Brain connectivity analysis in epilepsy for epileptogenic focus localization
Abnormal brain neural activities lead to abnormality and complexity of brain
network connectivity in patients with epilepsy. The purpose of this research is to
investigate the characteristics of brain connectivity and to explore more accurate
localization methods of the epileptogenic foci in drug-resistant epilepsy.
Brain connectivity measures based on synchronization were first evaluated
on electroencephalogram data in healthy subjects to find different performance
in detecting the synchronization dynamics in the brain network. Spatial and
temporal phase-amplitude coupling characteristics between low and high
frequency electrocorticogram data were then estimated in patients with temporal
lobe epilepsy. The ‘fall-max’ phase-amplitude coupling pattern appeared in the
middle period of seizure was suggested as a reliable biomarker of epileptogenic
zone, which provides insight into the underlying neural dynamic between low
and high frequency neural activities in the epileptic brain network. Effective
connectivity and topology characteristics of the brain network were investigated
as well in patients with temporal lobe epilepsy by adopting high temporal
resolution effective connectivity measure combined with graph metrics on
electrocorticogram data, which describes in detail the strength and direction of
information transmission. The transient seizure onset effective connectivity
network provides more accurate localization of seizure onset zone and
epileptogenic zone. In addition, functional connectivity and source localization
were studied on electroencephalogram data of a patients with reflex seizure,
which provides insights on generation and propagation of epileptic activities, as
well as the local and global topology characteristics on cortical level network.
Overall, this research examined the performance of various brain
connectivity measures by analyzing the functional connectivity and effective
connectivity in healthy people and epilepsy patients, and explored more accurate
methods for localization of epileptogenic foci. It provides insights into the
underlying mechanism of epileptic brain network connectivity and an important
reference for the preoperative evaluation of clinical epilepsy surgery, which can
improve the localization accuracy of epileptogenic foci and reduce the
probability of epileptic seizures.
Keywords: brain connectivity, synchronization, epilepsy, epileptogenic focus,
localization
...
Epilepsiaa sairastavilla potilailla aivojen poikkeavat neuraaliset aktiviteetit aiheuttavat
poikkeavuuksia ja kompleksisuutta aivoverkostojen konnektiviteetteihin.
Tämän väitöskirjan tarkoituksena on tutkia aivojen konnektiviteettien ominaisuuksia
ja kehittää tarkempia menetelmiä epileptogeenisen fokuksen paikallistamisessa
lääkeresistentissä epilepsiassa.
Synkronointiin perustuvia aivojen konnektiviteettimittauksia evaluoidaan
ensimmäiseksi terveiden henkilöiden aivosähkökäyristä (EEG), tavoitteena havaita
eroavaisuuksia aivoverkostojen synkronian dynamiikassa. Sen jälkeen arvioitiin
temporaaliepileptisten potilaiden elektokortikografisesta (ECoG) matalan
ja korkean taajuuden datasta spatiaalinen ja ajallinen vaihe-amplitudikytkös.
Löydettyä nk. ’fall-max’ vaihe-amplitudikytköstä, joka ilmeni kohtauksen keskivaiheilla,
ehdotetaan luotettavaksi biomarkkeriksi aivojen epileptogeenisellä
aluella, mikä havainto lisää ymmärrystä epileptisten potilaiden aivojen matalan
ja korkea taajuuden neuraalisten akvititeettien väliseen dynamiikkaan. Lisäksi
tutkittiin näiden potilaiden datasta aivoverkostojen efektiivinen konnektiviteetti
ja topologia soveltamalla korkeamman aikaresoluution konnektiviteettimittareita
yhdistettynä elektokortikografisesta datasta saatuihin graafisiin metriikoihin,
jotka kuvaavat yksityiskohtaisesti informaation siirtymisen voimakkuuden
ja suunnan. Kohtauksen transientin alkukohdan konnetiviteettiverkosto antaa
tarkemman paikannuksen kohtauksen alkukohdalle ja epileptogeeniselle aluelle.
Lisäksi tutkittiin toiminnallista konnektiviteettia ja paikannusta niiden potilaiden
aivosähkökäyristä, joilla havaittiin refleksikohtauksia. Tämä tutkimus lisää
ymmärrystä epileptisen aktiviteetin syntyyn ja etenemiseen sekä aivokuoritason
verkoston paikalliseen ja globaaliin topologiapiirteisiin.
Kaiken kaikkiaan, tässä väitöskirjassa tutkittiin erilaisten aivoverkostojen
konnektiviteettien mittaustapojen suosituskykyä analysoimalla terveiden ja epileptisten
potilaiden aivojen toiminnallista ja efektiivistä konnektiviteettia, kehittäen
samalla tarkempia menetelmiä epileptogeenisen fokuksen paikallistamiseen.
Tutkimus lisää ymmärrystä epileptisen aivoverkon konnektiviteetin mekanismeihin
ja tärkeän referenssin pre-operatiiviseen evaluointiin kliinisessä epilepsialeikkauksessa,
antaen parannetun paikannustarkkuuden epileptogeeniselle
fokukselle ja näin ollen pienentäen epilepsiakohtausten todennäköisyyttä.
Avainsanat: aivojen konnektiviteetti, sykronointi, epilepsia, elileptogeeninen fokus,
paikannus
...




ISBN
978-951-39-7954-6Contains publications
- Artikkeli I: Liang, Z., Ren, Y., Yan, J., Li, D., Voss, L. J., Sleigh, J. W., & Li, X. (2016). A comparison of different synchronization measures in electroencephalogram during propofol anesthesia. Journal of Clinical Monitoring and Computing, 30 (4), 451-466. DOI: 10.1007/s10877-015-9738-z
- Artikkeli II: Liang, Z., Bai, Y., Ren, Y., Li, X. (2016). Synchronization Measures in EEG signals, In Signal Processing in Neuroscience, Springer. p. 167-202. DOI: 10.1007/978-981-10-1822-0_9
- Artikkeli III: Zhang, R., Ren, Y., Liu, C., Xu, N., Li, X., Cong, F., . . . , & Wang, Y. (2017). Temporal-spatial characteristics of phase-amplitude coupling in electrocorticogram for human temporal lobe epilepsy. Clinical Neurophysiology, 128 (9), 1707-1718. DOI: 10.1016/j.clinph.2017.05.020
- Artikkeli IV: Ren, Y., Cong, F., Ristaniemi, T., Wang, Y., Li, X., & Zhang, R. (2019). Transient seizure onset network for localization of epileptogenic zone : effective connectivity and graph theory-based analyses of ECoG data in temporal lobe epilepsy. Journal of Neurology, 266 (4), 844-859. DOI: 10.1007/s00415-019-09204-4
- Artikkeli V: Ren, Y., Li, X., Cong, F., Xiao, s., Zhang, Q., Ao, T., Zhang, J., Wang, Y., Ristaniemi, T., Zhang. R. (2019). EEG source localization and functional connectivity in a rare patient with cold-induced reflex epilepsy. Epileptic Disorders, ED-2019-08-0138, Under Review.
Keywords
Metadata
Show full item recordCollections
- JYU Dissertations [127]
- Väitöskirjat [3032]
Related items
Showing items with similar title or keywords.
-
Transient seizure onset network for localization of epileptogenic zone : effective connectivity and graph theory-based analyses of ECoG data in temporal lobe epilepsy
Ren, Ye; Cong, Fengyu; Ristaniemi, Tapani; Wang, Yuping; Li, Xiaoli; Zhang, Ruihua (Springer Berlin Heidelberg, 2019)Objective: Abnormal and dynamic epileptogenic networks cause difficulties for clinical epileptologists in the localization of the seizure onset zone (SOZ) and the epileptogenic zone (EZ) in preoperative assessments of ... -
Epilepsy in neuropathologically verified Alzheimer's disease
Rauramaa, Tuomas; Saxlin, Anna; Lohvansuu, Kaisa; Alafuzoff, Irina; Pitkänen, Asla; Soininen, Hilkka (Elsevier Ltd., 2018)Purpose Subjects with Alzheimer’s disease (AD) have been shown to be at a higher risk for epilepsy. The vast majority of the previous studies have not included a full neuropathological examination. Methods The objective ... -
Musiikillisen harjaantuneisuuden vaikutus aivojen plastisiin muutoksiin
Kuivamäki, Tommi (2021)Musiikillinen harjaantuneisuus instrumentin opiskelun muodossa saatetaan usein nähdä myönteisessä valossa esimerkiksi yksilön hyvinvoinnin ja kognitiivisten kykyjen kannalta. Aina ei ole kuitenkaan selvää, löytyykö näille ... -
Dynamic Functional Connectivity in the Musical Brain
Niranjan, Dipankar; Toiviainen, Petri; Brattico, Elvira; Alluri, Vinoo (Springer, 2019)Musical training causes structural and functional changes in the brain due to its sensory-motor demands. This leads to differences in how musicians perceive and process music as compared to non-musicians, thereby providing ... -
Connectivity Patterns During Music Listening: Evidence for Action-Based Processing in Musicians
Alluri, Vinoo; Toiviainen, Petri; Burunat, Iballa; Kliuchko, Marina; Vuust, Peter; Brattico, Elvira (John Wiley & Sons, Inc., 2017)Musical expertise is visible both in the morphology and functionality of the brain. Recent research indicates that functional integration between multi-sensory, somato-motor, default-mode (DMN), and salience (SN) networks ...