Anatomical and hemodynamic correlates of healthy human brain rhythms

Abstract

Rhythmic activity of neuronal populations in cerebral cortex can be measured non-invasively using electroencephalography (EEG). Typically, when a human subject sits quietly at rest their EEG power spectrum is dominated by a low frequency, high amplitude rhythm known as the alpha rhythm (8-16 Hz). When the subject attends to a visual stimulus, the alpha rhythm is suppressed, and a high frequency lower amplitude rhythm known as the gamma rhythm (30-90 Hz) emerges. Both alpha and gamma rhythms have been intensely studied for the past two decades, but many questions remain. This thesis will seek to address two basic questions about the alpha and gamma rhythms measured in the healthy human brain using EEG: 1) how does individual variability in alpha and gamma rhythm amplitude relate to individual variability in cortical and head anatomy, and 2) what is the relationship between healthy human brain rhythms and hemodynamic activity, ie, can fluctuations in the electrical rhythms of the brain be used to predict subsequent changes in cerebral blood flow measured using blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD FMRI)? To address question 1, both EEG and BOLD FMRI recordings have been performed in 42 healthy human subjects, and the amplitude of each subject’s EEG alpha and gamma rhythm was compared to anatomical features of their brain/head measured using T1-weighted MRI imaging. It was found that distance from active cortical tissue to EEG electrode is the best predictor of inter-individual variability in high frequency (gamma) brain rhythm – people whose brain is further from their scalp exhibit lower amplitude gamma rhythm fluctuations. To address question 2, a variety of visual stimulus patterns were designed based on the literature, to control alpha and gamma rhythms. BOLD FMRI measurements were then taken in response to the same stimuli, and it was found that the gamma rhythm does not always predict BOLD FMRI responses, in particular, stimuli that suppress neuronal synchrony while maintaining a high action potential firing rate are best at dissociating EEG gamma rhythm from BOLD FMRI. Overall, this research has improved our understanding of inter-individual variability in human brain rhythms, and the relationship of these rhythms to hemodynamic activity.

Résumé: L'activité rythmique des populations neuronales dans le cortex cérébral peut être mesurée de manière non invasive par électroencéphalographie (EEG). Généralement, lorsqu'un sujet humain est tranquillement assis au repos, son spectre de puissance EEG est dominé par un rythme de basse fréquence et de grande amplitude connu sous le nom de rythme alpha (8-16 Hz). Lorsque le sujet est exposé à un stimulus visuel, le rythme alpha est supprimé au profit d’un rythme de haute fréquence et d'amplitude inférieure, connue sous le nom de rythme gamma (30-90 Hz). Les rythmes alpha et gamma ont été beaucoup étudiés au cours des deux dernières décennies, mais de nombreuses questions demeurent. Cette thèse cherchera à répondre à deux questions fondamentales sur les rythmes alpha et gamma mesurés dans le cerveau humain sain en utilisant l'EEG : 1) comment la variabilité individuelle de l'amplitude du rythme alpha et gamma est-elle liée à la variabilité individuelle de l'anatomie corticale et de la tête, et 2) quelle est la relation entre les rythmes cérébraux sains de l’humain et l’activité hémodynamique, c’est-à-dire, peut-on utiliser les fluctuations des rythmes électriques cérébraux pour prédire les modifications ultérieures du débit sanguin cérébral mesuré à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle en fonction du niveau d’oxygène dans le sang (BOLD FMRI) ? Pour répondre à la question 1, des enregistrements EEG et du BOLD FMRI ont été réalisés chez 42 sujets humains en bonne santé, et l’amplitude du rythme EEG alpha et gamma de chaque sujet a été comparée aux caractéristiques anatomiques de leur cerveau / tête mesurées par imagerie IRM pondérée en T1. Il a été constaté que la distance entre le tissu cortical actif et l'électrode EEG est le meilleur prédicteur de la variabilité interindividuelle du rythme cérébral à haute fréquence (gamma) - les individus dont le cerveau est le plus éloigné de leur cuir chevelu sont ceux qui présentent le moins de fluctuations d'amplitude du rythme gamma. Pour répondre à la question 2, une variété de modèles de stimuli visuels a été conçue en s’appuyant sur la littérature afin de contrôler les rythmes alpha et gamma. Les mesures du BOLD FMRI ont ensuite été prises en réponse aux mêmes stimuli et il a été constaté que le rythme gamma ne prédisait pas toujours les réponses du BOLD FMRI, particulièrement en ce qui concerne les stimuli qui suppriment la synchronisation neuronale tout en maintenant un taux de déclenchement élevé du potentiel d'action qui sont les meilleurs pour dissocier le rythme gamma en EEG du BOLD FMRI. Globalement, ces recherches ont amélioré notre compréhension de la variabilité interindividuelle des rythmes cérébraux chez l’humain et de la relation entre ces rythmes et l’activité hémodynamique.