Premovement betaband event-related desynchronization related to simple lower limb movement and simulated gait initiation

Abstract

Objective: To dissociate motor tasks between simple lower limb movement and simulated gait initiation using premovement event related desynchronization (ERD). Background: It has been known that the beta-band (13-30Hz) desynchronization in motor-related cerebral cortex during motor preparation is modulated by the motor task. Method: We enrolled normal healthy right-handed persons without any gait problem, and the subjects were to take 306 channel magnetoencephalography (MEG) on two tasks with right feet. In the first task, the task was simple ankle dorsiflexion (S(-)) similar to gait initiation, and in the second, simulated gait initiation was done with simple dorsiflexion (S(+)). Each task was examined in visual cued movement sequences independently. Dual-plane gyroscope chips were attached to right toe to precisely detect movement onsets and additional artifacts. Visual cue was presented on the screen irregularly, and the mean interval was 3 seconds. Time-frequency power plot were calculated for each tasks during the premovement period (the 2.0 sec preceding S(-) or S(+) execution), and the corresponding beta-band desynchronization (beta-ERD) power was represented. For each subject, we chose the most active sensor in a beta-band with average of S(-) and S(+) at a premovement phase. In the specific sensor, we found the frequency that showed most clear beta-ERD between two different movements at the supposed point of visual cue display. Results: We measured MEG from 23 persons, and their mean age was 41.5 ± 12.2 years. 11 subjects were excluded from the analysis (incidental brain lesion in 2 subjects, inability to follow instruction in 3, drowsiness in 4, no beta-ERD in 2). Twelve subjects was included the analysis. The selected sensors for all the subjects were corresponding to the covering area of the contralateral medial frontal lobes. The selected frequency was within the range of 20‒26 Hz (23.33 ± 2.15) for all subjects. We compared the maximum premovement beta-ERD value between S(-) and S(+). In the selected sensors, the values were statistically different (-59.23 ± 20.91 % in S(-) vs. -85.16 ± 23.92 % in S(+), P = 0.002). During 0.6‒0.0 sec prior to the movement onset, mean power of beta-ERD showed significant differences between S(-) and S(+) different (-20.50 ± 0.116 % in S(-) vs. -36.00 ± 20.91 % in S(+), P = 0.010). The time-course of mean beta-band power was not significantly different between S(-) and S(+) (F(1, 33.13) = 0.040, P = 0.843). Conclusion: We found that the maximum or mean power in premovement beta-ERD activity was higher in S(+) than S(-) in the contralateral medial sensorimotor area. This result implicate that the intent of movement may be a determinant of beta-band power during premovement phase.;운동관련 피질의 베타대역 (13-30Hz) 사건관련 비동기화는 운동과제에 의해 조절된다고 알려져있다. 본 연구에서는 운동이전 사건관련 비동기화를 이용하여 단순하지운동과 동일한 운동을 하면서 가상보행(假想步行)을 했을 때를 구별할 수 있는지 연구하고자 하였다. 보행이 정상인 오른손잡이 정상인 피험자를 모집하여 오른 발로 두 가지 운동과제를 수행하며 306 채널의 뇌자도 신호를 획득하여 분석하였다. 첫 번째 과제에서는 보행을 시작할 때와 유사한 동작인 단순하지운동 (Simple Lower Limb Movement, S(-))을 수행하였고, 두 번째 과제에서는 가상으로 걷기 시작하면서 동일한 운동 (Simulated Gait Initiation with lower limb movement, S(+))을 수행하도록 하였다. 각각의 과제는 동일한 시각적인 자극을 이용하여 독립된 분기에 검사를 진행하였다. 쌍축의 자이로스코프 칩을 오른쪽 엄지발가락의 배측에 부착하여 운동을 시작하는 시기와 오류를 정확히 측정하고자 하였다. 시각자극은 스크린에 평균 3초의 간격으로 불규칙적으로 제시하였다. 각각의 과제의 운동 전 2초의 시기로부터 시간-주파수 표상을 계산하였고, 베타대역에 상응하는 파워(power)를 도출하였다. 각각의 피험자에 대하여, 단순하지운동과 심상보행의 운동 이전 시기에 베타대역의 사건관련비동기화가 가장 역동적인 센서를 선택하였다. 특정 센서에서, 시각 자극 제시 직후 베타대역 사건관련 전위가 가장 뚜렷한 주파수를 선택하였다. 23명의 피험자가 모집되었고, 평균 연령은 41.5 ± 12.2 세였다. 무증상의 뇌병변 (2명), 지시 수행 장애 (3명), 졸림 (4명)의 사유 및 베타대역 사건관련비동기화가 나타나지 않은 사유로 11명의 피험자가 분석에서 제외되었다. 그 결과 총 12명의 피험자가 분석에 포함되었다. 선택된 센서는 모든 피험자에서 대측 안쪽의 전두엽에 해당하는 부위였다. 모든 피험자에서 선택된 주파수의 범위는 20‒26 Hz였고 평균 23.33 ± 2.15 Hz 였다. 우리는 가상보행 유무 별로 운동이전에 베타대역에서 나타나는 사건관련비동기화의 운동 이전 변수들을 비교 관찰하였다. 선택된 센서에서 운동과제 별로 운동이전 베타대역 사건관련비동기화의 최대값에서 통계적으로 유의한 차이가 있었다 (단순하지운동에서 평균 -59.23 ± 20.91 %, 가상보행을 동반한 동일하지운동에서 평균 -85.16 ± 23.92 %, P = 0.002). 운동이전 베타대역 사건관련비동기화의 평균값에서도 통계적으로 유의한 차이가 있었다 (단순하지운동에서 평균 -20.50 ± 14.92 %, 가상보행을 동반한 동일하지운동에서 평균 -36.00 ± 20.91, P = 0.010). 정리하자면, 동일 하지운동시 가상보행의 여부에 따라 운동이전 베타대역의 사건관련비동기화의 최대값은 운동의 반대편 내측의 감각운동영역에서 유의한 차이를 나타내었다. 두 운동 과제에서 시간 변화에 따른 운동이전 베타대역 사건관련비동기화의 값에는 차이가 없었다 (task ⅹ time: F(1, 33.13) = 0.040, P = 0.843). 결론적으로, 가상보행시 운동의 대내측 감각운동영역에서 단순하지운동에 비해 운동이전 베타대역의 사건관련비동기화의 최대값과 평균값이 의미있게 높다는 사실을 확인할 수 있었다. 이 결과는 운동의 의도가 운동이전 베타대역을 결정짓는 요인일 수 있다는 점을 시사한다.