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–

TMS–EEG 1996–

mTMS 1986– E-nTMS 1993–

MEG–MRI, 2006–

Navigoitu TMS

TMS = Transkraniaalinen magneettistimulaatio

• Tarkkuus 3–10 mm • Toistettavuus 1–2 mm • FDA-hyväksyntä USA:ssa

Ilmoniemi & Grandori 1993 Ruohonen & Karhu 2010 Karhu et al. 2014 Sollmann et al. 2016 Hannula & Ilmoniemi 2017

Courtesy of Thomas Picht

Navigoitu TMS

Prekirurginen paikannus

Tumor

HAND(APB,ADM)

Foot(TA)

Foot (TA)

Tumor

ThomasPicht,Neurosurgery,Charité,Berlin

Craniotomy

TMS–EEG

1996

Aivostimulaation vaikutuksen mittaus EEG:llä

Ilmoniemi et al. NeuroReport 1997

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

TMS:n vaikutus

Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla)

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/mm2)

TMS:n vaikutus

Virtapulssi TMS-kelaan è B-field (1 tesla) è E-field (100 V/m) è Sähkövirta kudoksessa (0.1 mA/mm2) 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/mm2) 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/mm2) 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/mm2) 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/mm2) 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/mm2) 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/mm2) 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

Koponen et al. (2018)

5-kanavainen monipaikka-TMS

Monipaikka-TMS:

Tarkkuus

Koponen, Nieminen & Ilmoniemi. Brain Stimulation 2018

2017

Koponen, Lari M., Jaakko O. Nieminen, and Risto J. Ilmoniemi. "Multi-locus transcranial magnetic stimulation—theory and implementation." Brain stimulation 11.4 (2018): 849-855.

Millimetri- tarkkuus

0

500

1000

1500

-15 -10 -5 0 5 10 15

-

PositionofE-fieldmaximum[mm]MEPamplitu

de(µ

V)

Vaikka pää liikkuu, stimulus menee samaan kohtaan

Sähkökentän elektroninen pyöritys

Sähkökentän suunta vs. MEPi-amplitudi

Souza, Nieminen, Tugin, Koponen, Baffa & Ilmoniemi, Brain Stimulation 2019

•  13 koehenkilöä •  APB-lihas •  110% RMT

Normalized MEPs

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

9.

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 responses

Iivanainen, Zetter, Helle & Parkkonen. In prep.

Stimulus on Ntrial = 100

Source estimate (DICS beamformer)

Single-channel time–frequency representation

MEG–MRI

•  Tarkuus ja luotettavuus •  Uudenlaista tietoa kudoksesta matalakenttä-MRI:llä

Magnetoenkefalografia

•  David Cohen

•  Alpha-rhythm: 2.5 pT

1971

D. Cohen, Science 175, 664–666 (1972)

HS 04.02.1973

K. Hukkinen, V. Kariniemi, T. Katila, H. Laine, R. Lukander, P. Mäkipää Am. J. Obstet. Gynecol. (-76)

Fetal MCG V. Kariniemi, J. Ahopelto, P. Karp, and T. Katila J. Perin. Med. (1974)

Magnetooculogram

Pioneerityötä Espoon Otaniemessä 1974

Toivo Katila

MEG-kehitys Suomessa

1983

4

1987

7

1989

24

1993

122

1999

306 SQUIDs

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)

1981 7

Neuromag Oy (perustettu 1989) Myöhemmin Elekta Oy

Nyt MEGIN (York Instruments) •  Epilepsia •  Leikkausta edeltävä

aivoalueiden paikannus

2017

2016–19

Yhdistetty MEG ja MRI

MRI MEG

+ =

MEG-MRI

•  Aalto-yliopisto •  Physikalisch-Technische Bundesanstalt Berlin •  University of Chieti–Pescara

•  VTT •  HUS

FET Open project

1.  SQUIDs - Hyvä signaali myös pienillä

Larmor-taajuuksilla 2.  Prepolarisaatio

Ultramatalien kenttien MRI

McDermott et al., PNAS 2004

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)

=> Mittausajat < 10 min, resoluutio < 2 mm, T1-kontrasti: hyvä

Present Next generation

2020

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 Lauri Parkkonen Joonas Iivanainen Rasmus Zetter Mikael Groen Karoliina Hakkarainen

Jaakko Nieminen Lari Koponen Markus Toivonen Aino Tervo Victor Hugo Souza Heikki Sinisalo Matti Stenroos

Selja Vaalto Karita Salo Minna Pitkänen Sergei Tugin Johanna Metsomaa Tuomas Mutanen Niko Mäkelä Baran Aydogan Pantelis Lioumis Timo Roine

TMS technology, methodology and applications

Aiheita tänään

•  Navigoitu TMS (nTMS) •  TMS–EEG •  Monipaikka-TMS •  OPM-tekniikka •  MEG–MRI

Luotettavuus Toistettavuus

Tarkkuus Algoritminen säätö