University of Oulu

Integrating near-infrared spectroscopy to synchronous multimodal neuroimaging : applications and novel findings

Saved in:
Author: Korhonen, Vesa
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Medicine
Medical Research Center Oulu
Oulu University Hospital
Format: ebook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 6.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526214146
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-11-22
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium 7 of Oulu University Hospital (Kajaanintie 50), on 2 December 2016, at 12 noon
Tutor: Docent Vesa Kiviniemi
Docent Teemu Myllylä
Reviewer: Docent Jaana Hiltunen
Doctor Ilkka Nissilä
Opponent: Docent Raimo Silvennoinen
Description:

Abstract

Brain disorders such as epilepsy, dementia and other mental illnesses induce increasing costs on health care systems with aging populations. The most effective treatment of these disorders would be either prevention or intervention of the disorder before irreversible damage develops. However, despite the increased interest in different brain diseases, many of them are still detected too late. One reason for this is the lack of appropriate functional imaging modality that can critically sample the targeted physiological phenomenon. Furthermore, it has been shown that one imaging modality is not enough to cover brain functionality properly; a multimodal approach is required.

The main goal of this thesis was to validate near-infrared spectroscopy (NIRS) for brain measurement and to integrate it into a multimodal neuroimaging setup that can critically sample basic human physiological phenomena. A novel key element was the combined use of NIRS with ultra-fast magnetic resonance encephalography (MREG), electroencephalography (EEG), continuous non-invasive blood pressure and anesthesia monitoring as a synchronous system. This unique multimodal neuroimaging set-up with a new functional magnetic resonance imaging sequence, MREG, can sample human brain physiology at 10 Hz sampling rate without cardiorespiratory aliasing.

The implemented setup was successfully used in scanning multiple patient and control populations. With the help of critical sampling rate, non-stationarity between the measured signals reflecting brain pulsations could be detected. Combined NIRS and EEG showed the capability to monitor therapeutic opening of the blood-brain barrier during treatment of central nervous system lymphoma for the first time in humans. Furthermore, our multimodal neuroimaging setup enabled the mapping of the recently described brain avalanches and glymphatic pulsation mechanisms of the brain.

In conclusion, the ultra-fast multimodal laboratory with integrated NIRS offers novel and more comprehensive views on basic brain physiology. The measures from this thesis also have the potential to offer new, quantitative biomarkers for the detection of different brain disorders prior to irreversible damage.


Tiivistelmä

Aivosairaudet kuten epilepsia, dementia ja muut mielenterveyden häiriöt aiheuttavat kasvavissa määrin kuluja ikääntyvien ihmisten terveydenhuollossa. Näiden tautien tehokkain hoitokeino olisi joko ennaltaehkäisy tai varhainen havaitseminen ennen peruuttamattomien kudosvaurioiden kehittymistä. Lisääntyneestä kiinnostuksesta huolimatta monet aivosairaudet havaitaan edelleen liian myöhään. Osasyy tähän on sopivan toiminnallisen kuvausmenetelmän puuttuminen, jolla voitaisiin kuvata haluttu fysiologinen ilmiö riittävän nopeasti. Onkin osoitettu, ettei yksittäinen kuvausmenetelmä riitä aivojen toiminnan riittävän tarkkaan ymmärtämiseen, vaan siihen tarvitaan eri menetelmien yhdistämistä.

Tämän väitöskirjatutkimuksen päätarkoituksena oli arvioida lähi-infrapunaspektroskopian (NIRS) soveltuvuutta aivojen toiminnan mittaamisessa sekä integroida se osaksi multimodaalista neurokuvantamisjärjestelmää. Uutena elementtinä NIRS:iä käytettiin yhdessä ultranopean magneettiresonanssienkefalogrammin (MREG), aivosähkökäyrän (EEG), jatkuva-aikaisen kajoamattoman verenpaineen mittauksen ja anestesiamonitoroinnin kanssa samanaikaisesti, ajallisesti synkronoituna. Yhdessä uuden toiminnallisen magneettikuvaussekvenssin, MREG:n, kanssa tällä ainutlaatuisella multimodaalisella neurokuvantamisjärjestelmällä voidaan kuvata ihmisen aivojen perusfysiologiaa 10 Hz näytteistysnopeudella ilman sydämen sykkeen ja hengityksen laskostumista.

Toteutetulla multimodaalisella mittausjärjestelmällä tehtiin useita onnistuneita kuvauksia eri potilasryhmillä ja terveillä koehenkilöillä. Kriittisen näytteistämisen ansiosta voitiin havaita epästationaarisuutta aivojen pulsaatioita heijastelevien signaalien välillä. NIRS:n ja EEG:n samanaikainen mittaaminen mahdollisti ensimmäistä kertaa ihmisen veriaivoesteen aukeamisen monitoroinnin keskushermostolymfoomapotilaiden hoidossa. Lisäksi multimodaalinen neurokuvantamisjärjestelmä mahdollisti hiljattain havaittujen aivojen vyöryjen (engl. avalanches) ja glymfaattisten pulsaatioiden kartoittamisen.

Yhteenvetona voidaan todeta, että väitöskirjatyön aikana toteutettu multimodaalinen laboratorio yhdessä NIRS:n kanssa mahdollistaa aivojen perusfysiologian edistyksellisen ja tarkan tutkimisen. Nyt kehitetyt mittarit saattavat myös tarjota uusia, kvantitatiivisia biomarkkereita eri aivosairauksiin ennen vakavien vaurioiden syntymistä.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-1414-6
ISBN Print: 978-952-62-1413-9
Issue: 1392
Subjects:
EEG
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.