Cerebral activation during visual stimulation of mirrored hand movements in normal subjects and stroke patients

Abstract

Stroke is the second leading cause of death worldwide and one of the leading causes for disability at advanced age. In about one third of the patients, stroke causes hemiplegia, complete paralysis of the upper limb. Low rates of complete recovery even after intensive rehabilitation procedures are probably due to the lack of appropriate therapy strategies for hemiplegic patients. The aim of the present thesis was to examine the underlying neuronal mechanisms of mirror therapy (MT) that creates a mirror illusion by placing a mirror in the mid-sagittal plane in front of the sitting patient, so that the patient sees the reflection of the movements of the non-affected limb as if they were movements from the affected one. Another therapy procedure implementing visual input in motor recovery is Video Therapy (VT) that is based on mere observation of a third person’s movements. It was hypothesized that the mirror neuron system (MNS) and the primary motor cortex (M1) might not be directly modulated by the mirror illusion, in contrast to precuneus (PC) and the primary somatosensory cortex (S1). PC plays a crucial role during the on-line control of hand movements and is part of a crucial node of the fronto-parietal network for planning and execution of visuo-motor tasks. S1 is known to be involved in motor learning and recovery. Moreover, it was suggested that VT and MT elicit different activation patterns. Beyond that, an exploratory examination was conducted to determine if the lateralized precuneal activation observed in normal subjects might be likewise observable in stroke patients or if it differs on a single-subject level or due to pathological factors. Finally, on the basis of the results of healthy controls, it was hypothesized that the lateralized precuneal activation due to the mirror illusion might be a determining factor to classify MT responders and non-responders. The methods of choice were functional near-infrared-spectroscopy (fNIRS) as well as functional magnetic resonance imaging (fMRI). Different activation patterns underlying MT and VT were found. While MT elicits lateralized precuneal activation always contralateral to the observed hand, this was not found during VT. Furthermore, the results demonstrate dissociated lateralization patterns on different ROIs: Activity in M1 is lateralized opposite to the moving hand and in PC opposite to the visually perceived hand, independent of each other. For S1 lateralization changed from ipsilateral to symmetrical, for the left hand only. Moreover, it is confirmed that the mirror illusion does not modulate the MNS. Beyond that, lateralized precuneal activation due to mirror illusion is similarly observed in stroke patients and seems to be a potential candidate for determination of MT efficacy additionally to motor functional base level of the affected hand. It is concluded that MT operates by inverting the interhemispheric imbalance in favor of the affected hemisphere across PC. Thereby, PC seems to be an intermediary structure that receives and processes the visual feedback of the hand in the mirror and transfers it across its intracortical connections to the ipsilesional premotor cortex and SMA. An additional beneficial effect due to immediate S1 modulation during MT could be exerted across the strong interconnections between M1 and S1. The findings of the thesis at hand contribute to a better understanding of the underlying neuronal mechanisms of MT and provide a potential neurophysiological predictor for MT efficacy. A basis is created for further fNIRS and fMRI connectivity analysis of underlying neuronal networks across which MT might operate.

Schlafanfall belegt weltweit Rang Zwei der Todesursachen und ist eine der Hauptursachen für eine erworbene Behinderung im Alter. Bei circa einem Drittel der Menschen, verursacht Schlaganfall Hemiplegie, d.h. eine komplette Halbseitenlähmung der oberen Extremität. Die niedrigen Raten für eine vollständige Erholung, selbst nach intensiver Rehabilitation, sind vermutlich auf ungeeignete Therapiestrategien für Patienten mit Hemiplegie zurückzuführen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die zugrundeliegenden, neuronalen Mechanismen der Spiegeltherapie (ST) zu untersuchen. ST erzeugt eine Spiegelillusion, indem ein Spiegel sagittal vor dem sitzenden Patienten aufgestellt wird, sodass er das Spiegelbild der Handbewegungen seiner nicht betroffenen Seite als Handbewegungen seiner gelähmten Seite wahrnimmt. Eine weitere Therapie, die auf visuellen Input zur motorischen Erholung nach Schlaganfall setzt, ist die Videotherapie (VT). Sie basiert auf reiner Beobachtung von Handbewegungen einer dritten Person. Es wurde angenommen, dass das Spiegelneuronen System (SNS) und der primär motorische Kortex (M1) nicht direkt durch die Spiegelillusion moduliert werden, im Gegensatz zum Precuneus (PC) und primär somatosensorischen Kortex (S1). PC spielt eine wichtige Rolle bei der on-line Kontrolle von Handbewegungen und ist Teil eines relevanten Knotenpunktes des fronto-parietalen Netzwerks zur Planung und Durchführung visuell-motorischer Aufgaben. S1 ist bekanntlich maßgebend an motorischem Lernen und motorischer Erholung beteiligt. Darüber hinaus wurde angenommen, dass ST und VT unterschiedliche Aktivierungsmuster hervorrufen. Zusätzlich wurde exploratorisch untersucht, ob die lateralisierte Aktivierung des PC, die bereits bei Gesunden beobachtet wurde, auch bei Schlaganfallpatienten zu beobachten sei, oder ob sich diese auf Einzelsubjektebene, bzw. aufgrund pathologischer Faktoren unterscheide. Schließlich wurde analysiert, ob die lateralisierte Aktivierung des PC durch die Spiegelillusion ein entscheidender Faktor zur Klassifizierung von ST Respondern und Non-Respondern sei. Die Methoden der Wahl waren funktionelle Nah-Infrarot-Spektroskopie (fNIRS), sowie funktionelle Magnetresonanz-tomographie (fMRT). ST und VT führten zu unterschiedlichen Aktivierungsmustern. Während ST eine lateralisierte Aktivierung des PC kontralateral zur wahrgenommenen Hand hervorrief, war dies bei VT nicht der Fall. Außerdem fanden sich unterschiedliche, voneinander unabhängige Lateralisierungsmuster: Während M1 Aktivierung immer kontralateral zur sich bewegenden Hand lateralisiert war, war PC kontralateral zur visuell wahrgenommenen Hand lateralisiert. S1 Lateralisierung veränderte sich durch die Spiegelillusion von ipsilateral zu symmetrisch, allerdings nur für die linke Hand. Darüber hinaus bestätigten die Ergebnisse, dass das SNS nicht direkt moduliert wird. Schließlich wurde die lateralisierte PC Aktivierung ähnlich auch bei Schlaganfallpatienten nachgewiesen und scheint ein potentieller Faktor zur Vorhersage der ST Wirksamkeit zu sein, zusätzlich zum funktionell motorischen Ausgangsniveau der betroffenen Hand. Es lässt sich also schlussfolgern, dass ST eine Umkehrung des interhemisphärischen Ungleichgewichts zugunsten der betroffenen Hemisphäre mittels PC bewirkt. Dabei scheint PC eine zwischengeschaltete Struktur zu sein, die Informationen zum visuellen Feedback der gespiegelten Hand erhält und verarbeitet und es dann weiter über intrakortikale Verbindungen zum ipsiläsionalen prämotorischen Kortex und supplementär motorischen Kortex übermittelt. Ein zusätzlicher heilsamer Effekt wird über die Verbindungen zwischen M1 und S1 ausgeübt, indem S1 während der ST direkt moduliert wird. Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden neuronalen Wirkmechanismen der ST bei und liefern zudem einen potentiellen neurophysiologischen Prädiktor für die Wirksamkeit der ST. Es wird die Grundlage für zukünftige fNIRS und fMRT Konnektivitätsanalysen geschaffen, welche die zugrundeliegenden neuronalen Netzwerke weiter durchleuchten können, über welche die ST wirkt.