Differenzierung motorischer kortiko-subkortikaler Netzwerke mit funktioneller Magnetresonanztomographie
Human Corticostriatal Motor Circuits: Visualization by Functional Magnetic Resonance Imaging
by Julia Margarethe August
Date of Examination:2012-08-29
Date of issue:2012-08-15
Advisor:PD Dr. Peter Dechent
Referee:PD Dr. Peter Dechent
Referee:Prof. Dr. Andrea Antal
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Abstract
English
Cortico-subcortical connections are organized in circuits. These are divided in a tripartite manner into the sensorimotor, associative and limbic loop. Corresponding subdivision has been shown for cortical areas as well as for basal ganglia. Evidence argues for a lateralized organization of the sensorimotor loop and a bilateral organization of the associative loop. Despite much research in this field in the last decades, an overall functional map of the corticostriatal circuits is lacking, and distinction of the circuits has been difficult. Thus, the aim was a comprehensive functional visualization and differentiation of the sensorimotor and the associative circuit. As a new approach, laterality features were used to distinguish between the circuits within one single motor task. 24 healthy boys performed self-paced index finger tapping with each hand separately during functional magnetic resonance imaging at 3 Tesla. The sensorimotor circuit was hypothesized to be clearly lateralized. Indeed, a contrast analysis for left against right hand movement revealed lateralized activation in typical sensorimotor regions such as primary sensorimotor cortex, caudal supplementary motor area (SMA), caudal putamen and thalamus. The associative circuit was hypothesized to be represented bilaterally. A conjunction analysis confirmed bilateral involvement of known associative regions including pre-SMA, rostral SMA and rostral putamen. A clear functional visualization of two distinct corticostriatal circuits is provided, as well as a new means to discriminate the sensorimotor and associative circuit easily by their laterality characteristics. This new approach can prove useful in early detection, diagnostics and evaluation of therapeutic intervention of movement disorders such as Parkinson's disease, Chorea Huntington, an ischemic stroke or in Tourette syndrome. Additionally, the results extend previous findings of a modified functional subdivision of the SMA.
Keywords: basal ganglia; motor loop; motor system; supplementary motor area; striatum; finger tapping; cortex; subcortical; movement disorders; Parkinson's disease; fMRIl
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Kortiko-subkortikale Projektionen sind in
anatomisch und funktionell getrennten Schleifen organisiert: der
sensomotorischen, der assoziativen und der limbischen Schleife.
Entsprechend besitzen sowohl der Kortex als auch die Basalganglien
verschiedene Kompartimente. Ergebnisse früherer Studien deuten auf
eine lateralisierte Organisation der sensomotorischen und eine
bilaterale Organisation der assoziativen Schleife hin. Ziel dieser
Arbeit war eine Visualisierung und Differenzierung zweier
kortiko-subkortikaler Schleifen mittels funktioneller
Magnetresonanztomographie. Zur Differenzierung der sensomotorischen
und der assoziativen Schleife entwarfen wir einen neuen Ansatz:
unter der Hypothese unterschiedlicher Lateralisierungseigenschaften
sollten die Schleifen mittels einer einzigen motorischen Aufgabe
sichtbar gemacht werden. 24 gesunde Jungen führten während einer
Untersuchung mit funktioneller Magnetresonanztomographie eine
Fingertapping-Aufgabe sowohl mit der rechten als auch mit der
linken Hand durch. Mittels einer Kontrastanalyse konnte eine
lateralisierte Organisation der sensomotorischen Schleife bestätigt
werden. Diese Schleife umfasst demnach den primär sensomotorischen
Kortex, kaudale Anteile des supplementär motorischen Areals,
kaudale Anteile des Putamens und den Thalamus. Die assoziative
Schleife hingegen ist bilateral organisiert, wie eine
Konjunktionsanalyse zeigten konnte. Zu dieser Schleife gehören das
prä-supplementär motorische Areal sowie rostrale Anteile des
supplementär motorischen Areals und des Putamens. Hiermit wird eine
Methode der Visualisierung und Differenzierung motorischer
kortiko-subkortikaler Schleifen vorgelegt. Vorteile dieser Methode
sind ihre Non-Invasivität, die Durchführbarkeit auch mit potentiell
schwierigen Probanden wie Patienten oder Kindern, und ihre einfache
Reproduzierbarkeit. Dieses Vorgehen eignet sich außerdem zur
Früherkennung, verfeinerten Diagnostik oder zur Therapieevaluation
bei Bewegungsstörungen wie dem Morbus Parkinson, der Chorea
Huntington, dem ischämischen Apoplex oder einem Tourette-Syndrom.
Die Ergebnisse sprechen außerdem für eine funktionelle Unterteilung
des supplementär motorischen Areals.
Schlagwörter: Basalganglien; motorisches System; motorische Schleifen; Putamen; Kortex; subkortikal; Finger tapping; Striatum; Motorkortex; Bewegungsstörung; Parkinson; fMRT