Validierung eines Protokolls zur Kartierung des supplementär motorischen Areals mittels navigierter transkranieller Magnetstimulation an gesunden Proband*innen

Abstract

Hintergrund: Für die Durchführung komplexer Bewegungen spielt neben dem primären Motorkortex (M1) auch das supplementär motorische Areal (SMA) eine zentrale Rolle. Unser Verständnis der genauen Funktion und Lokalisation dieses räumlich nicht klar abgegrenzten Areals ist dabei noch unvollständig. Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es deshalb, ein vorgeschlagenes Protokoll zur Kartierung des SMA mittels repetitiver navigierter transkranieller Magnetstimulation (rnTMS) an gesunden Pro-banden zu validieren und im Zuge dessen, die Darstellung der unteren Extremität im SMA genauer zu lokalisieren sowie Effekte hemisphärischer Dominanz zu untersuchen. Methodik: In diese Studie wurden 30 gesunde Probanden (Alter 36,0±15,1 Jahre, Altersspanne 21-67 Jahre; 14 weiblich) eingeschlossen. Um den Einfluss hemisphärischer Dominanz auf die Organisation des SMA zu untersuchen, erfolgte eine Kartie-rung dieses Areals für beide Hemisphären mittels rnTMS-basierter Stimulation (20 Hz, 120% Ruhemotorschwelle (RMT)) mit Hilfe einer einhändigen Finger-Tapping-Aufgabe. Nachfolgend wurde die Spezifität der Effekte durch Ergänzung des Nine-Hole-Peg-Tests (NHPT) geprüft sowie eine mögliche Kompensation durch das kontra-laterale SMA mittels beidhändigem Finger-Tapping untersucht. Anschließend erfolgte die rnTMS-basierte Untersuchung der unteren Extremität mit Hilfe einer Zehen-Tapping-Aufgabe (20 Hz, 140% RMT). Ergebnisse: In Bezug auf die hemisphärische Dominanz konnten keine signifikanten Unterschiede eruiert werden. Die Kartierung war für 24 von 30 Probanden für die obere und für 27 von 30 Probanden für die untere Extremität möglich. Eine erfolgreiche Kartierung stellte sich durch eine Abnahme der motorischen Perfomance bei der Finger- beziehungsweise Zehen-Tapping-Aufgabe unter Stimulation dar. Im Falle der oberen Extremität war eine signifikante Reduktion der Anzahl der Finger-Taps im Vergleich zur Ausgangsbasis erkennbar (p<0,01), die beim Wechsel zu beidhändigem Finger-Tapping zumindest teilweise kompensiert werden konnte (p<0,01). Fehler in der Bewegungsausführung der unteren Extremität traten bei der Stimulation weiter kaudal gelegener Anteile der SMA-Region im Vergleich zur oberen Extremität auf, wobei klare Grenzen nicht erkennbar waren. Schlussfolgerung: Das mit dieser Arbeit validierte Protokoll ermöglicht die nicht-invasive rnTMS-basierte Kartierung des SMA. Durch die ergänzende Testung der unteren Extremität, kann eine mögliche somatotopische Organisation des SMA untersucht werden. Fehlende Einflüsse bezüglich der hemisphärischen Dominanz sowie die beobachtete Kompensation durch das kontralaterale SMA unterstützen die These, dass die Rehabilitation SMA-assoziierter Defizite maßgeblich von der Rekrutierung der gesunden Hemisphäre bestimmt wird. Zukünftige Validierungen an Patienten sind erforderlich, um das Protokoll langfristig im klinischen Alltag für die präoperative Planung sowie zur Risikoabschätzung postoperativer Defizite zu etablieren.

Background: The supplementary motor area (SMA) plays a key role in executing complex movements alongside the primary motor cortex (M1). However, the precise function and localisation of the SMA are not yet fully understood. Therefore, the purpose of this study was to validate a protocol for mapping of the SMA using repetitive navigated transcranial magnetic stimulation (rnTMS). Additionally, it aimed to investigate a more precise localisation of the lower extremity representation within the SMA as well as effects of hemispheric dominance. Methods: In this study, 30 healthy subjects (age 36.0±15.1 years, range 21-67 years; 14 female) were included. To investigate the influence of hemispheric dominance on the organisation of the SMA, mapping of this area was performed for both hemi-spheres using rnTMS (20 Hz, 120% resting motor threshold (RMT)) while subjects per-formed a unimanual finger tapping task. The specificity of the effects was verified by adding the Nine-Hole Peg Test (NHPT) and a potential compensation by the contrala-teral SMA was explored using a bimanual finger tapping task. Subsequently, the lower extremity was examined based on a toe tapping task (20 Hz, 140% RMT). Results: No significant differences regarding hemispheric dominance could be ob-served. Mapping was possible in 24 out of 30 subjects for the upper and in 27 out of 30 subjects for the lower extremity. Successful mapping was indicated by a decrease in motor performance during the finger or toe tapping task while stimulating. For the upper extremity, a significant reduction in the amount of finger taps compared to base-line was found (p<0.01), which could be at least partially compensated when switching to bimanual finger tapping (p<0.01). Errors in movement execution of the lower extremity occurred when stimulating more caudal parts of the SMA region compared to the upper extremity, although clear boundaries could not be determined. Conclusion: The protocol validated by this dissertation provides the opportunity to non-invasively map the SMA using rnTMS. By including tests for the lower extremity, poten-tial somatotopic organisation of the SMA can be investigated. The lack of effects re-garding hemispheric dominance and the observed compensation by the contralateral SMA support the hypothesis that rehabilitation of SMA-associated deficits is signifi-cantly influenced by the recruitment of the healthy hemisphere. Future validations in patients are necessary to establish the protocol for clinical use in preoperative planning and to assess the risk of postoperative deficits.