Väitös neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan alalta, DI Olli-Pekka Kahilakoski

Väitöskirjan nimi: Software and hardware for real-time EEG-guided multi-locus TMS

Väittelijä: Olli-Pekka Kahilakoski
Vastaväittäjä: Prof. Christoph Zrenner, University of Toronto
Kustos: Prof. Matti Hämäläinen Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on ei-invasiivinen aivostimulaatiomenetelmä, jossa aivojen sähköistä toimintaa muokataan ulkoisesti tuotetuilla magneettikentillä. TMS:ää hyödynnetään laajasti aivotutkimuksessa sekä aivosairauksien hoidossa. Perinteiset TMS-järjestelmät kuitenkin stimuloivat tyypillisesti aivojen yhtä kohtaa ennalta valittuina ajanhetkinä, mikä rajoittaa stimulaation kohdistamista tiettyihin aivotoiminnan tiloihin. Nämä tilat voivat vaihdella aivojen sisäisten prosessien, aistiärsykkeiden ja aiemman stimulaation vaikutuksesta.

Väitöskirjassani kehitin ohjelmisto- ja laitekokonaisuuden, joka mahdollistaa reaaliaikaisen EEG-ohjatun aivostimulaation. Esittelen ajoitusarkkitehtuurin, joka siirtää stimulaation ajoituksen hallinnan ulkoiselta ohjaustietokoneelta TMS-laitteelle ja tahdistaa EEG- ja TMS-laitteiden kellot. Tämä mahdollistaa EEG-signaaliin perustuvan stimulaation alle 0,3 millisekunnin ajoitusvirheellä. Ajoitusarkkitehtuuri toteutettiin osaksi tutkimusryhmän kehittämää monipaikkaista TMS-laitetta (multi-locus TMS, mTMS), jolla stimulaatiokohta voidaan valita sähköisesti ilman, että stimulaatiokelaa tarvitsee fyysisesti siirtää.

Reaaliaikaista EEG-ohjattua stimulaatiota varten kehitin NeuroSimo-nimisen avoimen lähdekoodin ohjelmiston reaaliaikaiselle Linux-käyttöjärjestelmälle. Ohjelmistossa yhdistyvät suorituskykyiset C++-komponentit ja helppokäyttöinen Python-rajapinta, jonka avulla käyttäjät voivat kehittää mukautettuja stimulaatioalgoritmeja. Kaupallisen TMS-laitteen kanssa käytettynä ohjelmisto saavuttaa muutaman millisekunnin ajoitusvirheen ja soveltuu siten suoraan monien TMS-tutkimuslaboratorioiden käyttöön.

Esittelemäni ajoitusarkkitehtuuri, mTMS-laitteisto ja NeuroSimo-ohjelmisto muodostavat kestävän ja laajennettavan perustan tulevaisuuden TMS-järjestelmille. Väitöstyöni tukee siirtymää kohti stimulaatiomenetelmiä, jotka mukautuvat reaaliaikaisesti aivotoiminnan muutoksiin ja voivat siten avata uusia mahdollisuuksia sekä aivotutkimuksessa että yksilöllisessä lääketieteellisessä hoidossa.

Avainsanat: transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS), elektroenkefalografia (EEG), suljetun silmukan stimulaatio, reaaliaikaiset järjestelmät

Lisätietoja: olli-pekka.kahilakoski@aalto.fi

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc