Aivotoiminnan mittaaminen magnetoenkefalografialla

Transkriptio

1 Aivotoiminnan mittaaminen magnetoenkefalografialla ELEC-A Biologisten ilmiöiden mittaaminen 1 Kaisu Lankinen, DI Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos Systems and Clinical Neuroscience -group

2 Luennon aiheet 1. Aivotoiminnan mittaaminen 2. Magnetoenkefalografia (MEG) 3. MEG:n mittaaminen 4. MEG:n analyysi 5. Laboratoriovierailu ja raportointi 2

3 Ihmisaivot Aivojen perusyksikköjä ovat hermosolut eli neuronit Hermosoluja on n kpl, ja ne muodostavat n kpl yhteyksiä toisiinsa Hermosolujen liitoskohdissa informaatio kulkee kemiallisesti ja yksittäisissä hermosoluissa sähköisesti 3

4 Ihmisaivot Risto Ilmoniemi: Aivojen rakenne ja toiminta 4

5 Ihmisaivojen tehtäviä Sensorisen informaation käsittely (esim. näkö, kuulo, tuntoaisti) Tiedon varastointi Tiedon käsittely ja tuottaminen Kehon liikkeiden kontrollointi Puheen tuottaminen Kommunikointi ympäristön ja toisten ihmisten kanssa 5

6 Ihmisaivojen rakenne Aivojen eri osat ovat usein keskittyneet tietynlaisen tiedon prosessointiin Eri osat muodostavat keskenään verkostoja 6

7 Aivotoiminnan mittaaminen Aivokuvantamisen avulla voidaan tutkia aivojen toimintaa kajoamattomasti (eiinvasiivisesti) pään ulkopuolelta Rakenteellinen ja toiminnallinen kuvaus en.wikipedia.org 7

8 Yleisimpiä aivokuvantamismenetelmiä Magneettikuvaus (MRI), Toiminnallinen magneettikuvaus (fmri) Elektroenkefalografia(EEG) Magnetoenkefalografia (MEG) Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) ani.aalto.fi en.wikipedia.org into.aalto.fi 8

9 Magnetoenkefalografian perusteet Magnetoenkefalografialla mitataan hermosolujen toiminnan synnyttämiä magneettikenttiä Electricity induces magnetic fields also in the brain 9

10 MEG-signaalin synty Magnetoenkefalografialla mitataan hermosolujen toiminnan synnyttämiä magneettikenttiä Courtesy of Lauri Parkkonen Aivokuori Hermosolu Aksoni Dendriitit Synapsi 10

11 MEG-signaalin synty Courtesy of Lauri Parkkonen Postsynaptisista virroista syntyvät magneettikentät ovat hyvin pieniä Tarvitaankin riittävän suuri populaatio yhtäaikaisesti aktivoituvia hermosoluja (~10 000), sekä niiden summautumista spatiaalisesti ja ajallisesti, jotta syntyvä kenttä voidaan mitata Tyypillisesti syntyvät magneettikentät ovat luokkaa ft (10 15 Tesla), mikä on n. 100 miljoonaa kertaa pienempi kuin maan magnettikenttä 11

12 MEG:n instrumentointi Koska aivojen synnyttämät magneettikentät ovat erittäin pieniä, tarvitaan erityisen herkkiä sensoreita signaalin mittaamiseksi Earth: ~10 Brain: ~10 SQUID (superconducting quantum interference device) 269 C 12

13 Courtesy of Lauri Parkkonen MEG:n instrumentointi Tyypillisesti 306 sensoria, jotka on järjestetty koko pään kattavasti Sensorilokaatioita 102 kpl Jokaisessa yksikössä 3 kpl: 2 kpl gradiometrejä + 1 magnetometri, jotka mittaavat magneettikentän eri komponentteja Courtesy of Mika Seppä 13

14 MEG-mittauksen häiriöt Koska aivojen synnyttämät magneettikentät ovat hyvin pieniä, laitteisto on sijoitettava suojahuoneen sisälle Suojahuone koostuu mu-metallista ja alumiinista, ja suojaa ympäristön magneettikentiltä Esim. liikenne, voimalinjat, hissit yms. 14

15 Muita häiriölähteitä Silmänliikkeet, lihasjännitys, hengitys, sydämen toiminta Kehossa olevat metalliesineet (esim. hammasraudat) Brain noise, aivojen taustaaktivaatio Mittauslaitteiston häiriöt, esim. elektroniikka 15

16 MEG:n ominaisuuksia Ei-invasiivinen ja turvallinen, voidaan toistaa mittauksia rajattomasti Ajallinen tarkkuus erinomainen (ms), paikkatarkkuus muutama mm MEG:llä voidaan mitata pääasiassa vain aivokuoren pinnalla olevia lähteitä 16

17 MEG:n käyttö tutkimuksessa Stimuli: visual, auditory, tactile, social... Tasks: attend, respond, play, interact... Analysis: localisation, fine timecourse, activity across different frequencies, coherence across parts of brain Data: event-related or continuous measurement 17

18 MEG:n yleisimpiä kliinisiä sovelluksia Epilepsia Aivoalueiden paikannus Mäkelä et al., HBM 2001 Hari et al., 1993 Muita esim. kipu- ja aivohalvaustutkimukset 18

19 MEG:n mittaaminen Mitattavan henkilön valmistelu: ei magneettista materiaalia vaatteissa tai kehossa Pään paikan rekisteröinti suhteessa sensoreihin keloilla MEG-lähteet voidaan yhdistää MRI-kuviin, vaatii myös rekisteröintiä Courtesy of Lauri Parkkonen 19

20 MEG-analyysin perusteita 20

21 MEG-analyysin perusteita Perinteinen tapa tutkia aivojen toimintaa MEG:llä on käyttää erilaisia ärsykkeitä (esim. ääni-, tunto- tai visuaalisia) Aivot reagoivat ärsykkeisiin, ja synnyttävät ärsykkeestä riippuen tyypilliseen vasteen (herätevaste) Suuri määrä ärsykkeitä keskiarvoistetaan kohinan poistamiseksi, ja selkeän signaalin saamiseksi Ft/cm 21

22 MEG-analyysin perusteita N = 1 N = 5 Suuri määrä ärsykkeitä keskiarvoistetaan kohinan poistamiseksi N = 20 N = 100 Time (ms) 22

23 Herätevasteanalyysi Aivovasteen muoto ja amplitudi voivat muuttua stimuluksen manipuloinnin tai koehenkilön tilan seurauksena MEG:n erinomainen aikaresoluutio (millisekunteja) mahdollistaa nopeiden aivoprosessien tutkimisen Lisäksi voidaan tutkia aktivoituvien aivoalueiden sijaintia kullakin ajanhetkellä 23

24 Kuuloherätevaste Courtesy of Riitta Hari 24

25 SIIL Tuntoherätevaste SII R 81 ms 94 ms 200 ft/cm SIL 200 ms Simoes et al. PNAS ms Median nerve stimulus at the right wrist Courtesy of Riitta Hari 25

26 mne-tools.github.io Lähdepaikannus Yksinkertaisimmissa malleissa lähdettä aivoissa voidaan kuvata dipolilla, joka sovitetaan kenttäjakaumaan Monimutkaisemmissa malleissa lähteitä voidaan kuvata mm. jakaumalla (esim. minimum-norm estimates) 26

27 MEG-analyysin nykytilanne Lankinen et al., 2014 Mandel et al.,

28 Laboratoriovierailu ja mittausdemo

29 Mittausdemo Työn sisältö ja tarkoitus: Tutustutaan MEG-laboratorioon ja sen laitteistoon Demonstroidaan, kuinka tyypillinen yksinkertainen MEGmittaus tehdään Mitataan aivovasteita toistuvaa ääniärsykettä käyttämällä Laboratoriokäynnistä ja mittauksista tehdään arvosteltava ryhmäraportti 29

30 Tapaamispaikka Nanotalo, aula Puumiehenkuja 2A, Otaniemi Paikalla ajoissa! Jos et löydä, soita: (Kaisu) 30

31 Raportointi Mittauksista palautetaan ryhmäraportti, joka arvostellaan asteikolla 1 5 Jokainen ryhmän jäsen saa saman arvosanan Raportoinnin tehtävät annetaan laboratoriovierailun yhteydessä Raportissa kysymyksiä MEG-mittauksista sekä pieni data-analyysitehtävä Palautus MyCourses:iin viimeistään ma

32 Valmistautuminen Mittausdemossa on mahdollista olla mitattavana koehenkilönä Mitattava hlö valmistellaan mittausta varten seuraavasti: Koehenkilön vaatetus tulee olla ei-magneettinen (ei esim. metallisia vetoketjuja tai vöitä). Laboratoriosta voi myös lainata ei-magneettisia asuja mittauksen ajaksi Koehenkilön päähän kiinnitetään teipillä kelat pään paikannusta varten Mittauksen aikana koehenkilö istuu MEGlaitteessa, suojahuoneen sisällä, ovi suljettuna mittauksen ajaksi Varsinainen mittaus kestää n. 5 min 32

33 Kysymyksiä?