PhD Oral Exam - Zhengchen Cai, Physics

When studying for a doctoral degree (PhD), candidates submit a thesis that provides a critical review of the current state of knowledge of the thesis subject as well as the student’s own contributions to the subject. The distinguishing criterion of doctoral graduate research is a significant and original contribution to knowledge.

Once accepted, the candidate presents the thesis orally. This oral exam is open to the public.

Abstract

The relationship between cortical excitability and hemodynamic activity has been demonstrated in animal studies. However, it is poorly reproduced and understood in humans, limited by the requirement of simultaneous measurements of excitability and hemodynamic activity. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive technique that induces human cortical plasticity and allows the assessment of modulated cortical excitability. Functional Near Infra-Red Spectroscopy (fNIRS) is a non-invasive neuroimaging modality, which allows monitoring changes in oxy- and deoxy-hemoglobin (i.e., HbO/HbR) in the cerebral cortex. Taking advantage of the fNIRS technique being insensitive to electromagnetic artifacts and wearable, the combination with TMS provides a unique and promising way to assess the relationship between cortical excitability and hemodynamic responses in humans.

This PhD thesis consists of four original studies combining personalized Near Infra-Red Optical Tomography (NIROT) and TMS to investigate the hemodynamic correlates of fluctuations in neuronal excitability, each including key methodological developments. In the first manuscript, we proposed and evaluated a new NIROT reconstruction method – the Maximum Entropy on the Mean (MEM), by adapting and improving its original version proposed for Electro-/Magneto-encephalography source imaging. After detailed evaluations of MEM NIROT on realistic simulated data, we introduced in the second manuscript the original concept of personalized NIROT workflow combining MEM reconstruction and personalized optimal montage. Using functional magnetic resonance imaging as the reference, the evaluation of finger tapping data demonstrated that our proposed workflow allowed better spatial accuracy and reliability than other widely used NIROT methods. The third manuscript applied this workflow on a simultaneous TMS and fNIRS study and demonstrated a positive relationship between motor task-related hemodynamic activity and cortical excitability. The last manuscript applied advanced Bayesian data analysis and hierarchical models to the same data set, which improved the accuracy and reliability of the results when dealing with relatively high variability and small sample size data. Our results showed a significant positive correlation between the effects of TMS modulated cortical excitability and its effects on task-related hemodynamic activity. Therefore, our studies contribute to further expand the application of brain stimulation to the treatment of neuronal disorders that may require modulations of the hemodynamic response.

La relation entre l'excitabilité corticale et l'activité hémodynamique a été démontrée dans des études animales. Cependant, cette relation est mal reproduite et comprise chez l'humain en raison de la nécessité de mesurer de façon simultanée l'excitabilité neuronale et l'activité hémodynamique. La Stimulation Magnétique Transcrânienne (SMT) est une technique non invasive qui permet d’induire une plasticité corticale chez l’humain et de moduler l’excitabilité corticale. La Spectroscopie Proche Infra-Rouge fonctionnelle (SPIRf) est une modalité de neuro-imagerie non invasive qui permet de mesurer les modifications d'oxy- et de désoxy-hémoglobines (c'est-à-dire HbO/HbR) au sein du cortex cérébral. L’utilisation de la SPIRf, qui a comme principaux avantages d’être portatif et insensible aux artefacts électromagnétiques, en combinaison avec la SMT, offre ainsi un moyen unique et prometteur d'évaluer la relation entre l'excitabilité corticale et la réponse hémodynamique chez l’humain.

Cette thèse de doctorat s’articule autour de quatre études originales combinant la Tomographie Optique Proche Infra-Rouge Personnalisée (TOPIR) et la SMT pour étudier les corrélations entre les fluctuations hémodynamiques et l'excitabilité neuronale, chacune incluant des développements méthodologiques clefs. Dans le premier manuscrit, nous avons proposé et évalué une nouvelle méthode de reconstruction TOPIR - l'entropie maximale sur la moyenne (EMM), en adaptant et améliorant sa version originale proposée pour l'imagerie de source électrique/électromagnétique. Après des évaluations détaillées de l’EMM-TOPIR sur des données de simulations réelles, nous avons introduit dans le deuxième manuscrit le concept original d’analyse TOPIR personnalisée à l’aide du montage optimal personnalisé combinée à l’EMM. En utilisant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) comme référence, l'analyse des données de tapotement des doigts a démontré que notre méthode permettait une meilleure précision spatiale et une meilleure fiabilité que les autres méthodes NIROT largement utilisées. Dans le troisième manuscrit, nous avons appliqué cette méthode à une étude simultanée SMT et SPIRf. Nous avons démontré qu’il existait une relation positive entre l'activité hémodynamique liée à la tâche réalisée et l'excitabilité corticale. Dans le dernier manuscrit, nous avons appliqué une analyse bayésienne des données et des modèles hiérarchiques au même ensemble de données, ce qui a permis d’améliorer la précision et la fiabilité des résultats vue la grande variabilité de nos données et la petite taille de notre échantillon.

Nos résultats ont montré une corrélation positive et significative entre les effets de l'excitabilité corticale modulée par la SMT et l’effet de l'activité hémodynamique liée à la tâche. Nos études contribuent donc à mieux comprendre et probablement à élargir les indications de la stimulation cérébrale dans le traitement des maladies neurologiques pouvant nécessiter des modulations de la réponse hémodynamique.