Tham gia của các ảnh hưởng vỏ não xuống cùng bên trong các chuyển động cổ tay hai tay ở con người

Springer Science and Business Media LLC - Tập 238 - Trang 2359-2372 - 2020
L. Zhang1, L. Duval2,3, F. Hasanbarani3,4, Y. Zhu5, X. Zhang5, D. Barthelemy3,6, N. Dancause2, A. G. Feldman2,3
1Institut für Neuroinformatik, Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Germany
2Department of Neuroscience, University of Montreal, Montreal, Canada
3Centre for Interdisciplinary Research in Rehabilitation (CRIR), IRGLM, Institut de Readaptation Gingras-Lindsay de Montreal, Montreal, Canada
4School of Physical and Occupational Therapy, McGill University, Montreal, Canada
5Faculty of Medicine, University of Montreal, Montreal, Canada
6Ecole de Readaptation, University of Montreal, Montreal, Canada

Tóm tắt

Có các tín hiệu xuống cùng bên (ipsilateral) ít được nghiên cứu và đối bên (contralateral) đến các tế bào thần kinh vận động (motoneurons, MNs). Chúng tôi đã so sánh các ảnh hưởng vỏ não xuống cùng bên đến MNs của nhóm cơ gấp cổ tay bằng cách áp dụng kích thích từ tính xuyên sọ (transcranial magnetic stimulation, TMS) lên vỏ não vận động chính bên phải khi giữ tư thế gấp và duỗi cổ tay trong các tác vụ một tay và hai tay ở những người thuận tay phải (n = 23). Phản ứng iTMS bao gồm một tiềm thời gian ngắn (~ 25 ms) được kích thích vận động (iMEP), một khoảng lặng (iSP) và một sự tạo thuận với thời gian trễ dài (~ 60 ms) được gọi là rebound (iRB). Chúng tôi cũng đã điều tra liệu sự tương tác giữa hai tay khi cầm một vật trong một tác vụ hai tay có liên quan đến các ảnh hưởng vỏ não xuống cùng bên hay không. Trong tác vụ một tay, các phản ứng iTMS ở các cơ gấp cổ tay bên phải không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trong vị trí cổ tay. Trong tác vụ hai tay với một vật, iMEP ở các cơ gấp cổ tay bên phải lớn hơn khi cổ tay cùng bên ở tư thế gấp so với tư thế duỗi. Không có vật cầm, chỉ có iRB lớn hơn khi cổ tay cùng bên bị duỗi. Do đó, các ảnh hưởng vỏ não xuống cùng bên đến MNs chỉ được điều tiết trong các tác vụ hai tay và phụ thuộc vào cách hai tay tương tác. Chúng tôi kết luận rằng hai vùng vỏ não trái và phải phối hợp trong các tác vụ hai tay liên quan đến việc giữ một vật bằng cả hai tay, có thể có sự tham gia của các sợi thần kinh nối ngắn và dài, cũng như các tín hiệu truyền thẳng qua cầu não đến các MNs. Chúng tôi cũng thảo luận về khả năng tham gia của các phản xạ co giãn tủy và co giãn thông qua vỏ não trong các tác vụ hai tay khi cầm một vật trong bối cảnh khái niệm đã được thiết lập rõ ràng rằng kiểm soát gián tiếp, tham chiếu là nền tảng cho các hành động vận động.

Từ khóa

#vỏ não #các ảnh hưởng xuống cùng bên #tế bào thần kinh vận động #chính kích thích từ tính xuyên sọ #tác vụ một tay #tác vụ hai tay #tương tác giữa hai tay

Tài liệu tham khảo

Alagona G, Delvaux V, Gérard P, De Pasqua V, Pennisi G, Delwaide PJ, Nicoletti F, Maertens de Noordhout A (2001) Ipsilateral motor responses to focal transcranial magnetic stimulation in healthy subjects and acute-stroke patients. Stroke 32(6):1304–1309 Asatryan DG, Feldman AG (1965) Biophysics of complex systems and mathematical models. Functional tuning of nervous system with control of movement or maintenance of a steady posture. I. Mechanographic analysis of the work of the joint on execution of a postural task. Biofizika 10(5):837–846 Bradnam LV, Stinear CM, Byblow WD (2013) Ipsilateral motor pathways after stroke: implications for non-invasive brain stimulation. Front Human Neurosci 7:184 Capaday C (1995) The effects of baclofen on the stretch reflex parameters of the cat. Exp Brain Res 10(2):287–296 Carson RG, Riek S, Smethurst CJ, Párraga JFL, Byblow WD (2000) Neuromuscular-skeletal constraints upon the dynamics of unimanual and bimanual coordination. Exp Brain Res 131(2):196–214 Chen R, Gerloff C, Hallett M, Cohen LG (1997) Involvement of the ipsilateral motor cortex in finger movements of different complexities. Ann Neurol 41:247–254 Chen R, Yung D, Li JY (2003) Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex. J Neurophysiol 89(3):1256–1264 Cohen J (1988) Statistical power analysis for the behavioral sciences. Abingdon. Deng ZD, Lisanby SH, Peterchev AV (2013) Electric field depth–focality tradeoff in transcranial magnetic stimulation: simulation comparison of 50 coil designs. Brain Stimul 6(1):1–13 Evarts EV (1973) Motor cortex reflexes associated with learned movement. Science 179(4072):501–503 Feldman AG (1986) Once more on the equilibrium-point hypothesis (lambda model) for motor control. J Mot Behav 18:17–54 Feldman AG (2015) Referent control of action and perception. Challenging conventional theories in behavioral neuroscience. Springer, NY Feldman AG (2019) Indirect, referent control of motor actions underlies directional tuning of neurons. J Neurophysiol 121(3):823–841 Feldman AG, Orlovsky GN (1972) The influence of different descending systems on the tonic stretch reflex in the cat. Exp Neurol 37(3):481–494 Feldman AG, Zhang L (2020) Eye, head movements and vestibulo-ocular reflex in the context of indirect, referent control of motor actions. J Neurophysiol 124(1):115–133 Frenkel-Toledo S, Yamanaka J, Friedman J, Feldman AG, Levin MF (2019) Referent control of anticipatory grip force during reaching in stroke: an experimental and modeling study. Exp Brain Res, pp 1–18. Georgopoulos AP, Kalaska JF, Caminiti R, Massey JT (1982) On the relations between the direction of two-dimensional arm movements and cell discharge in primate motor cortex. J Neurosci 2(11):1527–1537 Gorniak SL, Feldman AG, Latash ML (2009) Joint coordination during bimanual transport of real and imaginary objects. Neurosci Lett 456(2):80–84 Hammond PH (1956) The influence of prior instruction to the subject on an apparently involuntary neuro-muscular response. J Physiol 132(1):17 Heinen F, Glocker FX, Fietzek U, Meyer BU, Lücking CH, Korinthenberg R (1998) Absence of transcallosal inhibition following focal magnetic stimulation in preschool children. Ann Neurol 43(5):608–612 Ilmane N, Sangani S, Feldman AG (2013) Corticospinal control strategies underlying voluntary and involuntary wrist movements. Behav Brain Res 236:350–358 Jang SH, Park KA, Ahn SH, Cho YW, Byun WM, Son SM, Choi JH, Kwon YH (2009) Transcallosal fibers from corticospinal tract in patients with cerebral infarct. NeuroRehabilitation 24:159–164 Jean-Charles L, Nepveu JF, Deffeyes JE, Elgbeili G, Dancause N, Barthélemy D (2017) Interhemispheric interactions between trunk muscle representations of the primary motor cortex. J Neurophysiol 118(3):1488–1500 Kelso JS (1995) Dynamic patterns: The self-organization of brain and behavior. MIT Press, Cambridge Mara CA, Cribbie RA (2012) Paired-samples tests of equivalence. Commun Stat Simul Comput 41:1928–1943 Matthews PBC (1959) A study of certain factors influencing the stretch reflex of the decerebrate cat. J Physiol 147(3):547–564 Meyer BU, Röricht S, Von Einsiedel HG, Kruggel F, Weindl A (1995) Inhibitory and excitatory interhemispheric transfers between motor cortical areas in normal humans and patients with abnormalities of the corpus callosum. Brain 118(2):429–440 Netz J, Lammers T, Homberg V (1997) Reorganization of motor output in the non-affected hemisphere after stroke. Brain 120:1579–1586 Ostry DJ, Feldman AG (2003) A critical evaluation of the force control hypothesis in motor control. Exp Brain Res 153(3):275–288 Perez MA, Butler JE, Taylor JL (2013) Modulation of transcallosal inhibition by bilateral activation of agonist and antagonist proximal arm muscles. J Neurophysiol 111(2):405–414 Pilon JF, De Serres SJ, Feldman AG (2007) Threshold position control of arm movement with anticipatory increase in grip force. Exp Brain Res 181(1):49–67 Planck M (1950) Scientific autobiography and other papers (trans: Gaynor F). William and Norgate Ltd, London, p 191 Priori A, Berardelli A, Inghilleri M, Accornero N, Manfredi M (1994) Motor cortical inhibition and the dopaminergic system: pharmacological changes in the silent period after transcranial brain stimulation in normal subjects, patients with Parkinson’s disease and drug-induced parkinsonism. Brain 117(2):317–323 Rábago CA, Lancaster JL, Narayana S, Zhang W, Fox PT (2009) Automated-parameterization of the motor evoked potential and cortical silent period induced by transcranial magnetic stimulation. Clin Neurophysiol 120(8):1577–1587 Raptis H, Burtet L, Forget R, Feldman AG (2010) Control of wrist position and muscle relaxation by shifting spatial frames of reference for motoneuronal recruitment: possible involvement of corticospinal pathways. Physiol 588(9):1551–1570 Reis J, Swayne OB, Vandermeeren Y, Camus M, Dimyan MA, Harris-Love M, Perez MA, Ragert P, Rothwell JC, Cohen LG (2008) Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. J Physiol 586(2):325–351 Rosenzweig ES, Brock JH, Culbertson MD, Lu P, Moseanko R, Edgerton VR, Havton LA, Tuszynski MH (2009) Extensive spinal decussation and bilateral termination of cervical corticospinal projections in rhesus monkeys. J Comp Neurol 513(2):151–163 Rothwell JC, Traub MM, Marsden CD (1980) Influence of voluntary intent on the human long-latency stretch reflex. Nature 286(5772):496 Sangani SG, Raptis HA, Feldman AG (2011) Subthreshold corticospinal control of anticipatory actions in humans. Behav Brain Res 224(1):145–154 Schrafl-Altermatt M, Easthope CS (2018) Cooperative hand movements: task-dependent modulation of ipsi- and contralateral cortical control. Physiol Rep 6(10):e13581 Schuirmann DJ (1987) A comparison of the two one-sided tests procedure and the power approach for assessing the equivalence of average bioavailability. J Pharmacokinet Biopharm 15:657–680 Shammah-Lagnado SJ, Negra N, Silva BA, Ricardo JA (1987) Afferent connections of the nuclei reticularis pontis oralis and caudalis: a horseradish peroxidase study in the rat. Neuroscience 20(3):961–989 Shemmell J, An JH, Perreault EJ (2009) The differential role of motor cortex in stretch reflex modulation induced by changes in environmental mechanics and verbal instruction. J Neurosci 29(42):13255–13263 Soteropoulos DS, Perez MA (2011) Physiological changes underlying bilateral isometric arm voluntary contractions in healthy humans. J Neurophysiol 105(4):1594–1602 Soteropoulos DS, Edgley SA, Baker SN (2011) Lack of evidence for direct corticospinal contributions to control of the ipsilateral forelimb in monkey. J Neurosci 31(31):11208–11219 Tazoe T, Perez MA (2014) Selective activation of ipsilateral motor pathways in intact humans. J Neurosci 34(42):13924–13934 Todd G, Taylor JL, Gandevia SC (2003) Measurement of voluntary activation of fresh and fatigued human muscles using transcranial magnetic stimulation. J Physiol 551(2):661–671 Turton A, Wroe S, Trepte N, Fraser C, Lemon RN (1996) Contralateral and ipsilateral emg responses to transcranial magnetic stimulation during recovery of arm and hand function after stroke. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 101:316–328 Ustinova KI, Feldman AG, Levin MF (2006) Central resetting of neuromuscular steady states may underlie rhythmical arm movements. J Neurophysiol 96(3):1124–1134 Wassermann EM, Fuhr P, Cohen LG, Hallett M (1991) Effects of transcranial magnetic stimulation on ipsilateral muscles. Neurology 41(11):1795–1795 Wassermann EM, Pascual-Leone A, Hallett M (1994) Cortical motor representation of the ipsilateral hand and arm. Exp Brain Res 100(1):121–132 Yedimenko JA, Perez MA (2010) The effect of bilateral isometric forces in different directions on motor cortical function in humans. J Neurophysiol 104(6):2922–2931 Yoshino-Saito K, Nishimura Y, Oishi T, Isa T (2010) Quantitative inter-segmental and inter-laminar comparison of corticospinal projections from the forelimb area of the primary motor cortex of macaque monkeys. Neuroscience 171(4):1164–1179 Zaaimi B, Edgley SA, Soteropoulos DS, Baker SN (2012) Changes in descending motor pathway connectivity after corticospinal tract lesion in macaque monkey. Brain 135(7):2277–2289 Zhang L, Turpin NA, Feldman AG (2017) Threshold position control of anticipation in humans: a possible role of corticospinal influences. J Physiol 595(15):5359–5374 Ziemann U, Rothwell JC, Ridding MC (1996) Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex. J Physiol 496(3):873–881 Ziemann U, Ishii K, Borgheresi A, Yaseen Z, Battaglia F, Hallett M, Wassermann EM (1999) Dissociation of the pathways mediating ipsilateral and contralateral motor-evoked potentials in human hand and arm muscles. J Physiol 518(3):895–906