Modelling and detecting deep brain activity with MEG and EEG

We introduce an anatomical and electrophysiological model of deep brain structures dedicated to magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) source imaging. So far, most imaging inverse models considered that MEG/EEG surface signals were predominantly produced by cortical, hence superficial, neural currents. Here we question whether crucial deep brain structures such as the basal ganglia and the hippocampus may also contribute to distant, scalp MEG and EEG measurements. We first design a realistic anatomical and electrophysiological model of these structures and subsequently run Monte-Carlo experiments to evaluate the respective sensitivity of the MEG and EEG to signals from deeper origins. Results indicate that MEG/EEG may indeed localize these deeper generators, which is confirmed here from experimental MEG data reporting on the modulation of alpha (10–12 Hz) brain waves.

RésuméNous présentons un modèle anatomique et électrophysiologique de structures cérébrales profondes dédié à la magnétoencéphalographie (MEG) et à l’électroencéphalographie (EEG). L’enjeu consiste à évaluer si ces denières sont capables de détecter et a fortiori de fournir des images de l’activité neuronale dans ces structures. Jusqu’ici, les modèles de sources électriques neuronales ont considéré que les signaux MEG/EEG mesurés en surface étaient produits principalement par des courants corticaux superficiels. La question se pose alors de savoir si des structures profondes telles que les noyaux gris centraux et l’hippocampe peuvent aussi contribuer aux mesures en MEG/EEG et donc être détectées sélectivement après résolution d’un problème inverse. Nous avons donc tout d’abord realisé un modèle anatomique et électrophysiologique réaliste de ces structures. Les sensibilités respectives de la MEG et de l’EEG aux signaux issus de ces sources profondes ont ensuite été évaluées à l’aide de simulations de Monte-Carlo. Les résultats indiquent que la MEG et l’EEG peuvent en effet localiser la plupart de ces activités profondes, ce résultat étant confirmé par l’évaluation de données expérimentales MEG concernant l’origine de modulations d’activités neuronales oscillatoires dans la bande alpha (10–12 Hz).