New neurophysiological and imaging methods for detection of microstructural changes in mild traumatic brain injury - Tallus, Jussi (My University, 2023)
Mild traumatic brain injury is a very common health problem. Although outcome is generally good, a significant proportion of patients have persistent symptoms or an incomplete functional recovery. The mechanisms of this are incompletely understood, but believed to include microstructural injuries that may be undetectable by presently used diagnostic tests. This thesis aims at exploring new diagnostic methods that could be utilised in examining mild traumatic brain injury. I study tested transcranial magnetic stimulation defined motor thresholds in a sample of chronic phase mild traumatic brain injury patients. Elevated motor thresholds were found compared to healthy controls, associated with altered excitability of the corticospinal tract. II study used transcranial magnetic stimulation combined with electroencephalography to probe responses of frontal brain regions. The employed method is reported to be sensitive to changes in excitability and connectivity of the brain. Differences were found between samples of fully recovered and persistently symptomatic patients with mild traumatic brain injury and healthy controls. On basis of this, transcranial magnetic stimulation and electroencephalography could be used to detect functional changes that are not paralleled by lesions on routine magnetic resonance imaging. III study compared diffusion tensor imaging based deterministic tractography and a newer method, based on constrained spherical deconvolution, automatic, deep learning based segmentation and probabilistic tractography. Participants were patients with symptomatic mild traumatic brain injury and healthy controls. The newer approach was able to find differences between the groups, while diffusion tensor method was not. This suggests the new approach may be more sensitive in detecting microstructural changes related to mild traumatic brain injury. These results show that mild traumatic brain injury can be associated with functional and structural changes in the absence of trauma-related findings on routine MRI. The methods evaluated may provide new ways to detect these changes.

Uusia neurofysiologisia ja kuvantamismenetelmiä lievään aivovammaan liittyvien mikrorakenteellisten muutosten toteamisessa Lievä aivovamma on erittäin tavallinen. Toipuminen on yleensä hyvää, mutta osalle potilaista jää pitkäkestoisia oireita tai toimintakyvyn vajavuutta. Näiden syntymekanismia ei täysin ymmärretä, mutta ajatellaan sen voivan liittyä aivojen mikrorakenteellisiin muutoksiin, joiden toteamiseen nykyiset diagnostiset testit voivat olla riittämättömiä. Tämä väitöstutkimus selvittää uusia keinoja, joita voitaisiin hyödyntää lievän aivovamman arvioinnissa. I osatyössä tutkittiin transkraniaalisen magneettistimulaation avulla motorisia kynnyksiä. Tutkimusjoukkona oli lievän aivovamman saaneita, kroonisen vaiheen potilaita. Potilasjoukolla todettiin terveisiin verrokkeihin nähden korkeampia motorisia kynnyksiä, joka liittyy muutoksiin kortikospinaaliradan ärtyvyydessä. II osatyö hyödynsi transkraniaalista magneettistimulaatiota ja elektroenkefalografiaa frontaalisten aivoalueiden vasteiden tutkimisessa. Aiempien julkaisujen perusteella menetelmä on herkkä aivojen ärtyvyyden ja aivoalueiden välisten yhteyksien muutosten toteamisessa. Menetelmällä löydettiin eroja lievästä aivovammasta oireettomiksi toipuneista, pitkäkestoisesti oireilevista ja terveistä verrokeista koostuneiden osallistujajoukkojen välillä. Transkraniaalisen magneettistimulaation ja elektroenkefalografian yhdistelmällä saatetaan siten havaita toimin-nallisia muutoksia, joille ei ole vastinetta tavallisissa magneettikuvissa. III osatyössä verrattiin diffuusiotensorikuvantamista ja determinististä traktografiaa uudempaan menetelmään, joka perustui constrained spherical deconvolution -laskentaan, automaattiseen, syväoppimiseen perustuvaan segmentaatioon ja probabilistiseen traktografiaan. Tutkimusjoukkona oli lievän aivovamman saaneita, oireisia potilaita ja terveitä verrokkeja. Uudella menetelmällä löydettiin eroja ryhmien välillä, mutta vertailumenetelmällä eroja ei havaittu. Tällä perusteella uusi menetelmä vaikuttaa herkemmältä aivovammaan liittyvien mikrorakenteellisten muutosten toteamisessa. Tulokset osoittavat, että lievään aivovammaan voi liittyä toiminnallisia ja rakenteellisia muutoksia, vaikka tavanomaisen magneettikuvauksen löydös olisi normaali. Näiden muutosten toteaminen voi olla mahdollista arvioiduilla menetelmillä.