Numssen, Ole
[Author]
;
Knösche, Thomas R.
[Degree supervisor];
Wolters, Carsten H.
[Degree supervisor];
Opitz, Alexander
[Degree supervisor]Technische Universität Ilmenau
Identification of causal structure-function relationships in the human motor cortex with non-invasive brain stimulation
University thesis:
Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2023
Footnote:
Tag der Verteidigung: 23.11.2023
Description:
Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nicht-invasives Hirnstimulationsverfahren, das im Klinik- und im Forschungsalltag eingesetzt wird, um kausale Struktur-Funktions-Beziehungen im menschlichen Gehirn zu identifizieren. Mittels eines induzierten elektrischen Feldes wird durch Depolarisierung kortikaler Neuronen aktiv in die Verarbeitung lokal begrenzter Hirnregionen eingegriffen. Allerdings beschränkt die hohe Autokorrelation des induzierten elektrischen Feldes eine präzise Lokalisation des TMS Effekts im kortikalen Gewebe. In dieser Arbeit präsentiere ich ein neues Paradigma, das aktuelle Entwicklungen im Bereich Feldmodellierung verwendet, um die räumliche Auflösung von TMS Lokalisation signifikant zu erhöhen. Stimulationsreaktionen auf verschiedene Stimulationsorte werden in einer Analyse kombiniert um die involvierten Neuronenpopulationen zu identifizieren. Die Stimulation wird quantifiziert mittels hochauflösender Feldberechnungen, um eine realistische Abschätzung der kortikalen Stimulation zu erzielen. Die Güte des funktionalen Zusammenhangs zwischen Feldexposition und modulierten Verhalten wird genutzt, um die involvierte Neuronenpopulation zu identifizieren. Als erste Annäherung verwende ich Input-Output-Kurven für eine Reihe von Stimulationsorten um Muskelrepräsentationen im primären Motorkortex zu lokalisieren. Ich validiere die Ergebnisse experimentell mit Hilfe der Ruhemotorschwelle um die praktische Relevanz einer präzisen Lokalisation aufzeigen. Anschließend entwickele ich einen generalisierten Ansatz, der Stimulationen an beliebigen Orten zulässt, um die praktische Durchführbarkeit und Effizienz zu erhöhen. Diese Implementierung ermöglicht eine robuste und präzise Lokalisierung mehrerer Muskelrepräsentationen zugleich. Um die Einsetzbarkeit dieser Methode zu gewährleisten ist die gesamte Routine, inklusive aller Auswertungsskripte und eines Beispieldatesatzes, im Detail beschrieben und veröffentlicht. Die Verwendung von Aktivierungsfunktionen zur Lokalisierung von Funktionen im Kortex ermöglicht die Verwendung einer Dosierungsmetrik, die auf individuellen, kortikalen Stimulationsschwellen basiert. Eine präzise, individualisierte Dosierungsmetrik kann dazu beitragen, die Sensitivität und Spezifität von TMS signifikant zu erhöhen.