The role of the the ipsilateral motor cortex (iM1) in patients with good functional recovery after subcortical cerebral stroke - investigations with MEG-EMG coherence analysis and transcranial magnetic stimulation (TMS)

Verschiedene Studien unterschiedlichster Methodik (z.B. fMRT, PET, TMS) haben bei Schlaganfallpatienten im chronischen Stadium nach einem subkortikalen Hirninfarkt vermehrte Aktivität über dem zur paretischen Hand ipsilateralen Motorkortex (iM1) beschrieben. In der vorliegenden Arbeit wurde geprüft, ob diese Aktivität Ausdruck der Rekrutierung ungekreuzter kortikospinaler Bahnen ist. Untersucht wurden 10 rechtshändige Patienten mit guter funktioneller Erholung nach einem ersten linkshemisphärischen subkortikalen Infarkt im chronischen Stadium (> 9 Monate nach Ischämie). Das mittlere Alter betrug 52 Jahre, die Altersverteilung lag zwischen 33 und 64 Jahren. Als Einschlusskriterium galt ein nicht hämorrhagischer Infarkt in den Stammganglien, in der Capsula interna oder in der Capsula externa. Die Diagnose musste mit CT oder MRT gesichert sein. Außerdem musste bei allen Patienten zum Zeitpunkt des thrombembolischen Ereignisses eine armbetonte Hemiparese vorliegen, die sich bis zum Zeitpunkt der Messung klinisch verbessert hatte. Als Maß für diese Verbesserung wurde der Paresegrad der MRC- Skala herangezogen. 5 Patienten zeigten pathologische Mitbewegungen der gesunden Hand bei Bewegung der ehemals paretischen Hand. Die Ergebnisse wurden mit den Daten einer altersgematchten Kontrollgruppe im Alter von 44 bis 70 Jahren (mittleres Alter 55,6 Jahre) verglichen. Die motorische Aufgabe bestand in einer isometrischen Kontraktion von Zeigefinger und Daumen mit vorgegebener Kraft. Die Datenaufnahme bestand aus einer gleichzeitigen Registrierung von Ganzkopf-MEG und EMG des Abductor Pollices Brevis (APB) während der Ausgabenausführung. Zur Anpassung der MEG-Dipollokalisation an die individuelle Anatomie der Patienten wurden Kernspinaufnahmen erstellt. Berechnet wurde die absolute Kohärenz zwischen den MEG-Kanälen über den sensomotorischen Kortexarealen und den gleichgerichteten EMG-Kanälen.Die statistische Auswertung erfolgte mittels Varianzanalysen. Um zu überprüfen, ob sich innerhalb des Patientengutes ein Unterschied der Plastitzitätsmachanismen abhängig vom Grad der klinischen Erholung feststellen läßt, wurden die Patienten anhand des Kraftgrades nach MRC in die Gruppen „bessere Erholung“ und „schlechtere Erholung“ eingeteilt. Als weiteres Maß des Erholungsgrades wurde das Vermögen bestimmt, den Präzisionsgriff möglichst ohne Schwankungen zu halten. Die gemittelten Kohärenzspektren zeigten sowohl für die Patienten als auch für die Kontrollgruppe einen Gipfel im Bereich zwischen 10-20 Hz über der zur aktiven Hand kontralateralen Hirnhälfte. Die entsprechenden Verteilungsmuster der Kohärenzen stellten sich als Dipol dar. Als kortikale Quelle der Kohärenz ließ sich durch die Berechnung der Dipollokalisation, durchgeführt bei 2 Patienten,die zur Fingerübung kontralaterale Präzentralregion ermitteln. In der statistischen ergab sich eine signifikante Interaktion zwischen Seite der Fingerübung und Hirnhälfte Zwischen Patienten und Gesunden ließ sich kein signifikanter Gruppenunterschied für die Kohärenzwerte nachweisen Desweiteren konnte die statistische Auswertung belegen, dass die "Performance" als Maß der klinischen Erholung herangezogen werden kann und der vorgenommen Einteilung in "bessere Erholung" und "schlechtere Erholung" gerecht wird. Desweiteren Es ließ sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen Grad der funktionellen Erholung und der Höhe der Köhärenzwerte für die kontralaterale Kopplung beim Präzisionsgriff mit der paretischen Hand feststellen. Der Vergleich von Patienten mit pMB mit Patienten ohne pMB erbrachte hingegen keinen signifikanten Effekt. Die Durchführung der TMS detektierte bei keinem Patienten ipsilaterale MEPs und steht somit im Einklang mit den Befunden der Kohärenzanalyse. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie sprechen dafür, dass die häufig beobachtete vermehrte Aktivierung des ipsilateralen Motorkortex bei guter Erholung nach Schlaganfall nicht einer Rekrutierung ungekreuzter kortikospinaler Verbindungen entspricht, sondern eher im Sinne höherer motorischer Verarbeitungsprozesse zu interpretieren ist. Schließlich unterstützen die Daten das Konzept, dass die beste Strategie für die Erholung nach Schlaganfall die Restitution der nahezu normalen anatomischen Wege ist, zumindest für die Pyramidenbahn.Different studies applying various methods (e.g. fMRT, PET, TMS) on stroke patients have shown increased activity in the ipsilateral motor cortex (iM1) relative to the paretic hand after subcortical cerebral stroke. In the present study the hypothesis was tested that the increased activity is due to the recruitement of uncrossed corticospinal pathways. This aspect can be investigated by the MEG-EMG coherence, which measures functional coupling between brain cortex and effector muscle. For healthy test persons, this coherence lies between 15 and 50 Hz. Additionally, in this study transcranial magnetic stimulation (TMS) was used to detect ipsilateral corticospinal pathways. Ten dextral test persons with good functional recovery after a first left hemispherical subcortical stroke were studied. Five of them showed pathological mirror movements of their healthy hand during moving the paretic hand.Mean age of the patients was 52 (33–64) years. The criteria for inclusion was a non-hemorrhagic infarct within the basal ganglia (capsula interna or capsula externa). The paradigma consisted in an isometric contraction of thumb and forefinger (precision grip) with given force (1N). Simultaneously, the signals of whole-head MEG and EMG of the Abductor Pollices Brevis (APB) were recorded to gain the cohehrence. In ordert to adapt the MEG dipole localisation to the patients individual brain anatomy, nuclea spin images were made (Flash 3D Sequence on Siemens "Vision" MRT). The absolute coherence between the MEG channels over the senso-motorical cortex areals and the rectified EMG-channels was calculated with the software "Vision-Analyzer" and based on the fast-Fourier transformation (FFT) of complex spectra of the respective channels with a 95% confidencial interval. Topographical distribution of coherences were visualised with "Vision-Analyzer" by combining 20 channels per hemisphere. Two coherence spectra were obtained per person and site of finger exercise. Additionally, patients were divided into groups of "better" and "worse recovery" based on the MRC degree of force. A further possibility to measure the recovery was the ability to hold the precision grip without fluctuation, termed "performance". For eight test patients single pulse-TMS over the iM1 was measured to trigger potential ipsilateral MEPs of the APB. Here the healthy hemisphere was stimulated up to 200% in steps of 10%. Additionally magnetic impulses were given on 12 additional locations in a distance of 1 cm and 2 cm around the point of reference. Results were compared with a control group (mean age 55.6 years, range 44–70 years). For the patients as well as for the control group, mean coherences showed a peak at 10–20 Hz over the contralateral brain hermisphere relative to the active hand. The respective patterns of coherence distribution were described as dipole. Statistical analysis resulted in a significant interaction between the side of finger exercise and hemisphere. There was no significant difference for coherence between patients and healthy test persons. In addition our statistical analyses proved that the above mentioned “performance” can be used for evaluating clinical improvements and that the present division into groups of better and worse recovery was justified. Furthermore, a significant correlation was observed between the degree of functional recovery and the level of coherence values of the contralateral coupling during precision grip with the paretic hand. The results of the present study indicate that the often observed increased activity of the ipsilateral motor cortex after good recovery from stroke does not result from a recruitement of uncrossed corticospinal conjunctions. Furthermore, it can be interpreted as better motoric integration. Finally the data confirm that the best strategy for recovery from stroke is the restitution of the normal anatomical ways, at least for the pyramidal tract