Abstract Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is the second most common neurodegenerative disease leading to early-onset dementia with an estimated worldwide prevalence of 10 to 30 cases per 100000 individuals in the age group of 46 to 65 years. Behavioral variant frontotemporal dementia (bvFTD) is the most common FTLD subtype. It is characterized by a progressive deterioration of behavior and personality as well as executive dysfunction. In Finland, almost 50 % of familial FTLD cases are attributable to the C9ORF72 mutation. bvFTD is associated with a characteristic pattern of brain atrophy detectable in structural MRI. However, these changes are typically not visible in the early stages of the disease. Resting-state functional MRI (RS-fMRI) is being increasingly used to evaluate changes in functional connectivity within neuronal networks in the brain but only a few RS-fMRI investigations of bvFTD patients have been published with inconsistent results. The object of this thesis was to investigate functional connectivity changes detected in the salience (SLN) and default mode networks (DMN) in bvFTD. Another aim was to clarify the role of other cognitive resting-state networks in this disease. A cohort of 26 bvFTD patients was studied, with 8 of these patients carrying the C9ORF72 expansion. Connectivity changes were detected in multiple clinically relevant cognitive networks. Decreased functional connectivity was observed in the SLN, which is associated with guiding of behavior. Increased activity was present in the DMN and the dorsal attention network (DAN). In C9ORF72 associated bvFTD, there was an abnormal linkage detected between the DMN and the thalamus. Currently, fMRI is generally used as a research tool and in a group setting. Different study methods have been used in the literature and also in the studies of this thesis, the analysis procedures differed to some extent. The variety of analysis methods may explain the heterogeneity in fMRI findings in bvFTD patients. There is a need for standardization of the fMRI methodology, larger study groups and also in the future the methodology should be improved so that single patient analysis would provide results to allow a confident diagnosis of this disease. / Tiivistelmä Otsa-ohimolohkorappeuma (Frontotemporal lobar degeneration, FTLD) on toiseksi yleisin etenevä dementiaan johtava sairaus, joka ilmaantuu usein jo työikäisenä. Otsalohkodementia on otsa-ohimolohkorappeuman yleisin alamuoto, jonka oireisto painottuu persoonan ja käyttäytymisen muutoksiin sekä toiminnan ohjauksen ongelmiin. Suomessa C9ORF72-toistojaksomutaatio selittää lähes 50 % perinnöllisistä otsa-ohimolohkorappeumista. Aivojen rakenteellisella magneettikuvauksella (MK) voidaan havaita rakenteellisia muutoksia, jotka ilmaantuvat kuitenkin vasta taudin edettyä vaikeampaan vaiheeseen. Aivojen lepotilan toiminnallinen magneettikuvaus (TMK) mahdollistaa aivojen hermoverkkojen toiminnan eli konnektiviteetin kartoituksen. Aiemmin TMK:a on tutkittu esim. Alzheimerin taudissa. Otsalohkodementiassa TMK:sta on julkaistu ainoastaan yksittäisiä tutkimuksia ja tulokset ovat olleet osin ristiriitaisia. Väitöskirjatutkimuksen tarkoituksena on ollut selvittää valve-lepotilan hermoverkossa ja olennaisen tunnistavassa hermoverkossa tapahtuvia muutoksia otsalohkodementiaa sairastavilla potilailla. Toisena tavoitteena on ollut tutkia muissa kognitiivisissa hermoverkoissa tapahtuvia muutoksia. Otsalohkodementiaa sairastaville potilaille (n= 26) sekä ikä- ja sukupuolivakioiduille kontrolleille on tehty kliininen tutkimus ja rakenteellinen sekä toiminnallinen aivojen magneettikuvaus. Kahdeksalla potilaalla todettiin C9ORF72-toistojaksomutaatio. Useiden kognitiivisten hermoverkkojen toiminnassa havaittiin muutoksia, jotka korreloivat potilaiden kliinisiin oireisiin. Alentunutta konnektiviteettia todettiin olennaisen tunnistavassa hermoverkossa, joka osallistuu käyttäytymisen säätelyyn. Lisääntynyttä konnektiviteettia esiintyi valve-lepotilan hermoverkossa ja tarkkaavaisuus hermoverkossa. Potilailla, joilla on C9ORF72-mutaatio, havaittiin epänormaali yhteys valve-lepotilan hermoverkon ja talamuksen välillä. TMK:ta käytetään tällä hetkellä lähinnä tutkimustyökaluna. Analyysityökaluissa on ollut vaihtelevuutta eri julkaisuissa ja osin myös tämän väitöskirjan osatöissä. Julkaistut TMK-löydökset otsalohkodementiassa ovat osin ristiriitaisia ja se saattaa selittyä erilaisilla analyysimenetelmillä. Metodologiaa tulisi standardisoida ja lisäksi tarvitaan suurempia potilasryhmiä ja menetelmien kehittämistä, jotta TMK:n käyttö yksilötason kliinisessä diagnostiikassa olisi jatkossa mahdollista.

Abstract The life histories of ectoparasites are shaped by both host and off-host environment. A suitable host is primarily needed during reproduction, whereas juvenile stages outside the host are directly exposed to environmental variability. Viviparity, i.e. the development of an embryo inside the body of the mother resulting in large offspring size, increases offspring survival. The production of large offspring has its consequences in terms of high variation in offspring age and in the environment that each young individual will face. I used a viviparous ectoparasite, the deer ked (Lipoptena cervi), to investigate the consequences of long reproductive lifespan and varying offspring environment on offspring life-histories and seasonal adaptations. Offspring life-histories varied seasonally. I showed that the resources provided by the deer ked females determine offspring performance throughout its off-host period. Offspring size increased towards the spring and the end of the reproductive period, and simultaneously offspring survival and cold tolerance increased. Seasonal variation in offspring size did not reflect the resources that would guarantee offspring survival during the longest diapause or the highest cold tolerance during the harshest winter period. Diapause intensity varies with birth time according to the expected length of the winter ahead. However, the deer ked pupae, regardless of their age, overwinter at an opportunistic diapause, which may be terminated rapidly only by an exposure to high temperature. Contrary to general observations, photoperiod has no role in regulating the seasonal shifts of the deer ked. Neither is high cold tolerance associated only with diapause, but it remains high through four seasons, also in the active developmental and adult stages. I also evaluated the effects of life-history variation on the invasion potential of the deer ked. I conducted a large-scale transplant experiment to test the survival and pupal development at and beyond the current range. I found that the lower spring and summer temperatures and the shorter growth season in the north cause a deterioration in pupal performance and shorten the flight period. However, the colder climate may not totally prevent further spread. A more important factor that will affect deer ked invasion is host availability, and especially in Finland, the density of the moose population. Seasonal variation in offspring life histories in viviparous ectoparasites differs from the variation patterns reported in most invertebrates. This may be due to the extremely large offspring size and to the fact that maternally derived resources determine offspring performance through the entire off-host period. Variation in offspring performance is thus determined by maternal resources and seasonal variation in the condition of the moose. / Tiivistelmä Useimpien ulkoloisten elinkierto on riippuvainen isännästä ja isännän ulkopuolella kasvavien jälkeläisten kohtaamista ympäristöoloista. Viviparia eli jälkeläisen kehitys naaraan sisällä ja siitä usein seuraava suuri jälkeläiskoko parantavat jälkeläisten selviytymistä. Suurten jälkeläisten tuottaminen pitkällä aikavälillä johtaa siihen, että eri-ikäiset jälkeläiset kohtaavat vuodenajasta riippuen hyvin erilaiset olosuhteet. Väitöstyössäni tarkastelin Suomessa nopeasti yleistyneen hirvieläinten ulkoloisen, hirvikärpäsen (Lipoptena cervi), avulla, mitä seurauksia viviparialla, pitkällä lisääntymiskaudella ja ympäristön vuodenaikaisvaihtelulla on jälkeläisten elinkierto-ominaisuuksiin. Väitöskirjatyössäni havaitsin, että hirvikärpäsjälkeläisten elinkiertopiirteet vaihtelevat jälkeläisen syntymäajan mukaan. Osoitin myös, että hirvikärpäsnaaraan jälkeläisilleen tarjoamat ravintovarat määrittelevät jälkeläisten isännästä riippumattoman elinkierron aikaisen menestyksen. Jälkeläisten keskimääräinen koko kasvoi lisääntymiskauden edetessä talvesta kohti kevättä, jolloin myös selviytyminen ja kylmänsietokyky paranivat. Jälkeläiskoon vuodenaikaisvaihtelu ei näin ollen vastaa jälkeläisten tarvitsemia resursseja suhteessa talvehtimisen pituuteen eikä korreloi koville talvipakkasille altistumisen todennäköisyyden kanssa. Lepotilan keston määrittelevä diapaussin syvyys vaihteli syntymävuodenaikaa vastaavasti. Diapaussin havaitsin kuitenkin olevan ensisijaisesti opportunistinen, jolloin pelkästään korkea lämpötila voi nopeasti päättää lepotilan kaikenikäisillä yksilöillä. Vastoin yleisiä käsityksiä valorytmi ei vaikuta diapaussin säätelyyn. Vastoin ennakko-odotuksia kylmänsietokyky säilyy korkeana vuoden ympäri ja kaikissa tutkituissa elinkierron vaiheissa. Sovelsin tutkimieni elinkiertopiirteiden vaikutusta myös lajin invaasiokykyyn, ja tutkin istutuskokeen avulla koteloiden selviytymistä ja kehitystä nykyisellä esiintymisalueella ja sen pohjoispuolella. Alhaisemmat kevät- ja kesälämpötilat sekä lyhyempi kasvukausi vähentävät aikuiseksi selviytymistä ja lyhentävät lentoaikaa syksyllä. Ilmastotekijöiden suhteen hirvikärpänen voisi esiintyä nykyistä pohjoisempana. Tärkein tekijä hirvikärpäsen leviämistä tarkasteltaessa on kuitenkin sopivien isäntäeläimien saatavuus ja Suomen oloissa erityisesti hirven eli hirvikärpäsen pääisännän kannan tiheys. Tutkimukseni perusteella ulkoloisten vivipariasta seuraava jälkeläisten elinkiertopiirteiden ajallinen vaihtelu eroaa muiden selkärangattomien vastaavasta vaihtelusta. Yhtenä syynä eroihin lienee se, että hirvikärpäsnaaras tuottaa erityisen suuria jälkeläisiä ja että jälkeläiset puolestaan ovat täysin riippuvaisia emon antamista resursseista. Emon lisääntymisresurssit ja hirven kunnon vuodenaikaisvaihtelu vaikuttavat mahdollisesti siihen, minkälaisia jälkeläisiä hirvikärpänen milloinkin kykenee tuottamaan.

Abstract The concept of resting state functional magnetic resonance imaging (fMRI) is built onto an original finding in 1995 that brain hemispheres present synchronous signal fluctuations with distinct patterns. fMRI measurements rely on blood oxygenation changes that indirectly mirror neural activity. Therefore, the origin of functional connectivity patterns, resting state networks (RSNs), has been a widely debated research question and numerous contributing factors have been identified. According to current understanding the fluctuations reflect maintenance of the system integrity in addition to spontaneous thought and action processes in the resting state. A popular method to study the functional connectivity in resting state fMRI is spatial independent component analysis (ICA) that decomposes signal sources into statistically independent components. The dichotomy of functional specialization versus functional integration has a correspondence in fMRI studies where RSNs play the integrative viewpoint of brain function. Although canonical large-scale RSNs are broadly distributed they also express modularity that can be accomplished by ICA with a high number of estimated components. The characteristics of high ICA dimensionality are broadly investigated in the thesis. An enduring issue in resting state research has been the confounding noise sources like motion and cardiorespiratory processes which may hamper the analysis. In this thesis the ability of ICA to separate these noise sources from the default mode network, a major RSN, is studied. Additionally, the suitability of ICA for full frequency spectrum analysis, a relatively rare setting in biosignal analysis, is investigated. The results of the thesis support the viewpoint of ICA as a robust analysis method for functional connectivity analysis. Cardiorespiratory and motion induced noise did not confound the functional connectivity analyses with ICA. High dimensional ICA provided better signal source separation, revealed the modular structure of the RSNs and pinpointed the specific aberrations in the autism spectrum disorder population. ICA was also found applicable for fully explorative analysis in both the spatial and temporal domains and indicated functional connectivity changes induced by transcranial bright light stimulation. / Tiivistelmä Konsepti lepotilan tutkimisesta toiminnallisella magneettikuvauksella (engl. functional magnetic resonance imaging, fMRI) on rakentunut vuonna 1995 tehdylle löydökselle aivopuoliskojen välillä synkronisesta signaalivaihtelusta. Mittaukset perustuvat veren hapetuksen muutoksiin, jotka epäsuorasti heijastelevat hermostollista toimintaa. Tämän takia toiminnallisen kytkennällisyyden muodot, lepotilaverkostot, ovat olleet laajasti väitelty tutkimusaihe ja monia verkostoihin vaikuttavia tekijöitä onkin tunnistettu. Nykykäsityksen mukaan signaalivaihtelut lepotilassa heijastelevat järjestelmän yhtenäisyyden ylläpitoa spontaanin ajattelun ja toiminnan lisäksi. Suosittu menetelmä toiminnallisen kytkennällisyyden tutkimiseen lepotilan fMRI:ssä on spatiaalinen itsenäisten komponenttien analyysi (engl. independent component analysis, ICA), joka hajottaa signaalilähteet tilastollisesti itsenäisiin komponentteihin. Aivotoiminnan mallintamisessa kahtiajaolla toiminnalliseen erikoistumiseen ja toiminnalliseen integraatioon on vastaavuus fMRI-tutkimukseen, jossa lepotilaverkostot vastaavat toiminnallisen integraation näkökulmasta. Vaikka kanoniset lepotilaverkostot ovat laaja-alaisia, ne ovat toisaalta modulaarisia, jota voidaan tutkia tutkimalla korkean komponenttimäärän ICA-hajotelmaa. Korkea- dimensioisen ICA-hajotelman ominaisuuksia tutkitaan laajasti tässä väitöskirjassa. Kestoaihe lepotilatutkimuksessa on ollut analyysiä hankaloittavien kohinalähteiden kuten liikkeen ja kardiorespiratoristen prosessien vaikutus. Väitöskirjassa tutkitaan ICA:n kykyä erotella kohinalähteitä ’default mode’ -verkostosta, joka on merkittävin lepotilaverkosto. Lisäksi tutkitaan ICA:n soveltuvuutta täyden taajuuskaistan analysointiin, joka on verrattain harvinaista biosignaalien analyysissä. Väitöskirjan tulokset tukevat näkemystä ICA:n suorituskyvystä toiminnallisen kytkennällisyyden analyysissä. Kardiorespiratorinen ja liikkeestä lähtöisin oleva kohina ei häirinnyt merkittävästi ICA-tuloksia. Korkeadimensioinen ICA tarjosi paremman erottelun signaalilähteille, paljasti lepotilaverkostojen modulaarisen rakenteen ja määritti erityisen poikkeaman autismin kirjon oireyhtymän populaatiossa. ICA:n havaittiin olevan soveltuva täyseksploratiiviselle analyysille ajassa ja avaruudessa; tulos viittaa toiminnallisen kytkennällisyyden muutoksiin kallon läpäisevän kirkasvalostimulaation aikaansaamana.

Abstract Resting-state (RS) measurements during functional magnetic resonance imaging (fMRI) have become an established approach for studying spontaneous brain activity. RS-fMRI results are often obtained using explorative approaches like spatial independent component analysis (sICA). These approaches and their software implementations are rarely evaluated extensively or specifically concerning RS-fMRI. Trust is placed in the software that they will work according to the published method descriptions. Many methods and parameters are used despite the lack of test data, and the validity of the underlying models remains an open question. A substantially greater number of evaluations would be needed to ensure the quality of exploratory RS-fMRI analyses. This thesis investigates the applicability of sICA methodology and software in the RS-fMRI context. The experiences were used to formulate general guidelines to facilitate future method evaluations. Additionally, a novel multiple comparison correction (MCC) method, Maxmad, was devised for adjusting evaluation results statistically. With regard to software considerations, the source code of FSL Melodic, popular sICA software, was analyzed against its published method descriptions. Unreported and unevaluated details were found, which implies that one should not automatically assume a correspondence between the literature and the software implementations. The method implementations should rather be subjected to independent reviews. An experimental contribution of this thesis is that the credibility of the emerging sliding window sICAs has been improved by the validation of sICA related preprocessing procedures. In addition to that, the estimation accuracy regarding the results in existing RS-fMRI sICA literature was also shown not to suffer even though repeatability tools like Icasso have not been used in their computation. Furthermore, the evidence against conventional sICA model suggests the consideration of different approaches to analysis of RS-fMRI. The guidelines developed for facilitation of evaluations include adoption of 1) open software development (improved error detection), 2) modular software designs (easier evaluations), 3) data specific evaluations (increased validity), and 4) extensive coverage of parameter space (improved credibility). The proposed Maxmad MCC addresses a statistical problem arising from broad evaluations. Large scale cooperation efforts are proposed concerning evaluations in order to improve the credibility of exploratory RS-fMRI methods. / Tiivistelmä Aivoista toiminnallisella magneettikuvantamisella (engl. functional magnetic resonance imaging, fMRI) lepotilassa tehdyt mittaukset ovat saaneet vakiintuneen aseman spontaanin aivotoiminnan tutkimuksessa. Lepotilan fMRI:n tulokset saadaan usein käyttämällä exploratiivisia menetelmiä, kuten spatiaalista itsenäisten komponenttien analyysia (engl. spatial independent component analysis, sICA). Näitä menetelmiä ja niiden ohjelmistototeutuksia evaluoidaan harvoin kattavasti tai erityisesti lepotilan fMRI:n kannalta. Ohjelmistojen luotetaan toimivan menetelmäkuvausten mukaisesti. Monia menetelmiä ja parametreja käytetään testidatan puuttumisesta huolimatta, ja myös menetelmien taustalla olevien mallien pätevyys on edelleen epäselvä asia. Eksploratiivisten lepotilan fMRI-datan analyysien laadun varmistamiseksi tarvittaisiin huomattavasti nykyistä suurempi määrä evaluaatioita. Tämä väitöskirja tutki sICA-menetelmien ja -ohjelmistojen soveltuvuutta lepotilan fMRI-tutkimuksiin. Kokemuksien perusteella luotiin yleisiä ohjenuoria helpottamaan tulevaisuuden menetelmäevaluaatioita. Lisäksi väitöskirjassa kehitettiin uusi monivertailukorjausmenetelmä, Maxmad, evaluaatiotulosten tilastolliseen korjaukseen. Tunnetun sICA-ohjelmiston, FSL Melodicin, lähdekoodi analysoitiin suhteessa julkaistuihin menetelmäkuvauksiin. Analyysissa ilmeni aiemmin raportoimattomia ja evaluoimattomia menetelmäyksityiskohtia, mikä tarkoittaa, ettei kirjallisuudessa olevien menetelmäkuvausten ja niiden ohjelmistototeutusten välille pitäisi automaattisesti olettaa vastaavuutta. Menetelmätoteutukset pitäisi katselmoida riippumattomasti. Väitöskirjan kokeellisena panoksena parannettiin liukuvassa ikkunassa suoritettavan sICA:n uskottavuutta varmistamalla sICA:n esikäsittelyjen oikeellisuus. Lisäksi väitöskirjassa näytettiin, että aiempien sICA-tulosten tarkkuus ei ole kärsinyt, vaikka niiden estimoinnissa ei ole käytetty toistettavuustyökaluja, kuten Icasso-ohjelmistoa. Väitöskirjan tulokset kyseenalaistavat myös perinteisen sICA-mallin, minkä vuoksi tulisi harkita siitä poikkeavia lähtökohtia lepotilan fMRI-datan analyysiin. Evaluaatioiden helpottamiseksi kehitetyt ohjeet sisältävät seuraavat periaatteet: 1) avoin ohjelmistokehitys (parantunut virheiden havaitseminen), 2) modulaarinen ohjelmistosuunnittelu (nykyistä helpommin toteutettavat evaluaatiot), 3) datatyyppikohtaiset evaluaatiot (parantunut validiteetti) ja 4) parametriavaruuden laaja kattavuus evaluaatioissa (parantunut uskottavuus). Ehdotettu Maxmad-monivertailukorjaus tarjoaa ratkaisuvaihtoehdon laajojen evaluaatioiden tilastollisiin haasteisiin. Jotta lepotilan fMRI:ssä käytettävien exploratiivisten menetelmien uskottavuus paranisi, väitöskirjassa ehdotetaan laaja-alaista yhteistyötä menetelmien evaluoimiseksi.