Veroudering en hersenplasticiteit. Trainings-gerelateerde veranderingen in bewegingscoördinatie en de modulatie van hersengolven

Een achteruitgang in zowel sensorisch-motorische als cognitieve functies is een gekend gevolg van het verouderingsproces bij mensen. Daarom is het hoog tijd meer kennis te vergaren over wat veroudering precies inhoudt, van cellulair tot systemisch niveau. Daarnaast is het van groot sociaal belang om strategieën te vinden die helpen de nadelige effecten van veroudering te vertragen, of zelfs om te keren. Het doel van deze thesis was daarom te onderzoeken of veranderingen in spectrale dynamiek van de hersenen geassocieerd konden worden met de moeilijkheid van een bimanuele taak, motorisch leren en veroudering. We bieden hierbij een overzicht van de literatuur in verband met elektro- en magneto- encefalografische (EEG/MEG) studies aangaande bimanuele coördinatie. Dit overzicht onthulde wetenschappelijke evidentie voor (1) sterkere onderdrukking van de spectrale power tijdens de motorische uitvoering van bimanuele in vergelijking met unimanuele bewegingen, (2) de betrokkenheid van de supplementaire motorische regio (SMA), premotorische cortex, sensorimotorische cortex (M1/S1), anterior cingulate cortex en het cerebellum tijdens anti-fase in vergelijking met in-fase bewegingen en (3) een toename van de inter-hemisferische connectiviteit in de bèta band tijdens bimanuele in vergelijking met unimanuele bewegingen. Deze review bracht verder ook hiaten in de literatuur naar boven, wat de aanzet gaf voor twee experimentele studies.

Eén van deze hiaten was gerelateerd aan de studie van continue draaibewegingen waarbij een ontkoppeling tussen beide handen gevraagd wordt. Daarom onderzochten we hoe het brein omgaat met de moeilijkheid van deze ‘niet-isofrequente’ bimanuele bewegingen. Bèta (15 – 30 Hz) power in de niet-dominante (rechter) hemisfeer werd gemoduleerd in functie van de moeilijkheid van de taak, wat vermoedelijk een sterkere controle van de rechter M1/S1 over de niet-dominante (linker) hand reflecteert. Met behulp van realistische hoofdmodellen waren we in staat de neurale activiteit in de cortex te schatten en onderzochten we de functionele connectiviteit in termen van bèta-band synchronisatie in een bilateraal netwerk dat bestond uit M1/S1, dorsale premotorische cortex en de precuneus. Bèta synchronisatie steeg naarmate de taakvereisten toenamen. Verdere bevestiging van de toename in bèta synchronisatie als coping mechanisme van het brein om met de moeilijkheid van een taak om te gaan werd gevonden in de positieve correlatie tussen de connectiviteit van het netwerk en de prestatiefout.

Een ander hiaat geïdentificeerd in het literatuuroverzicht betrof de neurale grondslag van motorisch leren zonder online feedback tijdens een uitgebreide training. Zo werden leeftijd gerelateerde veranderingen in leerstrategieën nog niet bestudeerd in de context van EEG/MEG spectrale dynamiek over verschillende frequentiebanden en motorische taakvarianten. Daarom onderzochten we de leerstrategieën die ondersteund worden door spectrale dynamiek in de theta (4 – 8 Hz), alfa (8 – 12 Hz) en bèta banden, en hoe deze verschillen tussen jongeren en ouderen. We vonden verschillende spectrale dynamieken over verschillende hersenregio’s die aan de basis liggen van het opnieuw oproepen van het motorisch geheugen. Daarenboven werden training gerelateerde veranderingen geobserveerd in de laatste in vergelijking met de eerste sessie over de prefrontale cortex (PFC) in de theta band, en over M1/S1 in de alfa en bèta banden. Tot slot werden leeftijd gerelateerde effecten voornamelijk gevonden in de bèta band die de parietale, centrale en mediale PFC overkoepelt. Al deze bevindingen gingen gepaard met een gereduceerd leervermogen in ouderen ten opzichte van jongeren.

In deze thesis verschaften we een overzicht van de EEG/MEG-literatuur in verband met bimanuele coördinatie, wat kan dienen als een startpunt voor elke wetenschapper die niet bekend is met het onderwerp. We duidden op de rol van de bèta power en long-range synchronisatie in de uitvoering van verschillende precisiebewegingen, waarmee we verder reiken dan de welgekende rol in de initiatie van beweging en het onderhouden van spiercontracties. We boden een veelomvattend inzicht van leer gerelateerde spectrale veranderingen door onderzoek van de theta, alfa en bèta banden die meestal individueel bestudeerd worden. Tot slot is het belangrijk om veroudering gerelateerde functionele veranderingen in het brein te begrijpen in een tijdperk waarin de levensverwachting voortdurend toeneemt dankzij de geboekte medische vooruitgang. We hopen dat dit werk heeft bijgedragen aan dit begrip door leer- en leeftijd gerelateerde modulaties in frequentie-specifieke dynamieken in de cortex aan te tonen.