De rol van verschillende hersengebieden bij handbewegingen
- RubenDebeuf
Dagelijks gebruiken we continu onze handen, dit zowel voor banale als levensbelangrijke zaken. Een goede controle en aansturing ervan is aldus essentieel. Desondanks het belang, is onderzoek er nog niet in geslaagd de volledige werking van onze hersenen met betrekking tot onze handen in kaart te brengen. Het doel van deze masterthesis was een uitgangspunt te creëren voor verdere studies die deze onderzoeksvraag aankaarten.
Enkele zaken zijn dankzij voorgaand onderzoek wel reeds duidelijk. Zo is er een hersenregio genaamd de primaire motorische cortex (M1) waarin elke spier van het lichaam vertegenwoordigd wordt. Deze regio is intuïtief logisch opgebouwd, wanneer spieren in het lichaam in elkaars nabijheid liggen, is dit voor hun representaties in de hersenen ook het geval. Zo liggen de representaties van alle handspieren in eenzelfde subregio van M1, genaamd M1hand. De representatie van een spier in de hersenen is rechtstreeks verbonden met desbetreffende spier via verbindingen gemaakt uit zenuwcellen. Wanneer de representatie-regio een signaal naar de spier stuurt, resulteert dit in een spiercontractie.
Het verhaal is echter complexer, M1hand is namelijk niet de enige regio die een rol speelt bij de aansturing en controle van handbewegingen. Een ander gebied dat hierin een rol speelt, is de dorsale premotorische cortex of kortweg PMd (Figuur 1). Het is reeds geweten dat PMd via directe connecties een invloed uitoefent op M1hand. Dit is onder andere al bestudeerd via een onderzoekstechniek genaamd transcraniële magnetische stimulatie (TMS). Hierbij wordt door middel van een spoel die een magnetisch veld creëert op een veilige manier hersenactiviteit uitgelokt. Zo zal een TMS-puls over M1hand leiden tot een contractie van een handspier. De exacte locatie waar de puls wordt toegediend, bepaalt welke handspier precies contraheert. De spieractiviteit in de hand wordt gemeten door middel van elektrodes bevestigt op de spier die onderzocht wordt.
De precieze aard van de verbindingen tussen PMd en M1hand is nog ongekend. Men weet met andere woorden nog niet als PMd de activiteit van M1hand nu versterkt, of net eerder verzwakt. Om dit in toekomstig onderzoek te kunnen identificeren, werden in deze masterthesis verschillende TMS-protocollen getest die de onderlinge relatie tussen PMd en M1hand op verschillende manieren onderzoeken. Er werd met twee TMS-spoelen gewerkt. De kleinste spoel werd gericht op linker M1hand en de andere, grotere spoel, op linker PMd, zoals weergegeven in figuur 2. De grote spoel werd op een speciale manier georiënteerd, waardoor de linker vleugel van deze spoel nog steeds over PMd stimuleerde.
De geteste protocollen waren verschillend op vlak van timing van pulsen en stimulatie-intensiteit. Na uitvoerig de protocollen te testen, toonde analyse van de data aan dat één protocol consistente en significante resultaten opleverde. Door een TMS-puls te geven over PMd 6 milliseconden voor een TMS-puls over M1hand nam spieractiviteit met 20% toe in vergelijking met een TMS-puls over M1hand alleen.
Toepassing van de andere protocollen leverde geen significante resultaten op, hetgeen impliceert dat de functionele verbinding tussen PMd en M1hand enkel te onderzoeken valt indien men zeer specifieke parameters toepast. Bovendien had een geïsoleerde TMS-puls over PMd geen invloed op spieractiviteit. Dit sluit een directe invloed van PMd op de handspieren uit als onderliggend werkingsmechanisme.
De geziene effecten zijn met andere woorden toe te schrijven aan een invloed die PMd uitoefent op M1hand, eerder dan een invloed van PMd rechtstreeks op de handspieren.
De resultaten van deze studie tonen dus aan dat PMd, M1hand’s activiteit kan versterken. De succesvolle toepassing van deze onderzoekstechniek in het bestuderen van de connectiviteit tussen hersenregio’s draagt bij tot het inzicht in de werkingsmechanismes van de hersenen. Hoewel dit een zeer technische studie is, creëren de bevindingen een basis voor verder onderzoek dat de interactie tussen PMd en M1hand tijdens meer functionele taken bestuderen. Dit zal leiden tot een beter inzicht in hoe handbewegingen tot stand komen. Vanuit deze kennis zal men beter kunnen begrijpen wat er fout loopt bij mensen met beperkte of geen controle over hun handen. Zo kan in een weliswaar verre toekomst, dit onderzoek mogelijks een basis zijn voor nieuwe therapieën of behandelingen.
Bibliografie
Abe M, Hanakawa T (2009) Functional coupling underlying motor and cognitive functions of the dorsal premotor cortex. Behav Brain Res 198:13-23. Andrew E (2007) A review of the safety of transcranial magnetic stimulation. In, p 40: Magstim. Ashby D (1991) Practical statistics for medical research. Douglas G. Altman, Chapman and Hall, London, 1991. No. of pages: 611. Price: £32.00. Statistics in Medicine 10:1635- 1636. Balslev D, Braet W, McAllister C, Miall RC (2007) Inter-individual variability in optimal current direction for transcranial magnetic stimulation of the motor cortex. Journal of Neuroscience Methods 162:309-313. Baumer T, Bock F, Koch G, Lange R, Rothwell JC, Siebner HR, Munchau A (2006) Magnetic stimulation of human premotor or motor cortex produces interhemispheric facilitation through distinct pathways. J Physiol 572:857-868. Beets IA, Gooijers J, Boisgontier MP, Pauwels L, Coxon JP, Wittenberg G, Swinnen SP (2015) Reduced Neural Differentiation Between Feedback Conditions After Bimanual Coordination Training with and without Augmented Visual Feedback. Cereb Cortex 25:1958-1969. Bestmann S, Swayne O, Blankenburg F, Ruff CC, Haggard P, Weiskopf N, Josephs O, Driver J, Rothwell JC, Ward NS (2008) Dorsal premotor cortex exerts state-dependent causal influences on activity in contralateral primary motor and dorsal premotor cortex. Cereb Cortex 18:1281-1291. Boldrey E, Penfield W (1937) Somatic motor and sensory representation in the cerebral cortex of man as studies by electrical stimulation. Brain 60:389-443. Bolognini N, Ro T (2010) Transcranial magnetic stimulation: disrupting neural activity to alter and assess brain function. J Neurosci 30:9647-9650. Boorman ED, O'Shea J, Sebastian C, Rushworth MFS, Johansen-Berg H (2007) Individual Differences in White-Matter Microstructure Reflect Variation in Functional Connectivity during Choice. Current Biology 17:1426-1431. Cash RFH, Benwell NM, Murray K, Mastaglia FL, Thickbroom GW (2009) Neuromodulation by paired-pulse TMS at an I-wave interval facilitates multiple I-waves. Experimental Brain Research 193:1-7. Castiello U, Begliomini C (2008) The cortical control of visually guided grasping. Neuroscientist 14:157-170. Cazzato V (2010) Reflexive Social Attention modulated by Social Cues: evidence from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) studies. In. 21 Cheeran B, Talelli P, Mori F, Koch G, Suppa A, Edwards M, Houlden H, Bhatia K, Greenwood R, Rothwell JC (2008) A common polymorphism in the brain-derived neurotrophic factor gene (BDNF) modulates human cortical plasticity and the response to rTMS. J Physiol 586:5717-5725. Cheeran, B (2011). Stimulation genomics: probing the effects of genetic variation on human cortical plasticity and its clinical implications. Cheeran B (2015) What is the best method to measure active motor threshold when calculating TMS intensity in a theta burst protocol? Researchgate available at: https://www.researchgate.net/post/What_is_the_best_method_to_measure_ac… otor_threshold_when_calculating_TMS_intensity_in_a_theta_burst_protocol [Accessed March 30, 2020]. Chouinard PA, Paus T (2006) The primary motor and premotor areas of the human cerebral cortex. Neuroscientist 12:143-152. Chris H, Reza J (2006) The guide to magnetic stimulation. In, p 45: Magstim. Civardi C, Cantello R, Asselman P, Rothwell JC (2001) Transcranial magnetic stimulation can be used to test connections to primary motor areas from frontal and medial cortex in humans. Neuroimage 14:1444-1453. Codd EF (1990) The relational model for database management: version 2: Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc. Cuypers K, Thijs H, Meesen RL (2014) Optimization of the transcranial magnetic stimulation protocol by defining a reliable estimate for corticospinal excitability. PLoS One 9:e86380. Day BL, Dressler D, Maertens de Noordhout A, Marsden CD, Nakashima K, Rothwell JC, Thompson PD (1989) Electric and magnetic stimulation of human motor cortex: surface EMG and single motor unit responses. J Physiol 412:449-473. Dell'Acqua F, Vergani F, Malik F, Hodge H, Roy P, Valabregue R, Thiebaut de Schotten M (2011) Short frontal lobe connections of the human brain. Cortex; a journal devoted to the study of the nervous system and behavior 48:273-291. Delvendahl I, Gattinger N, Berger T, Gleich B, Siebner HR, Mall V (2014) The Role of Pulse Shape in Motor Cortex Transcranial Magnetic Stimulation Using Full-Sine Stimuli. PLOS ONE 9:e115247. Di Lazzaro V, Oliviero A, Profice P, Saturno E, Pilato F, Insola A, Mazzone P, Tonali P, Rothwell JC (1998) Comparison of descending volleys evoked by transcranial magnetic and electric stimulation in conscious humans. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 109:397-401. 22 Di Lazzaro V, Oliviero A Fau - Saturno E, - Pilato F, - Insola A, - Mazzone P, - Profice P, - Tonali P, - Rothwell JC (2001) The effect on corticospinal volleys of reversing the direction of current induced in the motor cortex by transcranial magnetic stimulation. Di Lazzaro V, Profice P, Ranieri F, Capone F, Dileone M, Oliviero A, Pilato F (2012) I-wave origin and modulation. Brain Stimul 5:512-525. Dum RP, Strick PL (1991) The origin of corticospinal projections from the premotor areas in the frontal lobe. J Neurosci 11:667-689. Dum RP, Strick PL (2005) Frontal lobe inputs to the digit representations of the motor areas on the lateral surface of the hemisphere. J Neurosci 25:1375-1386. Duque J, Labruna L, Verset S, Olivier E, Ivry RB (2012) Dissociating the role of prefrontal and premotor cortices in controlling inhibitory mechanisms during motor preparation. J Neurosci 32:806-816. Ferbert A, Priori A, Rothwell JC, Day BL, Colebatch JG, Marsden CD (1992) Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. J Physiol 453:525-546. Fiori F, Chiappini E, Candidi M, Romei V, Borgomaneri S, Avenanti A. Long-latency interhemispheric interactions between motor-related areas and the primary motor cortex: a dual site TMS study. Sci Rep (2017) 7(1):14936. doi:10.1038/s41598-017- 13708-2 Fricke C, Duesmann C, Woost TB, von Hofen-Hohloch J, Rumpf J-J, Weise D, Classen J (2019) Dual-Site Transcranial Magnetic Stimulation for the Treatment of Parkinson's Disease. Frontiers in Neurology 10. Fujiyama H, Van Soom J, Rens G, Cuypers K, Heise KF, Levin O, Swinnen SP (2016) Performing two different actions simultaneously: The critical role of interhemispheric interactions during the preparation of bimanual movement. Cortex 77:141-154. Genon S, Li H, Fan L, Müller VI, Cieslik EC, Hoffstaedter F, Reid AT, Langner R, Grefkes C, Fox PT, Moebus S, Caspers S, Amunts K, Jiang T, Eickhoff SB (2016) The Right Dorsal Premotor Mosaic: Organization, Functions, and Connectivity. Cerebral Cortex 27:2095- 2110. Genon S, Reid A, Li H, Fan L, Muller VI, Cieslik EC, Hoffstaedter F, Langner R, Grefkes C, Laird AR, Fox PT, Jiang T, Amunts K, Eickhoff SB (2018) The heterogeneity of the left dorsal premotor cortex evidenced by multimodal connectivity-based parcellation and functional characterization. Neuroimage 170:400-411. Glover GH (2011) Overview of functional magnetic resonance imaging. Neurosurg Clin N Am 22:133-139, vii. 23 Groppa S, Schlaak BH, Munchau A, Werner-Petroll N, Dunnweber J, Baumer T, van Nuenen BF, Siebner HR (2012a) The human dorsal premotor cortex facilitates the excitability of ipsilateral primary motor cortex via a short latency cortico-cortical route. Hum Brain Mapp 33:419-430. Groppa S, Werner-Petroll N, Munchau A, Deuschl G, Ruschworth MF, Siebner HR (2012b) A novel dual-site transcranial magnetic stimulation paradigm to probe fast facilitatory inputs from ipsilateral dorsal premotor cortex to primary motor cortex. Neuroimage 62:500-509. Guye M, Parker GJ, Symms M, Boulby P, Wheeler-Kingshott CA, Salek-Haddadi A, Barker GJ, Duncan JS (2003) Combined functional MRI and tractography to demonstrate the connectivity of the human primary motor cortex in vivo. Neuroimage 19:1349-1360. Hannah R, Rothwell JC (2017) Pulse Duration as Well as Current Direction Determines the Specificity of Transcranial Magnetic Stimulation of Motor Cortex during Contraction. Brain Stimulation 10:106-115. He SQ, Dum RP, Strick PL (1993) Topographic organization of corticospinal projections from the frontal lobe: motor areas on the lateral surface of the hemisphere. J Neurosci 13:952-980. Hlustik P, Solodkin A, Gullapalli RP, Noll DC, Small SL (2001) Somatotopy in human primary motor and somatosensory hand representations revisited. Cereb Cortex 11:312-321. Huang Y-Z, Chen R-S, Fong P-Y, Rothwell JC, Chuang W-L, Weng Y-H, Lin W-Y, Lu C-S (2018) Inter-cortical modulation from premotor to motor plasticity. The Journal of Physiology 596:4207-4217. Janssen AM, Oostendorp TF, Stegeman DF (2015) The coil orientation dependency of the electric field induced by TMS for M1 and other brain areas. J Neuroeng Rehabil 12:47. Kammer T, Beck S, Erb M, Grodd W (2001) The influence of current direction on phosphene thresholds evoked by transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology 112:2015-2021. Kiers L, Cros D, Chiappa KH, Fang J (1993) Variability of motor potentials evoked by transcranial magnetic stimulation. Electroencephalography and clinical neurophysiology 89:415-423. Kleim JA, Chan S, Pringle E, Schallert K, Procaccio V, Jimenez R, Cramer SC (2006) BDNF val66met polymorphism is associated with modified experience-dependent plasticity in human motor cortex. In: Nat Neurosci, pp 735-737. United States. Koch G, Franca M, Mochizuki H, Marconi B, Caltagirone C, Rothwell JC (2007) Interactions between pairs of transcranial magnetic stimuli over the human left dorsal premotor cortex differ from those seen in primary motor cortex. J Physiol 578:551-562. 24 Koponen LM, Nieminen JO, Ilmoniemi RJ (2018) Multi-locus transcranial magnetic stimulation—theory and implementation. Brain Stimulation 11:849-855. Lemon RN (2008) Descending pathways in motor control. Annu Rev Neurosci 31:195-218. Mochizuki H, Huang Y-Z, Rothwell JC (2004) Interhemispheric interaction between human dorsal premotor and contralateral primary motor cortex. The Journal of Physiology 561:331-338. Moisa M, Siebner HR, Pohmann R, Thielscher A (2012) Uncovering a Context-Specific Connectional Fingerprint of Human Dorsal Premotor Cortex. The Journal of Neuroscience 32:7244-7252. Niemann N, Wiegel P, Kurz A, Rothwell JC, Leukel C (2018) Assessing TMS-induced D and I waves with spinal H-reflexes. Journal of neurophysiology 119:933-943. Nieminen JO, Koponen LM, Mäkelä N, Souza VH, Stenroos M, Ilmoniemi RJ (2019) Shortinterval intracortical inhibition in human primary motor cortex: A multi-locus transcranial magnetic stimulation study. NeuroImage 203:116194. Ni Z, Isayama R, Castillo G, Gunraj C, Saha U, Chen R. Reduced dorsal premotor cortex and primary motor cortex connectivity in older adults. Neurobiol Aging (2015) 36(1):301–3. doi:10.1016/j.neurobiolaging.2014.08.017 O'Shea J, Sebastian C, Boorman ED, Johansen-Berg H, Rushworth MF (2007) Functional specificity of human premotor-motor cortical interactions during action selection. Eur J Neurosci 26:2085-2095. Oldfield RC (1971) The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia 9:97-113. Patton HD, Amassian VE (1954) Single and multiple-unit analysis of cortical stage of pyramidal tract activation. J Neurophysiol 17:345-363. Picard N, Strick PL (2001) Imaging the premotor areas. Curr Opin Neurobiol 11:663-672. Portney LG, Watkins MP (2014) Foundations of clinical research: applications to practice, 3rd ed., new int. ed. Edition: Harlow : Pearson. Ramsey JD, Hanson SJ, Hanson C, Halchenko YO, Poldrack RA, Glymour C (2010) Six problems for causal inference from fMRI. NeuroImage 49:1545-1558. Raos V, Umilta MA, Murata A, Fogassi L, Gallese V (2006) Functional properties of graspingrelated neurons in the ventral premotor area F5 of the macaque monkey. J Neurophysiol 95:709-729. Rizzo V, Siebner HR, Modugno N, Pesenti A, Münchau A, Gerschlager W, Webb RM, Rothwell JC (2004) Shaping the excitability of human motor cortex with premotor rTMS. The Journal of Physiology 554:483-495. 25 Rossi S, Hallett M, Rossini PM, Pascual-Leone A (2009) Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clin Neurophysiol 120:2008-2039. Rossini PM, Barker AT, Berardelli A, Caramia MD, Caruso G, Cracco RQ, Dimitrijević MR, Hallett M, Katayama Y, Lücking CH, et al. (1994) Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee. Electroencephalography and clinical neurophysiology 91:79-92. Rossini, P. M., Burke, D., Chen, R., Cohen, L. G., Daskalakis, Z., Di Iorio, R., Di Lazzaro, V., Ferreri, F., Fitzgerald, P. B., George, M. S., Hallett, M., Lefaucheur, J. P., Langguth, B., Matsumoto, H., Miniussi, C., Nitsche, M. A., Pascual-Leone, A., Paulus, W., Rossi, S., Rothwell, J. C., … Ziemann, U. (2015) Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clin Neurophysiol 126:1071-1107. Roy Choudhury K, Boyle L, Burke M, Lombard W, Ryan S, McNamara B (2011) Intra subject variation and correlation of motor potentials evoked by transcranial magnetic stimulation. Irish journal of medical science 180:873-880. Ruff CC, Driver J, Bestmann S (2009) Combining TMS and fMRI: from 'virtual lesions' to functional-network accounts of cognition. Cortex 45:1043-1049. Sliwinska MW, Vitello S, Devlin JT (2014) Transcranial magnetic stimulation for investigating causal brain-behavioral relationships and their time course. J Vis Exp. Terao Y, Ugawa Y (2002) Basic mechanisms of TMS. Journal of clinical neurophysiology : official publication of the American Electroencephalographic Society 19:322-343. Toga, A. W. (2015). Brain mapping: An encyclopedic reference. Thickbroom GW, Byrnes ML, Edwards DJ, Mastaglia FL (2006) Repetitive paired-pulse TMS at I-wave periodicity markedly increases corticospinal excitability: A new technique for modulating synaptic plasticity. Clinical Neurophysiology 117:61-66. Vesia M, Culham JC, Jegatheeswaran G, Isayama R, Le A, Davare M, Chen R (2018) Functional interaction between human dorsal premotor cortex and the ipsilateral primary motor cortex for grasp plans: a dual-site TMS study. Neuroreport 29:1355- 1359. Vink JJ, Petrov PI, Mandija S, Dijkhuizen RM, Neggers SF (2018) Outcome of TMS-based motor mapping depends on TMS current direction. In. Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory Press. Wagner T, Valero-Cabre A, Pascual-Leone A (2007) Noninvasive human brain stimulation. Annu Rev Biomed Eng 9:527-565. 26 Wassermann EM (1998) Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, June 5-7, 1996. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 108:1-16.
