Age-related changes in interhemispheric fronto-motor interactions during bimanual motor control

Abstract

Leven in maatschappij waarin de gemiddelde levensverwachting alsmaar toeneemt, brengt een aantal belangrijke uitdagingen met zich mee. Langer leven betekent immers niet altijd langer zelfstandig leven. Alledaagse activiteiten zoals zelfzorg en huishoudelijke taken autonoom kunnen uitvoeren is niet alleen van belang voor de levenskwaliteit van de oudere, maar ook voor de hele maatschappij vanuit een socio-economisch standpunt. Bovendien is het aangetoond dat ouderen die langer zelfstandig leven een verlaagd risico hebben op het ontwikkelen van verscheidene chronische ziektes. Dit toont aan dat onderzoek naar de onderliggende mechanismen van de functionele achteruitgang bij ouderen van uiterst belang is, zodat de hieruit gewonnen inzichten kunnen dienen als een vertrekpunt voor de ontwikkeling van doelgerichte therapeutische programma’s. Dit doctoraatsproefschrift beschrijft de hersenfysiologie achter de leeftijdsgerelateerde achteruitgang van de motoriek. Meerbepaald wordt er gekeken hoe de communicatie tussen de twee hersenhelften (hemisferen) verandert bij het ouder worden en in welke mate dit de achteruitgang van bepaalde motorische functies, met name reactiesnelheid en bimanuele coordinatie, kan verklaren. Een goede hersenfunctie is afhankelijk van een goede balans tussen exciterende en inhiberende signaaloverdracht tussen neuronen. Steeds meer onderzoek toont aan dat voornamelijk de inhiberende functies achteruitgaan tijdens het verouderingsproces. In dit proefschrift werden twee technieken gebruikt die een indicatie geven over de staat van deze inhiberende functies: transcraniële magnetische stimulatie (TMS) en magnetische resonantie spectroscopie (MRS). Met MRS werd onderzocht hoeveel concentratie er van de belangrijkste inhiberende neurotransmitter (gamma-aminoboterzuur of GABA) aanwezig was in de sensorimotorische cortex van de hersenen. Met TMS daarentegen, konden we enerzijds de interhemisferische GABA receptorgemedieerde connectiviteit tijdens de uitvoering van motorische taken in kaart brengen, en anderzijds ook de GABA-gemedieerde activiteit gaan moduleren. Het doel van dit werk was om de interhemisferische connectiviteit tussen de kernregio’s voor motoriek in de frontale hersenkwab (“fronto-motorische connectiviteit”) in kaart te brengen. Daarbij werd ook onderzocht in welke mate leeftijdsgerelateerde veranderingen in deze fronto-motorische connectiviteit de afnemende reactiesnelheid en bimanuele coordinatie bij ouderen kunnen verklaren, en of deze afhangen van de GABA niveaus in de sensorimotorische cortex. Om deze onderzoeksvragen op te lossen, werden twee experimenten uitgevoerd. In beide experimenten werd een groep van jongvolwassenen vergeleken met een groep van 60+’ers. Tijdens het eerste experiment werd de GABA-gemedieerde interhemisferische connectiviteit tussen de dorsale premotorische cortex (PMd) en de primaire motorische cortex (M1) gemeten met dual site TMS (dsTMS) tijdens een reactiesnelheidstaak met één of beide wijsvingers. Dit zijn hersenregio’s die, zoals eerder aangetoond, een sleutelrol spelen tijdens reactiesnelheidstaken. Daarenboven werd een MRS meting uitgevoerd om de GABA niveaus in beide sensorimotorische cortices te meten. Tijdens het tweede experiment bekeken we de GABA-gemedieerde interhemisferische connectiviteit tussen de dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC) en de primaire motorische cortex (M1), gemeten met dsTMS, tijdens een complexe bimanuele coördinatietaak. Het is eerder aangetoond dat de DLPFC specifiek betrokken is bij complexe motorische coördinatietaken en dat deze regio nog sterker geactiveerd wordt bij ouderen dan bij jongeren. Tegelijk experimenteerden we met repetitieve TMS (rTMS), een techniek waarmee we kortstondig en lokaal GABA-gemedieerde activiteit kunnen induceren, over de DLPFC of we de interhemisferische connectiviteit, alsook de kwaliteit van de bimanuele coördinatie, konden verbeteren. De resultaten toonden leeftijdsgerelateerde veranderingen aan in de interhemisferische, GABA-gemedieerde fronto-motorische connectiviteit tijdens beide experimenten. Meerbepaald was er een verlaagde GABA-gemedieerde fronto-motorische disinhibitie bij ouderen tijdens de voorbereidingsfase van beide motorische taken, dewelke ook gerelateerd was aan een slechtere uitvoering van beide taken. Bovendien waren de GABA niveaus in beide sensorimotorische cortices lager bij ouderen dan bij jongeren. Deze GABA niveaus bleken over het algemeen niet gerelateerd te zijn aan de GABA-gemedieerde fronto-motorische connectiviteit, al doen de ruwe data wel vermoeden dat deze relatie sterker is bij ouderen dan bij jongeren. Deze hypothese zou in toekomstige studies nog moeten worden bevestigd of verworpen. Algemeen kan men dus stellen dat GABA niveaus gemeten met MRS enerzijds, en GABA receptoractiviteit gemeten met dsTMS anderzijds, complementaire informatie opleveren wanneer men de corticale inhiberende functies in kaart wil brengen. Opmerkelijk waren ook de resultaten uit het tweede experiment, wanneer we het effect nagingen van een lokale, rTMS-geïnduceerde inhibitie van DLPFC op de fronto-motorische connectiviteit en de uitvoering van de coordinatietaak. Meerbepaald zagen we zowel een verbeterde connecitiviteit als een kortstondige verbeterde uitvoering van de taak. Met andere woorden toont dit aan dat we met neuromodulatie, die GABA-gemedieerde activiteit kan faciliteren, de interhemisferische connectiviteit en de motoriek zouden kunnen verbeteren bij ouderen. Toekomstig onderzoek zou moeten uitwijzen of neuromodulatie ook langetermijnsverbeteringen teweeg kan brengen.