Brain decoding involves the determination of a subject’s cognitive state or an associated stimulus from functional neuroimaging data measuring brain activity. In this setting the cognitive state is typically characterized by an element of a finite set, and the neuroimaging data comprise voluminous amounts of spatiotemporal data measuring some aspect of the neural signal. The associated statistical problem is one of classification from high-dimensional data. We explore the use of functional principal component analysis, mutual information networks, and persistent homology for examining the data through exploratory analysis and for constructing features characterizing the neural signal for brain decoding. We review each approach from this perspective, and we incorporate the features into a classifier based on symmetric multinomial logistic regression with elastic net regularization. The approaches are illustrated in an application where the task is to infer from brain activity measured with magnetoencephalography (MEG) the type of video stimulus shown to a subject. / Graduate

Η ηλεκτροεγκεφαλογραφία (EEG) και η μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG) είναι ιδιαίτερα χρήσιμες μέθοδοι εγκεφαλικών απεικονίσεων διότι έχουν πολύ καλή χρονική ανάλυση, της τάξεως του sec. Επειδή οι εγκεφαλικές διεργασίες εκτελούνται με μικρότερους ρυθμούς, οι εγκεφαλικές απεικονίσεις μέσω της EEG και MEG δίνουν τη δυνατότητα να παρακολουθούμε το λειτουργικό εγκέφαλο. Στο ευθύ πρόβλημα EEG γνωρίζουμε τη νευρωνική διέγερση που αναπτύσσεται εσωτερικά του εγκεφάλου και υπολογίζουμε το παραγόμενο ηλεκτρικό δυναμικό σε κάθε σημείο στο εξωτερικό ή στο εσωτερικό του εγκεφάλου. Αντίστοιχα στο ευθύ πρόβλημα MEG υπολογίζουμε το μαγνητικό δυναμικό εξωτερικά του εγκεφάλου. Στο αντίστροφο πρόβλημα της EEG γνωρίζουμε το ηλεκτρικό δυναμικό, από μετρήσεις, εξωτερικά του εγκεφάλου, στην επιφάνεια του κρανίου, και ζητάμε να προσδιορίσουμε τη νευρωνική διέγερση που το προκάλεσε. Για τη MEG γνωρίζουμε το μαγνητικό δυναμικό που καταγράφεται εξωτερικά του κρανίου και ζητάμε τη νευρωνική διέγερση που αναπτύχθηκε εσωτερικά του εγκεφάλου. Στην παρούσα εργασία επιλύονται οκτώ προβλήματα. Το ευθύ πρόβλημα και το αντίστροφο πρόβλημα της EEG και της MEG σε δύο περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση η νευρωνική διέγερση εντοπίζεται σε ένα μικρό ευθύγραμμο τμήμα, δηλαδή το ρεύμα που δημιουργήθηκε εσωτερικά του εγκεφάλου λόγω μιας εγκεφαλικής διεργασίας αναπαρίσταται με δίπολα που κατανέμονται κατά μήκος ενός μικρού ευθύγραμμου τμήματος. Επιλύουμε αρχικά το ευθύ πρόβλημα της EEG και στη συνέχεια το αντίστροφο πρόβλημα. Καταλήγουμε σε ένα μη γραμμικό σύστημα που, στη γενική περίπτωση, επιλύεται αριθμητικά για να υπολογίσει τη θέση και τη ροπή της διπολικής πηγής, τον προσανατολισμό και το μήκος του ευθύγραμμου τμήματος. Αναλυτικά επιλύουμε δύο ειδικές περιπτώσεις και βρίσκουμε μοναδική λύση. Στην πρώτη ειδική περίπτωση το ευθύγραμμο τμήμα είναι παράλληλο στον άξονα, ενώ στη δεύτερη στο άξονα και το κέντρο του, και στις δύο περιπτώσεις, είναι πάνω στο άξονα . Το ευθύ και το αντίστροφο πρόβλημα το επιλύουμε και για την περίπτωση της MEG δίνοντας αναλυτικά τη λύση στην περίπτωση που το ευθύγραμμο τμήμα είναι παράλληλο στο άξονα και το κέντρο του είναι επάνω στο άξονα. Στη δεύτερη περίπτωση μελετάμε ακριβώς τα ίδια προβλήματα όταν η νευρωνική διέγερση εντοπίζεται σε ένα μικρό κυκλικό δίσκο που το επίπεδό του είναι κάθετο στο διάνυσμα θέσης του κέντρου του δίσκου. Επιλύουμε το πρόβλημα σε συγκριμένη θέση του δίσκου για να απλοποιηθούν οι υπολογισμοί. Εφαρμόζουμε κατάλληλες στροφές Euler ώστε το επίπεδό του να βρεθεί σε θέση παράλληλη στο επίπεδο και το κέντρο του δίσκου να βρίσκεται πάνω στον άξονα. Στη συνέχεια εφαρμόζουμε στροφές Euler και το επαναφέρουμε στην αρχική θέση. Αφού επιλύσουμε τα ευθύ προβλήματα της EEG και MEG ξεχωριστά, προσδιορίζουμε, επιλύοντας το αντίστροφο, τη θέση του κυκλικού δίσκου. Καταλήγουμε σε ένα σύστημα μη γραμμικό που απαιτεί αριθμητική επίλυση τόσο για την EEG όσο και για τη MEG Αναλυτικά, επιλύουμε το αντίστροφο για την EEG σε μια ειδική περίπτωση κατά την οποία ο δίσκος είναι παράλληλος στο επίπεδο και το κέντρο του βρίσκεται πάνω στον άξονα και βρίσκουμε τη μοναδική λύση η οποία προσδιορίζει τη θέση του δίσκου, την ακτίνα του και τη ροπή της διπολικής πηγής. Με την επίλυση των προβλημάτων αυτών επιβεβαιώνουμε και τα αποτελέσματα της εργασίας των Albanese και Monk. Συγκεκριμένα, έδειξαν ότι δε μπορεί να προσδιοριστεί ο φορέας του ρεύματος που εντοπίζεται σε χώρο τριών διαστάσεων. Στην παρούσα διατριβή καθορίζουμε την έκτασης της νευρωνικής διέγερσης όταν η διάσταση του φορέα της είναι μικρότερη του τρία. / Electroencephalography (EEG) and Magnetoencephalography (MEG) are the two brain imaging modalities which have the necessary temporal resolution, sec for the study of the functional brain. Albanese and Monk have demonstrated that it is impossible to identify the extent of a localized three-dimensional current distribution lying inside a three-dimensional conductive medium. The purpose of the present work is to show that, as already predicted by Albanese and Monk, this result is not true if the current distribution is restricted on a one or two- dimensional set. The calculation of the values of the electric potential on the surface of the head defines the forward problem of EEG, while the calculation of the magnetic flux density a few centimeters outside the head defines the forward problem of MEG. The inverse EEG problem seeks to identify the neuronal current within the brain from the knowledge of the electric potential on the surface of the head. The corresponding inverse MEG problem seeks this neuronal current from the knowledge of the magnetic flux outside the head. In the present dissertation we study eight particular problems. They concern the forward and the inverse problem of EEG and MEG in two special geometric cases. In one geometrical case the neuronal current is supported on a small line segment and the neuronal current is represented by a dipole distribution along this line segment. First we solve the forward EEG problem and then we solve the inverse problem of identifying the location, the orientation, the size and the average dipolar moment over the line segment. We arrive at a nonlinear algebraic system which we solve analytically in two special cases. Next we solve the corresponding forward and the inverse MEG problems for the same structure. A second case concerns the relative EEG and MEG problems when the current is supported on a small disc normal to a radius of the conducting sphere. As before, we solve the EEG and MEG problems separately and then we solve the inverse EEG and MEG problems which determine the position, the orientation and the size of the disk supporting the primary neuronal current.

The biomagnetic measurements offer completely non-invasive and non-contact multichannel recordings with millisecond temporal resolution that provide the direct assessment of the functional dynamics of the brain, via magnetoencephalography (MEG), and heart, via magnetocardiography (MCG). Dense-array biomagnetometers have been recently designed for the investigation of the neurophysiological development of the fetus in utero. Fetal MCG offers accurate recordings of the fetal cardiac activity that allow to examine the effects of different maternal factors (such as smoking, exercise, fatty-acids diet supplements) on the fetal neurophysiological development using measures of heart rate and heart rate variability, and high-resolution measurement of the cardiac time intervals. However, the extraction of the fetal MCG signal relies on the identification and elimination of other signal contributions associated with the maternal cardiac activity or specific fetal behavioral patterns, such as fetal sucking and hiccup activity. The results of the present thesis demonstrate the potential of the linear transformations to generate data representations that enable straightforward and effective extraction and characterization of the biomagnetic signal components, and the elimination of the interference. The independent component analysis has been proven as an efficient signal separation and filtering technique for fetal biomagnetic recordings. ICA has been shown to provide adequate interference elimination of the maternal and fetal cardiac activity for the separation of the signal associated with distinct fetal behavioral patterns. Specifically, ICA has been applied to the extraction of the non-nutritive sucking pattern in the fetus. The recorded biomagnetic signal was characterized by the distinctive rhythmic pattern of bursts documented in the fetus using Doppler ultrasonography. The signal characteristics were consistent with the pacifier-induced non-nutritive sucking recorded in the infant using measurements of the sucking pressure variation and electromyography (EMG)recordings. Additionally, the measurements in fetuses have been confirmed by the biomagnetic recordings of the pacifier-induced non-nutritive sucking in infants. Correspondingly, the signal pattern associated with the fetal hiccup activity has been recorded and characterized using biomagnetic measurements in the fetus. The signal waveform was consistent with the adult EMG data of the diaphragm motor response to electrical or magnetic stimulation of the phrenic nerve. Additionally, the simultaneous recording of the fetal cardiac activity allows the estimation of the fetal heart rate signal. Thus, it has been possible to assess the interaction between the fetal behavior and the fetal heart rhythm. Although the linear transformations of the biomagnetic data, such as the signal subspace separation, beamforming or independent component analysis methods, do not provide direct information on the location of the sources, they generate data representations that enable the separation of the distinct signal components. The signal subspace separation method based on irreducible tensor representation approach may potentially allow to segregate and remove the contribution of the external interference sources, e.g. an active ultrasound device for real-time monitoring during fetal biomagnetic recording. The preliminary assessment indicates the ability of the irreducible tensor representation technique to provide an effective data transformation for the compensation of fetal movement during the recording that affects the accuracy of the averaged fetal cardiac signal. Additionally, the modified beamformers with suppression region that integrate a priori anatomical information in order to perform an adaptive suppression of the interferers may be proven more efficient for accurate signal estimation of the fetal spontaneous brain activity, and auditory and visual evoked responses. / Σύγχρονες μή-επεμβατικές τεχνικές καταγραφής πολυκαναλικού σήματος προσφέρουν, χωρίς άμεση επαφή, βιομαγνητικές μετρήσεις με υψηλότατη χρονική ανάλυση και επιτρέπουν την άμεση εκτίμηση των δυναμικών λειτουργιών του εγκεφάλου και της καρδιάς, μέσω του μαγνητοεγκεφαλογραφήματος (ΜΕΓ) και του μαγνητοκαρδιογραφήματος (ΜΚΓ) αντίστοιχα. Η χρήση πυκνών διατάξεων μαγνητομέτρων στην ευρύτερη κοιλιακή χώρα για την καταγραφή μαγνητικών πεδίων από το έμβρυο επιτρέπει τη μελέτη της νευροφυσιολογικής ανάπτυξης του εμβρύου καθ’ όλη τη διάρκεια της κύησης. Ειδικά το εμβρυϊκό ΜΚΓ επιτρέπει την εκτίμηση της καρδιακής λειτουργίας και την εξέταση της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων όπως το κάπνισμα της μητέρας, η άσκησή της και η διατροφή της, χρησιμοποιώντας παράγωγα χαρακτηριστικά του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος (π.χ. ο καρδιακός ρυθμός και η μεταβλητότητά του). Η ανάκτηση του συγκεκριμένου σήματος προϋποθέτει τον εντοπισμό και εξουδετέρωση παρασιτικών σημάτων που σχετίζονται με το καρδιακή δραστηριότητα της μητέρας ή συγκεκριμένες συμπεριφορές του εμβρύου όπως η αναρρόφηση και η κατάποση. Τα αποτελέσματα της παρούσης διατριβής επιδεικνύουν τη δυνατότητα των γραμμικών μετασχηματισμών για αναπαραστάσεις που επιτρέπουν την άμεση και αποτελεσματική εκμαίευση και περιγραφή των σημαντικών συνιστωσών του βιομαγνητικού σήματος καθώς και την αναίρεση των ανεπιθύμητων παρεμβολών. Η ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες (ΑΑΣ) κρίθηκε ιδιαίτερα αποδοτική στην ανάδειξη της χρήσιμης πληροφορίας από εμβρυϊκές βιομαγνητικές καταγραφές και συνέβαλε στην εξουδετέρωση των σημάτων καρδιακής δραστηριότητας του εμβρύου και της μητέρας. Η κατάλληλη χρησιμοποίησή της ουσιαστικά εξασφάλισε το διαχωρισμό του σήματος που σχετίζεται με συγκεκριμένα πρότυπα συμπεριφοράς του εμβρύου. Ειδικότερα επέτρεψε την παρακολούθηση της συμπεριφοράς αυτόνομου θηλασμού (που είναιασυσχέτιστη με την διατροφική διαδικασία). Το ανακτημένο σήμα χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα ρυθμική δραστηριότητα που περιλαμβάνει ώσεις γνωστές και από τις απεικονίσεις μέσω του υπερηχογραφήματος Doppler. H συμπεριφορά που το σήμα αντικατοπτρίζει είναι εντελώς συμβατή με αυτή που εμφανίζεται αυτόματα στα νεογνά με την προσαρμογή πιπίλας στη στοματική τους κοιλότητα, και η οποία συνήθως μελετάται μέσω των μεταβολών πίεσης στο σχετικό ηλεκτρομυογράφημα. Η συγκεκριμένη συσχέτιση επιβεβαιώθηκε -και πειραματικά- με την καταγραφή βιομαγνητικών πεδίων από νεογνά κατά τη διάρκεια αυθόρμητου θηλασμού (δηλ. με πιπίλα). Αντίστοιχα, το ανακτημένο σήμα που σχετίζεται με τον εμβρυϊκό λόξυγκα βρίσκεται σε απόλυτη συνέπεια με τις κυματομορφές της ηλεκτρομυογραφικής απόκρισης από το διάφραγμα ενηλίκων σε ηλεκτρική ή μαγνητική διέγερση του φρενικού νεύρου. Επίσης η εξαγωγή του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος επέτρεψε τον ακριβή υπολογισμό των μεταβολών του αντίστοιχου ρυθμού και τον συσχετισμό τους με τα διάφορα πρότυπα συμπεριφορά (θηλασμό, λόξυγκα κτλ.). Παρόλο που γραμμικοί μετασχηματισμοί των βιομαγνητικών δεδομένων (όπως τεχνικές υποχώρων, χωρικά φίλτρα επιλεκτικής κατεύθυνσης και ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες) δεν παρέχουν άμεση πληροφορία για τον εντοπισμό των πηγών του σήματος, προσφέρουν αναπαραστάσεις των δεδομένων όπου η συνεισφορά των επιμέρους πηγών είναι καλά διαχωρισμένη. Η τεχνική διαχωρισμού υποχώρων (βασισμένη στην προσέγγιση αναπαράστασης μέσω μή αναγώγιμου τανυστή) δυνητικά μπορεί να επιτρέψει τη διάκριση και απομάκρυνση εξωγενών σημάτων όπως αυτά που προέρχονται από τις παρακείμενες συσκευές υπερηχογραφήματος που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση του εμβρύου σε πραγματικό χρόνο. Η προκαταρκτική αξιολόγηση έδειξε την δυνατότητα της τεχνικής αυτής να μετασχηματίζει τα δεδομένα με τρόπο που να βελτιώνει την ακρίβεια του εμβρυϊκού συμψηφιστικού καρδιογραφήματος (κυρίως χάριν στην αντιστάθμιση της αναπόφευκτης μετακίνησης του εμβρύου σε σχέση με του αισθητήρες). Επιπρόσθετα η εναρμόνιση της τεχνικής αυτής με την ανατομία του προβλήματος ενέχει την δυνατότητα προσαρμοστικής επεξεργασίας σήματος και αναμένεται να συμβάλει στην εκτίμηση της αυθόρμητης εγκεφαλικής δραστηριότητας του εμβρύου καθώς και των αντίστοιχων εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εξωτερικά ερεθίσματα.

In cases of temporal lobe epilepsy, seizures are often controlled by anterior temporal lobe resection. However, an assessment of the impact of surgery on language is required. Currently-used assessments are either non-specific within regions or use functional magnetic resonance imaging (fMRI), which can suffer signal distortion in the temporal lobes due to the presence of airways. Magnetoencephalography (MEG) shows a complimentary sensitivity, but has not been used for laterality assessment. We present a method that combines fMRI with MEG for optimized sensitivity. MEG activation maps were generated using a beamformer, showing activity in the anterior temporal lobes and lateral occipital cortex. fMRI showed activation in medial temporal lobe regions, the frontal poles and the hippocampus, an area of clinical concern during surgical planning. The present study introduces a method for integrating MEG and fMRI activation to create high-resolution laterality maps in regions of concern for epilepsy.

L'activité cérébrale, reliée spécifiquement à la rétention d'information en mémoire à court-terme tactile, a été investiguée à l'aide de l'enregistrement des champs magnétiques produits par l'activité neuronale générée durant la période de rétention par une tâche de mémoire tactile. Une, deux, trois ou quatre positions, sur une possibilité de huit sur les phalangines et les phalangettes, de la main gauche ou droite, lors de blocs d'essai différents, ont été stimulées simultanément. Le patron de stimulation tactile devait être retenu pendant 1800 ms avant d'être comparé avec un patron test qui était, soit identique, soit différent par une seule position. Nos analyses se sont concentrées sur les régions du cerveau qui montraient une augmentation monotone du niveau d'activité soutenu durant la période de rétention pour un nombre croissant de positions à retenir dans le patron de stimulation. Ces régions ont plus de chance de participer à la rétention active de l'information à maintenir en mémoire à court-terme tactile. Le gyrus cingulaire (BA32), le gyrus frontal supérieur droit (BA 8), le precuneus gauche (BA 7, 19), le gyrus postcentral gauche (BA 7), le gyrus precentral droit (BA 6), le gyrus frontal supérieur gauche (BA 6) et le lobule pariétal inférieur droit (BA 40) semblent tous impliqués dans un réseau mnésique qui maintient les informations sensorielles tactiles dans un système de mémoire à court-terme spécialisé pour l'information tactile. / Brain activity specifically related to the maintenance of information held in tactile short-term memory was investigated, using recordings of magnetic fields from a whole-head magnetometer. This neuronal activity was measured during the retention interval of a tactile memory task. One, two, three, or four locations on distal and intermediate phalanges, out of eight positions, were simultaneously stimulated on the left or right hand in different blocks of trials. The tactile stimulation pattern was held in memory for 1800 ms before being compared with a test pattern that was either the same or different by one location. Our analyses focused on regions in the brain that showed a monotonic increase of the sustained activity levels during the retention interval with an increasing number of stimulated locations in the to-be-remembered pattern. These regions are the most likely to participate in the active retention of the information to be held in tactile sensory memory. The right cingular gyrus (BA 32), the right superior frontal gyrus (BA 8), the left precuneus (BA 7, 19), the left postcentral gyrus (BA 7), the right precentral gyrus (BA 6), the left superior frontal gyrus (BA 6) and the right inferior parietal lobule (BA 40) all appear to be involved in a memory system that maintains tactile sensory input in a short-term memory system specialized for tactile information.

Η βέλτιστη γεωμετρική προσομοίωση του εγκεφάλου επιτυγχάνεται με ένα ελλειψοειδές. Η ηλεκτροεγκεφαλογραφία (ΗΕΓ) αφορά τις μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού στην επιφάνεια του κρανίου που αναπτύσσεται από νευρωνικά ρεύματα στο εσωτερικό του εγκεφάλου. Στην παρούσα εργασία έχουν παραχθεί οι απαιτούμενες ελλειψοειδείς αρμονικές πέμπτου, έκτου και εβδόμου βαθμού. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούμε αυτές τις νέες ελλειψοειδείς αρμονικές συναρτήσεις για να εκφράσουμε το πλήρες αναλυτικό δυναμικό της ΗΕΓ. H δομή της εργασίας είναι: Στο κεφάλαιο 1 περιγράφεται περιληπτικά η φυσιολογία ανάπτυξης δυναμικών στην περιοχή του εγκεφάλου και πως επιτυγχάνεται η μετάδοση αυτών των σημάτων μέσω των νευρώνων. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η ελλειψοειδής γεωμετρία καθώς και η μορφή του τελεστή του Laplace στο ελλειψοειδές σύστημα συντεταγμένων. Αναφερόμαστε στην επίλυση της εξίσωσης Lame, στον τρόπο κατασκευής των συναρτήσεων Lame και περιγράφουμε τις αντίστοιχες ελλειψοειδείς αρμονικές. Στο κεφάλαιο 3 καταγράφουμε τις ελλειψοειδείς αρμονικές βαθμού 3. Στα κεφάλαια 4,5,6 και 7 παράγουμε τις ελλειψοειδείς αρμονικές βαθμού 4,5,6 και 7, αντίστοιχα, όπου η εφαρμογή των οποίων στην ΗΕΓ αποτελεί και το θέμα της παρούσας εργασίας. Τέλος στο κεφάλαιο 8 χρησιμοποιούμε τις ελλειψοειδείς αρμονικές που κατασκευάσαμε για να επιτύχουμε την ακριβή συνιστώσα του ηλεκτρικού δυναμικού που ανήκει στον ελλειψοειδή αρμονικό υπόχωρο που γεννούν οι 64 πρώτες αρμονικές συναρτήσεις. / The best geometric simulation of the human brain is achieved by an ellipsoidal system. The Electroencephalography (EEG) concerns the measurements of the electric potential on the surface of the head, which is generated from neuronal current inside the head. In this thesis we have produced the necessary ellipsoidal harmonics of the fifth, sixth and seventh degree. Then, we use these new ellipsoidal harmonic functions to express the full analytical potential of EEG, up to the seventh degree. The present thesis is structured in the following way: In chapter 1 we describe, in short, the physiology which develops the potentials in and outside the brain and how they are transmitted through the neuronal current. In chapter 2 we describe the ellipsoidal geometry as well as the form of the Laplace operator in ellipsoidal coordinates. We consider the solutions of Lame equation, the way Lame constructed them and we describe the corresponding ellipsoidal harmonics. In chapter 3 we report the ellipsoidal harmonics of degree zero through three. In chapters 4, 5, 6 and 7 we develop the ellipsoidal harmonics of degree 4, 5, 6 and 7 respectively. The applications of these functions form the main part of the present master thesis. Finally, in chapter 8 we use all the known ellipsoidal harmonics to express the relative component of the electrical potential. This component belongs to the subspace generated by the first 64 ellipsoidal harmonics.

This thesis is concerned with the age-related changes in working memory (WM), and the inter-individual differences in cognitive and neural mechanisms that correspond to healthy versus poor ageing of WM function. The first half of this thesis focusses on the age-related decline in WM and whether preserved top-down attentional control could mitigate such deficits. In Chapter 2, I present a functional MRI study showing that older adults reliably recruit brain networks that subserve cognitive control, which work in concert with the task relevant sensory areas during effective selective WM. In Chapter 3, I show that older adults retain flexible control over WM representations, and this ability corresponded to the reliable recruitment of neural signals of orienting attention qualitatively similar to those observed in younger adults. Magnetoencephalographic recordings showed that the neural dynamics during orienting attention within WM was predictive of good performance, demonstrating that the more efficient the process of orienting within WM to select the target item, the better the memory representation can be preserved for upcoming behaviour. In the second half of this thesis, I explored whether WM for affective content has a special status in healthy ageing. In Chapter 4, I developed an emotional WM precision task to measure WM abilities for emotional content appropriate for elderly adults. In Chapter 5, I tested a group of young and older adults on WM and perceptual-matching abilities for emotional faces. The results suggest that older adults show a general impairment in task performance, but possibly with some preservation in the ability to maintain emotional content in WM. There were marked differences in how the emotional information was processed between age groups, in which older adults have a tendency to represent negative stimuli as less negative than younger adults in perception and WM, and tended to show a positive interpretation of the valence of more ambiguous emotional stimuli. In Chapter 6, I summarise the findings presented in this thesis, discuss the implications of the key findings, and consider some suggestions for future studies that aim to elucidate the mechanisms of WM in healthy ageing.

The brain consists of spatially distinct areas, which underlie different aspects of human behavior. Using advanced neuroimaging technology and neurocomputational analysis methods, researchers have been able to uncover the functional roles of many of these areas and how they are interconnected both structurally and functionally to produce actions, sensations and cognitions which allow us to navigate our lives. In more recent years, it has been discovered that these brain networks also underlie the healthy functioning of the brain while it is at rest, i.e. awake but not performing any explicit or goal-directed tasks. Changes in these resting-state networks (RSNs) have been implicated in a number of neurological and psychiatric disorders, indicating that their degradation may play a role in the diverse loss of sensory, motor or cognitive functions associated with these.In this thesis, we introduce some new guidelines for capturing the electrophysiology of RSN structures using magnetoencephalography (MEG), a non-invasive neuroimaging technique which directly measures the magnetic fields associated with the synchronized electrical neural activity underlying these connections. Using MEG, we are able to consider these complex communication structures with great spatial and temporal resolution and probe how they are altered in multiple sclerosis (MS), a disease defined in part by both the degradation of the structures connecting different brain areas and by impairments across a wide spectrum of cognitive functions. However, in order to achieve this, there are methodological and analytical issues that must be dealt with.This thesis is separated into three introductory chapters and three research chapters. The introductory chapters outline the relevant theoretical bases that are not covered in the specific research chapters, while each of the research chapters contain a study undertaken as part of the thesis. Additionally, some research chapters start with an additional introductory prologue which expands on relevant ideas or concepts that are used but not fully explained in the corresponding papers.This thesis contains three empirical studies. In the first, we investigated the differential impact of source reconstruction methods and MEG system type on resting state functional connectivity (rsFC). The results showed that the choice of source reconstruction algorithm has a substantial impact on the uncovered rsFC in the posterior default mode network (DMN). Specifically, this was shown to be due to a suppression of the source activity in this region when using a Beamformer rather than minimum norm estimation (MNE) for source reconstruction. Through exploring this effect this we also made a novel discovery about a linear synchronization structure within the posterior DMN. This also led us to recommend the use of MNE when conducting MEG rsFC studies involving the DMN, representing a novel and important result regarding best practice recommendations for the field as a whole and for the subsequent studies in this thesis.In the second study, we set out to distinguish intrinsic, i.e. task-invariant, and extrinsic, i.e. task-dependent, functional connectivity (FC) using a large data set containing MEG data from more than a hundred participants acquired during several different tasks with multiple task levels, as well as during rest, We were able to demonstrate that the human brain operates using two distinct modes of neuronal integration in parallel, i.e. intrinsic FC in the form of amplitude FC and extrinsic FC in the form of phase FC. These results are important both in that they establish a new conceptual framework for functional integration in the human brain and in that they highlight a potentially fuzzy distinction between resting-state and task-related FC, which can be better approached using this novel intrinsic/extrinsic formulation. Having established the existence of an intrinsic functional integration structure in amplitude FC among brain regions, in the third study we investigated how amplitude rsFC is altered in brain disease, here represented by patients with MS. We showed that patients with MS display specific alterations in amplitude FC, particularly involving the DMN and sensorimotor (SMN) networks, compared to healthy participants. Additionally, we showed that the degree of disease-related physical disability was associated with specific motor-related amplitude rsFC changes, and that variations in cognitive task performance and neuropsychological scores were different between patients and healthy subjects on scores which were significantly different between the groups. These results demonstrate the ability of intrinsic/amplitude FC to characterize functional changes in clinical populations that are associated with specific disability-related and neuropsychological outcomes. / Le cerveau se compose de différentes zones fonctionnelles spatialement distinctes, qui sous-tendent différents aspects du comportement humain. En utilisant une technologie avancée de neuroimagerie et des méthodes d'analyse neurocomputationnelle, les neuroscientifiques ont caractérisé les rôles fonctionnels d’un bon nombre de structures cérébrales (i.e. la spécialisation fonctionnelle) et comment elles sont interconnectées à la fois structurellement et fonctionnellement (i.e. l’intégration fonctionnelle) pour produire les actions motrices, les sensations et les fonctions cognitives qui nous permettent de naviguer dans nos vies. Ces dernières années, les techniques de neuroimagerie ont également démontré que ces réseaux cérébraux fonctionnels sous-tendent également le bon fonctionnement du cerveau lorsqu'il est « au repos », c'est-à-dire qu'il n'effectue aucune tâche explicite ou ciblée. Des modifications de ces réseaux « de l’état de repos » (RSN) ont été impliquées dans un certain nombre de pathologies neurologiques ou psychiatriques, indiquant que leur altération peut jouer un rôle dans les déficits de fonctions sensorielles, motrices ou cognitives présentées par les patients.Dans cette thèse, nous introduisons de nouvelles lignes directrices pour investiguer l'électrophysiologie des RSN à l'aide de la magnétoencéphalographie (MEG), une technique de neuroimagerie non invasive qui mesure directement les champs magnétiques associés à l'activité neuronale électrique. Nous avons premièrement déterminé comment les choix méthodologiques au niveau de la reconstruction de sources en MEG influence les résultats de l’estimation de l’intégration fonctionnelle cérébrale. Ensuite, nous avons été en mesure d’étudier l’intégration fonctionnelle au sein des RSNs avec une grande résolution spatiale et temporelle, et ainsi, de déterminer les processus neurophysiologiques à l’origine de l’intégration fonctionnelle « intrinsèque » (i.e. indépendante d’une tâche ou de ce que le sujet fait) et « extrinsèque » (i.e. influencée ou modulée par une tâche). Nous avons démontré que l’intégration fonctionnelle intrinsèque repose sur le couplage de l’enveloppe (ou amplitude) de l’activité rythmique cérébrale alors que l’extrinsèque repose sur le couplage de phase de cette activité. Enfin, nous avons déterminé comment l’intégration fonctionnelle intrinsèque est altérée dans la sclérose en plaques (SEP), une maladie caractérisée en partie par la dégradation des connexions reliant différentes zones cérébrales et par des altérations variables des fonctions cognitive. Nous avons pu démontrer que le handicap moteur et certains troubles cognitifs (fatigue, cognitiven fluence verbale) sont associés à des altérations de l’intégration fonctionnelle intrinsèque de RSNs spécifiques. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

With MEG, the tiny magnetic fields produced by neuronal currents within the brain can be measured completely non-invasively. But the signals are very small (~100 fT) and often obscured by spontaneous brain activity and external noise. So, a recurrent issue in MEG data analysis is the identification and elimination of this unwanted interference within the recordings. Various strategies exist to meet this purpose. In this thesis, two of these strategies are scrutinized in detail. The first is the commonly used procedure of averaging over trials which is a successfully applied data reduction method in many neurocognitive studies. However, the brain does not always respond identically to repeated stimuli, so averaging can eliminate valuable information. Alternative approaches aiming at single trial analysis are difficult to realize and many of them focus on temporal patterns. Here, a compromise involving random subaveraging of trials and repeated source localization is presented. A simulation study with numerous examples demonstrates the applicability of the new method. As a result, inferences about the generators of single trials can be drawn which allows deeper insight into neuronal processes of the human brain. The second technique examined in this thesis is a preprocessing tool termed Signal Space Separation (SSS). It is widely used for preprocessing of MEG data, including noise reduction by suppression of external interference, as well as movement correction. Here, the mathematical principles of the SSS series expansion and the rules for its application are investigated. The most important mathematical precondition is a source-free sensor space. Using three data sets, the influence of a violation of this convergence criterion on source localization accuracy is demonstrated. The analysis reveals that the SSS method works reliably, even when the convergence criterion is not fully obeyed. This leads to utilizing the SSS method for the transformation of MEG data to virtual sensors on the scalp surface. Having MEG data directly on the individual scalp surface would alleviate sensor space analysis across subjects and comparability with EEG. A comparison study of the transformation results obtained with SSS and those produced by inverse and subsequent forward computation is performed. It shows strong dependence on the relative position of sources and sensors. In addition, the latter approach yields superior results for the intended purpose of data transformation.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20610号 / 医博第4259号 / 新制||医||1023(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 村井 俊哉, 教授 渡邉 大, 教授 林 康紀 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM