkilöillä voisi vähentää löydöksen diagnostista merkitystä vamman jälkeen. Sen vuoksi selvitimme poikkeavan hidasaaltotoiminnan esiintyvyyttä 139:llä terveellä koehenkilöllä ja havaitsimme poikkeavia hidasaaltoja vain kahdella (1.4%). Lievän aivovamman saaneista 26:sta potilaasta hidasaaltotoimintaa (4-7 Hz) esiintyi 7:llä (27%). Kolmella heistä ei pystytty havaitsemaan poikkeavia muutoksia aivojen rakenteellisessa magneettikuvauksessa. Seurantamittaus kuuden kuukauden kuluttua saatiin tehtyä 12 potilaalle. Heistä viidellä (42%) havaittiin hidasaaltotoimintaa ensimmäisessä mittauksessa, mutta seurantamittauksessa vain kahdella. Aikainen mittausajankohta vamman jälkeen vaikuttaa siten parantavan tutkimuksen herkkyyttä. Alkuvaiheen hidasaaltotoiminta ei vaikuttanut ennustavan mahdollisen jälkioireiston kehittymistä, mutta pieni otoskoko vaikeuttaa löydöksen arvioimista.
Tarkkaavaisuuden ja muistin häiriöt ovat tavallisimpia oireita aivovamman jälkeen. Tästä syystä tarkastelimme myös muisti- ja tarkkaavaisuustehtävien vaikutusta potilaiden aivojen rytmiseen toimintaan ja mahdollisten muutosten yhteyttä havaittuihin oireisiin. Havaitsimme haastavan muistitehtävän aikana potilaiden rytmisen toiminnan vaimentuvan lepotilanteeseen verrattuna voimakkaammin ja useammilla alueilla ns. alfa-taajuuskaistalla (8-14 Hz) kuin kontrollihenkilöiden. Rytmisen toiminnan voimakkaampi vaimentuminen potilailla oli yhteydessä parempaan neuropsykologiseen testisuoriutumiseen. Myös alueelliset huipputaajuudet käyttäytyivät eri tavoin kontrollihenkilöillä ja potilailla. Kontrollihenkilöillä tehtävän aikana takaraivolohkon alfa-taajuus nousi päälakilohkon taajuuden pysyessä vakaana verrattuna lepotilaan. Potilailla tehtävän aikana alfataajuus käyttäytyi päinvastoin; takaraivolohkon alfa-taajuus säilyi ennallaan, mutta päälakilohkon huipputaajuus laski verrattuna lepotilaan.
Tutkimuksemme perusteella pian vamman jälkeen todettava hidasaaltotoiminta voi osoittaa objektiivisesti aivotoiminnan häiriön. Potilailla aivojen rytminen toiminta vaativan kognitiivisen tehtävän aikana erosi kontrolleista. Havaintojemme perusteella sekä hidasaaltotoiminnan esiintyminen, että rytmisen toiminnan muuntuminen kognitiivisten tehtävien aikana voivat jatkossa tarjota kliinisesti merkityksellisiä välineitä arvioitaessa tiedonkäsittelyn tehottomuutta lievän aivovamman jälkeen. Lisätutkimukset laajemmalla aineistolla havaintojemme vahvistamiseksi ovat tarpeellisia aivovamman diagnostiikan kehittämiseksi
