Search

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has become a leading tool in the evaluation of the human brain function. In fMRI the activation induced blood oxygenation changes in the brain can be detected with an inherent blood oxygen level dependent (BOLD) contrast. Even small blood oxygen fluctuations in a resting brain can be depicted with the BOLD contrast. This thesis focuses on characterizing spontaneous oxygenation fluctuations of the brain by using BOLD fMRI. The effects of anesthetics on blood oxygen fluctuations were assessed in 38 children and 12 adults. The spatial distribution, frequency, synchrony, and statistical independence of the spontaneous oxygenation changes were analyzed. The role of imaging artifacts in the generation of BOLD signal fluctuations was investigated. The study aimed to develop and compare methods of detecting the nondeterministic oxygenation fluctuations of the brain. VLF BOLD signal fluctuation in the brain cortex is induced by physiological oscillation instead of imaging artifacts. This study shows for the first time how the power and synchrony of very low frequency (VLF

$\textbf{Background:}$ The association between prenatal exposure to maternal cigarette smoking (PEMCS) and adult cognition is debated, including if there are differences according to sex. We aimed to determine if there are associations between PEMCS and cognition in early adulthood in men and women and examine if observed associations were mediated by adolescent mental health factors that are associated with cognition, namely psychotic-like experiences (PLEs), inattention and hyperactivity, and other externalizing behaviors. $\textbf{Methods:}$ Participants were 471 individuals drawn from the general population-based Northern Finland 1986 Birth Cohort (NFBC 1986) followed up from pregnancy and birth to early adulthood; individuals with PEMCS were matched with those without PEMCS by socioeconomic and demographic factors. Cognitive performance in adulthood was assessed with a range of tests and their association with PEMCS was measured by sex using hierarchical linear regression, unadjusted and then controlling for potential confounders, mediators and moderators, including adolescent mental health factors. $\textbf{Results:}$ There were no associations between PEMCS and cognitive scores in females. In males, there were associations with vocabulary (beta = -0.444, 95% CI: -0.783, -0.104) and matrix reasoning (beta = -0.379, 95% CI: -0.711, -0.047). $\textbf{Conclusions:}$ While associations between PEMCS and cognition were limited, observed findings with measures of general intelligence in males contribute to suggestions of differences in response to PEMCS by sex. Furthermore, observed associations may be partly mediated by earlier inattention and hyperactivity. Findings add support to efforts aimed to eliminate smoking in pregnancy.

Neurological brain diseases induce increasing costs in health care around the world. Epilepsies are one of the most common neurological diseases globally. While seizure-freedom is achieved in a majority of patients with proper treatment, epilepsy can still be refractory to antiepileptic medication and can cause impaired quality of life and premature death compared to the general population. In clinical diagnostic work-up, the unpredictable and temporary nature of epileptic activity in the brain with several different specified and still unknown etiologies can make the precise localization of the epileptic foci difficult. A new pathophysiological theory behind epilepsies focuses on neuron-glia interactions and an impeccably functioning blood–brain barrier supporting the homeostasis for unhindered brain functionality. Cerebrospinal fluid is driven by brain pulsations via Aquaporin-4 in the brain and plays a critical role in supporting the water channels balance. Recently developed fast functional neuroimaging methods can be used to study whether this homeostasis is disturbed in patients with focal-onset epilepsy. Additionally, the fast functional MRI sequence, ultra-fast magnetic resonance encephalography (MREG), offers a method for differentiating distinct frequency brain pulsations. Previous evidence with intracranial electroencephalography has shown that respiration directly affects epileptic activity and brain function altogether. Thus, respiratory brain pulsations measured by MREG were a focus of particular interest in comparisons between patients with focal-onset epilepsy and healthy controls in this study, totaling 40and 102 subjects, respectively, gathered during 2012–2020 in Oulu, Finland and Freiburg, Germany. Additionally, we introduce data from 22 patients with new-onset seizure gathered in Oulu, Finland, allowing the exclusion of the potential effect of antiepileptic medication as a cause of the observed changes in observable brain pulsations. In conclusion, the methodology used in this study showed increased intrinsic respiratory brain pulsations in focal-onset epilepsy, offering a novel hypothesis of mechanisms behind the disease. Additionally, these pulsations were increased only at an individual level in epilepsy patients. Naturally, future comparative studies with current imaging studies and modalities will clarify the role and value of MREG in localizing the epileptogenic zone. These results could be explained by the transition in brain glymphatic water convection, which reciprocally affects potassium channels and, thus, brain electrophysiological homeostasis. This finding might at least partly explain the incomplete response to treatment in intractable epilepsy since a remedy to solute the clearance does not yet exist. Tiivistelmä Neurologiset aivosairaudet aiheuttavat alati kasvavia kustannuksia terveydenhuollolle eri puolilla maailmaa. Epilepsiat ovat yksi yleisimmistä neurologisista sairauksista maailmanlaajuisesti. Vaikka suurimmalla osalla potilaista saavutetaan kohtauksettomuus, epilepsia voi kuitenkin olla vaikea, jolloin asianmukaisesta lääkehoidostahuolimatta potilaalle aiheutuu merkittävää elämänlaadun alentumista ja kohonnut riskiennenaikaiselle kuolemalle verrattuna muuhun väestöön. Kliinisessä diagnostiikassa aivojen epileptisen toiminnan ennalta-arvaamattomuus ja kohtauksellisuus useiden tunnettujen ja tuntemattomien syiden vuoksi voi aiheuttaa haasteita epileptisen toiminnanpaikallistamiseen aivokudoksessa. Uusi patofysiologinen teoria epilepsian taustalla keskittyy hermosolujen ja sen tukikudoksen, eli neuronien ja glian vuorovaikutukseen ja veriaivoesteen toimintaan aivojen homeostaasin säilyttämiseksi. Aivo-selkäydinnesteen liikettä ajavat aivoissa tapahtuvat pulsaatiot, jotka Akvaporiini-4 kanavien välityksellä ylläpitävät aivojenvesikanavien tasapainoa. Uudella toiminnallisella neurokuvantamismenetelmällä voidaan tutkia, ovatko homeostaasia ylläpitävät aivojen pulsaatiot häiriintyneet paikallis-alkuisessa epilepsiassa. Lisäksi käytetty ultranopea magneettiresonanssienkefalogrammi (MREG), tarjoaa tutkimusmenetelmän eri taajuuksilla tapahtuvien aivopulsaatioidenerottamiseksi toisistaan. Aikaisemmin on osoitettu kallonsisäisillä aivosähkökäyrämittauksilla, että hengityksellä on suora vaikutus epileptiseen aivotoimintaan ja sen aktiivisuuteen. Tämän vuoksi MREG:lla mitatut aivojen hengityspulsaatiot olivat tutkimuksessa erityisenkiinnostuksen kohteena vertailtaessa paikallis-alkuista epilepsiaa sairastavia potilaita ja terveitä kontrolleja, joita kerättiin vuosien 2012–2020 aikana vastaavasti yhteensä 40 ja 102 kappaletta Oulussa ja Freiburgissa Saksassa. Lisäksi esittelemme Oulussa kerätyn 22 tuoreen kohtauspotilaan aineiston, joka mahdollisti lääkityksen vaikutuksenpoissulkemisen aivojen pulsaatioihin. Yhteenvetona voidaan todeta, että käytetty menetelmä osoitti aivojen hengityspulsaatioiden muuttuneen paikallisalkuisessa epilepsiassa tarjoten uuden hypoteettisenmekanismin epilepsian syynä. Lisäksi havaitsimme pulsaatioiden muuttumisen paikallisesti yksilöllisellä tasolla. Luonnollisesti tulevaisuudessa tarvitaan lisää komparatiivisia tutkimuksia eri modaliteettien välillä vertailemaan MREG:n hyödyllisyyttä epileptogeenisen alueen paikantamisessa. Saadut tulokset voidaan selittää aivojen muuttuneella glymfaattisen veden puhdistumalla, joka vaikuttaa aivokudoksessa vastavuoroisestikaliumkanaviin ja siten elektrofysiologiseen tasapainoon. Tämä voisi mahdollisesti selittää osittaista hoitovastetta vaikeassa epilepsiassa, koska glymfaattiseen puhdistumaan vaikuttavia hoitoja ei toistaiseksi ole käytössä.

Schizophrenia and other psychotic disorders are severe and disabling mental disorders that break out during early adulthood, often when a person is in his/her early 20s. Furthermore, functional decline in many cognitive areas, including the ability to communicate in social interactions and impaired facial expression recognition, is typical to patients with schizophrenia. Understanding the risk factors of psychosis is essential as these disorders may be more amenable to treatment in their early stages. However, recognition of those at the highest risk of psychosis is challenging as no definitive biomarkers are available. Functional MRI is a promising tool that can potentially identify neural signals relating to the individual’s risk of psychosis onset. Psychotic disorders are etiologically heterogeneous disorders — both environmental and genetic factors have been linked to the onset of psychotic disorders. The most influential risk factor for a psychotic disorder is familial risk with genetic loading. The present study examines whether familial risk of psychosis (FR), the polygenic risk score for schizophrenia (PRS) and early adversity associate with brain response to faces. We used fMRI to measure blood oxygen level dependent (BOLD) response to faces. Our study showed that FR associated with deviant prefrontal cortex BOLD responses. In addition, we detected that interregional BOLD signal and grey matter volume varied as a function of PRS; the lowest functional and structural covariance was detected in individuals with high PRS. We also detected that early adversities associated with brain response to faces and that this association varied as a function of glucocorticoid receptor gene expression. Our findings indicate that the above risk factors of psychosis associate with brain response to faces. Tiivistelmä Skitsofrenia ja muut psykoosisairaudet ovat vakavia mielenterveyden häiriöitä, jotka puhkeavat usein nuorella aikuisiällä. Eräs tyypillinen piirre psykoosisairauksille on vaikeus tunnistaa muiden ihmisten kasvonilmeitä. Psykoosisairauksien riskitekijöiden ymmärtäminen on tärkeää, sillä hoito tehoaa parhaiten sairastumisen alkuvaiheessa. Suurimmassa psykoosivaarassa olevien henkilöiden tunnistaminen on kuitenkin haastavaa, sillä luotettavia tautiin liittyviä biomarkkereita ei ole saatavilla. Toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI) on lupaava työkalu, jolla saattaa olla tulevaisuudessa käyttöarvoa psykoosivaaraan liittyvien aivomuutosten tunnistamisessa. Etiologialtaan psyykoosisairaudet ovat heterogeenisiä: sekä ympäristö että perinnölliset tekijät vaikuttavat yksilön sairastumisriskiin. Voimakkain riskitekijä on suvullinen psykoosialttius. Tässä osajulkaisuväitöskirjassa tutkitaan suvullisen psykoosialttiuden, skitsofrenian polygeenisen riskipisteen (PRS) sekä varhaisten vastoinkäymisten yhteyttä aivojen kasvonilmeitä tulkitsevaan järjestelmään. Tutkimuksessa on hyödynnetty fMRI-kuvausta kasvonilmestimuluksen aikana. Tutkimuksessamme suvullinen psykoosialttius oli yhteydessä etuotsalohkon fMRI-signaalimuutoksiin. Tämän lisäksi havaitsimme, että kasvonilmejärjestelmän fMRI-signaalin ja harmaan aineen kovarianssi oli yhteydessä PRS:ään: matalin aivoalueiden välinen korrelaatio havaittiin henkilöillä, joiden PRS oli korkea. Havaitsimme myös, että varhaiset vastoinkäymiset ovat yhteydessä kasvonilmeiden aikaansaamiin aivovasteisiin. Tämä assosiaatio oli myös yhteydessä glukokortikoidireseptorin geenin ilmentymiseen. Väitöskirjan löydökset viittaavat siihen, että edellä mainitut psykoosin riskitekijät ovat yhteydessä kasvonilmeitä tulkitsevaan järjestelmään.

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.

Brain activity fluctuations occur in multiple spatial and temporal scales. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has shown that infra slow fluctuations (ISF) of blood oxygen level-dependent signal (BOLD) are organized into well-defined areas called resting state networks (RSN). ISFs have also been detected in full-band EEG (fbEEG) data and in recent years, many have combined these two modalities to enable more accurate measurements of brain fluctuations. In simultaneous EEG-fMRI measurements the ISFs of BOLD signal have been found to be correlated with amplitude envelopes of faster electrophysiological data, suggesting the same underlying neuronal dynamics. Also direct correlations have been found in task related studies but not previously in resting state studies. Understanding the relation between EEG and BOLD signal in resting state might prove beneficial in the research of baseline activity fluctuations of the brain. Functional connectivity (FC) of the RSNs has been found to vary in different tasks and in some diseases, but also in resting state in healthy people. Despite numerous studies, no clear cause for these variations has yet been found. To research these open questions we performed simultaneous fbEEG-fMRI studies. The measurements from both modalities were analyzed with independent component analysis to improve the comparability of these results. Correlation analysis revealed that the EEG ISFs correlate with BOLD signal both temporally and spatially. These correlations showed spatiotemporal variability that was related to the strength of RSN functional connectivity. These results indicate that the ISFs of EEG and BOLD reflect a common source of fluctuations. The understanding of the correlations between ISFs in EEG and fMRI BOLD signals gives basic information of brain dynamics and of the variables that affect it. A better understanding of the background of brain activity helps in the development of more effective treatments for various neurological diseases as the knowledge of the mechanisms behind them grows. The ability to measure RSN activity with EEG more accurately can help in the development of new methods for early diagnosis of diseases. Tiivistelmä Aivojen toiminta vaihtelee monissa avaruudellisissa ja ajallisissa mittakaavoissa. Toiminnallisissa magneettikuvauksissa (TMK) on havaittu, että veren happipitoisuudesta riippuvan (engl. BOLD) signaalin erittäin hitaat vaihtelut ovat järjestäytyneet hyvin määriteltyihin alueisiin, joita kutsutaan lepotilahermoverkostoiksi. Erittäin hitaita vaihteluita on havaittu myös täysikaistaisesta aivosähkökäyrästä (fbEEG). Viime vuosina nämä kaksi menetelmää on usein yhdistetty tarkemman mittaustuloksen aikaansaamiseksi. Samanaikaisissa EEG-TMK-mittauksissa BOLD signaalin erittäin hitaiden vaihteluiden on huomattu korreloivan nopeampien elektrofysiologisten värähtelyjen amplitudien verhokäyrien kanssa, mikä viittaa samaan perustana olevaan neuraaliseen dynamiikkaan. Myös suoria korrelaatioita on löydetty tehtäviin liittyvissä tutkimuksissa, mutta ei aiemmin lepotilatutkimuksissa. Lepotilan EEG:n ja BOLD-signaalin suhteen ymmärrys voi osoittautua hyödylliseksi aivojen perustilan aktiivisuuden vaihteluiden tutkimisessa. Hermoverkostojen toiminnallisen liittyvyyden on todettu huojuvan tietyissä tehtävissä ja joissain sairauksissa, mutta myös lepotilassa terveillä henkilöillä. Runsaasta tutkimuksesta huolimatta ei liittyvyyden huojunnalle ole vielä löytynyt selkeää aiheuttajaa. Näiden avoimien kysymysten tutkimiseksi suoritimme yhdenaikaisia fbEEG-TMK-mittauksia. Kummankin modaliteetin mittaustuloksia analysoitiin itsenäisten komponenttien analyysillä tulosten vertailtavuuden parantamiseksi. Korrelaatioanalyysit osoittivat, että EEG:n erittäin hitaat vaihtelut korreloivat ajallisesti ja avaruudellisesti TMK:n BOLD-signaalin kanssa. Näissä korrelaatioissa esiintyi sekä paikkaan että aikaan liittyvää huojuntaa, joka oli yhteydessä lepotilahermoverkostojen toiminnallisen liittyvyyden vahvuuteen. Nämä tulokset viittaavat siihen, että samat tekijät tuottavat EEG:n ja TMK:n BOLD-signaalien hitaat vaihtelut. EEG:n ja TMK:n signaalien erittäin hitaiden vaihteluiden välisen korrelaation ymmärtäminen antaa perustason tietoa aivojen toiminnan dynamiikasta sekä siihen vaikuttavista tekijöistä. Parempi ymmärrys aivotoiminnan taustoista auttaa kehittämään tehokkaampia hoitoja neurologisiin sairauksiin, kun tieto mekanismeista niiden takana tarkentuu. Mahdollisuus mitata lepotilahermoverkostojen toimintaa EEG:llä aiempaa tarkemmin voi auttaa kehittämään uusia menetelmiä sairauksien varhaiseen diagnostiikkaan.

Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is the second most common neurodegenerative disease leading to early-onset dementia with an estimated worldwide prevalence of 10 to 30 cases per 100000 individuals in the age group of 46 to 65 years. Behavioral variant frontotemporal dementia (bvFTD) is the most common FTLD subtype. It is characterized by a progressive deterioration of behavior and personality as well as executive dysfunction. In Finland, almost 50 % of familial FTLD cases are attributable to the C9ORF72 mutation. bvFTD is associated with a characteristic pattern of brain atrophy detectable in structural MRI. However, these changes are typically not visible in the early stages of the disease. Resting-state functional MRI (RS-fMRI) is being increasingly used to evaluate changes in functional connectivity within neuronal networks in the brain but only a few RS-fMRI investigations of bvFTD patients have been published with inconsistent results. The object of this thesis was to investigate functional connectivity changes detected in the salience (SLN) and default mode networks (DMN) in bvFTD. Another aim was to clarify the role of other cognitive resting-state networks in this disease. A cohort of 26 bvFTD patients was studied, with 8 of these patients carrying the C9ORF72 expansion. Connectivity changes were detected in multiple clinically relevant cognitive networks. Decreased functional connectivity was observed in the SLN, which is associated with guiding of behavior. Increased activity was present in the DMN and the dorsal attention network (DAN). In C9ORF72 associated bvFTD, there was an abnormal linkage detected between the DMN and the thalamus. Currently, fMRI is generally used as a research tool and in a group setting. Different study methods have been used in the literature and also in the studies of this thesis, the analysis procedures differed to some extent. The variety of analysis methods may explain the heterogeneity in fMRI findings in bvFTD patients. There is a need for standardization of the fMRI methodology, larger study groups and also in the future the methodology should be improved so that single patient analysis would provide results to allow a confident diagnosis of this disease. Tiivistelmä Otsa-ohimolohkorappeuma (Frontotemporal lobar degeneration, FTLD) on toiseksi yleisin etenevä dementiaan johtava sairaus, joka ilmaantuu usein jo työikäisenä. Otsalohkodementia on otsa-ohimolohkorappeuman yleisin alamuoto, jonka oireisto painottuu persoonan ja käyttäytymisen muutoksiin sekä toiminnan ohjauksen ongelmiin. Suomessa C9ORF72-toistojaksomutaatio selittää lähes 50 % perinnöllisistä otsa-ohimolohkorappeumista. Aivojen rakenteellisella magneettikuvauksella (MK) voidaan havaita rakenteellisia muutoksia, jotka ilmaantuvat kuitenkin vasta taudin edettyä vaikeampaan vaiheeseen. Aivojen lepotilan toiminnallinen magneettikuvaus (TMK) mahdollistaa aivojen hermoverkkojen toiminnan eli konnektiviteetin kartoituksen. Aiemmin TMK:a on tutkittu esim. Alzheimerin taudissa. Otsalohkodementiassa TMK:sta on julkaistu ainoastaan yksittäisiä tutkimuksia ja tulokset ovat olleet osin ristiriitaisia. Väitöskirjatutkimuksen tarkoituksena on ollut selvittää valve-lepotilan hermoverkossa ja olennaisen tunnistavassa hermoverkossa tapahtuvia muutoksia otsalohkodementiaa sairastavilla potilailla. Toisena tavoitteena on ollut tutkia muissa kognitiivisissa hermoverkoissa tapahtuvia muutoksia. Otsalohkodementiaa sairastaville potilaille (n= 26) sekä ikä- ja sukupuolivakioiduille kontrolleille on tehty kliininen tutkimus ja rakenteellinen sekä toiminnallinen aivojen magneettikuvaus. Kahdeksalla potilaalla todettiin C9ORF72-toistojaksomutaatio. Useiden kognitiivisten hermoverkkojen toiminnassa havaittiin muutoksia, jotka korreloivat potilaiden kliinisiin oireisiin. Alentunutta konnektiviteettia todettiin olennaisen tunnistavassa hermoverkossa, joka osallistuu käyttäytymisen säätelyyn. Lisääntynyttä konnektiviteettia esiintyi valve-lepotilan hermoverkossa ja tarkkaavaisuus hermoverkossa. Potilailla, joilla on C9ORF72-mutaatio, havaittiin epänormaali yhteys valve-lepotilan hermoverkon ja talamuksen välillä. TMK:ta käytetään tällä hetkellä lähinnä tutkimustyökaluna. Analyysityökaluissa on ollut vaihtelevuutta eri julkaisuissa ja osin myös tämän väitöskirjan osatöissä. Julkaistut TMK-löydökset otsalohkodementiassa ovat osin ristiriitaisia ja se saattaa selittyä erilaisilla analyysimenetelmillä. Metodologiaa tulisi standardisoida ja lisäksi tarvitaan suurempia potilasryhmiä ja menetelmien kehittämistä, jotta TMK:n käyttö yksilötason kliinisessä diagnostiikassa olisi jatkossa mahdollista.

Neuropsychiatric illnesses usually become overtly manifest in adolescence and early adulthood. A critical long-term aim is to be able to prevent the development of such illnesses, which requires instruments to identify subjects at high risk of illness and to offer them effective interventions. There is an indisputable need for more sophisticated methods to enable more precise detection of adolescents and young adults who are at high risk of developing psychosis. Abnormal function in brain networks has been reported in people with schizophrenia and other psychotic disorders. Similar abnormalities have been found also in people at risk for developing psychosis, but it is not known whether this applies also to spontaneous resting state activity in young people with a familial risk for psychosis. We conducted resting-state functional MRI (R-fMRI) in 72 (29 male) young adults with a history of psychosis in one or both parents (FR) but without psychosis themselves, and 72 (29 male) similarly healthy control subjects without familial risk for psychosis. Both groups in the Oulu Brain and Mind study were drawn from the Northern Finland Birth Cohort 1986. All volunteers were 20–25 years old. Parental psychosis was established using the Care Register for Health Care. R-fMRI data was pre-processed using independent component analysis (ICA). A dual regression technique was used to detect between-group differences with p < 0.05 threshold corrected for multiple comparisons at voxel level. FR subjects demonstrated significantly decreased activity compared to control subjects in the default mode network and in the central executive network and increased activity in the cerebellum. The findings clarify previously controversial literature on the subject. The finding suggests that abnormal activity in these brain networks in rest may be associated with increased vulnerability to psychosis. The findings maybe helpful in developing more precise methods for detecting young people at highest risk for developing psychosis. Tiivistelmä Psykoottisiin häiriöihin sairastutaan yleensä nuoruudessa tai varhaisaikuisuudessa. Psykoositutkimuksen tavoitteena on löytää uusia menetelmiä, joiden avulla kyettäisiin tunnistamaan suurimmassa psykoosiriskissä olevat nuoret, jotta heille voitaisiin tarjota sairautta ennaltaehkäiseviä hoitokeinoja. Skitsofreniaan ja muihin psykoottisiin häiriöihin sairastuneilla on havaittu aivotoiminnan poikkeavuuksia. Samankaltaisia aivotoiminnan poikkeavuuksia on havaittu myös nuorilla, jotka ovat vaarassa sairastua psykoosiin. Toistaiseksi on ollut epäselvää, onko psykoosiin sairastuneiden henkilöiden lapsilla aivohermoverkkojen toiminnan poikkeavuuksia lepotilassa. Suoritimme aivojen lepotilan MRI-tutkimuksen (R-fMRI) 72:lle (29 miestä) nuorelle aikuiselle, joiden jompikumpi vanhempi oli sairastunut psykoosin sekä 72:lle (29 miestä) nuorelle aikuiselle, joiden vanhemmat eivät olleet sairastaneet psykoosia. Molemmat tutkimusryhmät tässä Oulu Brain and Mind -tutkimuksessa olivat Pohjois-Suomen 1986 syntymäkohortin jäseniä. Tutkittavat olivat 20–25 vuoden iässä. Lepotilan toiminnallinen magneettikuvaus suoritettiin 1.5 Teslan Siemensin magneettikuvantamislaitteella. Tutkimuskohteiksi valittiin lepotilan toiminnallinen aivohermoverkko, toiminnan ohjauksesta vastaava aivohermoverkko ja pikkuaivot. Kuvantamisdataan sovellettiin itsenäisten komponenttien analyysia aivohermoverkkojen määrittämistä varten. Ryhmien välisen eron havaitsemiseen käytettiin ei-parametristä permutaatiotestiä, joka kynnystettiin tilastollisesti merkitsevään tasoon (p < 0.05). Lepotilan oletushermoverkossa ja toiminnanohjauksesta vastaavassa aivohermoverkoissa havaittiin vähäisempää aktiivisuutta ja pikkuaivoissa kohonnutta aktiivisuutta perinnöllisessä psykoosiriskissä olevilla nuorilla aikuisilla verrattuna verrokkeihin. Tutkimustulokset selkeyttivät aiempaa ristiriitaista kirjallisuutta tutkimusaiheesta. Tutkimuksessa havaittujen aivoalueiden poikkeava toiminta lepotilassa voi liittyä kohonneeseen psykoosin puhkeamisriskiin. Tutkimuslöydösten avulla voidaan todennäköisesti edesauttaa parempien kuvantamismenetelmien kehittämistä suurimmassa psykoosiriskissä olevien nuorten tunnistamiseen.

The concept of resting state functional magnetic resonance imaging (fMRI) is built onto an original finding in 1995 that brain hemispheres present synchronous signal fluctuations with distinct patterns. fMRI measurements rely on blood oxygenation changes that indirectly mirror neural activity. Therefore, the origin of functional connectivity patterns, resting state networks (RSNs), has been a widely debated research question and numerous contributing factors have been identified. According to current understanding the fluctuations reflect maintenance of the system integrity in addition to spontaneous thought and action processes in the resting state. A popular method to study the functional connectivity in resting state fMRI is spatial independent component analysis (ICA) that decomposes signal sources into statistically independent components. The dichotomy of functional specialization versus functional integration has a correspondence in fMRI studies where RSNs play the integrative viewpoint of brain function. Although canonical large-scale RSNs are broadly distributed they also express modularity that can be accomplished by ICA with a high number of estimated components. The characteristics of high ICA dimensionality are broadly investigated in the thesis. An enduring issue in resting state research has been the confounding noise sources like motion and cardiorespiratory processes which may hamper the analysis. In this thesis the ability of ICA to separate these noise sources from the default mode network, a major RSN, is studied. Additionally, the suitability of ICA for full frequency spectrum analysis, a relatively rare setting in biosignal analysis, is investigated. The results of the thesis support the viewpoint of ICA as a robust analysis method for functional connectivity analysis. Cardiorespiratory and motion induced noise did not confound the functional connectivity analyses with ICA. High dimensional ICA provided better signal source separation, revealed the modular structure of the RSNs and pinpointed the specific aberrations in the autism spectrum disorder population. ICA was also found applicable for fully explorative analysis in both the spatial and temporal domains and indicated functional connectivity changes induced by transcranial bright light stimulation. Tiivistelmä Konsepti lepotilan tutkimisesta toiminnallisella magneettikuvauksella (engl. functional magnetic resonance imaging, fMRI) on rakentunut vuonna 1995 tehdylle löydökselle aivopuoliskojen välillä synkronisesta signaalivaihtelusta. Mittaukset perustuvat veren hapetuksen muutoksiin, jotka epäsuorasti heijastelevat hermostollista toimintaa. Tämän takia toiminnallisen kytkennällisyyden muodot, lepotilaverkostot, ovat olleet laajasti väitelty tutkimusaihe ja monia verkostoihin vaikuttavia tekijöitä onkin tunnistettu. Nykykäsityksen mukaan signaalivaihtelut lepotilassa heijastelevat järjestelmän yhtenäisyyden ylläpitoa spontaanin ajattelun ja toiminnan lisäksi. Suosittu menetelmä toiminnallisen kytkennällisyyden tutkimiseen lepotilan fMRI:ssä on spatiaalinen itsenäisten komponenttien analyysi (engl. independent component analysis, ICA), joka hajottaa signaalilähteet tilastollisesti itsenäisiin komponentteihin. Aivotoiminnan mallintamisessa kahtiajaolla toiminnalliseen erikoistumiseen ja toiminnalliseen integraatioon on vastaavuus fMRI-tutkimukseen, jossa lepotilaverkostot vastaavat toiminnallisen integraation näkökulmasta. Vaikka kanoniset lepotilaverkostot ovat laaja-alaisia, ne ovat toisaalta modulaarisia, jota voidaan tutkia tutkimalla korkean komponenttimäärän ICA-hajotelmaa. Korkea- dimensioisen ICA-hajotelman ominaisuuksia tutkitaan laajasti tässä väitöskirjassa. Kestoaihe lepotilatutkimuksessa on ollut analyysiä hankaloittavien kohinalähteiden kuten liikkeen ja kardiorespiratoristen prosessien vaikutus. Väitöskirjassa tutkitaan ICA:n kykyä erotella kohinalähteitä ’default mode’ -verkostosta, joka on merkittävin lepotilaverkosto. Lisäksi tutkitaan ICA:n soveltuvuutta täyden taajuuskaistan analysointiin, joka on verrattain harvinaista biosignaalien analyysissä. Väitöskirjan tulokset tukevat näkemystä ICA:n suorituskyvystä toiminnallisen kytkennällisyyden analyysissä. Kardiorespiratorinen ja liikkeestä lähtöisin oleva kohina ei häirinnyt merkittävästi ICA-tuloksia. Korkeadimensioinen ICA tarjosi paremman erottelun signaalilähteille, paljasti lepotilaverkostojen modulaarisen rakenteen ja määritti erityisen poikkeaman autismin kirjon oireyhtymän populaatiossa. ICA:n havaittiin olevan soveltuva täyseksploratiiviselle analyysille ajassa ja avaruudessa; tulos viittaa toiminnallisen kytkennällisyyden muutoksiin kallon läpäisevän kirkasvalostimulaation aikaansaamana.

Functional communication between brain regions is likely to play a key role in complex cognitive processes that require continuous integration of information across different regions of the brain. This makes the studying of functional connectivity in the human brain of high importance. It also provides new insights into the hierarchical organization of the human brain regions. Resting-state networks (RSNs) can be reliably and reproducibly detected using independent component analysis (ICA) at both individual subject and group levels. A growing number of ICA studies have reported altered functional connectivity in clinical populations. In the current work, it was hypothesized that ICA model order selection influences characteristics of RSNs as well as their functional connectivity. In addition, it was suggested that high ICA model order could be a useful tool to provide more detailed functional connectivity results. RSNs’ characteristics, i.e. spatial features, volume and repeatability of RSNs, were evaluated, and also differences in functional connectivity were investigated across different ICA model orders. ICA model order estimation had a significant impact on the spatial characteristics of the RSNs as well as their parcellation into sub-networks. Notably, at low model orders neuroanatomically and functionally different units tend to aggregate into large singular RSN components, while at higher model orders these units become separate RSN components. Disease-related differences in functional connectivity also seem to alter as a function of ICA model order. The volume of between-group differences reached maximum at high model orders. These findings demonstrate that fine-grained RSNs can provide detailed, disease-specific functional connectivity alterations. Finally, in order to overcome the multiple comparisons problem encountered at high ICA model orders, a new framework for group-ICA analysis was introduced. The framework involved concatenation of IC maps prior to permutation tests, which enables statistical inferences from all selected RSNs. In SAD patients, this new correction enabled the detection of significantly increased functional connectivity in eleven RSNs. Tiivistelmä Toiminnallisten aivoalueiden välinen viestintä on todennäköisesti avainasemassa kognitiivisissa prosesseissa, jotka edellyttävät jatkuvaa tiedon integraatiota aivojen eri alueiden välillä. Tämä tekee ihmisaivojen toiminnallisen kytkennällisyyden tutkimuksesta erittäin tärkeätä. Kytkennälllisyyden tutkiminen antaa myös uutta tietoa ihmisaivojen osa-alueiden välisestä hierarkiasta. Aivojen hermoverkot voidaan luotettavasti ja toistettavasti havaita lepotilan toiminnasta yksilö- ja ryhmätasolla käyttämällä itsenäisten komponenttien analyysia (engl. Independent component analysis, ICA). Yhä useammat ICA-tutkimukset ovat raportoineet poikkeuksellisia toiminnallisen konnektiviteetin muutoksia kliinisissä populaatioissa. Tässä tutkimuksessa hypotetisoitiin, että ICA:lla laskettaujen komponenttien lukumäärä (l. asteluku) vaikuttaa tuloksena saatujen hermoverkkojen ominaisuuksiin kuten tilavuuteen ja kytkennällisyyteen. Lisäksi oletettiin, että korkea ICA-asteluku voisi olla herkempit tuottamaan yksityiskohtaisia toiminnallisen jaottelun tuloksia. Aivojen lepotilan hermoverkkojen ominaisuudet, kuten anatominen jakautuminen, volyymi ja lepohermoverkkojen havainnoinnin toistettavuus evaluoitin. Myös toiminnallisen kytkennällisyyden erot tutkitaan eri ICA-asteluvuilla. Havaittiin että asteluvulla on huomattava vaikutus aivojen lepotilan hermoverkkojen tilaominaisuuksiin sekä niiden jakautumiseen alaverkoiksi. Pienillä asteluvuilla hermoverkojen neuroanatomisesti erilliset yksiköt pyrkivät keräytymään laajoiksi yksittäisiksi komponenteiksi, kun taas korkeammilla asteluvuilla ne havaitaan erillisinä. Sairauksien aiheuttamat muutokset toiminnallisessa kytkennällisyydessä näyttävät muuttuvan myös ICA asteluvun mukaan saavuttaen maksiminsa korkeilla asteluvuilla. Korkeilla asteluvuilla voidaan havaita yksityiskohtaisia, sairaudelle ominaisia toiminnallisen konnektiviteetin muutoksia. Korkeisiin ICA asteluvun liittyvän tilastollisen monivertailuongelman ratkaisemiseksi kehitimme uuden menetelmän, jossa permutaatiotestejä edeltävien itsenäisten IC-karttoja yhdistämällä voidaan tehdä luotettava tilastollinen arvio yhtä aikaa lukuisista hermoverkoista. Kaamosmasennuspotilailla esimerkiksi kehittämämme korjaus paljastaa merkittävästi lisääntynyttä toiminnallista kytkennällisyyttä yhdessätoista hermoverkossa.