Modifications of cortical activity by deep brain stimulation in advanced Parkinson's disease: an MEG study

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1610-9
Title: Modifications of cortical activity by deep brain stimulation in advanced Parkinson's disease: an MEG study
Author: Airaksinen, Katja
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Clinical Neurosciences, Neurology, Helsinki University Hospital
BioMag Laboratory, HUS Medical Imaging Center, University of Helsinki and Helsinki University Hospital
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Abstract: The aims of this PhD research were to study the feasibility of magnetoencephalography (MEG) measurements in patients with advanced Parkinson's disease (PD) treated with deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN), and to cast light onto the effects of DBS on the electrical activity of the brain. The sensitivity of MEG to magnetic fields makes the measurements of patients using electrical devices challenging because of confounding artifacts. One aim was to investigate how an artifact suppression method called spatiotemporal signal space separation (tSSS) works in the suppression of DBS artifacts. The measured MEG signals included evoked responses, spontaneous brain activity and cortico-muscular coherence (CMC) in DBS-treated PD patients. A total of 24 PD patients were included in the studies. The effect of STN-DBS was measured with DBS first being on and then turned off. CMC and corticokinematic coherence (CKC) were studied in 10 healthy subjects. The motor task for CMC and CKC was to hold the dorsiflexion of the wrist. For CMC recordings, MEG was recorded simultaneously with surface EMG over the activated extensor carpi radialis muscle. The healthy volunteers had an accelerometer sensor attached to their index fingernail for the CKC measurements. The DBS artifact reduction by tSSS enabled a reliable MEG signal analysis for most patients. The effects of DBS on the brain's electrical activity varied considerably between patients. AEF N100m amplitude increased in the right hemisphere for ipsilateral stimulation during DBS. When the DBS was on and eyes open, the source strength of the sensorimotor spontaneous MEG in the 6 10 Hz and 12 20 Hz bands correlated with the UPDRS rigidity measures. No systematic increase in CMC in the 13 25 Hz band during DBS was observed. The patients that had CMC also had the best UPDRS motor scores. The source locations of CMC and CKC in healthy subjects were overlapping and their spectral profiles resembled each other. tSSS is useful in the artifact suppression in the MEG measurements of DBS patients. Despite this, the MEG measurements of DBS patients are still challenging and need exact planning of the experimental setups and caution in the data analysis. DBS modifies cortical electrical activity, and some of these modifications correlate with the clinical improvement in PD. The accelerometer device may turn out to be a good alternative to EMG for coherence calculations even during hold tasks.Edenneessä Parkinsonin taudissa, jossa lääkehoidolla ei enää saada toivottua tehoa potilaan oireisiin, syväaivostimulaatio lievittää olennaisesti potilaiden motorisia oireita. Aivojen tyvitumakkeisiin laitetaan elektrodit, joiden kautta kohdetumakkeisiin johdetaan suuritaajuista sähköstimulaatiota. Hoidon perimmäistä vaikutusmekanismia ei vielä täysin tunneta. Magnetoenkefalografialla (MEG) voidaan tutkia aivojen sähköistä toimintaa magneettikenttiä mittaamalla. Aivojen sähkövirtojen tuottamat magneettikentät ovat hyvin heikkoja ja aivoissa sijaitseva sähköelektrodi virtalähteineen aiheuttaa merkittäviä häiriöitä MEG-mittauksiin. Tässä työssä on käytetty tSSS-menetelmää artefaktien poistamiseen aivosignaalista. Sen avulla olemme pystyneet tutkimaan syväaivostimulaation aikaansaamia muutoksia aivojen sähköisessä toiminnassa. Olemme tutkineet edennyttä Parkinsonin tautia sairastavia potilaita, joilla on syväaivostimulaattori subtalaamisissa tumakkeissa. Potilaat on mitattu MEG:llä aivostimulaattorin ollessa päällä ja poiskytkettynä. Aivojen herätevasteet ääniärsykkeille voimistuivat oikealla aivopuoliskolla ääniärsykkeen tullessa potilaiden oikeaan korvaan kun stimulaattori oli päällä. Tuntoärsykkeisiin tai aivovasteen nopeuteen stimulaatio ei mittauksissamme vaikuttanut. Syväaivostimulaatio ei systemaattisesti muuttanut aivokuoren lepotoimintaa potilaiden ollessa levossa silmät auki tai kiinni. Stimulaation aikana aivokuoren myyrytmin lähdevoimakkuus korreloi merkitsevästi potilaiden raajajäykkyyden kanssa. Aivojen ja lihaksen välistä kommunikaatiota mitattiin MEG:n ja lihaksen aktiivisuutta mittaavan EMG:n välisellä koherenssilla. Syväaivostimulaatiolla ei ollut johdonmukaista vaikutusta tähän koherenssiin. Potilailla, joilla esiintyi koherenssia beetakaistalla, oli vähemmän Parkinsonoireita kuin potilailla joilla koherenssia ei esiintynyt. Koherenssia tutkittiin yksityiskohtaisemmin terveiltä koehenkilöiltä samanaikaisesti sekä lihaksen ja MEG:n väliltä että sormeen kiinnitetyn liikeanturin ja MEG:n väliltä. Lihas- ja liikeanturisignaalien kanssa koherentit aivosignaalit paikantuivat samoille aivoalueille. Väitöskirjatyössä tSSS osoittautui toimivaksi keinoksi vähentää stimulaation aiheuttamia artefakteja mitatusta MEG-signaalista. Syväaivostimulaatio vaikuttaa aivokuoren toimintaan ja osa näistä muutoksista korreloi potilaiden oireiden kanssa. Kiihtyvyysanturi saattaa jatkossa olla vaihtoehto EMG:lle koherenssimittauksissa myös staattisen lihasaktivaation aikana.
URI: URN:ISBN:978-951-51-1610-9
http://hdl.handle.net/10138/157247
Date: 2015-11-06
Subject: Lääketiede, Neurologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
modifica.pdf 4.709Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record