Cortical movement-related high-gamma oscillations in healthy participants and stroke survivors

Abstract

High-gamma oscillations (60 – 90 Hz) in cortical motor areas play a prokinetic role in the motor system. They have never been quantified in stroke survivors. Theta-gamma phase amplitude coupling (PAC) has been shown to influence motor skill acquisition and might be an important mechanism in motor rehabilitation after stroke. In a magnetoencephalography study, we found a robust positive association between motor cortical high-gamma power and movement rate as measure of motor performance in stroke survivors, age-matched control participants and young participants. Stroke survivors showed less high-gamma power than control participants, even after matching for movement rate. We were not able to detect relevant theta-gamma PAC in the data. In a follow-up transcrancial alternating current stimulation (tACS) study, young participants showed an increase in thumb acceleration during theta-gamma tACS com-pared to sham. Stroke survivors exhibited a decreased amount of motor skill acquisition during theta-gamma stimulation compared to sham. These results do not support the use of theta-gamma tACS to improve motor rehabilitation after stroke. High-gamma tACS, however, should be further investigated to test its effectiveness in improving motor rehabilitation.

Oszillationen im hohen Gamma Bereich (60 - 90 Hz) in kortikalen motorischen Arealen haben eine prokinetische Rolle im motorischen System. Sie wurden nach einem Schlaganfall noch nie quantifiziert. Theta-Gamma Phasen-Amplituden-Kopplung (PAC) beeinflusst den Erwerb motorischer Fähigkeiten und könnte daher ein wichtiger Mechanismus in der motorischen Re-habilitation nach einem Schlaganfall sein. In einer Magnetoenzephalographie-Studie fanden wir einen robusten positiven Zusammenhang zwischen der Power von hohen Gamma-Oszillationen im Motorkortex und der Bewegungsrate als Maß für die motorische Leistung bei Schlaganfallüberlebenden, alters-angepassten Kontrollprobanden und jungen Probanden. Schlaganfallüberlebende zeigten eine geringere Power hoher Gamma-Oszillationen als Kon-trollprobanden, selbst nach Korrektur für die Bewegungsrate. Wir konnten keine relevante Theta-Gamma-PAC in den Daten finden. In einer Folgestudie mit transkranieller Wechsel-stromstimulation (tACS) zeigten junge Probanden eine Zunahme der Daumenbeschleunigung während Theta-Gamma tACS im Vergleich zur Scheinstimulation. Schlaganfallüberlebende zeigten während der Theta-Gamma-Stimulation im Vergleich zur Scheinstimulation einen ge-ringeren Erwerb motorischer Fähigkeiten. Diese Ergebnisse sprechen nicht für den Einsatz von Theta-Gamma-TACS zur Verbesserung der motorischen Rehabilitation nach einem Schlaganfall. tACS mit hohen Gamma-Oszillationen sollte jedoch weiter in Bezug auf Wirksamkeit zur Verbesserung der motorischen Rehabilitation untersucht werden.