Control of primate prehension in space and time

von Reinhard Stefan Greulich
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2021-03-19
Erschienen:2021-05-11
Betreuer:Prof. Dr. Hansjörg Scherberger
Gutachter:Prof. Dr. Hansjörg Scherberger
Gutachter:Dr. Igor Kagan
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8596

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

Prehension in primates allows diverse interactions with the environment. It can be separated into two processes: the transport of the arm to the object, termed reach, and the getting hold and manipulation of the object, termed grasp. There is ongoing debate if and how both processes are controlled separately or together by two brain networks, called the dorso-medial and dorso-ventral streams. In this thesis, two experiments examine this question in detail. The first utilizes macaque resting state functional magnetic resonance imaging and examines the functional connectivity of areas of both streams. The second examines the encoding of reach and grasp in humans with functional magnetic resonance imaging and multi voxel pattern analysis utilising cvMANOVA. To enable the second experiment, a 3D printed, MRI-compatible, modular manipulandum was designed. The flexibility of this manipulandum allows for further experimental examination of hand and arm actions in both humans and macaques. Additionally, prehension requires not only control in space but also in time. For a motor action to be meaningful, it has to be initiated at the right time. The second experiment examines the question of how the brain manages this timely initiation in humans by comparing a predictable with an unpredictable go-cue. The results provide further evidence for the two-stream hypothesis. Functional connectivity in lightly anesthetized macaques demonstrates a clear separation between both networks. In humans, we observe individual areas encoding either reach or grasp without overlap. The postcentral gyrus shows grasp encoding and the supraparietal lobule shows reach encoding. Only a few voxels in the postcentral sulcus show an interaction effect. The initiation shows significant encoding in the supplementary motor area, confirming previous research into time interval representation in the brain. Additionally, we see widespread clusters in the premotor and ipsilateral primary motor cortex. A new hypothesis regarding motor initiation is formulated. In conclusion, this thesis provides further support for the two-stream hypothesis, insights into the initiation of prehension movements in humans, and presents a novel manipulandum to investigate prehension actions.
Keywords: fMRI; MVPA; prehension; motor control; neuroscience; 3D print; sensorimotor processing; open source; cvMANOVA; motor initiation

Deutsch

Greifbewegungen in Primaten erlauben eine diverse Interaktion mit der Umwelt. Sie können in zwei separate Vorgänge getrennt werden: den Transport des Armes zum Objekt, genannt Ausstrecken (reach) und dem Zufassen und Manipulieren des Objektes, genannt Zugreifen (grasp). Es ist ungeklärt ob beide Vorgänge zusammen oder getrennt von zwei Netzwerken im Gehirn gesteuert werden, dem dorso-medialen und dorso-ventralen Netzwerk. Diese Doktorarbeit präsentiert zwei Experimente welche diese Fragestellung erforscht. Im ersten Experiment wird die funktionale Verbindung zwischen beiden Netzwerken in Makaken unter Narkose mit funktionaler Magnetresonanztomographie untersucht. Das zweite Experiment ergründet die Encodierung von beiden Prozessen in Menschen mit funktionaler Magnetresonanztomographie und Multi Voxel Musteranalyse mit cvMANOVA. Um das zweite Experiment zu ermöglichen, wurde ein 3D gedrucktes MRI-kompatibles modulares Manipulandum konstruiert. Die Flexibilität dieses Manipulandum ermöglicht weitere Erforschung von Arm und Hand Handlungen in Menschen und Makaken. Greifbewegungen müssen nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich präzise sein. Um das Ziel einer Handlung zu erreichen, muss sie zum passenden Zeitpunkt eingeleitet werden. Das zweite Experiment untersucht diesen Prozess in Menschen, indem vorhersagbare mit überraschenden Go-Cues verglichen werden. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass reach und grasp von zwei getrennten Netzwerken gesteuert werden. Die funktionale Verbindung in Makaken zeigt eine klare Trennung zwischen beiden Netzwerken. In Menschen werden beide Prozesse in getrennten Gerhirnbereichen enkodiert und zeigen keine Überschneidung. Der Gyrus postcentralis enkodiert das Zugreifen und der Lobulus parietalis superior das Ausstrecken. Nur wenige Voxel im Sulcus postcentralis zeigen Interaktionseffekte. Die Initiierung wird in der supplementär-motorischen Rinden enkodiert, in Übereinstimmung mit der existierenden Literatur über Zeitintervall Repräsentation. Weitere Cluster sind im prämotorischen und ipsilateralen primären motorischen Cortex zu finden. Eine Hypothese bezüglich der Funktion dieser Areale in der Initiation wird präsentiert.
 
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