Tracking neuronal and cardiovascular impulses in MR-encephalography

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the Wetteri auditorium (IT115), Linnanmaa, on 5 September 2025, at 12 noon

Abstract

The glymphatic system is the functional analog of the lymphatic system in the brain. It aids the clearance of soluble proteins and metabolites and is therefore essential for maintaining neural health. Reduced glymphatic function increases the formation of amyloid beta (Aβ) plaques and cognitive deficits. Alzheimer's disease (AD) is characterized by Aβ protein aggregations on cerebral arterial walls, which establishes a link between AD, glymphatic dysfunction, and vascular health decline. The glymphatic system utilizes arterial pulsations for brain clearance, and cardiovascular pulses were shown to be altered in AD. A more accurate assessment of changes in cardiovascular brain impulses was required.

The purpose of this study was to develop novel methods that separate physiological pulsations from neuronal activity and measure propagation speed and direction of cardiovascular brain impulses in humans with magnetic resonance encephalography (MREG). Fast 10 Hz full brain sampling of MREG enables unaliased measurement of physiological pulsations. Spontaneous neuronal activity bursts were detected, which clearly differed from quasi-periodic physiological brain pulsations. With emerging research interest in the glymphatic system and its connection to both arterial pulsations and AD, an optical flow algorithm was developed to measure propagation of cardiovascular impulses with MREG.

A pulse propagation velocity map was established with the optical flow analysis, and alterations in AD were investigated. Differences in AD included brain regions with faster, slower, and even reversed impulse propagation. This suggests strong alterations, if not disruptions, in arterial brain pulsations associated with AD. The optical flow analysis has advanced AD research by identifying and quantifying changes in brain pulsations, strengthening the link between AD and impaired brain clearance. Given the essential role of cardiovascular pulsations in glymphatic brain clearance, this research is an important contribution to understanding how vascular health may affect dementia.Tiivistelmä

Glymfaattinen järjestelmä on aivojen imusuonistojärjestelmän toiminnallinen vastine. Se auttaa liukenevien proteiinien ja metaboliittien puhdistumisessa ja on siksi välttämätön hermoston terveyden ylläpitämiseksi. Heikentynyt glymfaattinen toiminta lisää amyloidi-beta-plakkien (Aβ) muodostumista sekä kognitiivisia puutteita. Aβ-proteiinien kertyminen aivojen valtimoseinämille on Alzheimerin taudin (AT) tunnusmerkki, joka muodostaa yhteyden AT:n, glymfaattisen toimintahäiriön ja verisuonten terveyden heikkenemisen välillä. Aivojen glymfaattinen puhdistusjärjestelmä hyödyntää valtimopulsseja, ja näiden pulsaatioiden on osoitettu muuttuvan AT:ssa. Valtimoperäisten aivoimpulssien muutosten tarkemman arvioimisen katsottiin olevan tarpeen.

Tämän tutkimustyön tarkoituksena oli kehittää uusia menetelmiä, jotka erottavat fysiologiset pulssit hermosolujen toiminnasta ja mittaavat valtimoperäisten aivoimpulssien etenemisnopeutta ja -suuntaa ihmisaivoissa magneettiresonanssi-enkefalografian (MREG) avulla. Nopea 10 Hz:n kokoaivojen näytteistetty MREG-data mahdollistaa fysiologisten pulsaatioiden laskostumattoman mittaamisen. Datassa havaittiin spontaaneja hermotoimintavyöryjä, jotka erosivat selvästi kvasiperiodisista fysiologisista aivopulsseista. Glymfaattinen järjestelmä ja sen yhteys sekä valtimoperäiseen pulsaatioon että AT:iin ovat herättäneet yhä enemmän tutkimuksellista kiinnostusta, minkä vuoksi optinen virtausalgoritmi kehitettiin mittaamaan valtimoimpulssien leviämistä MREG:lla.

Optisen virtausanalyysin avulla laskettiin pulssin etenemisnopeuskartta, jonka perusteella AT:n muutoksia tutkittiin. AT:ssa havaittiin aivoalueita, joissa pulssit etenevät nopeammin, hitaammin tai jopa käänteiseen suuntaan. Tämä viittaa muutoksiin, tai jopa häiriöihin, aivojen valtimopulsaatiossa AT:ssa. Optinen virtausanalyysi edistää AT-tutkimusta tunnistamalla ja kvantifioimalla muutoksia aivopulsseissa, mikä vahvistaa AT:n ja heikentyneen aivon puhdistumisen välistä yhteyttä. Ottaen huomioon valtimopulsaation olennainen rooli aivojen glymfaattisessa puhdistusjärjestelmässä, tämä tutkimus lisää ymmärrystämme verisuoniterveyden mahdollisesta vaikutuksesta dementiaan.