Cortical Processes Related to Motor Stability and Proprioception in Human Adults and Newborns

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2906-2
Title: Cortical Processes Related to Motor Stability and Proprioception in Human Adults and Newborns
Author: Smeds, Eero
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Clinical Neurosciences, Neurophysiology
Aalto University, School of Science, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Abstract: Accurate control of motor performance requires close co-operation between the motor and sensory functions of the human nervous system. Proprioceptive information about the positions and movements of one s own body parts needs to be carefully monitored to allow fine-tuning of motor output. At the same time, the brain needs to block the influence of distracting external stimuli, such as movements of other persons and various sounds, on the ongoing movements. My thesis focuses on the cortical processes related to these phenomena. In the first studies of this thesis, we explored motor stability by recording brain and muscle activity with magnetoencephalography (MEG) and electromyography, respectively, from healthy adults who were maintaining a steady finger pinch. We analyzed the effects of simple auditory and visual distractors as well as observed movements of another person on the functional state of the primary motor (MI) cortex. All studied stimuli caused transient enhancement of the coupling between cortical and muscular activity at ~20 Hz, reflecting the maintenance of stable motor output. As expected based on earlier studies, movement observation also caused mirror activation in the MI cortex of the viewer, demonstrated by MEG-power suppression at ~7 and ~15 Hz. Importantly, these two simultaneous but opposite processes occurred at distinct frequency bands, suggesting that they were mediated by different populations of MI neurons. The results might explain how the human brain blocks the effects of external distractors on motor behavior and prevents unintentional imitation of observed movements. The latter part of my thesis focuses on cortical activity evoked by proprioceptive afference in adults and newborns. In adults, we recorded MEG responses to proprioceptive input elicited by passive finger extensions and flexions. The amplitudes of the ~70-ms (extension) and ~90-ms (flexion) responses in the primary somatosensory cortex increased by a factor of ~3 and ~6, respectively, when the interstimulus interval was prolonged from 0.5 to 8 s. These findings suggest an optimum interstimulus interval of 1.5 3.0 s for future applications in research and in the clinic. Finally, we showed using electroencephalography that proprioceptive stimulation with continuous passive hand movements elicits a prominent cortical response already at the neonatal phase. Such a passive-movement-based stimulation method could help assess the integrity of somatosensory pathways in neurologically impaired newborns. This thesis improves understanding of the cortical mechanisms essential for proper motor control. The gained knowledge can ultimately benefit diagnostics, treatment, and follow-up of motor-system impairments ranging from movement disorders to neonatal cerebrovascular problems.Täsmällinen liikkeiden säätely edellyttää tiivistä yhteistyötä aivojen liike- ja aistitoimintojen välillä. Yhtäältä aivojen on tarkasti seurattava asentotunnon (proprioseptiikka) välittämää tietoa eri kehonosien asennoista ja liikkeistä, jotta motoriikan hienosäätely olisi mahdollista. Toisaalta taas aivojen täytyy välttää ulkoisten ärsykkeiden, kuten erilaisten äänten ja vaikkapa ympärillä olevien ihmisten liikkeiden, liiallista vaikutusta ihmisen omiin liikkeisiin. Väitöskirjani paneutuu näihin ilmiöihin liittyviin aivokuoritason toimintoihin. Ensimmäisissä osatöissä tutkimme motorista vakautta ulkoisten häiriöärsykkeiden aikana mittaamalla terveiden aikuisten koehenkilöiden aivo- ja lihastoimintaa magnetoenkefalografialla (MEG) ja elektromyografialla samalla kun he puristivat pinsettiotteella voima-anturia tasaisella, kevyellä voimalla. Esitimme koehenkilöille tehtävän aikana yksinkertaisia kuulo- ja näköärsykkeitä sekä näytimme toisen henkilön käden liikkeitä. Primaarilta liikeaivokuorelta (MI) ja käden lihaksista mitattujen signaalien välillä esiintyvä ~20 Hz:n taajuinen niin kutsuttu kortikomuskulaarinen koherenssi voimistui kaikkien esitettyjen häiriöärsykkeiden jälkeen merkkinä MI alueen toiminnan vakauttamisesta. Toisen henkilön käden liike aiheutti lisäksi peilautumista katsojan omalla MI alueella, kuten jo aiemmissa tutkimuksissa on näytetty. Tästä peilautumisesta osoituksena oli MEG:n tehon vaimeneminen ~7 ja ~15 Hz:n taajuuksilla. Nämä samanaikaiset mutta vastakkaiset prosessit esiintyivät eri taajuuksilla viitaten siihen, että ne olivat lähtöisin eri hermosolupopulaatioista. Tuloksemme voivat selittää sen, kuinka aivot torjuvat ulkoisten häiriöärsykkeiden suorat vaikutukset ihmisen omiin liikkeisiin ja estävät muiden ihmisten liikkeiden tahattoman matkimisen. Väitöskirjani jälkimmäinen osa tarkastelee proprioseptiivisten ärsykkeiden herättämää aivoaktivaatiota aikuisilla ja vastasyntyneillä. Mittasimme aikuisilta passiivisten sormen ojennus- ja koukistusliikkeiden synnyttämiä MEG-vasteita tutkien erityisesti sitä, kuinka liikeärsykkeiden antotiheys vaikuttaa vasteiden voimakkuuteen. Voimakkaimmat vastehuiput esiintyivät primaarilla tuntoaivokuorella ~70 (ojennus) ja ~90 ms (koukistus) liikkeen alun jälkeen, ja niiden amplitudi kasvoi noin kolmin- (ojennus) ja kuusinkertaisiksi (koukistus), kun peräkkäisten liikkeiden välistä aikaa pidennettiin 0.5 sekunnista 8 sekuntiin. Tulosten perusteella optimaalinen liikeärsykkeiden välinen aika näiden aivovasteiden mittaamiseen on 1.5 3 s. Tietoa voidaan hyödyntää tulevissa sovelluksissa niin tutkimuksessa kuin kliinisessäkin työssä. Viimeisessä osatyössä osoitimme, että elektroenkefalografialla voi mitata passiivisen liikkeen synnyttämiä aivovasteita myös vastasyntyneiltä. Tällaisilla mittauksilla voidaan kenties tulevaisuudessa selvittää vastasyntyneiden potilaiden tuntojärjestelmän toimintaa aivovaurioiden ja muiden neurologisten häiriöiden yhteydessä. Väitöskirjani edistää ymmärrystä liikkeiden säätelyyn liittyvistä aivokuoritason mekanismeista. Uusi tieto voi lopulta johtaa parempaan diagnostiikkaan, hoitoon ja seurantaan esimerkiksi liikehäiriöissä sekä vastasyntyneiden aivoverenkiertohäiriöissä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2906-2
http://hdl.handle.net/10138/175520
Date: 2017-03-24
Subject: lääketiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record