Beta Rhythm Modulation in the Evaluation of Cortical Sensorimotor Function

Abstract

The cortical ~20-Hz beta rhythm that arises mainly from the primary sensorimotor (SM1) cortex reacts to voluntary movements or motor imagery as well as to somatosensory stimuli. The decrease in beta power shortly after somatosensory stimulus or movement is called beta suppression, and the subsequent increase in beta power is called beta rebound. Beta suppression has been proposed to reflect excitation and the rebound inhibition of the SM1 cortex. As excitatory–inhibitory regulation of the SM1 cortex is essential for brain plasticity and recovery, beta modulation may be a useful biomarker to objectively assess the effect of various interventions, such as medical therapies and rehabilitation methods, on the recovery of stroke patients. However, the reproducibility of beta modulation and how it is affected by confounding factors such as reduced alertness during MEG or EEG recordings are still poorly known, which may weaken its reliability as a biomarker, especially in clinical follow-up studies. The objective of this dissertation was to investigate these issues in healthy subjects. In addition, the beta modulation strength was compared between MEG and EEG recordings to evaluate EEG as an alternative method to MEG, since EEG would facilitate the availability of studies in clinical applications. In addition, the SM1 cortex beta modulation dynamics were explored in adolescents with hemiplegic and diplegic cerebral palsy (CP). In the series of studies, the beta rhythm was modulated with tactile and/or proprioceptive finger stimulation. The stimulus-related beta rhythm changes were analyzed using temporal spectral evolution. The results showed that both MEG and EEG successfully detected beta modulation well, although the suppression and rebound strengths were more pronounced in MEG. The long-term reproducibility of beta modulation was found to be good, and the reduced alertness did not significantly change the strength of beta modulation at the group level. In adolescents with diplegic CP, the SM1 cortex excitation and inhibition were bilaterally altered, but no similar changes were detected in hemiplegic CP. Overall, the results showed that beta modulation offers a feasible, reliable, and easy-to-implement method to detect the cortical function of the SM1, which may in the future be used as a biomarker, for example, in the evaluation of the recovery potential of patients.

Primäärisellä tunto- ja liikeaivokuorella (SM1) syntyvän ~20 Hz taajuisen beta-rytmin voimakkuus reagoi aktiivisiin ja passiivisiin liike- ja tuntoärsykkeisiin sekä liikkeiden kuvittelemiseen. Beta-rytmi vaimenee (ns. beta-vaimeneminen) pian liikkeen tai tuntoärsykkeen jälkeen ja sitä seuraa beta-rytmin voimistuminen (ns. beta-vahvistuminen). Beta-vaimenemisen ajatellaan heijastavan SM1-aivokuoren eksitaatiota ja beta-vahvistumisen inhibitiota. Beta-rytmin moduloitumista onkin täten ehdotettu SM1-aivokuoren toiminnallista tilaa kuvaavaksi neurofysiologiseksi mittariksi. SM1-aivokuoren eksitaatio-inhibition säätely on välttämätöntä hermoston uudelleenmuovautumiskyvylle ja vaurioiden korjautumiselle, ja siten beta-rytmin modulaatio voisi toimia hyödyllisenä biomarkkerina esimerkiksi tutkittaessa uusien lääkehoitojen ja kuntoutusmenetelmien toimivuutta aivoinfarktista toipumisen yhteydessä. Beta-rytmin modulaation toistettavuus sekä sitä mahdolliset häiritsevät tekijät, kuten alentuneen vireystason vaikutus, tunnetaan kuitenkin huonosti. Tämä voi heikentää sen käytettävyyttä biomarkkerina erityisesti kliinisissä seurantatutkimuksissa. Näiden tekijöiden lisäksi väitöskirjan tavoitteena oli selvittää beta-rytmin modulaation vertailtavuus MEG- ja EEG-rekisteröintien välillä. EEG:n käyttö helpottaisi merkittävästi beta-rytmin modulaation käyttöä biomarkkerina kliinisessä ympäristössä EEG:n huomattavasti paremman saatavuuden vuoksi. Viimeisessä osatyössä tutkittiin SM1-aivokuoren eksitaatio-inhibition tasapainoa nuorilla, joilla on hemipleginen tai dipleginen CP-vamma. Kaikissa väitöskirjan tutkimuksissa beta-rytmin moduloimiseen käytettiin etusormen tunto- ja/tai liikeaistiärsykkeitä. Beta-rytmin voimakkuuden muutosten analysoinnissa käytettiin TSE-menetelmällä (engl. temporal spectral evolution). Tulokset osoittavat MEG:n ja EEG:n havaitsevan hyvin beta-rytmin modulaatiota, vaikka se näkyi voimakkaampana MEG:llä mitattuna. Pitkittäistutkimus osoitti beta-rytmin modulaation olevan hyvin toistettava vuoden aikavälillä ja lisäksi alentuneen vireystilan ei todettu vaikuttavan merkitsevästi beta-rytmin modulaation ryhmätasolla. Diplegisessä CP-vammassa SM1-aivokuoren eksitaation ja inhibition havaittiin muuttuneen molemmissa aivopuoliskoissa, mutta vastaavia muutoksia ei nähty hemiplegisessä CP-vammassa. Väitöskirjan tulokset osoittavat beta-rytmin modulaation olevan luotettava ja helposti toteutettava menetelmä SM1-aivokuoren toiminnan tutkimiseen. Menetelmää voidaan tulevaisuudessa mahdollisesti käyttää biomarkkerina esim. potilaan toipumispotentiaalin arvioinnissa.