Study of motor learning effects on cortical excitability : optimization of the experimental setup and first results on healthy volunteers

Functional and structural cortical change in the human adult brain is a process of importance to both the learning of new motor skills, and the functional recovery following brain injury. Although research has indicated that primary motor cortex(M1) plays a role in motor learning, the exact nature of that involvement has not yet been clarified. Transcranial magnetic stimulation (TMS) has been used to investigate cortical plasticity. Recent studies showed that changes in motor evoked potentials (MEP) induced by TMS may be associated with motor skill learning. The aim of this project was to evaluate if a 20-minute motor skill learning task involving the tibialis anterior (TA) muscle induces changes of cortical excitability. Recruitment curves (RC) were elicited before and after the learning task at rest, during static and dynamic isometric contraction. Before starting the TMS acquisitions a custom software was developed. It offered a graphic interface to guide coil positioning during RC acquisitions, stopped TMS stimulations when the coil position and pose exceeded pre-defined constraints and permitted to stimulate on the same hotspot during different sessions. . Exploiting a validation platform, we computed the repeatability of the SW in identifying the same hotspot. Considering different hotspots and test conditions the maximum median change for the hotspot position and coil pose was 1.8mmc and 1.6° respectively. The software was then validated against a commercial neuronavigation system, computing the agreement between the two systems in terms of coil position and pose measured in correspondence to a common hotspot. A mean error of 0.2 mm and 0.8° was obtained for the coil position and pose respectively. 13 healthy volunteers were involved in the learning task. Results confirmed that MEP amplitude increases with the background voluntary activity. Differently than previously seen for the first dorsal interosseous muscle, no differences between static and dynamic pre learning curves were found, suggesting a minor control for TA at cortical level. After learning, an important excitability decrease was shown in static contraction, contrarily dynamic curve parameters were visibly facilitated. This different behavior could be related with the training associated with the dynamic task. Results revealed that the increase in motor performance don’t necessary imply an increase in M1 excitability and that cortex excitability modulations is strongly dependent on both the kind of muscle contraction during stimulation and the training task imposed.

Il cambiamento funzionale e strutturale nel cervello umano risulta essere un processo importate sia riguardo all’apprendimento di nuove abilità motorie, sia per il recupero funzionale a seguito di una lesione celebrale. Sebbene la ricerca abbia dimostrato che la corteccia motoria(M1) rivesta un ruolo nell’apprendimento motorio, la natura esatta di tale coinvolgimento rimane ancora da chiarire. La stimolazione magnetica transcranica(TMS) è usata per investigare la plasticità corticale. Recenti studi hanno mostrato che cambiamenti nei potenziali motori evocati(MEP), indotti dalla TMS, possono essere associati all’apprendimento di compiti motori. L’obiettivo di questo progetto è stato valutare se 20minuti di allenamento motorio, che hanno coinvolto il muscolo tibiale anteriore(TA), portino a cambiamenti nell’eccitabilità corticale o meno. Curve di reclutamento(RC), sono state raccolte, prima e dopo ad un apprendimento motorio, col muscolo a riposo e durante contrazione isometrica sia durante compiti statici, che dinamici. Lo sviluppo di un software su misura ha preceduto le acquisizioni TMS. Il software offre un’interfaccia grafica per guidare il posizionamento del coil durante le acquisizioni delle SR, ferma la stimolazione TMS nel caso la posizione e la posa del coil sorpassassero i limiti prefissati e permette di stimolare nello stesso hotspot durante sessioni diverse. Sfruttando una piattaforma di calibrazione, abbiamo calcolato la ripetibilità del SW nell’identificare lo stesso hotspot. Considerando hotspots e condizioni delle prove differenti, si è ricavato il massimo scostamento delle mediane dall’hotpost in termini di posizione (1.8mm) e rotazione (1.6°). Il software e stato poi validate con un sistema di neuronavigazione commercial, calcolando la concordanza tra i due sistemi in termini di posizione e posa del coil misurati rispetto a un comune hotspot. Un errore medio di 0.2mm e 0.8°, è stato ottenuto rispettivamente in termini di posizione e posa. Nelle acquisizioni sono stati coinvolti 13 volontari sani. I risultati confermano che l’ampiezza del MEP aumenta con l’attività volontaria di background. In contrasto con quanto visto per il primo muscolo interosseo dorsale, nessuna differenza tra curva dinamica e statica è stata trovata, suggerendo un minor controllo a livello corticale del TA. Dopo l’apprendimento, si è verificata una significativa riduzione dell’eccitabilità durante la contrazione statica, mentre al contrario i parametri della curva dinamica sono visibilmente facilitati. Questo differente comportamento potrebbe essere collegato con il tipo di allenamento, più simile al task dinamico. I risultati hanno rilevato che l’aumento delle performance motorie non implica necessariamente un aumento nell’eccitabilità in M1 e che questa modulazione dell’eccitabilità corticale è fortemente dipendente sia dal tipo di contrazione muscolare durante la stimolazione sia dal task imposto durante il training.