Exercise effects on early cortical somatosensory and nociceptive processing in the human brain

Functional brain imaging methods were utilized to investigate early cortical somatosensory and nociceptive processing and how exercise may affect these processes. Study I examined automatic somatosensory change detection system with EEG and exercise effects on this system utilizing data collected from monozygotic twin pairs who were discordant in their long-term exercise status within pair. The results of Study I showed that long-term exercise selectively modulates specific early somatosensory electrophysiological brain responses as the inactive co-twins showed stronger somatosensory mismatch response (SMMR) compared to their active co-twins. Study II investigated somatosensory automatic change detection system with magnetoencephalography (MEG) using SMMR experiment design with electrical and tactile stimulation. The results of Study II demonstrated the feasibility of both tactile and electrical stimulation in reliably detecting SMMR with MEG. Furthermore, these results support previous studies indicating the involvement of the primary and secondary somatosensory cortices in the somatosensory automatic change detection system. Study III examined which uni- and bilateral cortical areas are involved in early somatosensory automatic processing with MEG utilizing innocuous and nociceptive electrical stimulations. The results of Study III demonstrated spatial and temporal dissociation in brain activations following electrical stimulation to slightly diverging hand areas. Study IV investigated the effects of acute exercise on cortical nociceptive processing and excitability in the sensorimotor cortex. The results of Study IV revealed modulation in the oscillatory nociceptive processing over sensorimotor cortex after acute exercise. This modulation was observed in the ~20 Hz motor cortex rhythm as the stimulation-induced suppression was stronger followed by a tendency towards weaker rebound. Overall, the findings in this dissertation demonstrate interaction between exercise and cortical somatosensory and nociceptive systems. Further research is necessary for better understanding of the mechanisms underlying this interaction and linking this information to designing optimal rehabilitation paradigms.Tutkimuksessa käytettiin toiminnallisia aivokuvantamismenetelmiä mittaamalla lyhytlatenttisia somatosensorisia ja nosiseptiivisiä aivoprosesseja sekä selvitettiin, vaikuttaako liikunta näihin prosesseihin. Tutkimuksessa I tutkittiin aivojen automaattista somatosensorista muutoksen havaitsemismekanismia elektroenkefalografialla (EEG) ja liikunnan vaikutusta tähän mekanismiin. Aineisto koostui identtisistä kaksospareista, jotka parin sisällä poikkesivat vuosien ajan liikuntatottumuksiltaan. Tuloksissa havaittiin, että liikunta vaikuttaa somatosensorisiin aivovasteisiin siten, että passiivisilla kaksosilla muutoksenhavaitsemisvaste oli voimakkaampi. Tutkimuksessa II tarkasteltiin aivojen muutoksenhavaitsemisvastetta magnetoenkefalografialla (MEG) hyödyntäen sähköistä ja taktiilia stimulaatiota. Tuloksien perusteella molemmat stimulaatiotavat ovat luotettavia menetelmiä. Lisäksi tulokset vahvistavat aiempia tutkimuksia osoittaen primaarisen ja sekundaarisen somatosensorisen aivokuoren osallistuvan muutoksen havaitsemissysteemiin. Tutkimuksessa III selvitettiin MEG:lla mitkä uni- ja bilateraaliset aivoalueet osallistuvat lyhytlatenttiseen somatosensoriseen ja nosiseptiiviseen prosessointiin. Tässä hyödynnettiin vaimeata ja nosiseptiivistä sähköstimulaatiota. Tulokset osoittivat aktiivisten aivolähteiden sijainnissa ja ajoituksessa eroja käden eri alueille kohdistettujen eri voimakkuuksisten stimulaatioiden jälkeen. Tutkimuksessa IV tutkittiin akuutin liikuntasuorituksen vaikutusta nosiseptiiviseen prosessointiin ja sensorimotorisen aivokuoren ärtyvyyteen. Tulokset osoittivat akuutin liikuntasuorituksen vaikuttavan nosiseptiiviseen prosessointiin liittyvään aivorytmiin sensorimotorisella aivokuorella. Primaarisen motorisen aivokuoren ~20 Hz:n aivorytmissä havaittiin voimakkaampi nosiseptiivisen stimulaation tuottama amplitudin lasku vastaten aivokuoren ärtyvyyden kasvua ja viitteitä heikompaan amplitudin palautumiseen vastaten vähentynyttä inhibitiota. Väitöskirjan tulokset osoittavat selkeästi yhteyden liikunnan ja aivokuoren somatosensorisen ja nosiseptiivisen prosessoinnin välillä. Lisätutkimus on tarpeen tämän vuorovaikutuksen mekanismien ymmärtämiseksi sekä tämän tiedon yhdistämiseksi osaksi optimaalisten kuntoutuskäytäntöjen suunnittelua