Abstract

The dissertation consists of three peer-reviewed publications and is related to the basic research of autism spectrum disorder (ASD), especially the assessment of changes in brain function using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The purpose was to discover possible differences in cued and spontaneous brain activity in autistic child and adolescent participants compared to typically developing controls.

We used blood oxygen level dependent (BOLD) fMRI imaging of the brain, with which the participants were examined at rest and while looking at facial expressions. The resting state (RS) fMRI data artifacts were reduced, and brain networks were identified using independent component analysis. In addition, the RS was analyzed 1) over the entire measurement period using the regional homogeneity (ReHo) method, which measures local connectivity, and 2) based on the states of different brain networks grouped into shorter periods using the co-activation patterns (CAP) method. Statistically significant differences between groups were found in RS, more clearly with the CAP method. Also, significant differences in brain activity were found between the groups regarding the observation of facial expressions.

The dissertation increases the understanding of changes in brain networks related to the autism spectrum, strengthening and supplementing previous research results. Based on our results, analyses of brain networks grouped into similar activation phases of shorter duration are worth further development. The new information can help develop earlier and more accurate imaging diagnostics, tentatively recognizing possible intervention target brain networks and evaluating therapeutic effects.

Tiivistelmä

Väitöskirja koostuu kolmesta vertaisarvioidusta julkaisusta ja liittyy autismikirjon kehityshäiriön perustutkimukseen, erityisesti aivotoiminnan muutosten arviointiin toiminnallisen magneettikuvauksen (functional MRI, fMRI) avulla. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää stimuloidun ja spontaanin aivotoiminnan mahdollisia eroavaisuuksia lasten ja nuorten autismikirjossa neurotyypillisiin verrokkeihin nähden.

Tutkimusmenetelmänä käytettiin veren happipitoisuudesta riippuvaista aivojen fMRI-kuvausta, jolla osallistujia tutkittiin levossa sekä heidän katsellessaan kasvojen ilmeitä. Itsenäisten komponenttien analyysilla (ICA) vähennettiin lepotilan fMRI-datan häiriöitä ja tunnistettiin aivoverkostoja. Lisäksi lepotilaa analysoitiin 1) koko mittausjakson ajalta signaalien alueellista homogeenisuutta ts. aivojen paikallista kytkennällisyyttä mittaavalla regional homogeneity (ReHo) -menetelmällä ja 2) eri aivoverkostojen tilojen perusteella lyhyemmiksi ajanjaksoiksi ns. yhtäaikaisten aktivaatioiden kuvioihin (co-activation patterns; CAP) ryhmiteltyinä. Näissä löydettiin tilastollisesti merkittäviä ryhmien välisiä eroja, selkeämmin CAP-menetelmällä. Myös kasvojen ilmeiden tarkkailuun liittyen havaittiin tilastollisesti merkittäviä aivotoiminnan eroja ryhmien välillä.

Väitöskirja lisää ymmärrystä autismikirjoon liittyvistä aivoverkostojen muutoksista vahvistaen ja täydentäen aiempia tutkimustuloksia. Sen perusteella samankaltaisiin lyhempikestoisiin aktivaatiovaiheisiin ryhmiteltyjen aivoverkostojen analyyseja kannattaa kehittää. Uusi tieto voi auttaa varhaisemman ja tarkemman kuvantamisdiagnostiikan kehittämisessä, tarvittaessa oikeisiin aivoverkostoihin kohdennetuissa interventioissa ja niiden vaikutusten arvioinnissa ja seurannassa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Rahko, J. S., Paakki, J.-J., Starck, T. H., Nikkinen, J., Pauls, D. L., Kätsyri, J. V., Jansson-Verkasalo, E. M., Carter, A. S., Hurtig, T. M., Mattila, M.-L., Jussila, K. K., Remes, J. J., Kuusikko-Gauffin, S. A., Sams, M. E., Bölte, S., Ebeling, H. E., Moilanen, I. K., Tervonen, O., & Kiviniemi, V. (2012). Valence scaling of dynamic facial expressions is altered in high-functioning subjects with autism spectrum disorders: An fMRI study. Journal of Autism and Developmental Disorders, 42(6), 1011–1024. https://doi.org/10.1007/s10803-011-1332-8

2. Paakki, J.-J., Rahko, J., Long, X., Moilanen, I., Tervonen, O., Nikkinen, J., Starck, T., Remes, J., Hurtig, T., Haapsamo, H., Jussila, K., Kuusikko-Gauffin, S., Mattila, M.-L., Zang, Y., & Kiviniemi, V. (2010). Alterations in regional homogeneity of resting-state brain activity in autism spectrum disorders. Brain Research, 1321, 169–179. https://doi.org/10.1016/j.brainres.2009.12.081

3. Paakki, J.-J., Rahko, J. S., Kotila, A., Mattila, M.-L., Miettunen, H., Hurtig, T. M., Jussila, K. K., Kuusikko‐Gauffin, S., Moilanen, I. K., Tervonen, O., & Kiviniemi, V. J. (2021). Co‐activation pattern alterations in autism spectrum disorder–A volume‐wise hierarchical clustering fMRI study. Brain and Behavior, 11(6). https://doi.org/10.1002/brb3.2174

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version