Improving hand motor functions in patients with chronic stroke: modulation of somatosensory input into non-affected hemisphere

Abstract

Stroke is a leading cause of long term disability in the western world. Two thirds of those surviving stroke suffer from residual neurological deficits, and at least 50% of stroke survivors are left with residual motor deficits, in particular affecting the hand. Besides intensive training there are few therapeutic options and no universally accepted treatment of disability resulting from chronic stroke. Animal studies have demonstrated that acute limb deafferentation results in rapid changes in receptive fields in the somatosensory cortex of both hemispheres. In healthy humans, hand anesthesia also leads to bilateral cortical reorganization. Changing the excitability of one motor cortex by either transcranial magnetic stimulation or ischemic nerve block applied to the contralateral hand leads to lasting modulation of cortical excitability and processing in the non-deafferented hemisphere. These findings indicate that modulation of activity in one hemisphere could be used to change activity in the other hemisphere. In healthy volunteers, ischemic nerve block applied to one hand has been shown to induce behavioral gains in tactile discriminative skills in the contralateral non-deafferented hand. A crucial question for neurorehabilitation is whether cortical reorganization and behavioral gains demonstrated in animals and in healthy humans can be translated into effective rehabilitative strategies geared to enhance functional recovery in patients with chronic stroke. In the present experiments, the principles of neuroplasticity as previously tested in animals and healthy volunteers were applied to a group of chronic stroke patients. Consistent with interhemispheric competition models of motor processing, it was hypothized that cutaneous anesthesia of the healthy hand elicits transient site-specific improvements in motor performance of the paretic hand in patients with chronic stroke. To test the hypothesis two experiments with chronic stroke patients with predominantly motor deficits were performed. In experiment I, 13 chronic stroke patients performed motor tasks with the paretic hand and arm during cutaneous anesthesia of the healthy hand (target) and healthy leg (control). Motor performance of a finger tapping task and as control of a wrist flexion task was measured. Anesthesia of the healthy hand led to a significant improvement in tapping speed in the paretic hand. The effect started rapidly after onset of anesthesia, peaked at the end of the anesthetic procedure, and outlasted the anesthesia period by at least 20 minutes. The effect was topographically specific because (a) it was not found with anesthesia of the healthy leg; and (b) anesthesia of the healthy hand improved performance in the dynamic distal-finger motor task but not in the wrist-flexion task, which predominantly engages forearm muscles proximal to the anesthetic level. The gains in tapping speed were more prominent in patients with relative better motor function suggesting that a "minimum" degree of function may be required for this effect to occur. After successful completing experiment I, experiment II was conducted as a pilot study. Seven chronic stroke patients performed a motor learning task with the paretic hand during cutaneous anesthesia of the healthy hand, healthy leg and during a No-intervention condition. In the No-intervention condition, patients showed no implicit learning but performance in the motor learning task improved significantly with anesthesia of the healthy hand. During leg anesthesia even a tendency for decreased performance compared to the No-intervention condition was found. Overall these findings support the view that somatosensory input from the healthy hand influences motor performance in the paretic hand. Anesthesia of the healthy hand in patients with chronic stroke may have decreased the inhibitory drive from the deafferented intact hand representation over the homologous representation in the affected hemisphere, resulting in the documented improvement. In particular well recovering patients seem to have the capacity for reorganization within the injured hemisphere. These patients may profit most from down regulation of inhibitory activity of the healthy hemisphere. Thus, it is possible that modulation of somatosensory input originating in the intact hand could enhance the beneficial effects of training. Poorly recovering patients seem to depend more on compensatory activity of the healthy hemisphere.

Der Schlaganfall gilt als eine der Hauptursachen chronischer Behinderung in der westlichen Welt. Zwei Drittel der betroffenen Patienten leiden an neurologischen Defiziten und mindestens 50% weisen motorische Defizite, insbesondere der Hand, auf. Neben wiederholtem und intensivem Üben gibt es nur wenige therapeutische Optionen und keine allgemein akzeptierten Behandlungskonzepte Schlaganfall-bedingter motorischer Beeinträchtigungen. In tierexperimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine akute Deafferentiation einer Extremität zu schnellen Veränderungen in den rezeptiven Feldern des sensorischen Cortex' beider Hemisphären führt. Beim gesunden Menschen führt eine Deafferentiation der Hand durch Anästhesie ebenfalls zu einer bilateralen, kortikalen Reorganisation. Eine Änderung der Erregbarkeit des motorischen Cortex' -entweder durch transkranielle Magnetstimulation oder ischämische Nervenblockade der kontralateralen Hand - führt zu einer Veränderung der kortikalen Erregbarkeit und der Verarbeitungsprozesse auch in der nichtdeafferenzierten Hemisphäre. Diese Befunde weisen darauf hin, dass die Modulation der Aktivität einer Hemisphäre genutzt werden kann, um die Aktivität der anderen Hemisphäre zu beeinflussen. Für gesunde Probanden konnte bereits gezeigt werden, dass durch die ischämische Nervenblockade einer Hand die taktile Diskriminationsfähigkeit der kontralateralen, nichtdeafferentierten Hand verbessert werden kann. Es stellt sich die Frage, ob die kortikale Reorganisation und die funktionellen Verbesserungen, wie sie bei Versuchstieren und gesunden Probanden gefunden wurden, in effektive Strategien zur Verbesserung der Rehabilitation motorischer Funktionen bei Patienten mit chronischem Schlaganfall übertragen werden können. Entsprechend dem Modell des interhemisphärischen Wettbewerbs motorischer Prozesse wurde im Rahmen dieser Arbeit der Frage nachgegangen, ob es möglich ist, durch Anästhesie der gesunden Hand die motorische Funktion der paretischen Hand zu beeinflussen und somit eine erfolgreiche Methode für den Einsatz in der Neurorehabilitation einzuführen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Anästhesie der gesunden Hand transiente lokalitätsspezifische Verbesserungen der motorischen Leistungen der paretischen Hand bei Patienten mit chronischem Schlaganfall hervorruft. Zur Überprüfung der Hypothese wurden zwei Experimentserien bei chronischen Schlaganfallpatienten mit überwiegend motorischen Defiziten durchgeführt. Im Experiment I führten 13 chronische Schlaganfallpatienten motorische Aufgaben mit der paretischen Hand bzw. dem paretischen Arm während einer kutanen Anästhesie des gesunden Armes (Experimentalbedingung) und des gesunden Beines (Kontrollbedingung) durch. Es wurden die Leistungen während einer Finger-Klopf-Aufgabe (finger tapping) und - als Kontrolle - einer Handgelenk-Beuge-Aufgabe (wrist flexion) untersucht. Die Anästhesie der gesunden Hand führte zu einer signifikanten Verbesserung der Klopfgeschwindigkeit der paretischen Hand im Vergleich zum Ausgangswert. Dieser Effekt begann rasch nach Beginn der Anästhesie, erreichte sein Maximum am Ende der Anästhesieprozedur und überdauerte die Anästhesieperiode um mindestens 20 Minuten. Der Effekt war topographisch spezifisch weil er (a) nicht während der Anästhesie des gesunden Beines auftrat, und weil (b) die Anästhesie der intakten Hand die Leistung in der Finger-Klopf-Aufgabe aber nicht in der Handgelenk-Beuge-Aufgabe, die überwiegend die Unterarmmuskulatur proximal zur deafferentierten Muskulatur beansprucht, verbesserte. Die Steigerung der Klopfgeschwindigkeit war für Patienten mit besserer motorischer Funktion deutlicher, was vermuten lässt, dass ein "Minimum" an Funktionsfähigkeit erforderlich sein könnte, um durch eine Deafferentierung eine Verbesserung der Leistung zu erzielen. Nach erfolgreichem Abschluss des ersten Experimentes wurde das zweite Experiment als Pilotstudie entworfen. Hier führten sieben chronische Schlaganfallpatienten eine Aufgabe zum motorischen Lernen (serielle Reaktionszeit-Aufgabe) mit der paretischen Hand, während Anästhesie der gesunden Hand, des gesunden Beines sowie ohne Anästhesie, durch. Ohne Anästhesie zeigten die Patienten keinerlei implizites Lernen. Die Anästhesie der gesunden Hand führte zu einer signifikanten Leistungssteigerung, die sich bei Anästhesie des gesunden Beines nicht zeigte. Insgesamt stützen die Befunde die Annahme, dass durch Modulation spezifischer Afferenzen zur gesunden Hemisphäre die motorische Funktion der paretischen Hand beeinflusst werden kann. Eine Anästhesie der gesunden Hand scheint bei Patienten mit chronischem Schlaganfall zu einer Reduktion des inhibitorischen Einflusses der deafferentierten Handareale der gesunden Hemisphäre auf die homologen Areale in der betroffenen Hemisphäre und somit zu den hier beschriebenen Funktionsverbesserungen in der paretischen Hand zu führen. Insbesondere Patienten, die besser von ihren motorischen Funktionseinbußen genesen sind, scheinen auf reorganisatorische Mechanismen innerhalb der betroffenen Hemisphäre zurückgreifen zu können. Sie profitieren von einer Unterdrückung der inhibitorischen Aktivität der gesunden Hemisphäre. Für diese Patienten ist es der Hypothese entsprechend möglich, durch Modulation sensorischer Afferenzen der gesunden Hand in Kombination mit Training der paretischen Hand eine Verbesserung der Rehabilitationserfolge zu erzielen. Patienten deren Funktionsrestitution weniger erfolgreich verläuft, scheinen hingegen eher auf die kompensatorische Aktivität der gesunden Hemisphäre angewiesen zu sein.