Abstract
Das motorische System des Menschen verfügt über eine enorme Kapazität zur Reorganisation. Im Gegensatz zu den meisten bisherigen Studien konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf funktionelle Veränderungen im primären Motorkortex (M1), die mit dem längerfristigen Training einer elementaren, maximal-schnellen Finger-Tapping-Bewegung einhergehen. Ein Zusammenhang zwischen M1-Aktivität und Tapping-Frequenz wurde bereits mehrmals belegt. Zudem wurde postuliert, dass M1 unter Ausnutzung sämtlicher Verarbeitungsressourcen in die Kontrolle maximal-schneller Tapping-Bewegungen involviert ist. Unklar ist jedoch, auf welche Weise M1 die trainingsinduzierte Erhöhung der maximalen Tapping-Geschwindigkeit realisiert? Im ersten Experiment wurde mittels transkranieller Magnetstimulation (TMS) gezeigt, dass die Steigerung der maximalen Tapping-Geschwindigkeit mit einer Erhöhung der kortiko-spinalen Erregbarkeit kontralateral zur trainierten Hand einhergeht. Ein ähnlicher Effekt ergab sich ipsilateral – jedoch nur in den ersten Sitzungen des Trainings mit der subdominanten Hand. Dieser Befund wird durch das zweite Experiment bekräftigt, in dem anhand von EEG- Aufzeichnungen eine Verringerung der ipsilateralen M1-Aktivierung im Trainingsverlauf nachgewiesen wurde. Schließlich ergab das dritte Experiment (fMRT) einen Zusammenhang zwischen der Anordnung der kortikalen Fingerrepräsentationen in M1 und dem Trainingserfolg. Die Ergebnisse der einzelnen Experimente bestätigen somit die Bedeutung von M1 für die Kontrolle von Tapping-Bewegungen und demonstrieren verschiedene Facetten trainingsinduzierter Plastizität. SUMMARY The human motor system has an enormous capacity for functional reorganization. In contrast to most previous studies, this thesis was designed to explore changes in human primary motor cortex (M1) function as induced by long-term practice of a simple repetitive finger tapping movement. Several weeks of practice were intended to increase the maximum tapping frequency. There is much supporting evidence that M1 activity is strongly related to tapping speed. Furthermore, M1 has been proposed to operate at maximum processing capacity during maximum speed tapping movements. However, it is still unclear, how M1 manages to "control" the higher maximum tapping speed that develops with training? Transcranial magnetic stimulation (TMS), magnetic resonance imaging (fMRI) and electroencephalography (EEG) were used to study this question. First of all, comparing post- with pretraining measurements in the TMS study revealed significant speed gains and increased cortico-spinal excitability contralateral to the trained hand. Increased excitability of the ipsilateral side was seen only in the first practice sessions with the subdominant hand. The EEG experiment corroborated this finding, demonstrating a decrease of ipsilateral M1 activity throughout practice. Finally, results from the fMRI experiment suggest a relationship between the arrangement of M1 finger representations and the magnitude of speed gain during practice. In summary, results of the individual experiments confirm the role of M1 in maximum-speed finger tapping and indicate various facets of use-dependent functional plasticity.
Köneke, Susan