Neural effects of short term motor learning

Abstract

Motorisk indlæring er vigtigt for den menneskelige overlevelse og er essentiel i forbindelse med rehabilitering af mistet funktion som det ses hos blandt andet hjerneskade patienter. Normalt måles fremgang alene på udførsel og præstation af den færdighed, der udøves, men dette kan til tider være en mangelfuld vurdering. Præstationsfremgang kan være kortvarig og ikke overførbart til andre færdigheder, der minder om den, der er trænet. Forskellige forskere har fundet bedre fastholdelse af ny-indlærte motoriske evner, hvis træningen varierer inden for træningssessionen, også selvom der opnås en hurtigere præstationsfremgang inden for træningssessionen ved at holde træningen simpel. Med dette in mente er der derfor brug for metoder, hvormed effekten af træningen kan vurderes udover selve præstationsfremgangen. Det ville kunne give en ekstra dimension af træningsevaluering til brug i rehabilitering til at kunne vurdere hvornår patienter har trænet tilstrækkeligt, eller det ville kunne bruges til at vurdere hvornår en kirurg er klar til at udføre operationer på mennesker. Derfor var formålet med dette projekt at undersøge muligheder for at kvantificere motorisk indlæring ved hjælp af egenskaber fra elektriske signaler fra hjernen (EEG). 19 forsøgspersoner udførte en motorisk færdighed ved at klemme på et håndtag til at måle kraft, mens en cursor på en skærm reagerede. Før, undervejs og efter blev EEG opsamlet fra 64 elektroder fordelt over hovedet samt muskelsignaler (EMG) fra underarmen. For at se om den motoriske træning havde effekt blev data fra forsøget analyseret og statistisk sammenlignet fra start-sessionen til slut-sessionen. Der blev udvalgt en række neurale signalegenskaber fra forskellige begivenheder i det elektriske hjerne- og muskelsignal. Et par sekunder før en bevægelse udføres kan der optages et forberedelsessignal, der gradvist falder i amplitude indtil bevægelsen udføres (movement related cortical potential, MRCP). For at karakterisere dette, blev det underinddelt i den initiierende del (bereitschafts potential, BP), den følgende del, hvor gradienten bliver mere negative (negative slope, NS’) og selve bevægelsespotentialet (movement potential, MP). Ydermere sker der en desynkronisering (event-related desynchronization, ERD) og efterfølgende synkronisering (event-related synchronization, ERS) i neuronaktiviteten ved bevægelsesforberedelse og selve bevægelsen. Derudover blev der undersøgt hvorvidt, der var kohærens i frekvensaktiviten mellem hjerne og muskel, og hvorledes det ændres, og hvorvidt hjernebølger i hvile med åbne og lukkede øjne blev påvirket af den motoriske træning. Forsøgspersonerne viste en forbedring i de motoriske færdigheder, ved at lave mindre fejl i slutningen af forsøget end i starten. Der var generelt stor variation i data og kun en af de neurale signalegenskaber ændrede sig statistisk signifikant. Der blev således observeret at hjerneaktiviteten flyttede sig posteriort i beta hjernebølgen mens forsøgspersonerne havde lukkede øjne. Dette kan indikere at motorisk indlæring havde fundet sted, men eftersom ingen af de andre signalegenskaber ændrede sig signifikant, er der stor usikkerhed. Der er brug for mere forskning for at give en nøjagtig vurdering af de mulige neurale ændringer, der kan måles efter kortvarig motorisk træning.

Motor learning is important for human survival and is vital in rehabilitation of lost function. Increase in performance is not necessarily the best way of quantifying motor learning as it might be short lived and unable to transfer to similar skills. Furthermore it is impossible to know how the underlying neurophysiology changes. The aim of the present project was to investigate methods of quantifying short term motor learning within EEG features. The features investigated were the movement related cortical potential (MRCP), the event-related desynchronization/synchronization (ERD/ERS), corticomuscular coherence and brain waves from rest EEG. In order to assess the features an experiment was conducted including 19 subjects performing various motor tasks with their non-dominant hand, together with rest EEG sessions. Data obtained from the experiment were analyzed and statistically compared from the pre-session to the post-session in order to see effect of the intervention. Mean bereitschaftspotential, mean negative slope, peak movement potential, ERD/ERS following Pfurtscheller’s method, coherence measures and center of mass from the heat map of power spectral density in rest EEG, was used in the analysis of the data. Subjects improved performance during the experiment, which was reflected as producing less errors during the intervention. Even though this was the case a significant change within the features was only seen as a posterior shift of the center of mass of heat maps and only in the beta band during the closed eyes rest session. No significant change was seen within any of the other features. If motor learning had been induced within the subjects it was not possible to quantify with the used features and equipment. Large variability suggests that EEG might not be a sensitive measure to evaluate the underlying neurophysiological changes associated with motor learning. More studies are needed to provide an accurate assessment of the possible neural changes measureable following short term motor training using other features of the EEG.

A master thesis from Aalborg University

Neural effects of short term motor learning

[Neurale effekter af kortvarrig motorisk indlæring]