大多数日常运动需要某种程度的上肢之间的协作。bimanual-condition特定的神经机制,因此应该不同的活动之间的不同。在这项研究中,我们旨在探索地区内的激活和区际连接时用双手的运动通过功能性磁共振成像(fMRI)。十个右撇子,正常受试者招募。的神经关联unimanual(右)和用双手的(同步和反相)上肢运动进行调查。连通性分析进行了使用听交互(PPI)模型。小脑强烈激活unimanual和用双手的动作,和扣带运动区(CMA)是最激活的大脑区域在反相用双手的运动。此外,与unimanual运动相比,CMA激活也观察到反相用双手的运动,但不是在同相用双手的运动。此外,我们进行了PPI模型来研究有效连接的差异,发现小脑更与CMA在反相用双手的运动比同相用双手的运动。我们的研究结果阐明cerebellar-cerebral功能连通性的差异与反相同步用双手的动作,可用于促进神经科学的发展视角用双手的运动控制患者的运动障碍。
大多数日常运动需要一定程度的上肢(之间的合作
先前的研究主要集中在两种模式由于其基本模型all-bimanual运动(
在这项研究中,我们旨在探索神经系统用双手的运动机制通过直接比较地区内的激活和区际之间的连接用双手的反相使用blood-oxygen-level依赖(粗体)和同步运动功能性磁共振成像(fMRI)。我们选择unimanual和双手extension-flexion肘部运动作为我们的任务。虽然这些用双手的同相、反相运动对正常受试者完成相对简单,它仍然是最脆弱的运动机能障碍和运动康复的基础训练神经系统疾病患者。基于之前的研究,我们假设参与的程度用双手的运动将有助于改变地区内的激活和区际耦合和突出的角色cerebellar-cerebral功能连通性在用双手的运动。
十个正常人(年龄范围,55 - 63年;平均数±标准差,59.5±2.5年;4男6女)招募了在我们的研究中。我们招募受试者年龄在55 - 63岁,因为年龄对日常功能的性能有直接影响的活动(
受试者被要求执行三种类型的手肘扩展和屈曲运动任务:(1)unimanual运动(右手肘运动),(2)用双手的同相肘部运动(同时肘部动作),和(3)用双手的反相运动(肘部动作交替)。为了避免干扰从听觉和视觉,我们使用了自学的模式,所有的动作都执行2 s的时间间隔。此外,所有受试者练习在fMRI直到他们能正确地执行任务。
3.0 t西门子奏鸣曲扫描仪用于我们的研究。echoplanar成像梯度序列,和36个轴向片收集(回波时间(TE) = 25 ms,重复时间(TR) = 2000 ms,视野(FOV) = 200×200厘米,翻转角度= 90o、矩阵= 64×64 = 3毫米,厚度和差距= 0.3毫米)。此外,3 d T1影像获得(回波时间/ TE = 2.54毫秒,重复时间/ TR = 1460毫秒,反转时间= 900毫秒,图像矩阵= 256×256,翻角= 9°,片数= 192,和厚度= 1毫米)(
功能磁共振成像数据分析与统计参数映射8软件(SPM8,
因为我们感兴趣的灰质结构、双边卷下列9皮质和皮质下区域的提取和使用统计分析:初级运动皮层(M1), SMA, PMC,扣带皮层区域(CMA)、丘脑、尾状核、壳核、苍白球,小脑皮层。这些9皮质和皮质下区域(ROI)的利益选择,考虑到他们的无可争辩的参与运动控制。
听交互(PPI)是用于分析的功能连通性研究[
我们选择了小脑作为PPI的ROI分析小脑运动控制的关键作用,因为它是一贯的激活在所有科目unimanual和用双手的条件。PPI分析使用一般线性模型(GLM)检查的交互任务条件(
最顶峰
脑区激活期间执行unimanual运动(右手肘)和用双手的运动(反相、同相)在正常组。结果阈值在
| 大脑区域 | 坐标 | 峰值水平 | |||
|---|---|---|---|---|---|
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| Unimanual运动 | |||||
| 对cerebelum_superior | 9 | −52 | −13 | 23.73 | 6.00 |
| 对补充运动区 | 3 | 5 | 56 | 20.81 | 5.81 |
| 对cerebelum_superior | 27 | −43 | −25 | 17.10 | 5.51 |
| 离开补充运动区 | 0 | 2 | 68年 | 16.09 | 5.42 |
| 离开cerebelum_superior | −33 | −61 | −25 | 14.31 | 5.23 |
| 左侧扣带回 | −6 | 11 | 41 | 14.18 | 5.22 |
| 离开螺旋体 | −21 | −7 | −1 | 14.11 | 5.21 |
| 左丘脑 | −15 | −22 | 2 | 10.71 | 4.75 |
| 左壳 | −30 | −7 | 5 | 9.26 | 4.50 |
| 反相运动 | |||||
| 正确的扣带回 | 12 | −1 | 44 | 21.56 | 5.86 |
| 离开补充运动区 | −9 | −4 | 50 | 17.29 | 5.53 |
| 中央前回,PMC | −21 | −13 | 62年 | 13.70 | 5.16 |
| 对cerebelum_superior | 27 | −40 | −28 | 11.07 | 4.81 |
| 正确的螺旋体 | 21 | −4 | −1 | 10.66 | 4.74 |
| 右丘脑 | 15 | −16 | 8 | 10.60 | 4.73 |
| 左丘脑 | −18 | −10 | −1 | 10.05 | 4.64 |
| 离开cerebelum_superior | −9 | −58 | −13 | 9.67 | 4.58 |
| 同步运动 | |||||
| 离开cerebelum_superior | −30 | −46 | −25 | 13.32 | 5.11 |
| 对补充运动区 | 3 | −4 | 62年 | 13.01 | 5.08 |
| 离开cerebelum_superior | −9 | −55 | −13 | 12.38 | 4.99 |
| 离开paracentral_lobule, |
−18 | −13 | 65年 | 11.46 | 4.87 |
| 离开补充运动区 | −6 | −19 | 50 | 11.19 | 4.83 |
| 对cerebelum_superior | 21 | −46 | −22 | 9.64 | 4.57 |
脑区激活期间执行unimanual(右手肘)和用双手的(反相、同相)运动在正常组。结果阈值在
在反相运动,正常人激活合适的扣带,左SMA,离开了PMC,用双手的小脑皮层,螺旋体,用双手的丘脑,而同步运动期间,正常受试者用双手的小脑皮层激活,用双手的SMA, PMC离开了。此外,三大高峰
有更多的激活用双手的扣带,对PMC,用双手的SMA, M1,用双手的螺旋体,右壳核、尾状,左丘脑在反相用双手的动作比unimanual运动(表
脑区激活在表演用双手的运动(反相或同相)比正常执行unimanual运动主题分别组。结果阈值在
| 大脑区域 | 坐标 | 峰值水平 | |||
|---|---|---|---|---|---|
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| 反相而unimanual运动 | |||||
| 正确的扣带回 | 9 | 2 | 41 | 7.57 | 4.14 |
| 正确的中央前回,PMC | 27 | −22 | 74年 | 7.38 | 4.10 |
| 离开补充运动区 | −9 | 5 | 47 | 6.33 | 3.81 |
| 正确的中央前回,M1 | 42 | −22 | 62年 | 6.30 | 3.81 |
| 离开螺旋体 | −12 | −1 | −1 | 5.58 | 3.58 |
| 正确的螺旋体 | 21 | −4 | −1 | 5.51 | 3.56 |
| 正确的核 | 30. | 14 | −1 | 5.24 | 3.46 |
| 右尾状 | 21 | 20. | 14 | 4.69 | 3.26 |
| 左侧扣带回 | −9 | −7 | 50 | 4.65 | 3.24 |
| 对补充运动区 | 3 | −1 | 53 | 4.54 | 3.20 |
| 左丘脑 | −15 | −7 | −1 | 4.34 | 3.11 |
| Unimanual运动与反相 | |||||
| 没有激活 | |||||
| 同步与unimanual运动 | |||||
| 正确的中央前回,PMC | 30. | −22 | 71年 | 7.51 | 4.13 |
| 离开cerebelum_superior | −33 | −40 | −31 | 6.26 | 3.80 |
| 对cerebelum_superior | 12 | −46 | −4 | 4.89 | 3.33 |
| Unimanual运动与同相 | |||||
| 没有激活 | |||||
比较脑区激活在双手(反相、同相)和unimanual(右手肘)运动在正常组。扣带区强烈激活只在反相用双手的动作。结果阈值在
有更多的激活在正确的PMC, SMA在反相运动比同相运动而有更多的激活在左边PMC比反相(表动作同步运动
PPI分析发现,相对于同步运动,小脑更与左扣带,左丘脑、丘脑,对SMA区在反相运动(表
脑区激活执行反相用双手的运动比在执行同步用双手的动作在正常组。结果阈值在
| 大脑区域 | 坐标 | 峰值水平 | |||
|---|---|---|---|---|---|
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| 反相或同相 | |||||
| frontal_sup_2, PMC | 24 | −7 | 62年 | 4.61 | 3.22 |
| 离开补充运动区 | −9 | −7 | 68年 | 4.34 | 3.11 |
| 同步与反相 | |||||
| 中央前回,PMC | −30 | −25 | 71年 | 4.60 | 3.22 |
差异的有效连接在小脑正常话题组执行反相用双手的运动比在执行同步用双手的动作。结果阈值在
| 大脑区域 | 坐标 | 峰值水平 | |||
|---|---|---|---|---|---|
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| 反相或同相 | |||||
| 离开cerebelum_superior | −31 | −40 | −29 | 18.35 | 4.05 |
| 左侧扣带回 | −13 | 26 | 25 | 14.03 | 3.79 |
| 左丘脑 | −19 | −19 | 16 | 12.18 | 3.65 |
| 左侧扣带回 | −7 | −31 | 40 | 11.03 | 3.55 |
| 对cerebelum_superior | 11 | −46 | −2 | 10.70 | 3.52 |
| 右丘脑 | 17 | −25 | 13 | 10.64 | 3.51 |
| 对补充运动区 | 2 | −19 | 55 | 7.19 | 3.09 |
| 同步与反相 | |||||
| 没有激活 | |||||
我们的研究旨在评估大脑的地区内的激活和区际连接时用双手的运动(反相或同相)。我们发现,小脑和SMA强烈激活unimanual和用双手的动作,和CMA强烈激活只在反相用双手的动作。此外,我们利用PPI模块研究小脑的连通性变化和发现小脑与CMA在反相运动比同步运动。这些发现表明,反相用双手的运动可能会影响特定cerebral-cerebellar连接通过提高CMA与小脑激活。
最大脑活动在我们的研究中,发现在CMA双手反相运动,而在小脑unimanual运动和用双手的同步运动。unimanual运动相比,与此同时激活CMA更高水平还发现在反相用双手的运动比同相用双手的运动。我们的研究结果与之前的研究一致从皮卡德和击球,也称unimanual运动相比,用双手的运动导致了CMA强烈激活(
除了地区内的活化分析外,我们还利用PPI模型研究有效连接在对称/非对称用双手的上肢运动。在我们的研究中,我们发现反相之间的显著差异和同相用双手的运动在小脑和CMA之间的耦合。此外,我们在这项研究中使用的功能磁共振成像模型是主要参考吴道的方法研究帕金森病在2010年出版的(
关于有效的连通性分析,我们选择了小脑PPI的ROI分析,主要有两个原因:首先,小脑强烈激活在unimanual(右手肘)和用双手的(反相、同相)的动作,这可能是由于解剖连接小脑皮质的大脑区域(
用双手的协调(反相或同相)的特点是精确时空四肢之间的相互作用。两半球间的连接似乎是重要的用双手的协调。陈和他的同事们调查了经颅磁刺激(TMS)对反相的影响和同相用双手的动作,发现用双手的同步任务,经颅磁刺激能同时重置双手有节奏的运动,而经颅磁刺激很难影响反相用双手的运动(
有两个重要的点关于本研究的局限性。第一点是我们研究了右手,正常人的相对较小的样本大小和55和63岁之间的研究对象。未来的研究将需要招收左撇子,受试者年龄超过63岁(流行病学研究表明老年中风的一个最重要的危险因素95%病例发生在45岁以上的人群中,2/3的中风发生在那些65岁以上的年
我们的研究显示,CMA被认为是更多地参与反相用双手的运动比同相用双手的运动通过增加与小脑激活有效连接。我们的研究结果阐明不同的活动和连接的模式用双手的上肢运动,可用于促进神经科学的发展视角用双手的运动控制患者的运动障碍。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号30973165和30973165)和部分中国中山大学5010计划项目(批准号2014001)和广东省科技计划项目,中国(批准号2016 a020220009和2015 b020233006),广州研究协同创新项目(批准号201604020108),和广州重点实验室的身体数据科学(201605030011)。作者要感谢教授Preeti Raghavan教授布莱恩·O 'Young他们的建议的论文写作,Peiqiang Cai博士和Haoqiang他fMRI数据收集,和李Linling功能磁共振成像数据分析。