Disinhibition oder Fazilitation nach repetitivem Handtraining?

Zusammenfassung

Einleitung Aufgabenspezifische Veränderungen der intrakortikalen Inhibition und Fazilitation sind bekannt. In dieser Studie wurde der Mechanismus, der kurz nach den jeweiligen Einzelbewegungen während einer repetitiven physiotherapeutischen Trainingsaufgabe wirksam ist, mittels der transkraniellen magnetischen Doppelstimulation untersucht. Methodik Das repetitive Training bestand aus Handextensionen mit Wiederholungen alle 6 s, wobei jede Handextension von einem magnetischen Einzel- oder Doppelstimulus über dem motorkortikalen Handareal gefolgt war. Doppelstimuli wurden mit einem Interstimulusintervall (ISI) von 2 ms (Inhibition; 15 gesunde Versuchspersonen) bzw. 8 ms (Fazilitation; 12 gesunde Versuchspersonen) appliziert. Motorisch evozierte Potenziale (MEP) wurden von den Handextensoren (ECR, Agonist) bzw. Handflexoren (FCU, Antagonist) 1 s nach Beendigung von Einzelbewegungen abgeleitet und mit der Ruhebedingung bzw. mit Einzelstimuli verglichen. Ergebnisse Inhibitorische Effekte wurden bei ISI von 2 ms in beiden Muskeln beobachtet. Lediglich in den Agonisten nach aktiven Bewegungen waren die MEP-Amplituden signifikant höher als bei Ruhe und passiven Bewegungen. Die MEP-Amplitudendifferenzen (Einzelstimuli - Doppelstimuli 2 ms) ergaben jedoch nahezu identische Werte für Ruhe, passive oder aktive Bewegungen, sodass eine Disinhibition durch aktives Training nicht nachweisbar war. Die MEP-Amplitudendifferenzen (Doppelstimuli 8 ms - Einzelstimuli) hingegen zeigten eine zusätzliche MEP-Amplitudenerhöhung für aktive Bewegungen im ECR, die für eine Fazilitation spricht. Diskussion Als Ursache für den zusätzlichen MEP-Amplitudenanstieg nach aktiven Bewegungen des Agonisten wird nicht eine Disinhibition, sondern eine die intrakortikale Fazilitation verstärkende trainingsinduzierte Fazilitation angenommen. Diese Ergebnisse könnten auch Implikationen für die Auswahl von physiotherapeutischen Trainingsmethoden oder Zielmuskeln haben.

Abstract

Introduction Task-related changes of intracortical inhibition and facilitation have been reported. In this study, transcranial magnetic paired pulse stimulation was used to investigate the mechanism operating shortly after movements of a repetitive training task which is used as a physiotherapeutic procedure in central weakness. Methods and subjects Repetitive training consisted of hand extensions recurring every 6 s. Each hand movement was followed by a (single or paired) magnetic stimulus. Single and paired stimuli with inter-stimulus intervals (ISI) of 2 ms (inhibition; 15 healthy subjects) and 8 ms (facilitation; 12 healthy subjects) were applied to the cortical motor hand area. Motor evoked potentials (MEP) from hand extensors (ECR, agonist) and flexors (FCU, antagonist) were recorded 1 s after active or passive hand extensions and compared with rest or single stimuli. Results Inhibitory effects were observed using paired stimuli of ISI = 2 ms in both muscles. Significantly larger MEP were detected in agonists after active training only. MEP amplitude differences (single - paired stimuli 2 ms), however, were nearly equal for rest, passive or active movements indicating that active movements did not produce disinhibition. MEP amplitude differences (paired 8 ms - single stimuli) showed an additional MEP increase after active movements of the agonist muscle indicating facilitation. Discussion The additional MEP increase produced shortly after active movements in agonist muscles suggests that after training intracortical facilitation is enhanced by post-movement facilitation. Disinhibition was not detected. The finding may also have implications for the choice of training methods or target muscles in physiotherapy.

Key words

intracortical inhibition - facilitation - motor cortex - physiotherapy - transcranial magnetic stimulation

Literatur

• 1 Calautti C, Baron J C. Functional neuroimaging studies of motor recovery after stroke in adults: a review.  Stroke. 2003;  34 1553-1566
• 2 Dettmers C, Liepert J, Adler T, Rzanny R, Rijntjes M, Schayck R van, Kaiser W, Brückner L, Weiller C. Abnormal motor cortex organization contralateral to early upper limb amputation in humans.  Neurosci Lett. 1999;  263 41-44
• 3 Merzenich M M, Nelson R J, Stryker M P, Cynader M S, Schoppmann A, Zook J M. Somatosensory cortical map changes following digit amputation in adult monkeys.  J Comp Neurol. 224;  1984 591-605
• 4 Nudo J R, Milliken G W, Jenkins W M, Merzenich M M. Use-dependent alterations of movement representations in primary motor cortex of adult squirrel monkeys.  J Neurosci. 1996;  16 785-807
• 5 Asanuma H, Pavlides C. Neurobiological basis of motor learning in mammals.  Neuroreport. 1997;  8 1-6
• 6 Jacobs K M, Donoghue J P. Reshaping the cortical motor map by unmasking latent intracortical connections.  Science. 1991;  251 944-947
• 7 Ziemann U, Rothwell J C, Ridding M C. Interaction between inhibition and facilitation in human motor cortex.  J Physiol (Lond). 1996;  496 873-881
• 8 Bütefisch C, Hummelsheim H, Denzler P, Mauritz K-H. Repetitive training of isolated movements improves the outcome of motor rehabilitation of the centrally paretic hand.  J Neurol Sci. 1995;  130 59-68
• 9 Ridding M C, Taylor J L, Rothwell J C. The effect of voluntary contraction on cortico-cortical inhibition in human motor cortex.  J Physiol (Lond). 1995;  487 541-548
• 10 Stokic D S, McKay W B, Scott L, Sherwood A M, Dimitrijevic M R. Intracortical inhibition of lower limb motor-evoked potentials after paired transcranial magnetic stimulation.  Exp Brain Res. 1997;  117 437-443
• 11 Liepert J, Storch P, Fritsch A, Weiller C. Motor cortex disinhibition in acute stroke.  Clin Neurophysiol. 2000;  111 671-676
• 12 Renner C IE, Schubert M, Hummelsheim H. Selective effect of repetitive hand movements on intracortical excitability.  Muscle Nerve. 2005;  31 314-320
• 13 Sacco P, Thickbroom G W, Thompson M L, Mastaglia F L. Changes in corticomotor excitation and inhibition during prolonged submaximal muscle contractions.  Muscle Nerve. 1997;  20 1158-1166
• 14 Liepert J, Restemeyer C, Münchau A, Weiller C. Motor cortex excitability after thalamic infarction.  Clin Neurophysiol. 2005;  116 1621-1627
• 15 Zoghi M, Pearce S L, Nordstom M A. Differential modulation of intracortical inhibition in human motor cortex during selective activation of an intrinsic hand muscle.  J Physiol. 2003;  550 933-946
• 16 Hummelsheim H, Hauptmann B, Neumann S. Influence of physiotherapeutic facilitation techniques on motor evoked potentials in centrally paretic hand extensor muscles.  Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1995;  97 18-28
• 17 Rossini P M, Berardelli A, Deuschl G, Hallett M, Maertens der Noordhout A, Paulus W, Pauri F. Applications of magnetic cortical stimulation. In: Deuschl G, Eisen A (eds) Recommendations for the practice of clinical neurophysiology: Guidelines of the International Federation of Clinical Physiology. Amsterdam; Elsevier 1999: 171-185
• 18 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
• 19 Liepert J, Classen J, Cohen L G, Hallett M. Task-dependent changes of intracortical inhibition.  Exp Brain Res. 1998;  118 421-426
• 20 Chen R, Tam A, Bütefisch C, Corwell B, Ziemann U, Rothwell J C, Cohen L G. Intracortical inhibition and facilitation in different representations of the human motor cortex.  J Neurophysiol. 1998;  80 2870-2881
• 21 Ridding M C, Taylor J L, Rothwell J C. The effect of voluntary contraction on cortico-cortical inhibition in human motor cortex.  J Physiol. 1995;  487 541-548
• 22 Ziemann U, Lönnecker S, Steinhoff B J, Paulus W. Effects of antiepileptic drugs on motor cortex excitability in humans: a transcranial magnetic stimulation study.  Ann Neurol. 1996;  40 367-378
• 23 Wassermann E M, Samii A, Mercuri B, Ikoma K, Oddo D, Grill E, Hallett M. Responses to paired transcranial magnetic stimuli in resting, active, and recently activated muscles.  Exp Brain Res. 1996;  109 158-163
• 24 Chen R, Yaseen Z, Cohen L G, Hallett M. Time course of corticospinal excitability in reaction time and self-paced movements.  Ann Neurol. 1998;  44 317-325
• 25 Begum T, Mima T, Oga T, Hara H, Satow T, Ikeda A, Nagamine T, Fukuyama H, Shibasaki H. Cortical mechanisms of unilateral voluntary motor inhibition in humans.  Neuroscience Research. 2005;  53 428-435
• 26 Samii A, Wassermann E M, Ikoma K, Mercuri B, Hallett M. Characterization of postexercise facilitation and depression of motor evoked potentials to transcranial magnetic stimulation.  Neurology. 1996;  46 1376-1382
• 27 Schubert M, Wohlfarth K, Rollnik J D, Dengler R. Walking and fatigue in multiple sclerosis: the role of the corticospinal system.  Muscle Nerve. 1998;  21 1068-1070
• 28 Maruyama A, Matsunaga K, Tanaka N, Rothwell J C. Muscle fatigue decreases short-interval intracortical inhibition after exhaustive intermittent tasks.  Clin Neurophysiol. 2006;  117 864-870
• 29 Hauptmann B, Skrotzki A, Hummelsheim H. Facilitation of motor evoked potentials after repetitive voluntary hand movements depends on the type of motor activity.  Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1997;  105 357-364