Väitös, neurotiede ja lääketieteellinen tekniikka, MSc (Tech) Mikael Laine

Väitöskirjan nimi: Algorithmic control of multi-locus transcranial magnetic stimulation: motor mapping and pulse delivery

Väittelijä: Mikael Laine 
Vastaväittäjä: Professori Axel Thielscher, Technical University of Denmark
Kustos: Professori Matti Hämäläinen, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) aktivoi aivosoluja langattomasti. Päänahkaa vasten asetettu kela synnyttää lyhyen magneettipulssin, joka indusoi aivoihin sähkökentän ja saa hermosolut aktivoitumaan. TMS:ää käytetään aivotutkimuksessa, aivokirurgian suunnittelussa sekä aivosairauksien, kuten masennuksen, pakko-oireisen häiriön ja migreenin hoidossa. 

Vaikka menetelmä on neljä vuosikymmentä vanha, sen käyttötapa on muuttunut vain vähän. Käyttäjä pitelee yhtä kelaa kädessään, etsii oikean kohdan päänahalta ja antaa pulssit yksi kerrallaan. Työ on hidasta, tulokset riippuvat käyttäjän taidoista, ja kokonaisten aivoalueiden muodostamien verkostojen stimulointi on käytännössä hankalaa ellei mahdotonta. 

Väitöskirjassaan Mikael Laine kehitti menetelmiä ja laitteistoa, jotka siirtävät tämän työn algoritmeille. Työ pohjautuu monipaikkaiseen TMS:ään (mTMS), Aalto-yliopistossa kehitettyyn teknologiaan, jossa yksittäinen kela on korvattu viiden päällekkäisen kelan ryhmällä. Kunkin kelan virtaa säätämällä stimuloivaa sähkökenttää voidaan muokata sähköisesti esimerkiksi niin, että vaikutus vastaa stimulaatiokohdan siirtämistä. 

Väitöskirja tuotti neljä tulosta, ja väittelijän keskeisimmät osuudet niissä liittyvät stimulaation kontrollointiohjelmistoihin. Ensimmäinen on menetelmä, joka paikantaa tiettyä sormen liikettä ohjaavan aivokuoren alueen. Menetelmä päättelee todennäköisyyksien avulla jokaisesta pulssista ja valitsee seuraavan pulssin mahdollisimman informatiiviseksi, jolloin se yltää tavanomaisen protokollan tarkkuuteen alle puolella pulssimäärästä, millimetrien tarkkuuteen asti. Toinen on automatisoitu haku parhaalle stimulaatiokohdalle ja -suunnalle: se löytää ne noin neljässä minuutissa ja käsin tehtyä työtä tarkemmin. Kolmas on viisikanavainen mTMS-laite, joka on rakennettu lääkinnällisten laitteiden turvallisuusvaatimusten mukaisesti ja asennettu aivotutkimusinstituuttiin Tübingeniin Saksaan – ensimmäistä kertaa tällainen järjestelmä on otettu käyttöön sairaalaympäristössä. Neljäs on pulssinohjaustekniikka, joka lyhentää peräkkäisten pulssien välin sekunneista mikrosekunteihin ja avaa siten uusia stimulaatioprotokollia, jotka kohdistuvat laajalle aivoihin jakautuneisiin verkostoihin. 

Aivosairaudet ovat maailmanlaajuisesti yksi suurimmista tautitaakan aiheuttajista. Väitöskirjan johtopäätös on, että näiden pitkään vallinneiden rajoitusten purkaminen tekee TMS:stä nopeamman ja vähemmän käyttäjästä riippuvan sekä antaa sille kyvyn vastata aivoja koskeviin kysymyksiin, jotka ovat aiemmin olleet ulottumattomissa.

Avainsanat: transkraniaalinen magneettistimulaatio, mTMS, liikeaivokuoren kartoitus, paikannus, takaisinkytketty säätö, pulssinleveysmodulaatio

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.

Yhteystiedot:
https://www.linkedin.com/in/mikael-h-laine/