Dokument: Modulation motorkortikaler Oszillationen bei motorischem Lernen
| Titel: | Modulation motorkortikaler Oszillationen bei motorischem Lernen | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=31358 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20141107-125047-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Latz, David [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. phil. Pollok, Bettina [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Schnitzler, Alfons [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. med. Vesper, Jan [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Motorisches Lernen, Magnetenzephalographie, MEG | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibung: | Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Modulation neuromagnetischer Oszillationen des primären sensomotorischen Kortex während einer einfachen motorischen Lernaufgabe untersucht. In einer Serial Reaction Time Task mussten 15 rechtshändige Probanden mit der rechten Hand auf einer Tastatur so schnell wie möglich die auf einer Graphik abgebildete Taste drücken (Fingertipp). Jede Testperson durchlief 3 Bedingungen mit je 200 Fingertipps: Eine Kontrollbedingung, in der die visuellen Stimuli randomisiert dargeboten wurden und zwei Lernbedingungen (Wiederholung 1 und Wiederholung 2), in denen dieselbe achtstellige Sequenz wiederholt präsentiert wurde. Motorisches Lernen kann in zwei Phasen unterteilt werden: (I) die Akquisition, die den aktiven Erwerb einer motorischen Fertigkeit darstellt und (II) die Konsolidierung, die sich der Akquisition anschließt und die passive Festigung einer motorischen Fertigkeit in einer Lernpause darstellt. Bewegungen, die kontinuierlich durch afferente und reafferente Informationen korrigiert werden, werden im sogenannten Closed-Loop Modus ausgeführt. Bewegungen, die unabhängig von der afferenten Rückmeldung erfolgen, werden im Open-Loop Modus ausgeführt. Zur Charakterisierung motorkortikaler Oszillationen wurde neuromagnetische Hirnaktivität mithilfe eines 306-Kanal Ganzkopf-Magnetenzephalografie-Systems aufgezeichnet. Oszillationen im Alpha- (8 – 12 Hz) und Beta-Band (13 – 30 Hz) zeigen eine räumliche und zeitliche Charakteristik während der Ausführung von Bewegungen in Form der ereigniskorrelierten Desynchronisation (ERD) und Synchronisation (ERS). Die ERD stellt das Korrelat aktivierter kortikaler Areale dar und beginnt zwischen 1 bis 2 Sekunden vor einer Bewegungsausführung. Die ERS stellt das Korrelat deaktivierter kortikaler Areale dar und tritt maximal 1 Sekunde nach einer Bewegungsausführung auf. Oszillationen im Alpha-Band sind primär mit der Verarbeitung sensorischer Reize assoziiert, während Oszillationen im Beta-Band mit der expliziten Steuerung von Bewegungen in Verbindung gebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Effekt des motorischen Lernens auf die ERD und die ERS im Alpha- und Beta-Band untersucht. Die Analyse der Verhaltensdaten zeigte eine signifikante Abnahme der Reaktionszeiten (Kontrolle > Wiederholung 1 > Wiederholung 2) als Indikator für motorisches Lernen. Die ERD zeigte in der Bedingung Wiederholung 2 im Vergleich zur Kontrolle eine signifikante Abnahme der Amplitude im Alpha- und im Beta-Band. In beiden Lernbedingungen (Wiederholung 1, Wiederholung 2) konnte ein signifikant späterer Beginn der ERD in der ipsilateralen gegenüber der kontralateralen Hemisphäre im Alpha- und im Beta-Band beobachtet werden. Zudem korrelierte der Beginn der ERD in der ipsilateralen Hemisphäre im Beta-Band in beiden Lernbedingungen signifikant mit den Reaktionszeiten. Die ERS Amplitude nahm in der kontralateralen Hemisphäre im Beta-Band in der Lernbedingung Wiederholung 2 im Vergleich zur Kontrolle signifikant ab. Die Auswertung der ERD/ERS Amplitude in der Bedingung Wiederholung 1 deutet darauf hin, dass die Akquisition, welche durch eine explizite Verarbeitung der dargebotenen Reize und explizite Bewegungskontrolle gekennzeichnet ist, nicht mit Veränderungen motorkortikaler Oszillationen einhergeht. Lediglich die Abnahme des ERD Beginns weist auf eine kürzere Präparationszeit hin, die mit einer effizienteren und somit schnelleren Bewegungsausführung ab der Akquisitionsphase assoziiert zu sein scheint. Die Abnahme der ERD Amplitude in der Bedingung Wiederholung 2 im Alpha- und im Beta-Band liefert Evidenz für die Annahme, dass bereits nach einer 10- minütigen Pause, in der frühen Konsolidierung, auf einem effizienteren motorkortikalen Aktivitätsniveau weiter gelernt wird. Darüber hinaus deutet die Abnahme der ERS Amplitude in der kontralateralen Hemisphäre im Beta-Band in der Bedingung Wiederholung 2 darauf hin, dass Bewegungen in der frühen Konsolidierung möglicherweise als eine zusammenhängende Bewegungssequenz mit einer verminderten sensorischen Bewegungsbeendigung nach jeder Einzelbewegung in einem Open-Loop Modus ausgeführt werden. | |||||||
| Quelle: | Adams JA (1971): A closed-loop theory of motor learning. J Mot Behav 3(2):111-149.
Adams JA, Gopher D, Lintern G (1977): Effects of visual and proprioceptive feedback on motor learning. J Mot Behav 9:11-22. Albert NB, Robertson EM, Miall RC (2009): The Resting Human Brain and Motor Learning. Curr Biol 19(12):1023-1027. Andres FG, Gerloff C (1999): Coherence of sequential movements and motor learning. J Clin Neurophysiol 16(6):520-527. Baker SN (2007): Oscillatory interactions between sensorimotor cortex and the periphery. Curr Opin Neurobiol 17(6):649-655. Baraduc P, Lang N, Rothwell JC, Wolpert DM (2004): Consolidation of dynamic motor learning is not disrupted by rTMS of primary motor cortex. Curr Biol 14(3):252-256. Bernstein NA (1967): The co-ordination and regulation of movements. Oxford: Pergamon Press. Bock O, Thomas M, Grigorova V (2005): The effect of rest breaks on human sensorimotor adaptation. Exp Brain Res 163(2):258-260. Brashers-Krug T, Shadmehr R, Bizzi E (1996): Consolidation in human motor memory. Nature 382(6588):252-255. Buitrago MM, Ringer T, Schulz JB, Dichgans J, Luft AR (2004): Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat. Behav Brain Res 155(2):249-256. Cassim F, Monaca C, Szurhaj W, Bourriez JL, Defebvre L, Derambure P, et al. (2001): Does post-movement beta synchronization reflect an idling motor cortex? Neuroreport 12(17):3859-3863. Censor N, Cohen LG (2011): Using repetitive transcranial magnetic stimulation to study the underlying neural mechanisms of human motor learning and memory. J Physiol 589:21-28. Chen R, Yaseen Z, Cohen LG, Hallett M (1998): Time course of corticospinal excitability in reaction time and self-paced movements. Ann Neurol 44(3):317-325. Classen J, Liepert J, Wise SP, Hallett M, Cohen LG (1998): Rapid plasticity of human cortical movement representation induced by practice. J Neurophysiol 79(2):1117-1123. Cohen DA, Pascual-Leone A, Press DZ, Robertson EM (2005): Off-line learning of motor skill memory: A double dissociation of goal and movement. Proc Natl Acad Sci U S A 102 (50):18237-18241 Cooper NR, Croft RJ, Dominey SJ, Burgess AP, Gruzelier JH (2003): Paradox lost? Exploring the role of alpha oscillations during externally vs. internally directed attention and the implications for idling and inhibition hypotheses. Int J Psychophysiol 47(1):65-74. Donoghue JP (1995): Plasticity of adult sensorimotor representations. Curr Opin Neurobiol 5(6):749-754. Donovan JJ, Radosevich DJ (1999): A meta-analytic review of the distribution of practice effect: Now you see it, now you don't. J Appl Psychol 84(5):795-805. Dunlop K (1910): Reaction on rhythmic stimuli, with attempt to synchronize. Psychol Rev 17:399-416. Engel AK, Fries P (2010): Beta-band oscillations--signalling the status quo? Curr Opin Neurobiol 20(2):156-165. Fischer S, Hallschmid M, Elsner AL, Born J (2002): Sleep forms memory for finger skills. Proc Natl Acad Sci U S A 99(18):11987-11991. Gerloff C, Corwell B, Chen R, Hallett M, Cohen LG (1998): The role of the human motor cortex in the control of complex and simple finger movement sequences. Brain 121:1695-1709. Grafton ST, Woods RP, Tyszka M (1993): Functional imaging of procedural motor learning: Relating cerebral blood flow with individual subject performance. Hum Brain Mapp 1(3):221-234. Hadipour-Niktarash A, Lee CK, Desmond JE, Shadmehr R (2007): Impairment of retention but not acquisition of a visuomotor skill through time-dependent disruption of primary motor cortex. J Neurosci 27(49):13413-13419. Haier RJ, Siegel BV, Jr., MacLachlan A, Soderling E, Lottenberg S, Buchsbaum MS (1992): Regional glucose metabolic changes after learning a complex visuospatial/motor task: a positron emission tomographic study. Brain Res 570(1-2):134-143. Halsband U, Lange RK (2006): Motor learning in man: a review of functional and clinical studies. J Physiol Paris 99(4-6):414-424. Hamalainen M, Hari R, Ilmoniemi RJ, Knuutila J, Lounasmaa OV (1993): Magnetoencephalography - Theory, Instrumentation, and Applications to Noninvasive Studies of the Working Human Brain. Rev Mod Phys 65(2):413-497. Hess G, Donoghue JP (1996): Long-term potentiation and long-term depression of horizontal connections in rat motor cortex. Acta Neurobiol Exp (Wars) 56(1):397-405. Hikosaka O, Rand MK, Miyachi S, Miyashita K (1995): Learning of sequential movements in the monkey: process of learning and retention of memory. J Neurophysiol 74(4):1652-1661. Hikosaka O, Sakai K, Miyauchi S, Takino R, Sasaki Y, Putz B (1996): Activation of human presupplementary motor area in learning of sequential procedures: a functional MRI study. J Neurophysiol 76(1):617-621. Hummel F, Andres F, Altenmuller E, Dichgans J, Gerloff C (2002): Inhibitory control of acquired motor programmes in the human brain. Brain 125:404-420. Iriki A, Pavlides C, Keller A, Asanuma H (1989): Long-term potentiation in the motor cortex. Science 245(4924):1385-1387. Jancke L, Peters M, Schlaug G, Posse S, Steinmetz H, Muller-Gartner H (1998): Differential magnetic resonance signal change in human sensorimotor cortex to finger movements of different rate of the dominant and subdominant hand. Brain Res Cogn Brain Res 6(4):279-284. Jensen O, Gelfand J, Kounios J, Lisman JE (2002): Oscillations in the Alpha Band (9-12 Hz) Increase with Memory Load during Retention in a Short-term Memory Task. Cereb Cortex 12(8):877-882. Josephson BD (1962): Possible New Effects in Superconductive Tunnelling. Phys Lett 1(7):251-253. Karni A, Meyer G, Jezzard P, Adams MM, Turner R, Ungerleider LG (1995): Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning. Nature 377(6545):155-158. Kawashima R, Roland PE, O'Sullivan BT (1994): Fields in human motor areas involved in preparation for reaching, actual reaching, and visuomotor learning: a positron emission tomography study. J Neurosci 14(6):3462-3474. Keele SW (1968): Movement Control in Skilled Motor Performance. Psychol Bull 70:387-403. Klimesch W, Schimke H, Pfurtscheller G (1993): Alpha frequency, cognitive load and memory performance. Brain Topogr 5(3):241-251. Kobayashi M, Theoret H, Pascual-Leone A (2009): Suppression of ipsilateral motor cortex facilitates motor skill learning. Eur J Neurosci 29(4):833-836. Koch G, Fernandez Del Olmo M, Cheeran B, Ruge D, Schippling S, Caltagirone C, et al. (2007): Focal stimulation of the posterior parietal cortex increases the excitability of the ipsilateral motor cortex. J Neurosci 27(25):6815-6822. Korman M, Doyon J, Doljansky J, Carrier J, Dagan Y, Karni A (2007): Daytime sleep condenses the time course of motor memory consolidation. Nat Neurosci 10(9):1206-1213. Krings T, Topper R, Foltys H, Erberich S, Sparing R, Willmes K, et al. (2000): Cortical activation patterns during complex motor tasks in piano players and control subjects. A functional magnetic resonance imaging study. Neurosci Lett 278(3):189-193. Luft AR, Buitrago MM (2005): Stages of motor skill learning. Mol Neurobiol 32(3):205-216. Luft AR, Buitrago MM, Ringer T, Dichgans J, Schulz JB (2004): Motor skill learning depends on protein synthesis in motor cortex after training. J Neurosci 24(29):6515-6520. Mackay S, Morgan P, Datta V, Chang A, Darzi A (2002): Practice distribution in procedural skills training: a randomized controlled trial. Surg Endosc 16(6):957-961. Maquet P (2001): The role of sleep in learning and memory. Science 294(5544):1048-1052. Miall RC, Robertson Edwin M (2006): Functional Imaging: Is the Resting Brain Resting? Curr Biol 16(23):R998-R1000. Muellbacher W, Ziemann U, Boroojerdi B, Cohen L, Hallett M (2001): Role of the human motor cortex in rapid motor learning. Exp Brain Res 136(4):431-438. Muellbacher W, Ziemann U, Wissel J, Dang N, Kofler M, Facchini S, et al. (2002): Early consolidation in human primary motor cortex. Nature 415(6872):640-644. Mulholland T (1995): Human EEG, behavioral stillness and biofeedback. Int J Psychophysiol 19(3):263-279. Neuper C, Pfurtscheller G (2001): Evidence for distinct beta resonance frequencies in human EEG related to specific sensorimotor cortical areas. Clin Neurophysiol 112(11):2084-2097. Nissen MJ, Bullemer P (1987): Attentional Requirements of Learning - Evidence from Performance-Measures. Cognit Psychol 19(1):1-32. Nitsche MA, Schauenburg A, Lang N, Liebetanz D, Exner C, Paulus W, et al. (2003): Facilitation of implicit motor learning by weak transcranial direct current stimulation of the primary motor cortex in the human. J Cogn Neurosci 15(4):619-626. Oldfield RC (1971): The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia 9(1):97-113. Orban P, Peigneux P, Lungu O, Albouy G, Breton E, Laberenne F, et al. (2010): The multifaceted nature of the relationship between performance and brain activity in motor sequence learning. Neuroimage 49(1):694-702. Pascual-Leone A, Bartres-Faz D, Keenan JP (1999): Transcranial magnetic stimulation: studying the brain-behaviour relationship by induction of 'virtual lesions'. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 354(1387):1229-1238. Percio CD, Infarinato F, Iacoboni M, Marzano N, Soricelli A, Aschieri P, et al. (2010): Movement-related desynchronization of alpha rhythms is lower in athletes than non-athletes: A high-resolution EEG study. Clin Neurophysiol 121(4):482-491. Pfurtscheller G (1992): Event-related synchronization (ERS): an electrophysiological correlate of cortical areas at rest. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 83(1):62-69. Pfurtscheller G (2001): Functional brain imaging based on ERD/ERS. Vision Res 41(10-11):1257-1260. Pfurtscheller G, Aranibar A (1977): Event-related cortical desynchronization detected by power measurements of scalp EEG. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 42(6):817-826. Pfurtscheller G, Lopes da Silva FH (1999): Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles. Clin Neurophysiol 110(11):1842-1857. Pfurtscheller G, Woertz M, Muller G, Wriessnegger S, Pfurtscheller K (2002): Contrasting behavior of beta event-related synchronization and somatosensory evoked potential after median nerve stimulation during finger manipulation in man. Neurosci Lett 323(2):113-116. Pollok B, Krause V, Butz M, Schnitzler A (2009): Modality specific functional interaction in sensorimotor synchronization. Hum Brain Mapp 30(6):1783-1790. Press DZ, Casement MD, Pascual-Leone A, Robertson EM (2005): The time course of off-line motor sequence learning. Brain Res Cogn Brain Res 25(1):375-378. Proteau L, Marteniuk RG, Girouard Y, Dugas C (1987): On the type of information used to control and learn an aiming movement after moderate and extensive training. Hum Mov Sci 6(2):181-199. Richardson AG, Overduin SA, Valero-Cabre A, Padoa-Schioppa C, Pascual-Leone A, Bizzi E, et al. (2006): Disruption of primary motor cortex before learning impairs memory of movement dynamics. J Neurosci 26(48):12466-12470. Rioult-Pedotti MS, Friedman D, Hess G, Donoghue JP (1998): Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning. Nat Neurosci 1(3):230-234. Robertson EM (2007): The serial reaction time task: implicit motor skill learning? J Neurosci 27(38):10073-10075. Robertson EM, Pascual-Leone A, Press DZ (2004): Awareness modifies the skill-learning benefits of sleep. Curr Biol 14(3):208-212. Robertson EM, Press DZ, Pascual-Leone A (2005): Off-line learning and the primary motor cortex. J Neurosci 25(27):6372-6378. Rothwell JC, Traub MM, Day BL, Obeso JA, Thomas PK, Marsden CD (1982): Manual motor performance in a deafferented man. Brain 105(3):515-542. Sakai K, Hikosaka O, Miyauchi S, Takino R, Sasaki Y, Putz B (1998): Transition of brain activation from frontal to parietal areas in visuomotor sequence learning. J Neurosci 18(5):1827-1840. Sakamoto T, Arissian K, Asanuma H (1989): Functional role of the sensory cortex in learning motor skills in cats. Brain Res 503(2):258-264. Salenius S, Schnitzler A, Salmelin R, Jousmaki V, Hari R (1997): Modulation of human cortical rolandic rhythms during natural sensorimotor tasks. Neuroimage 5(3):221-228. Salmelin R, Hamalainen M, Kajola M, Hari R (1995): Functional segregation of movement-related rhythmic activity in the human brain. Neuroimage 2(4):237-243. Sanes JN, Donoghue JP (2000): Plasticity and primary motor cortex. Annu Rev Neurosci 23:393-415. Schmidt R, White J (1972): Evidence for an error detection mechanism in motor skills: A test of Adams closed-loop theory. J Mot Behav 4:143-153. Schmidt R, Lee T (2005): Motor control and learning: A behavioral emphasis. 4th ed. ed. Champaign: Human Kinetics. Schmidt R, Thews G, Lang F (1985): Motorische Systeme. Physiologie des Menschen. Schnitzler A, Gross J (2004): Magnetenzephalographie (MEG). In: Walter H: Funktionelle Bildgebung in der Psychiatrie und Psychotherapie: Schattauer Verlag; p. 151-161. Schnitzler A, Gross J (2005): Normal and pathological oscillatory communication in the brain. Nat Rev Neurosci 6(4):285-296. Schünke M, Schulte E, Schumacher U, Voll M, Wesker K (2009): Prometheus. 2. Auflage ed. Stuttgart: Thieme. Shadmehr R, Holcomb HH (1997): Neural correlates of motor memory consolidation. Science 277(5327):821-825. Stancak A, Jr., Pfurtscheller G (1996): The effects of handedness and type of movement on the contralateral preponderance of mu-rhythm desynchronisation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 99(2):174-182. Toma K, Mima T, Matsuoka T, Gerloff C, Ohnishi T, Koshy B, et al. (2002): Movement rate effect on activation and functional coupling of motor cortical areas. J Neurophysiol 88(6):3377-3385. Turner RS, Desmurget M, Grethe J, Crutcher MD, Grafton ST (2003): Motor subcircuits mediating the control of movement extent and speed. J Neurophysiol 90(6):3958-3966. van Mier H, Tempel LW, Perlmutter JS, Raichle ME, Petersen SE (1998): Changes in brain activity during motor learning measured with PET: effects of hand of performance and practice. J Neurophysiol 80(4):2177-2199. Vidoni ED, Acerra NE, Dao E, Meehan SK, Boyd LA (2010): Role of the primary somatosensory cortex in motor learning: An rTMS study. Neurobiol Learn Mem 93(4):532-539. Zhuang P, Toro C, Grafman J, Manganotti P, Leocani L, Hallett M (1997): Event-related desynchronization (ERD) in the alpha frequency during development of implicit and explicit learning. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 102(4):374-381. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 07.11.2014 | |||||||
| Dateien geändert am: | 07.11.2014 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 11.11.2013 | |||||||
| Datum der Promotion: | 29.10.2014 |
