Combining Brain stimulation and Brain imaging to study Cognitive functions

Mgr. Patrik Šimko, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Zobrazovanie mozgu a metódy elektrofyziológie môžu poskytnúť obrovské množstvo informácií o štruktúre a funkcii mozgu. V kombinácii s metódami neinvazívnej mozgovej stimulácie mozgu (NMS), zobrazovanie pomocou MRI môže poskytnúť hodnotné informácie vedúce k optimalizácii parametrov stimulácie a tiež prispieť k hlbšiemu pochopeniu neuronálnych mechanizmov účinku stimulácie. V dizertačnej práce som skúmal účinky NMS na kognitívne funkcie pri zdravom a patologickom starnutí so zameraním na Alzheimerovu chorobu (ACH) a miernu kognitívnu poruchu (MCI). V práci uvádzam svoj spoluautorský príspevok v rámci systematického prehľadu o terapeutickom a diagnostickom prínose transkraniálnej magnetickej stimulácie (TMS) pri neurodegeneratívnych demenciách a MCI. V rámci práce taktiež uvádzam prvoautorský článok - metaanalýzu o terapeutických účinkoch repetitívnej TMS a transkraniálnej stimulácie jednosmerným prúdom (tDCS) na kognitívne funkcie u MCI a ACH. Napokon, v práci uvádzam výsledky našich dvoch dvojito zaslepených štúdií ktorých cieľom bolo využitím tDCS zlepšiť zrakovú pozornosť u mladých dospelých a senioroch. Následne použitím analýzy funkčnej konektivity sme sa snažili pochopiť zmeny v neuronálnych okruhoch vyvolaných stimuláciou mozgu. V práci sme preukázali, že metódy NIBS sú hodnotnými nástrojmi na zlepšenie kognitívnych funkcií. Okrem toho, kombinácia zobrazovania s mozgovou stimuláciou môže prispieť k individualizácii priestorového zacielenia stimulácie a tiež rozšíreniu poznatkov o neuronálnych mechanizmoch na pozadí kognitívnych zmien vyvolaných NMS.

Abstract:

Brain imaging and electrophysiology can provide a tremendous amount of information about brain structure and function. When used in combination with non-invasive brain stimulation (NIBS), MRI can provide additional information for optimizing stimulation parameters and serve as a readout of neural underpinnings elicited by brain stimulation. In the dissertation thesis, I explored the effects of NIBS on influencing cognition in healthy and pathological aging with a focus on Alzheimer’s disease (AD) and mild cognitive impairment (MCI). In my work, I co-authored a systematic review on the therapeutic and diagnostic contribution of transcranial magnetic stimulation (TMS) in neurodegenerative dementias and MCI. Moreover, we conducted a meta-analysis on the therapeutic efficacy of repetitive TMS and transcranial direct current stimulation (tDCS) on cognition in MCI and AD. Finally, in two original works, we applied tDCS with the objective to enhance visual attention in younger adults and seniors. In our analysis of functional connectivity, we focused on network alterations elicited by brain stimulation. From the abovementioned works, we found that the methods of NIBS are viable tools for enhancing cognitive functions. Moreover, magnetic resonance imaging is useful for individualizing spatial targeting and broadening our understanding of the neural mechanisms of NIBS-induced behavioral changes.

Keywords

rTMS, tDCS, Alzheimer’s disease, Mild Cognitive Impairment, fMRI, functional magnetic resonance imaging, brain connectivity, brain plasticity, visual attention, working memory

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 10. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 15. 11. 2022
• Supervisor: prof. MUDr. Irena Rektorová, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. et Mgr. Tomáš Nikolai, Ph.D., prof. Ing. Jan Kremláček, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Neurosciences / Neurosciences