Neuronal correlates of visuo-motor integration: modulation of oscillatory activity due to cortical stimulation and age

Abstract

Previous findings showed that the network for visuo-motor integration comprises mainly precentral and occipito-parietal regions. The binding theory assumes that the integration of spatially distributed information into a coherent percept is based on transiently formed functional networks. Based on that it is hypothesized that the integration of multimodal sensory input and motor control is achieved by linking the various involved brain areas by phaselocked oscillatory activity. It also widely known that the morphology and neurophysiology of the brain changes along the course of aging. The present thesis aimed (1.) to further elucidate the neuronal mechanisms underlying visuo-motor integration, (2.) to investigate which alterations occur depending on aging and (3.) to explore whether it is possible to modulate cortico-cortical coupling using repetitive Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) applied simultaneously to two cortical sides. Therefore, two studies were designed. The first study of this thesis aimed to investigate mechanisms contributing to visuo-motor integration and changes occuring during healthy aging. Four different age groups (25 years, 40 years, 60 years, and 80 years) were recruited and combined Magnetoencephalography (MEG)/ Electroencephalography (EEG) was recorded while subjects performed a continuous visuo-motor (VM), visual (V), motor (M), or visual plus motor (V+M) (without feedback) task. Using Synthetic Aperture Magnetometry (SAM), a beamformer technique for MEG source localization, and performing a group level analysis of the localized sources, the regions contributing to the network for visuo-motor integration were identified. In a second step, the power spectra and coherence, a measure for cortico-cortical coupling, were computed for MEG and EEG data. We could replicate former results stating that the network for visuo-motor integration comprises occipito-parietal and precentral cortices. We found the formerly described shift of brain activity to more prefrontal areas in the elderly subjects. The elderly showed an overall higher neuronal activity, yet more pronounced in the beta frequency, compared to young adults. We found a tendency in an increased activity of the parietal cortex in the elderly. We found a tendency towards previous reports that aging is accompanied by progressing impairment of motor performance which also corresponds to previous findings. And we could not replicate previously reported results on cortico-cortical coupling between the areas involved in visuo-motor integration, nor could we confirm the decrease of coherence in the VM task when comparing young and elderly subjects.

The second study that aimed to extend the findings that rTMS applied simultaneously to two distinct brain regions increases cortico-cortical coupling as measureed with EEG coherence. Four conditions of bifocally applied rTMS were designed. A synchronous stimulation, and three asynchronous stimulation, i. e. there was a short delay between the two pulses given to Primary Visual Cortex (V1) and Primary Motor Cortex (M1): either 3 ms, 7 ms or a random delay between 0 ms and 7 ms. The synchronous stimulation proved to be the one to increase the coherence between M1 and V1 immediately after stimulation. This effect vanished after 15 minutes.

The findings suggest that source localization of MEG data using a beamformer technique is a reliable tool to identify cortical networks involved in multimodal integration and to identify aging related alterations. Further analysis of the time course of these identified regions would give an inside on the temporal scale of integrative neuronal processing. To date, there are several approaches to analyze cortico-cortical coupling, but further methodological developments are necessary to improve analysis strategies for extracting the synchronized activities.

Frühere Ergebnisse zeigten, dass das Netzwerk für visuomotorische Integration hauptsächlich aus präzentralen und occipito-parietalen Arealen besteht. Die „Binding“ Theorie vermutet, dass die Integration von räumlich verteilter Information in eine kohärente Wahrnehmung auf die Bildung vorübergehender funktioneller Netzwerke basiert. Basierend darauf wird hypothetisiert, dass die Integration von multimodalen sensorischen Eingängen und motorischer Kontrolle erreicht wird, indem die verschiedenen darin involvierten Hirnareale durch phase locking miteinander gekoppelt werden. Es ist ebenfalls weithin bekannt, dass sich die Morphologie und Neurophysiologie des Gehirns im Verlauf des Alterns verändern. Das Ziel der hier vorliegenden Dissertation war (1.) die neuronalen Mechanismen, die der visuomotorischen Integration unterliegen, weiter zu beleuchten, (2.) zu untersuchen, welche altersabhängigen Veränderungen auftreten und (3.) zu erforschen, ob es möglich ist, kortiko-kortikale Kopplung durch repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) simultan appliziert auf zwei kortikale Areale zu modulieren. Dafür wurden zwei Studien entworfen. Das Ziel der ersten Studie dieser Arbeit war es, die Mechanismen, die zur visuomotorischen Integration beitragen und altersbedingte Veränderungen zu untersuchen. Vier verschiedene Altersgruppen (25 Jahre, 40 Jahre, 60 Jahre und 80 Jahre) wurden rekrutiert und kombiniert Magnetoenzephalographie (MEG)/ Elektroenzephalographie (EEG) aufgezeichnet, während die Probanden eine visuomotorische (VM), rein visuelle (V), rein motorische oder eine visuell + motor (V+M) Aufgabe (ohne Feedback) ausführten. Mit Hilfe von Synthetic Aperture Magnetometry (SAM), einer Beamformertechnik für die MEG Quellenlokalisation, und einer Gruppenanalyse der lokalisierten Quellen wurden die Regionen, die zum Netzwerk der visuomotorischen Integration gehören, identifiziert. In einem zweiten Schritt wurden Powerspektrum und Kohärenz, ein Maß für kortiko-kortikale Kopplung, für die MEG- und die EEG-Daten berechnet. Wir konnten frühere Ergebnisse replizieren, die besagen, dass das Netzwerk für visuomotrische Integration occipito-parietale und präzentrale Regionen beinhaltet. Wir fanden die früher beschriebene Verschiebung der Hirnaktivität zu mehr präfrontale Arealen in den älteren Probanden. Die Älteren zeigten eine insgesamt höhere neuronale Aktivität, ausgeprägter im Betafrequenzbereich, verglichen mit den jungen Probanden. Wir fanden einen Trend für eine erhöhte Aktivität des Parietalkortex bei den älteren Probanden. Wir fanden eine Tendenz in Richtung früherer Berichte, dass das Altern einhergeht mit der fortschreitenden Beeinträchtigung motorischer Leistung, die ebenfalls mit früheren Ergebnissen korrespondiert. Und wir konnten frühere Ergebnisse über kortiko-kortikale Kopplung zwischen den Arealen, die in visuomotorische Integration involviert sind, nicht replizieren und wir konnten auch eine Abnahme der Kohärenz während dem Ausführen der visuomotorischen Aufgabe bei einem Vergleich der jungen und alten Probanden nicht bestätigen.

Das Ziel der zweiten Studie war es, die Ergebnisse zu erweitern, dass rTMS simultan appliziert auf zwei unterschiedliche Hirnregionen, kortiko-kortikale Kopplung gemessen mit EEG-Kohärenz erhöht. Dafür wurden vier Bedingungen von bifokal angewendeter rTMS entworfen. Eine synchrone Stimulation, und drei asynchrone Stimulationen, d. h. es war eine kurze zeitliche Verzögerung zwischen den beidenen abgegebenen Pulsen über V1 (primärer visueller Kortex) und M1 (primärer motorischer Kortex): entweder 3 ms, 7 ms oder eine zufällige Verzögerung zwischen 0 ms und 7 ms. Die synchrone Stimulation erwies sich als diejenige, die die Kohärenz zwischen M1 und V1 unmittelbar nach der Stimulation erhöhte. Dieser Effekt verschwand nach 15 Minuten.

Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Quellenlokalisation mit MEG-Daten unter Verwendung einer Beamformertechnik eine zuverlässige Methode darstellt, um kortikale Netzwerke, die in multimodale Integration involviert sind sowie altersbedingte Veränderungen zu identifizieren. Weiterführende Analysen des zeitlichen Verlaufes der Aktivität in diesen identifizierten Regionen würden Einblick in die Zeitskala integrativer neuronaler Prozesse geben. Bisher gibt es unterschiedliche Ansätze um kortiko-kortikale Kopplung zu analysieren, aber weiterführende methodische Entwicklungen sind notwendig, um diese Analysestrategien zum extrahieren der synchronisierten Aktivitäten zu verbessern.