Complex modulation of fingertip forces during precision grasp and lift after theta burst stimulation over the dorsal premotor cortex

Abstract

Background/Aim. Adaptive control and fingertip force synchronization of precise grasp stability during unimanual manipulation of small objects represents an illustrative example of highly fractionated movements that are foundation of fine motor control. It is assumed that this process is controlled by several motor areas of the frontal lobe, particularly applicable to the primary motor (M-1) and dorsal premotor cortex (PMd). Aiming to examine the role of PMd during fine coordination of fingertip forces we applied theta burst repetitive magnetic stimulation (TBS) to disrupt neural processing in that cortical area. Methods. Using a single-blind, randomized, crossover design, 10 healthy subjects (29 ± 3.9 years) received single sessions of continuous TBS (cTBS600), intermittent TBS (iTBS600), or sham stimulation, separate from one another at least one week, over the PMd region of dominant hemisphere. Precision grasp and lift were assessed by instrumented device, recording grip (G) and load (L) forces, during three manipulation tasks (ramp-and-hold, oscillation force producing and simple lifting tasks), with each hand separately, before and after interventions. Results. We observed the improvement of task performance related to constant error (CE) in oscillation task with the dominant hand (DH) after the iTBS (p = 0.009). On the contrary, the cTBS reduced variable error (VE) for non-dominant hand (NH), p = 0.005. Considering force coordination we found that iTBS worsened variables for NH (G/L ratio, p = 0.017; cross-correlation of the G and L, p = 0.047; Gain, p = 0.047). Conclusion. These results demonstrate the ability of TBS to modulate fingertip forces during precision grasping and lifting, when applied over PMd. These findings support the role of PMd in human motor control and forces generation required to hold small objects stable in our hands.

Uvod/Cilj. Adaptivna kontrola i sinhronizacija sila prstiju šake tokom preciznog hvata pri manipulisanju malim predmetima jednom rukom predstavlja ilustrativni primer visoko frakcionisanih pokreta koji predstavljaju temelj motorne kontrole preciznih pokreta. Pretpostavlja se da ovim procesom upravlja nekoliko motornih oblasti frontalnog režnja, i to prvenstveno primarni motorni (M-1) i dorzalni premotorni korteks (PMd). Cilj istraživanja bio je ispitivanje uloge PMd-a tokom vršenja pokreta koji zahtevaju finu koordinaciju sila prstiju šake. U istraživanju smo primenili ponavljanu magnetnu stimulaciju pražnjenjima u teta frekvenciji, kako bi ometali neuralno procesiranje u toj oblasti moždane kore. Metode. Primenom jednostrano slepe studije, uz nasumičnu raspodelu i ukršteni dizajn, 10 zdravih ispitanika (29 ± 3,9 godina) bilo je izloženo pojedinačnim sesijama kontinuirane magnetne stimulacije (cTBS600), ili intermitentne ponavljane magnetne stimulacije (iTBS600), pražnjenjima u teta frekvenciji kao i prividnoj stimulaciji iznad PMd regiona dominantne hemisfere, odvojenih međusobno, najkraće nedelju dana. Precizanost hvata šake i podizanja procenjivani su uređajem koji je registrovao silu stiska (G) i silu podizanja (L) prilikom izvođenja tri zadatka (zadatak sa zadatim profilom L, zadatak sa oscilatornim variranjem nivoa L i zadatak sa podizanjem), koji su izvođeni sa obe ruke odvojeno, i to pre i nakon svake intervencije. Rezultati. Nakon primene iTBS protokola zabeleženo je poboljšanje izvođenja iskazano konstantnom greškom (CE) u zadatku sa oscilatornim variranjem nivoa L, kada je izvođen dominantnom rukom (DH), p = 0.009. Suprotno tome, primena cTBS protokola dovela je do smanjenja promenjive greške (VE) za nedominantnu ruku (NH), p = 0.005. Sa aspekta koordinacije sila utvrđeno je da je iTBS protokol doveo do pogoršanja rezultata praćenih pokazatelja za nedominantnu ruku (G/L odnos, p = 0.017; korelacija G i L, p = 0.047; prirast sile p = 0.047). Zaključak. Rezultati našeg istraživanja ukazuju na mogućnost modulacije sila prstiju šake tokom preciznog hvata i podizanja, ukoliko se TBS primeni iznad PMd-a. Dobijeni nalazi podržavaju ulogu PMd u motornoj kontroli i generisanju sila neophodnih za stabilno držanje malih predmeta kod ljudi.