Functional Magnetic Resonance Imaging of Human Brain during Rest and Viewing Movies

Neurotieteellisissä kokeissa on perinteisesti käytetty tarkasti kontrolloituja koeasetelmia ja yksinkertaisia ärsykkeitä aivojen toimintaa tutkittaessa. Viime aikoina tutkimusta on pyritty laajentamaan luonnollisempiin asetelmiin. Aivojen toimintaa on mitattu esimerkiksi koehenkilöiden katsellessa elokuvaa tai ?lepotilassa? levollisen valveillaolon aikana ilman mitään erityistä tehtävää. Tässä diplomityössä tutkitaan ihmisen aivotoimintaa luonnollisen kaltaisissa tilanteissa riippumattomien komponenttien analyysin (ICA) avulla. Lepotilassa löydettyjä verkostoja verrataan kolmessa tilanteessa; levossa ennen elokuvan (Tulitikkutehtaan tyttö, Aki Kaurismäki, 1990) katsomista, elokuvan aikana ja levossa elokuvan katsomisen jälkeen. ICA:lla löydettyjen lähde-estimaattien vakautta tutkittiin bootstrap-laskennalla. Elokuvasta annotoituja ärsykepiirteitä verrattiin niiden aivoverkostojen aikakäytökseen, joiden aikakäyttäytyminen oli samankaltaista eri koehenkilöillä. Ärsykepiirteiden avulla vertailtiin lisäksi ICA:n erottamien verkostojen laajuutta yksittäisten ärsykepiirteiden kanssa korreloituviin aivoalueisiin. ICA onnistui erottamaan merkityksellisiä toiminnallisia verkostoja aivoissa. Verkostojen laajuudessa tapahtui vain vähän muutoksia eri koetilanteiden välillä. Luonnollinen katselutilanne kuitenkin mahdollisti komponenttien jakamisen pienempiin toiminnallisiin yksiköihin kuin lepotilassa sekä data-lähtöisin, että mallipohjaisin analyysimenetelmin. Eri koehenkilöillä samankaltaisesti käyttäytyneet riippumattomat komponentit paikantuivat lähinnä aistispesifeille ja assosiaatioalueille aivojen temporaali-, oksipitaali- ja parietaalilohkoilla. Osalla komponenteista aikakäytöksen havaittiin seuraavan elokuvasta annotoituja piirteitä.Neuroscientific research of human brain function has traditionally relied on highly controlled experiments with relatively simple stimuli. Recently effort has been directed toward expanding the research into a more naturalistic context. Brain function has been measured for example during viewing movies and in a "resting state" in absence of as specific task. In this thesis, independent component analysis (ICA) is used to research human brain function in naturalistic settings. The brain networks observed at rest are compared in three conditions; resting before watching a movie (The Match Factory Girl, Aki Kaurismäki, 1990), during the movie, and resting after the movie. The stability of the source estimates obtained using ICA was evaluated using bootstrapping. The temporal structure of the independent components (ICs) was compared to stimulus features annotated from the movie. Similarity of the networks' activation time courses across subjects was used to select components that were compared with specific stimulus features. These features were also correlated directly to the preprocessed data to validate the results of ICA. ICA was successful at separating meaningful functional networks within the brain. The extent of the networks changed very little between the different conditions. However, the natural viewing condition allowed the ICs to be separated into smaller functional units than was achievable during rest using both data-driven and model based methods. The independent components exhibiting significant temporal similarity between subjects were highly concentrated in the sensory and associative areas of the temporal, occipital and parietal lobes. The activity of some ICs was found to follow distinct features of the movie