Funktioneller und struktureller Nachweis einer ipsilateralen Verbindung zwischen dem dorsalen prämotorischen und dem primär motorischen Kortex

Werner-Petroll, Nicole

Der primär motorische Kortex (M1) steuert die Bewegungen der kontralateralen Körperseite. Der dorsale prämotorische Kortex (PMd) spielt eine wichtige Rolle bei der Abstimmung von Bewegungen auf äußere, vor allem somatosensorische Einflüsse sowie deren Integration in Bewegungsabläufe. Aus Studien an Primaten ist bekannt, dass zwischen dem ipsilateralen PMd und der Handregion des M1 direkte Verbindungen bestehen. Wie genau der PMd Einfluss auf den M1 im menschlichen Gehirn ausübt, wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) nicht-invasiv untersucht. Hierfür kamen speziell entwickelte Präzisionsspulen (MAG & More) zur Anwendung, welche die Stimulation der dicht benachbarten Regionen erst möglich machten. Ein neuartiges Doppelpulsparadigma mit kurzen Latenzzeiten wurde entwickelt, um eine Interaktion mit den deszendierenden Wellen zu erreichen und so Auskunft über die zeitliche Diskrimination der Verbindung zu erhalten. Es wurden verschiedene Faktoren zur Änderung der kortikalen Erregbarkeit sowie ihr Einfluss auf die Verbindung der Areale untersucht: die Vorinnervation der Zielmuskeln in Experiment 2 sowie die Bearbeitung einer Wahl-Reaktionszeit-Aufgabe in Experiment 3. Durch die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) wurde die Mikrostruktur der subkortikalen weißen Substanz im Bereich des PMd dargestellt. Als Maß dafür diente die fraktionelle Anisotropie (FA). Im Rahmen der Doppelpulsstimulation wurde zunächst ein überschwelliger Puls über dem M1 appliziert, gefolgt von einer unterschwelligen Stimulation des PMd. In Experiment 1 erfolgte die Stimulation zunächst unter Ruhebedingungen. Die Pulse wurden in Interstimulusintervallen von 0,8 ms bis 2,0 ms in Schritten von 0,4 ms appliziert. Des Weiteren wurde in Experiment 2 unter sonst identischen Bedingungen der Einfluss einer willkürlichen Vorinnervation des Musculus interosseus dorsalis I untersucht. Im letzten Teilexperiment wurde 75, 100 und 125 ms vor der TMS- Applikation eine Wahl-Reaktionszeit-Aufgabe gestellt. Die Probanden wurden durch eine visuelle Anleitung dazu aufgefordert eine Reaktion mit der linken oder rechten Hand auszuführen. Die ISI betrugen 0,8, 1,2 und 1,6 ms. Die durch DTI erhobenen FA-Werte wurden schließlich mit den TMS-Daten korreliert. Durch die Doppelpulsstimulation unter Ruhebedingungen konnte eine signifikante Bahnung bei einem ISI von 1,2 ms festgestellt werden. Eine Vorspannung des Zielmuskels führte dazu, dass keine MEP mehr abzuleiten waren und bewirkte somit eine Modulation der Verbindung. Durch die Wahl-Reaktionszeit-Aufgabe konnte eine aufgabenspezifische Aktivierung bei einem ISI von 1,2 ms, einem SOA von 125 ms und einer Reaktion mit der rechten Hand erzielt werden. Mittels DTI gelang es das strukturelle Korrelat der Verbindung in der weißen Substanz unterhalb des PMd darzustellen (MNI-Koordinaten x, y, z = -15, -10, 55). Die Analyse ergab einen positiven linearen Zusammenhang zwischen der funktionellen Ausprägung der Verbindung und der Struktur der subkortikalen weißen Substanz. Die identifizierte Bahnung in Ruhe tritt nach einer kurzen Latenzzeit auf. Die Periodik dieser Bahnung entspricht dem Auftreten von I-Wellen und spricht dafür, dass die Signale vom PMd die Aktivität des M1 über intrakortikale Regelkreise der I-Wellen beeinflussen können. Diese Studie kann so eine direkte, ipsilaterale Verbindung bestätigen und liefert Hinweise dafür, dass diese mit der Entstehung von I-Wellen assoziiert ist. Die kurze Latenzzeit der Bahnung weist auf das Vorliegen einer schnell leitenden, monosynaptischen Verbindung hin. Weiterhin kann festgestellt werden, dass die I-Wellen im Ruhezustand einen größeren Einfluss auf den M1 haben als unter Vorinnervation. Die Bahnung durch die Wahl-Reaktionszeit-Aufgabe kann durch eine Veränderung der kortikalen Erregbarkeit erklärt werden und korreliert mit der Ausprägung der subkortikalen Bahnen im Bereich des PMd. Die Kontrollexperimente belegen, dass die Ergebnisse für den stimulierten Bereich spezifisch sind, und schließen eine reine Erregungsausbreitung oder Aufsummierung der Pulse aus. Mit dem verwendeten Doppelpulsparadigma, den Präzisionsspulen und DTI können in Zukunft weitere intrakortikale Bahnen funktionell und strukturell untersucht werden. Insbesondere kann deren Funktionszustand und Veränderung im Rahmen der Reorganisation nach einem Schlaganfall beurteilt und beeinflusst werden.

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Werner-Petroll, Nicole: Funktioneller und struktureller Nachweis einer ipsilateralen Verbindung zwischen dem dorsalen prämotorischen und dem primär motorischen Kortex. 2014.

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