Lecture Notes in Computer Science


Download 12.42 Mb.
Pdf ko'rish
bet13/88
Sana16.12.2017
Hajmi12.42 Mb.
#22381
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   88

2.2   Laguerre Polynomials 

The Laguerre polynomials can be used for detecting experimental responses. This 

family of polynomials can be specified as follows:  

=



=

L

i

a

i

i

t

g

f

t

h

1

)



(

)

(



,

 

(2) 



where  h(t) is the design coefficients to be input into X

i  

in (1); L  is the order of 

Laguerre polynomial; ƒ

i

 is the coefficient of the basis function, and g



i

a

(t) is the inverse 

transform of the i-th Laguerre polynomial given by  

)]

(



[

)

1



(

1

)



(

~

1



1

1

1



1

1

1



z

g

Z

az

a

z

az

z

Z

t

g

a

i

i

a

i





=









=

 

(3) 



where  a  is a time constant. As an illustration, Fig. 1 gives the response coefficients 

corresponding to L=2 and L =3. 

 

  

 



(a)                                                           (b) 

 

Fig. 1. The boxcar functions of experimental conditions in the Scott et al. study are depicted in 

(a), and the Laguerre polynomials h(t) with L=2 and L =3 are depicted in (b) 

 

3   Event-Related fMRI Experiments 

We here introduce the experimental design behind the fMRI dataset used in the 

empirical study, and select the design matrix suitable for the study. 

h(t)L=2 

h(t)L=3 


 

Reproducibility Analysis of Event-Related fMRI Experiments 

129 

3.1   Experimental Design 

In our empirical study, the dataset contains functional MR images of 10 subjects  

who went through 10-12 experimental runs, with 10 stimulus trials in each run. 

Experimental runs involved the change-detection task in which two images within a 

pair differed in either the presence/absence of the position of a single object or the 

color of the object. The two images were presented alternatively for 40 sec. In the first 

30 sec, each image was presented for 300 msec followed by a 100 msec mask. 

However, the mask was removed in the last 10 sec. Subjects pressed a button when 

detecting something changing between the pair of images. The experimental images 

and stimulus duration are shown in Fig. 2. 

 

 

 



Fig. 2. The experimental images and stimulus duration in the Scott et al. study 

3.2   Experimental Design Matrix 

We used the Laguerre polynomials in Fig. 1 for specifying the design matrix in (1) 

instead of the theoretical HRFs. According to the original experimental design, there 

are two contrasts of interest in the Scott et al. study. The first is the response after the 

task onset within the 40 secs trial, and the second is the difference between stimulus 

presentations with and without the mask, that is, responses during the image 

presentation with the mask (0 ~ 30 sec.) and without the mask (30 ~ 40 sec.) in Fig. 2. 

The boxcar functions in Fig. 1 can also be specified in the design matrix as was 

suggested in the study by Liou et al. (2006) for the on-and-off design. However, the 

two boxcar functions are not orthogonal to each other and carry redundant 

information on experimental effects. In the event-related fMRI experiment, the 

duration of stimulus presentation is always longer than that in the on-and-off design. 

The theoretical HRFs vanish during the stimulus presentation. There might be brain 

regions continuously responding to the stimulus. The Laguerre polynomials are 

orthogonal and offer possibilities for examining all kinds of experimental effects. We 


130 

H.-R. Su et al. 

might also consider Laguerre polynomials in Fig. 1 as a smoothed version of the 

boxcar functions.  



4   Results 

In the Scott et al. study, a response-contingent event-related analysis technique was used 

in the data analyses, and the original results showed brain regions associated with different 

processing components in the visual change-detection task. For instance, the lingual gyrus

cuneus, precentral gyrus, and medial frontal gyrus showed activations associated with the 

task onset. And the pattern of activation in dorsal and ventral visual pathways was 

temporally associated with the duration of visual search. Finally parietal and frontal 

regions showed systematic deactivations during task performance. In the reproducibility 

analysis with Laguerre polynomials, we found the similar activation regions associated 

with the task onset, visual search and deactivations. In addition, we found activation 

regions in the parahippocampal, superior frontal gyrus, supramarginal gyrus and inferior 

parietal lobule. Both positive and negative responses were also found in the lingual gyrus, 

cuneus and precuneus which are also reproducible across all subjects; this finding is 

consistent with our previous data analyses of fMRI studies involving object recognition 

and word/pseudoword reading (Liou et al., 2006). Table 1 lists a few activation regions in 

the change-detection task for the 10 subjects. 

 

Table 1. The activation regions in the change-detection task. The plus sign indicates the positive 

response and minus sign indicates the negative response. 

 

Subjects 



















10 

Lingual 


gyrus 

+/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- 

Precuneus 

+/- 


+/- 

+/- 


+/- 

+/- 


+/- 

+/- 


+/- 

+/- 


+/- 

Cuneus 


+/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- +/- 

Posterior cingulate 

+/- 

 

+/- 



+/- 

+/- 


 

+/- 


+/- 

 

+/- 



Medial frontal gyrus 

+/- 


 

+/-  


+/- +  +/- +/-  

+/- 


Parahippocampal gyrus 

 



+/- 

 

 



+/- 

+/- 


+/- 

 

 



Superior frontal gyrus 

 



 



 

 

 



 

Supramarginal gyrus 



 



 

 



 

 



 

 

In the table, there are 4 subjects showing activations in the superior frontal gyrus 



and supramarginal gyrus in the change-detection task. The two regions have been 

referred to in fMRI studies on language process (e.g., the study on word and 

pseudoword reading). The 4 subjects, on average, had longer reaction time in the 

change-detection task, that is, a delay of pressing the button until the image 

presentation without the mask (30-40 sec.). Fig. 3 shows the brain activation regions 

for Subjects 5 and 7 in the Scott et al. study. Subject 5 involved the superior frontal 

gyrus and supramarginal gyrus and had the longest reaction time compared with other 

subjects in the experiment. On the other hand, Subject 7 had relatively shorter 

reaction time and showed no activations in the two regions.     

 


 

Reproducibility Analysis of Event-Related fMRI Experiments 

131 

 

Fig. 3. Brain activation regions for Subjects 5 and 7 in the Scott et al. study 



132 

H.-R. Su et al. 



Subject 5 

 

Fig. 3. (continued)

 


 

Reproducibility Analysis of Event-Related fMRI Experiments 

133 

Subject 7 

 

Fig. 3. (continued



134 

H.-R. Su et al. 



5   Discussion 

The reproducibility evidence suggests that the 10 subjects consistently show a pattern 

of increased/decreased responses in the lingual gyrus, cuneus, and precuneus. Similar 

observations were also found in our empirical studies on other datasets published by 

the fMRIDC. In the fMRI literature, the   precuneus, posterior cingulate and medial 

prefrontal cortex are known to be  the default network in a resting state and show 

decreased activities in a variety of cognitive tasks. The physiological mechanisms 

behind the decreased responses are still under investigation. However, discussions on 

the network have given a focus on the decreased activities. We would suggest to 

consider both positive and negative responses when interpreting the default network. 

By the method of reproducibility analyses, we can clearly classify brain regions that 

show consistent responses across subjects and those that show patterns and 

inconsistencies across subjects (see results in Table 1). Higher mental functions are 

individual and their localization in specific brain regions can be made only with some 

probabilities. Accordingly, the higher mental functions are connected with speech

that is, external or internal speech organizing personal behavior. Subjects differ from 

each other as a result of using different speech designs when making decisions in 

performing experimental tasks. Change of functional localization is an additional 

characteristic of a subject’s psychological traits. The proposed methodology would 

assist researchers in identifying those brain regions that are specific to individual 

speech designs and those that are consistent across subjects.  

Acknowledgments. The authors are indebted to the fMRIDC at Dartmouth College 

for supporting the datasets analyzed in this study. This research was supported by the 

grant NSC 94-2413-H-001-001 from the National Science Council (Taiwan). 

References 

1.  Liou, M., Su, H.-R., Lee, J.-D., Aston, J.A.D., Tsai, A.C., Cheng, P.E.: A method for 

generating reproducible evidence in fMRI studies. NeuroImage 29, 383–395 (2006) 

2.  Huettel, S.A., Guzeldere, G., McCarthy, G.: Dissociating neural mechanisms of visual 

attention in change detection using functional MRI. Journal of Cognitive 

Neuroscience 13(7), 1006–1018 (2001) 

3.  Liou, M., Su, H.-R., Lee, J.-D., Cheng, P.E., Huang, C.-C., Tsai, C.-H.: Bridging Functional 

MR Images and Scientific Inference: Reproducibility Maps. Journal of cognitive 

Neuroscience 15(7), 935–945 (2003) 

4.  Saha, S., Long, C.J., Brown, E., Aminoff, E., Bar, M., Solo, V.: Hemodynamic transfer 

function estimation with Laguerre polynomials and confidence intervals construction from 

functional magnetic resonance imaging (FMRI) data. IEEE ICASSP 3, 109–112 (2004) 

5.  Andrews, G.E., Askey, R., Roy, R.: Laguerre Polynomials. In: §6.2 in Special Functions, 

pp. 282–293. Cambridge University Press, Cambridge (1999) 

6.  Arfken, G.: Laguerre Functions. In: §13.2 in Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed., 

Orlando, FL, pp. 721–731. Academic Press, London (1985) 



M. Ishikawa et al. (Eds.): ICONIP 2007, Part I, LNCS 4984, pp. 135–141, 2008. 

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 



The Effects of Theta Burst Transcranial Magnetic 

Stimulation over the Human Primary Motor and Sensory 

Cortices on Cortico-Muscular Coherence 

Murat Saglam

1

, Kaoru Matsunaga



2

, Yuki Hayashida

1

, Nobuki Murayama



1

and Ryoji Nakanishi



2

   


1

 Graduate School of Science and Technology, Kumamoto University, Japan  

2

 Department of Neurology, Kumamoto Kinoh Hospital, Japan  



msaglam@brain.cs.kumamoto-u.ac.jp, 

{yukih,murayama}@cs.kumamoto-u.ac.jp 



Abstract. Recent studies proposed a new paradigm of repetitive transcranial 

magnetic stimulation (rTMS), “theta burst stimulation” (TBS); to primary 

motor cortex (M1) or sensory cortex (S1) can influence cortical excitability in 

humans. Particularly it has been shown that TBS can induce the long-lasting 

effects with the stimulation duration shorter than those of conventional rTMSs. 

However, in those studies, effects of TBS over M1 or S1 were assessed only by 

means of motor- and/or somatosensory-evoked-potentials. Here we asked how 

the coherence between electromyographic (EMG) and electroencephalographic 

(EEG) signals during isometric contraction of the first dorsal interosseous 

muscle is modified by TBS. The coherence magnitude localizing for the C3 

scalp site,

 and at 13-30Hz band, significantly decreased 30-60 minutes after the 

TBS on M1, but not that on S1, and recovered to the original level in 90-120 

minutes. These findings indicate that TBS over M1 can suppress the cortico-

muscular synchronization. 

Keywords: Theta Burst Transcranial Magnetic Stimulation, Coherence Electroen- 

cephalogram, Electromyogram, Motor Cortex. 



1   Introduction 

Previous studies have demonstrated dense functional and anatomical projections 

among motor cortex building a global network which realizes the communication 

between the brain and peripheral muscles via the motor pathway [1, 2]. The quality of 

the communication is thought to highly depend on the efficacy of the synaptic 

transmission between cortical units. In the past few decades, repetitive transcranial 

magnetic stimulation (rTMS) was considered to be a promising method to modify 

cortical circuitry by leading the phenomena of long-term potentiation (LTP) and 

depression (LTD) of synaptic connections in human subjects [3].  

Furthermore, a recently developed rTMS paradigm, called “theta burst stimulation” 

(TBS) requires less number of the stimulation pulses and even offers the longer after-

effects than conventional rTMS protocols do [4]. Previously, efficiency of TBS has 



136 

M. Saglam et al. 

been assessed by means of signal transmission from cortex to muscle or from muscle to 

cortex, by measuring motor-evoked-potential (MEP) or somatosensory-evoked-potential 

(SEP), respectively. It was shown that TBS applied over the surface of sensory cortex 

(S1) as well as primary motor cortex (M1) could modify the amplitude of SEP (recorded 

from the S1 scalp site) lasting for tens of minutes after the TBS [5]. On the other hand, 

the amplitude of MEP was not modified by the TBS applied over S1, while the  

MEP amplitude was significantly decreased by the TBS applied over M1 [4, 5]. In the 

present study, we examined the effects of TBS applied over either M1 or S1 on the 

functional coupling between cortex and muscle by measuring the coherence between 

electroencephalographic (EEG) and electromyographic (EMG) signals during voluntary 

isometric contraction of the first dorsal interosseous (FDI) muscle. 

2   Methods 

2.1   Subjects 

Seven subjects among whole set of recruited participants (approximately twenty) 

showed significant coherence and only those subjects participated to TBS 

experiments. Experiments on M1 and S1 performed on different days and subjects did 

not report any side effects during or after the experiments.    

2.2   Determination of M1 and S1 Location 

The optimal location of the stimulating coil was determined by searching the largest 

MEP response(from the contralateral FDI-muscle) elicited by single pulse TMS while  

 

 



Fig. 1. EEG-EMG signals recorded before and after the application of TBS as depicted in the 

experiment time line. Subjects were asked to contract four times at each recording set. Location 

and intensity for actual location were determined after pre30 session. Pre0 recording was done 

to confirm searching does not make any conditioning. TBS paradigm is illustrated in the right-

above inset.   


 

The Effects of Theta Burst Transcranial Magnetic Stimulation 

137 

moving the TMS coil in 1cm steps on the presumed position of M1. Stimulation was 



applied by a with a High Power Magstim 200 machine and a figure-of-8 coil with 

mean loop diameter of 70 mm (Magstim Co., Whitland, Dyfed, UK). The coil was 

placed tangentially to the scalp with the handle pointing backwards and laterally at a 

45˚ angle away from the midline. Based on previous reports S1 is assumed to be 2cm 

posterior from M1 site [5].  

2.3   Theta Burst Stimulation 

Continuous TBS (cTBS) paradigm of 600 pulses was applied to the M1 and S1 

location. cTBS consists of 50Hz triplets of pulses that are repeating themselves at 

every 0.2s (5Hz) for 40s[4]. Intensity of each pulse was set to 80% active motor 

threshold (AMT) which is defined as the minimum stimulation intensity that could 

evoke an MEP of no less than 200μV during slight tonic contraction. 



2.4   EEG and EMG Recording 

EEG signals were recorded based on the international 10-20 scalp electrode 

placement method (19 electrodes) with earlobe reference. EMG signal, during 

isometric hand contraction at 15% level from the maximum, was recorded from the 

FDI muscle of the right hand with reference to the metacarpal bone of the index 

finger. EEG and EMG signals were recorded with 1000 Hz sampling frequency and 

passbands of 0.5-200Hz and 5-300 Hz, respectively. Each recording set consists of 4 

one-minute-long recordings with 30s-rest time intervals. To assess TBS effect with 

respect to time, each set was performed 30 minutes before (pre30), just before (pre0), 

0,30,60,90 and 120 minutes after the delivery of TBS. Stimulation location and 

intensity were determined between pre30 and pre0 recordings (Fig. 1).               

2.5   Data Analysis 

Coherence function is the squared magnitude of the cross-spectra of the signal pair 

divided by the product their power spectra. Therefore cross- and power-spectra 

between EMG and 19 EEG channels were calculated. Fast Fourier transform, with an 

epoch size of 1024, resulting in frequency resolution of 0.98 Hz was used to convert 

the signals into frequency domain. The current source density (CSD) reference 

method was utilized in order to achieve spatially sharpened EEG signals [6]. 

Coherency between EEG and EMG signals was obtained using the expression below: 

1

)

(



)

(

)



(

)

(



0

2

2



=



f

S

f

S

f

S

f

yy

xx

xy

xy

κ

 



(1) 

where S


xy

(f) represents the cross-spectral density function. S

xx

(f) and S



yy

(f) stand for 

the auto-spectral density of the signals x and y, respectively. Since coherence is a 

normalized measure of the correlation between signal pairs, κ

2

xy

  (f) =1 represents a 



perfect linear dependence and κ

2

xy



 (f) =0 indicates a lack of linear dependence within 

those signal pairs. Coherence values for κ

2

xy

  (f) > 0 are assumed to be statistically 



significant only if they are above 99% confidence limit that is estimated by:  

138 

M. Saglam et al. 

)

1

(



1

%)

(



100

1

1



:







=

n



CL

α

α



 

(2)


 

where n is the number of epochs used for cross- and power- spectra calculations.  



3   Results 

First we have confirmed that EEG-EMG coherence values for all (n=7) subjects lie 

above 99% significance level (coh ~= 0.02) and within beta (13-30 Hz) frequency  

 

Table 1. Mean ± standard error of mean (SEM) of beta band EEG (C3)-EMG coherence values 

and peak frequencies for TBS-over-M1 and S1 experiments (n=7) 

Pre30 

(min) 

Pre0 (min) 

0 (min) 

30 (min) 

60 (min) 

90 (min)   

120 (min) 

Coherence 

Magnitude  

M1

0.061±0.008 0.051±0.014 0.053±0.014  0.03±0.007  0.031±0.009 0.057±0.015 0.067±0.016 



 S1 

0.059±0.021 0.068±0.026 0.058±0.027 0.061±0.023 0.052±0.014 0.034±0.006 0.040±0.016 



Peak  

Download 12.42 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   88




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling