Brain connectivity modulations supporting visuo-motor integration functions

Motor control and execution are complex cognitive processes involving the activation of both proximate and distant brain regions; in this domain, the visuo-motor integration function is essential for planning and executing movements and relies on the dynamic reorganization of brain networks. The present study aims at: i) exploring the frequency-dependent differences in brain function during visuo-motor tasks with both the dominant and non-dominant hands, and ii) assessing the effects of Action Observation Therapy (AOT) delivered before sleep, in terms of improvement in motor performance and changes in brain mechanisms. The methodology involved continuous EEG data analysis from 44 healthy right-handed subjects under three different conditions: at rest (i.e., baseline - BL), during the execution of the Nine Hole Peg Test (NHPT) with the dominant hand (RH) and with the non-dominant hand (LH). Data were acquired at three different time points: before the treatment (T0), after three weeks of AOT or relaxing video watching (control group) (T1), and after one month of follow-up (T2). Half of the AOT group watched videos before sleep (s-AOT), and the other half during the morning (m-AOT). Effective phase-based connectivity and Graph Theoretical Analys (GTA) were employed, and particular attention was focused on the investigation of methods for network analysis, visualization and interpretation. Results revealed frequency-dependent differences in network organization in function of the laterality and the frequency band considered. Theta band showed an increased degree and integration during right-hand execution, especially in the Frontoparietal Network (FPN). The mu band was associated to a reduction of significant network links and integration during task execution. This result was more evident for the right-hand movement in the FPN, Sensorimotor Network (SMN) and Attention Network (AN), while similar trends were observed in the Lateral Ventral Attention Network (LVAN) for the two hands. The beta band showed a movement-related decrease in network degree and integration, regardless of the laterality and functional network considered, apart from the specific case of the GTA applied on the LVAN, in which right- and left-hand task execution showed different results. The study also explored the correlation between brain mechanisms and motor performance, revealing a positive association between integration in the theta and beta bands and performance, while the network segregation presented an opposite trend. Pre-sleep AOT induced more significant increases in global efficiency compared to the m-AOT and the control group, particularly in the FPN, suggesting its potential in memory consolidation. However, further research is needed to elucidate the complex dynamics of AOT effects on brain networks. In conclusion, this thesis addresses important gaps in existing literature by exploring, for the first time, EEG frequency-dependent differences in brain function during visuo-motor tasks related to handedness and on a large dataset. The focus on pre-sleep AOT introduces a novel element with potential advancements in understanding cortical effects associated with motor training and rehabilitation techniques.

Il controllo e l'esecuzione motoria sono processi cognitivi complessi che coinvolgono l'attivazione sia delle regioni cerebrali prossimali che di quelle distali; in questo contesto, la funzione di integrazione visuo-motoria è essenziale per la pianificazione ed esecuzione dei movimenti e si basa sulla riorganizzazione dinamica delle reti cerebrali. Il presente lavoro di tesi mira a: i) esplorare le variazioni in frequenza delle funzioni cerebrali durante l’esecuzione di compiti visuo-motori sia con la mano dominante che con quella non dominante, e ii) valutare gli effetti della Action Observation Therapy (AOT) somministrata prima del sonno, in termini di miglioramento della destrezza manuale e cambiamenti nei meccanismi cerebrali. Lo studio ha riguardato l’analisi dati EEG continui acquisiti da 44 soggetti destrimani sani in tre diverse condizioni: a riposo (ovvero, baseline - BL), durante l'esecuzione del NHPT con la mano dominante (RH) e con la mano non dominante (LH). I dati sono stati acquisiti in tre diversi momenti: prima del trattamento (T0), dopo tre settimane di AOT o visione di video rilassanti (gruppo di controllo) (T1), e dopo un mese di follow-up (T2). Metà del gruppo AOT ha guardato video prima del sonno (s-AOT), e l'altra metà durante la mattina (m-AOT). Nello specifico lo studio è stato basato sull’analisi di connettività effettiva e sullo studio dei grafi (GTA). Particolare attenzione è stata focalizzata, inoltre, sull’identificazione e confronto di metodologie per la visualizzazione e l'interpretazione delle reti. I risultati hanno rivelato differenze dipendenti dalla frequenza nell'organizzazione delle reti in funzione della lateralità e della banda di frequenza considerata. La banda theta ha mostrato un aumento del numero di connessioni e dell'integrazione durante l'esecuzione con la mano destra, soprattutto nella Rete Frontoparietale (FPN). La banda mu è stata associata a una riduzione di collegamenti significativi nella rete e di integrazione durante l'esecuzione del compito. Questo risultato è stato più evidente per il movimento della mano destra nella FPN, nella Rete Sensorimotoria (SMN) e nella Rete di Attenzione (AN), mentre tendenze simili sono state osservate nella Rete di Attenzione Ventrale Laterale (LVAN) per entrambe le mani. La banda beta ha mostrato una diminuzione correlata al movimento nel numero di connessioni e nell'integrazione della rete, indipendentemente dalla lateralità e dalla rete funzionale considerata, ad eccezione del caso specifico della GTA applicata alla LVAN, in cui l'esecuzione del compito con mano destra e sinistra ha mostrato risultati diversi. Lo studio ha esplorato anche la correlazione tra i meccanismi cerebrali e la performance motoria, rivelando un'associazione positiva tra integrazione nelle bande theta e beta e la performance, mentre la segregazione della rete ha mostrato una tendenza opposta. Il gruppo che ha svolto l’AOT prima delle ore di sonno ha mostrato aumenti nell'efficienza globale più pronunciati rispetto alla m-AOT, particolarmente nella FPN. Tale fenomeno non è stato invece osservato nel gruppo di controllo. Questi risultati suggeriscono il potenziale di questo approccio riabilitativo in termini di consolidazione della memoria; tuttavia, ulteriori ricerche sono necessarie per chiarire gli effetti indotti sul funzionamento e organizzazione delle reti cerebrali. In conclusione, questa tesi affronta importanti sfide ancora presenti in letteratura esplorando, per la prima volta, le variazioni indotte sull’organizzazione cerebrale dall’esecuzione di task visuo-motori sia con la mano dominante che con quella non dominante a partire da un ampio dataset di dati EEG. Lo studio degli effetti dell’AOT prima del sonno introduce un elemento innovativo con potenziali progressi nella comprensione degli effetti corticali associati all'allenamento motorio e alle tecniche di riabilitazione.