Uusia neurofysiologisia menetelmiä Risto Ilmoniemi Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos Aalto-yliopisto BioMag-laboratorio, HUS Meilahden sairaala Nexstim Oyj, perustaja AVH-päivät, Heureka, Vantaa, 3.4.2019
Aiemmin kehitettyä EEG (Berger 1924, 1929) MEG (Cohen 1968, 1971) TMS (Barker et al. 1985)
Aiheita tänään Navigoitu TMS (ntms) TMS EEG Monipaikka-TMS OPM-tekniikka MEG MRI Luotettavuus Toistettavuus Tarkkuus Algoritminen säätö
Taustaa MEG 1981 mtms 1986 E-nTMS 1993 TMS EEG 1996 MEG MRI, 2006
Navigoitu TMS TMS = Transkraniaalinen magneettistimulaatio
Navigoitu TMS Tarkkuus 3 10 mm Toistettavuus 1 2 mm FDA-hyväksyntä USA:ssa Courtesy of Thomas Picht Ilmoniemi & Grandori 1993 Ruohonen & Karhu 2010 Karhu et al. 2014 Sollmann et al. 2016 Hannula & Ilmoniemi 2017
Prekirurginen paikannus HAND (APB, ADM) Foot (TA) Tumor Tumor Craniotomy Foot (TA) Thomas Picht, Neurosurgery, Charité, Berlin
TMS EEG Aivostimulaation vaikutuksen mittaus EEG:llä Ilmoniemi et al. NeuroReport 1997 1996
Perturb-and-Measure (PAM) technique Cortical excitability, connectivity, state of the cortex! Ilmoniemi et al. NeuroReport 1997 Kähkönen et al. NeuroImage 2001 Komssi et al. Clin. Neurophysiol. 2002 Nikulin et al. Eur. J. Neurosci. 2003 Komssi et al. Hum. Brain Mapp. 2004 Kähkönen et al. Clin. Neurophysiol. 2004 Bender et al. Ann. Neurol. 2005 Massimini et al. Science 2005 Ilmoniemi & Kicic Brain Topogr. 2010 Mäki & Ilmoniemi NeuroImage 2011 Hanna Mäki Thesis 2011 Hernandez-Pavon et al. J. Neurosci. Meth. 2012 Mutanen et al. Brain Stim. 2012 Mutanen et al. Front. Hum. Neurosci. 2013 Metsomaa et al. J. Neurosci. Meth. 2014 Julio Hernandez Pavon Thesis 2015 Johanna Metsomaa Thesis 2017
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan (5 ka) 2010
Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) TMS:n vaikutus
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m)
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 )
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 ) è Solukalvo depolarisoituu (10 mv)
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 ) è Solukalvo depolarisoituu (10 mv) è Ionikanavia avautuu
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 ) è Solukalvo depolarisoituu (10 mv) è Ionikanavia avautuu è Aktiopotentiaaleja
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 ) è Solukalvo depolarisoituu (10 mv) è Ionikanavia avautuu è Aktiopotentiaaleja è Signaalit etenevät
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 ) è Solukalvo depolarisoituu (10 mv) è Ionikanavia avautuu è Aktiopotentiaaleja è Signaalit etenevät è Synapsiaktivaatio https://www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/neuron-nervous-system/a/the-synapse
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 ) è Solukalvo depolarisoituu (10 mv) è Ionikanavia avautuu è Aktiopotentiaaleja è Signaalit etenevät è Synapsiaktivaatio è Postsynaptisia virtoja
TMS:n vaikutus Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 ma/mm 2 ) è Solukalvo depolarisoituu (10 mv) è Ionikanavia avautuu è Aktiopotentiaaleja è Signaalit etenevät è Synapsiaktivaatio è Postsynaptisia virtoja è Herätepotentiaaleja (TEP)
Source-Space-Utilizing Noise Cancellation (SOUND) Mutanen, Metsomaa, Liljander & Ilmoniemi, NeuroImage 2018
Perusteellinen johdatus aivosignaalien syntyyn ja analyysiin
Tulossa Inom kort TMS fmri Jane ja Aatos Erkon säätiö 2018 2020 R. Ilmoniemi (Aalto) ja O. Gröhn (UEF)
Next Big Thing Monipaikka-TMS (Multi-locus TMS) Takaisinkytketty stimulaatio Monipaikkasekvenssit Automatisoitu TMS-skannaus Kytkeytyminen aivojen dynaamiseen järjestelmään ( Connect to Brain ) ERC Synergy project 2019 2025 (Aalto, Tübingen, Chieti)
Tyrkkää juuri oikealla hetkellä On tarkkailtava stimuloitavaa kohdetta ja tyrkättävä oikealla hetkellä ja oikeaan paikkaan
Koko pään mtms -yritelmä 1996
5-kanavainen monipaikka-tms Koponen et al. (2018)
Monipaikka-TMS: 2017 Tarkkuus Koponen, Nieminen & Ilmoniemi. Brain Stimulation 2018
Millimetritarkkuus 1000 MEP amplitude (µv) - 500 0-15 -10-5 0 5 10 15 Position of E-field maximum [mm]
Vaikka pää liikkuu, stimulus menee samaan kohtaan
Sähkökentän elektroninen pyöritys
Sähkökentän suunta vs. MEPi-amplitudi 13 koehenkilöä APB-lihas 110% RMT Normalized MEPs Souza, Nieminen, Tugin, Koponen, Baffa & Ilmoniemi, Brain Stimulation 2019
Takaisinkytketty TMS (Closed-loop TMS) Courtesy of GL Romani et al.
Taiteilijan näkemys tulevaisuuden mtms:stä Stimulation of nearby targets at millisecond-scale intervals
Work in Progress OPM-tekniikka OPM = Optically pumped magnetometer
OPM MEG in Aalto University Adjustable sensor helmet Optical co-registration with MRIs Dynamic compensation of residual fields Iivanainen NeuroImage, Zetter, Groen, Hakkarainen, Parkkonen, NeuroImage 2019.
OPM MEG: Gamma-band responses Dynamic visual stimulus 9 OPM sensors (QuSpin) above the occipital cortex Courtresy of Lauri Parkkonen
OPM MEG: Gamma-band Single-channel time frequency representation responses Source estimate (DICS beamformer) Stimulus on N trial = 100 Iivanainen, Zetter, Helle & Parkkonen. In prep.
MEG MRI Tarkuus ja luotettavuus Uudenlaista tietoa kudoksesta matalakenttä-mri:llä
Magnetoenkefalografia 1971 David Cohen Alpha-rhythm: 2.5 pt D. Cohen, Science 175, 664 666 (1972)
Pioneerityötä Espoon Otaniemessä 1974 HS 04.02.1973 Fetal MCG K. Hukkinen, V. Kariniemi, V. Kariniemi, T. Katila, J. Ahopelto, H. Laine, P. Karp, and R. Lukander, T. Katila P. Mäkipää J. Perin. Med. Am. J. Obstet. (1974) Gynecol. (-76) Magnetooculogram Toivo Katila
MEG-kehitys Suomessa 1981 1983 SQUIDs 7 4 1987 7 1989 24 1993 122 1999 306 Ilmoniemi, Proc. XV Annual Conf. Finnish Phys. Soc. (Turku 1981), p. 8:12. Ilmoniemi et al., A four-channel SQUID magnetometer for brain research, Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 58, 467 473 (1984). Knuutila et al., A large-area low-noise seven-channel dc SQUID magnetometers for brain research, Rev. Sci. Instrum 58, 2145 2156 (1987). Ahlfors et al., A 24-SQUID gradiometer for magnetoencephalography, Physica B 165 & 166, 97 98 (1990). Ahonen et al., 122-channel SQUID instrument for investigating the magnetic signals from the human brain. Phys. Scr. T49, 198 205, (1993)
Neuromag Oy (perustettu 1989) Myöhemmin Elekta Oy Nyt MEGIN (York Instruments) Epilepsia Leikkausta edeltävä aivoalueiden paikannus 2017
FET Open project 2016 19 Yhdistetty MEG ja MRI + = MEG MRI MEG-MRI Aalto-yliopisto Physikalisch-Technische Bundesanstalt Berlin University of Chieti Pescara VTT HUS
Ultramatalien kenttien MRI McDermott et al., PNAS 2004 1. SQUIDs - Hyvä signaali myös pienillä Larmor-taajuuksilla 2. Prepolarisaatio Courtesy of John Clarke
RESULTS Magn. Reson. Med. 69:1795 1804 (2013)
MEG MRI Aalto-yliopistossa 48
MEG-demonstraatio hybridilaitteella Checkerboard stimulus presented in the lower left visual quadrant Interstimulus interval 1 s Average of 100 responses Measurement time < 2 min Field pattern and inverse solution Spherical conductor model 80 ms after the stimulus onset 49
Ens.aivokuvat ultramatalissa kentissä v. 2012 50
MEG MRI: lähiajan näkymät Kohinan pudotus 4 0.4 ft Prepolarisaatio 22 110 mt DynaCAN (Zevenhoven) 2020 => Mittausajat < 10 min, resoluutio < 2 mm, T1-kontrasti: hyvä Present Next generation Koos Zevenhoven, unpublished 51
Erinomaisia tutkijoita ja opiskelijoita MEG MRI Koos Zevenhoven Antti Mäkinen Iiro Lehto Marko Havu Leevi Kähkönen Mikko Luukinen Tiu Aarnio Jukka Rissanen Jaakko Nieminen Lari Koponen Markus Toivonen Aino Tervo Victor Hugo Souza Heikki Sinisalo Lauri Parkkonen Joonas Iivanainen Rasmus Zetter Matti Stenroos Mikael Groen Karoliina Hakkarainen TMS technology, methodology and applications Selja Vaalto Karita Salo Minna Pitkänen Sergei Tugin Johanna Metsomaa Tuomas Mutanen Niko Mäkelä Baran Aydogan Pantelis Lioumis Timo Roine
Aiheita tänään Navigoitu TMS (ntms) TMS EEG Monipaikka-TMS OPM-tekniikka MEG MRI Luotettavuus Toistettavuus Tarkkuus Algoritminen säätö