The effect of acute endurance running exercise on corticokinematic coherence : a MEG study

Abstract

Kortikokinemaattisella koherenssilla (CKC) tarkoitetaan lineaarista riippuvuutta kinemaattisen signaalin (esim. nopeus tai kiihtyvyys) ja aivosignaalin välillä (Bourguignon et al. 2011; Bourguignon et al. 2012; Piitulainen et al. 2013b). CKC:n oletetaan kuvastavan proprioseptisen signaalin prosessointia aivokuorella. Ensisijaisia afferentin signaalin lähteitä ovat lihasspindelit sekä Golgin jänne-elimet ja koherenssin huippuarvo paikantuu sensorimotoriselle (SM1) korteksille (Piitulainen et al. 2013b; Bourguignon et al. 2015.) Edeltävissä tutkimuksissa on osoitettu eroja CKC:n voimakkuudessa ikäryhmien välillä ja joissain keskushermoston sairauksissa sekä korrelaatio tasapainon ja CKC:n voimakkuuden välillä (Piitulainen et al. 2018b; Marty et al. 2019). Viitteitä CKC:n eroista dominoivan ja ei-dominoivan raajan välillä on myös esitetty (Piitulainen et al. 2018b). Neuraaliset mekanismit ja koherenssin voimakkuuteen vaikuttavat sensorimotoriset hermoverkot on edelleen huonosti tunnettu. Tähän päivään mennessä ei ole tiedossa, onko fysiologisen tilan muutoksella, kuten väsymyksellä vaikutusta CKC:n voimakkuuteen ja voiko akuutti fyysinen urheiluharjoitus muokata sitä. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, vaikuttaako akuutti aerobinen juoksusuoritus CKC:n voimakkuuteen eli kortikaaliseen proprioseptiseen prosessointiin. Tutkimuksessa selvitettiin myös, onko tasapaino yhteydessä CKC:n voimakkuuteen, tai onko juoksuharjoituksen aiheuttamat muutokset tasapainossa tai CKC:ssa yhteydessä toisiinsa. 10 tervettä vapaaehtoista aikuista osallistui tutkimukseen, jossa mitattiin CKC:n voimakkuus ja tasapainokyky ennen 90 min juoksumattoharjoitusta ja sen jälkeen. Koherenssia nilkan kiihtyvyyssignaalin ja SM1 alueen magnetoenkefalografia-signaalin (MEG) välillä tarkasteltiin 2 Hz passiivisen nilkanliikutuksen aikana liiketaajuudella (F0) ja sen ensimmäisessä harmoniassa (F1). Koherenssi määritettiin arvona 0–1, jossa nolla tarkoittaa ei yhteyttä ja yksi täydellistä koherenssia signaalien välillä. Massakeskipisteen (COP) sijainninmuutoksen nopeutta mitattiin kahdella jalalla seisten tasapainolevyllä. Proprioseptiikan hyödyntämistä tasapainossa arvioitiin laskemalla suhdeluku huojuntanopeuksille silmät auki ja silmät kiinni seisten (RQ). 90 min juoksuharjoituksen kuormittavuutta arvioitiin juoksun aikana laktaattinäytteiden, sydämen sykkeen ja koetun kuormittuneisuuden asteikon avulla sekä isometrisellä maksimipolvenojennuksella ja suorin jaloin hyppelyllä ennen juoksua ja sen jälkeen. Hypoteesina oli, että 90 min aerobinen juoksuharjoitus heikentäisi proprioseptista prosessointia ja siten voimistaisi kortikokinemaattista koherenssia ja että CKC:n voimakkuus olisi yhteydessä tasapainokykyyn. Koherenssi MEG-signaalin ja kiihtyvyyssignaalin välillä oli havaittavissa sekä ennen juoksua että sen jälkeen F0 ja F1 taajuuksilla. Mahdollisesti erittäin pienestä otoskoosta johtuen (F0: n = 4 ja F1: n = 8) tai pitkästä aikavälistä juoksun ja MEG-mittauksen välillä (26 min) ei pystytty osoittamaan, että akuutti juoksuharjoitus vaikuttaisi CKC:n voimakkuuteen. 90 min aerobisella juoksulla ei tämän tutkimuksen perusteella ole vaikutusta CKC:n voimakkuuteen F0 tai F1 taajuudella. Juoksu lisäsi huojuntaa tasapainotestissä, mutta ei vaikuttanut huojunnan määrän suhteeseen silmät kiinni ja silmät auki testien välillä. Anterior-posterior-suuntainen huojunta silmät kiinni oli yhteydessä CKC:n voimakkuuteen F0 taajuudella, mutta muita yhteyksiä tasapainon ja CKC:n väliltä ei löytynyt. Johtuen pienestä otoskoosta ja CKC-datan laatuongelmista, näitä tuloksia voidaan pitää vain suuntaa antavina.

Corticokinematic coherence (CKC) means linear dependence between kinematic signal (e.g. velocity or acceleration) and brain cortical signal (e.g. Bourguignon et al. 2011; Bourguignon et al. 2012; Piitulainen et al. 2013b). It is supposed, that CKC reflects cortical processing of proprioceptive feedback. CKC origins mainly from muscle spindles and Golgi tendon organs and peaks at contralateral SM1 cortex. (Piitulainen et al. 2013b; Bourguignon et al. 2015.) Previous studies have shown differences in the strength of CKC between age groups and with some central nervous system disorders, as well as association between postural balance and CKC (Piitulainen et al. 2018b; Marty et al. 2019). There are also some indications of the effect of limb dominance on CKC strength (Piitulainen et al. 2018b). Still, neural mechanisms of CKC and by which sensorimotor networks its strength is modulated are poorly understood. To date, it is unknown whether changes in physiological states, such as fatigue, affect the strength of CKC and whether CKC can be modulated by acute exercise. Purpose of this study was to investigate, does a single bout of aerobic running exercise have an effect on the strength of CKC, i.e. cortical proprioceptive processing. Secondary aim was to investigate if postural balance is correlated with the strength of CKC or if changes in these parameters due to running exercise associated with each other. Ten healthy volunteer adults participated in the study, where CKC and postural sway was measured before and after 90 min treadmill running. Coherence between magnetoencephalography (MEG) signal in SM1 at movement frequency (F0) and its first harmonic (F1) and acceleration signal during passive 2 Hz ankle movement was evaluated in scale 0–1, where zero is no association and one is perfect coherence. Velocity of center of pressure (COP) displacement was measured during two feet standing on balancing board. Use of proprioception during standing was determined by calculating quotient between eyes open and eyes closed standing (RQ). For evaluation of 90 min running exercise, blood lactate levels, heart rate and rating of perceived exertion was monitored during running and maximal isometric contraction of knee extensors and straight-legged jumps was performed before and after running. Hypothesis was that 90 min running would impair proprioceptive processing and thus increase CKC and that CKC is connected to balance control. Significant coherence between MEG and acceleration signal was observed before and after running at F0 and at F1. Possibly due to extremely small sample size (n = 4 at F0 and n = 8 at F1) or time between running and CKC measurement (26 min) this study could not show that acute running exercise would alter the strength of CKC. Results from this study suggest that 90 minutes moderate intensity aerobic running exercise has no effect on corticokinematic coherence at F0 or at F1. Moreover, running exercise disturbed postural balance control when standing on two feet eyes closed and eyes open, but did not have effect on quotient between eyes closed and eyes open sway. Only antero-posterior sway during eyes closed standing correlated with the strength of CKC at F0, but further evidence about associations between the strength of CKC and postural balance was not found. Because of small sample size and problems in CKC data quality, these results must be considered only preliminary.