Prämotorische Modulation des kortikalen Erregungsniveaus bei Willkürreaktionen: eine TMS-Studie

Zusammenfassung

Das Ziel der vorliegenden Studie ist die Analyse der prämotorischen Veränderungen der Erregbarkeit der motorischen Hirnrinde vor einer ballistischen Willkürreaktion mit der rechten (dominaten) Hand (isometrische Abduktion des Zeigefingers) in einem Reaktionszeitexperiment. Dazu wurde die transkranielle Magnetstimulation (TMS) verwendet, wobei sowohl Einzelimpuls- als auch Doppelimpuls-TMS-Reize mit unterschiedlicher Verzögerung nach dem Erscheinen des visuellen go signal über der linken motorischen Hirnrinde appliziert wurden. Die Intensität der TMS-Test-Reize betrug 120 % der motorischen Schwelle, die der konditionierenden Reize bei Doppelimpuls-TMS war 70 %, und als Interstimulusintervall (ISI) wurden 3 ms bzw. 13 ms verwendet. Gemessen wurden das EMG des M. interosseus dorsalis I und die laterale Kraft. Die Parameter des TMS-induzierten motorisch-evozierten Potenzials (MEP) wurden zur Beschreibung der kortikalen Erregbarkeit bestimmt. Im prämotorischen Zeitbereich, etwa 80 ms vor dem Einsetzen der Willkürreaktion im EMG (burst), findet man generell deutlich vergrößerte MEP-Amplituden. Gegenüber der Situation bei Einzelimpuls-TMS, tritt bei Doppelimpuls-TMS mit ISI = 13 ms diese kortikale Fazilitation etwas früher, aber mit geringerer Stärke auf; bei ISI = 3 ms ist erwartungsgemäß zunächst die intrakortikale Inhibition zu beobachten, die aber dann ebenfalls übergeht in eine Fazilitation, wobei diese im Vergleich zur Einzelimpuls-TMS etwas mehr zum Einsatzzeitpunkt des burst hin verschoben ist. In allen TMS-Experimenten ist ein minimales Intervall (dead band) zwischen dem Beginn des MEP und des burst erkennbar. Weiterhin zeigt sich ein wesentlicher Einfluss der TMS-Applikation auf die Verteilungseigenschaften der Reaktionszeiten.

Abstract

The aim of the present study was to investigate the effect of transcranial magnetic stimulation (TMS) on reaction time (RT) and on motor cortex excitability preceding voluntary movements. Single pulse and paired-pulse TMS with two interstimulus intervals (ISI) of 3 and 13 ms were applied to the left motor cortex at different delays after a visual go command for a voluntary isometric index finger abduction of the right (dominant) hand. The intensity of the testing and conditioning stimuli were 120 % and 70 % of motor threshold at rest, respectively. Changes of the parameters of motor evoked potentials (MEP) recorded from the first dorsal interosseous muscle (FDI) were used to assess motor cortex excitability. The MEPs in response to single pulse TMS were augmented in a period around 80 ms before the voluntary myoelectrical activity (EMG) onset. In paired-pulse TMS at an ISI of 13 ms, the MEP augmentation was smaller but started earlier before the voluntary EMG. In case of ISI = 3 ms, the expected intracortical inhibition was evident only when TMS preceded the voluntary muscle activity by a premovement interval of more than 80 ms, but at shorter intervals, rather some MEP augmentation was observed. In all TMS experiments, a minimum interval between MEP onset and burst onset of the voluntary response was observed (dead band). Moreover, TMS influence on RT was accompanied by essential changes of RT distribution.

Transcranial magnetic stimulation - reaction times - motor evoked potentials - intracortical inhibition - intracortical facilitation

Literatur

• 1 Rossini P M, Zarola F, Stalberg E, Caramia M. Pre-movement facilitation of motor evoked potentials in man during transcranial stimulation of the central motor pathways.  Brain Res. 1988;  458 20-30
• 2 Ziemann U. Transcranial magnetic stimulation: New perspectives in diagnostic, basic and therapeutic applications.  Klinische Neurophysiologie. 2005;  36 153-154
• 3 Mohammadi B, Krampfl K, Bufler I. Transcranial magnetic stimulation in amyotrophic lateral sclerosis.  Klinische Neurophysiologie. 2005;  36 161-164
• 4 Pötter M, Peller M, Siebner H R. Therapeutic applications of repetitive transcranial magnetic stimulation in neurological disorders - potential and limitations.  Klinische Neurophysiologie. 2005;  36 186-201
• 5 Sommer M, Paulus W. Impact of pulse waveform and current direction for single and paired pulse TMS and for repetitive TMS.  Klinische Neurophysiologie. 2005;  36 173-177
• 6 Kobayashi M, Pascual-Leone A. Transcranial magnetic stimulation in neurology.  Lancet Neurol. 2003;  2 (3) 145-156
• 7 Kossev A R, Siggelkow S, Dengler R, Rollnik J D. Intracortical inhibition and facilitation in paired-pulse transcranial magnetic stimulation: effect of conditioning stimulus intensity on sizes and latencies of motor evoked potentials.  J Clin Neurophysiol. 2003;  20 54-58
• 8 Kujirai T, Caramia M D, Rothwell J C, Day B L, Thompson P D, Ferbert A, Wroe S, Asselman P, Marsden C D. Corticocortical inhibition in human motor cortex.  J Physiol (Lond.). 1993;  471 501-519
• 9 Hoshiyama M, Kitamura Y, Koyama S, Watanabe S, Shimojo M, Kakigi R. Reciprocal change of motor evoked potentials preceding voluntary movements in humans.  Muscle Nerve. 1996;  19 125-131
• 10 Pascual-Leone A, Brasil-Neto J P, Valls-Solé J, Cohen L G, Hallett M. Simple reaction time to focal transcranial magnetic stimulation. Comparison with reaction time to acoustic, visual and somatosensory stimuli.  Brain. 1992;  115 109-122
• 11 Pascual-Leone A, Valls-Solé J, Wassermann E M, Brasil-Neto J P, Cohen L G, Hallett M. Effects of focal transcranial magnetic stimulation on simple reaction time to acoustic, visual and somatosensory stimuli.  Brain. 1992;  115 1045-1059
• 12 Starr A, Caramia M, Zarola F, Rossini P M. Enhancement of motor cortex excitability in human non-invasive electrical stimulation appears prior to voluntary movement.  Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1988;  70 26-32
• 13 Tomberg C, Caramia M D. Prime mover muscle in finger lift or finger flexion reaction times: identification with transcranial magnetic stimulation.  Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1991;  81 319-322
• 14 Chen R, Hallet M. The time course of motor cortex excitability associated with voluntary movement.  Can J Neurol Sci. 1999;  26 163-169
• 15 Chen R, Yaseen Z, Cohen L G, Hallet M. Time course of corticospinal excitability in reaction time and self-paced movements.  Ann Neurol. 1998;  44 317-325
• 16 Reynolds C, Ashby P. Inhibition in the human motor cortex is reduced just before a voluntary contraction.  Neurology. 1999;  53 730-735
• 17 Gilio F, Curra A, Inghilleri M, Lorenzano C, Suppa A, Manfredi M, Berardelli A. Abnormalities of motor cortex excitability preceding movement in patients with dystonia.  Brain. 2003;  126 1745-1754
• 18 Rothwell J C. Techniques and mechanisms of action of transcranial stimulation of the human motor cortex.  J Neurosci Methods. 1997;  74 (2) 113-122
• 19 Masur H, Schneider U, Papke K, Oberwittler C. Variation of reaction time can be reduced by the time locked application of magnetic stimulation of the motor cortex.  Electromyogr Clin Neurophysiol. 1996;  36 495-501
• 20 Ziemann U, Tergau F, Netz J, Homberg V. Delay in simple reaction time after focal transcranial magnetic stimulation of the human brain occurs at the final motor output stage.  Brain Res. 1997;  744 32-40
• 21 Ziemann U, Rothwell J C, Ridding M C. Interaction between intracortical inhibition and facilitation in human motor cortex.  J Physiol (Lond.). 1996;  496 873-881
• 22 Nakamura H, Kitagawa H, Kawaguchi Y, Tsuji H. Intracortical facilitation and inhibition after transcranial magnetic stimulation in conscious humans.  J Physiol (Lond.). 1997;  498 817-823
• 23 Lazzaro V Di, Restuccia D, Olivero A, Profice P, Ferrara L, Insola A, Mazzone P, Tonali P, Rothwell J C. Magnetic transcranial stimulation at intensities below active motor threshold activates intracortical inhibitory circuits.  Exp Brain Res. 1998;  119 265-268
• 24 Ashby P, Reynolds C, Wenberg R, Lozano A M, Rothwell J. On the focal nature of inhibition and facilitation in the human motor cortex.  Clin Neurophysiol. 1999;  110 550-555
• 25 Schweickert R, Giorgini M. Response time distributions: some simple effects of factors selectively influencing mental processes.  Psychon Bull Rev. 1999;  6 (2) 269-288
• 26 Zandt T Van, Colonius H, Proctor R W. A comparison of two response time models applied to perceptual matching.  Psychon Bull Rev. 2000;  7 (2) 208-256
• 27 Romaiguere P, Possamai C A, Hasbroucq T. Motor cortex involvement during choice reaction time: a transcranial magnetic stimulation study in man.  Brain Res. 1997;  755 181-192