Adaptation of corticospinal excitability after short- and long-term motor training

Abstract

Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia lihastyön hermostollisen ohjauksen sopeutumista lyhytaikaiseen taitoharjoitteluun sekä pitkäaikaiseen taito- ja kestävyysharjoitteluun silloin, kun nilkkaniveleen aiheutetaan liikehäiriö. Hermostollista ohjausta tutkittiin sekä kortikaalisella että selkäydintasolla. Ensimmäisessä osatutkimuksessa 14 tutkittavaa osallistui transkraniaalisen magneettistimulaation (TMS) ja H-refleksin toistomittauksiin, joilla pyrittiin selvittämään näiden menetelmien luotettavuutta ja toistettavuutta nilkkanivelen translaatiohäiriön (lineaarinen) aikana. Samat 14 tutkittavaa osallistuivat tutkimuksen toiseen vaiheeseen, jossa edellä mainittuja menetelmiä käytettiin ennen ja jälkeen translationaalista häiriöharjoittelua. Tällä pyrittiin selvittämään kortikospinaalisen radan herkkyyden sopeutumista ja moduloitumista kyseessä olevaan tasapainoharjoitteluun. Tutkimuksen kolmannessa vaiheessa tutkittiin pitkäkestoisen urheiluharjoittelun vaikutuksia hermostolliseen ohjaukseen nilkkanivelen kiertohäiriön aikana kymmenellä taito- ja kymmenellä kestävyysharjoitelleella urheilijalla. Tulokset osoittivat, että TMS:n ja H-refleksin luotettavuus ja toistettavuus vaihtelivat hyvästä erinomaiseen. Tasapainon hallintakyky parani merkittävästi jo yhden tasapainoharjoituskerran jälkeen. Samalla kortikospinaalisen radan herkkyys laski lievästi ja selkäydintason herkkyys kasvoi. Nämä tulokset osoittavat, että lyhytaikainen taitoharjoittelu voi parantaa motorista taitoa, jolloin hermostollinen ohjaus vaikuttaisi siirtyvän kortikaaliselta tasolta enemmän selkäydintasolle. Taitoharjoitelleilla urheilijoilla kortikospinaalisen radan herkkyys oli merkittävästi yhteydessä tahdonalaiseen voimantuottoon kyseessä olevan häiriön aikana. Tällä perusteella kortikaalisen ohjauksen sopeutuminen tapahtuisi taitolajien urheilijoilla ylhäältä–alaspäin suuntautuvan strategian mukaisesti nilkan kiertohäiriössä. Toisaalta intrakortikaalisen inhibition säilyminen kestävyysurheilijoilla viittaisi selkäydintason ohjauksen voimakkaampaan rooliin nilkan kiertohäiriön aiheuttamissa hermostollisissa vasteissa. Tämän väitöskirjan tulosten mukaan fyysinen harjoittelu voi aiheuttaa hermostollista sopeutumista sekä kortikaalisella- että selkäydintasolla, riippuen harjoittelutavasta.

Asiasanat: motorinen kontrolli, motoristen taitojen oppiminen, kortikospinaalinen herkkyys, transkraniaalinen magneettistimulaatio, H-refleksi, urheilijoiden harjoittelu, nilkkanivelen liikehäiriö

The present doctoral thesis aimed to investigate neural adaptation at the supraspinal and spinal level during different proprioception processing-related tasks (translational and rotational ankle perturbation) after short-term motor training, long-term skill and long-term endurance training. Using established translational perturbation protocols, 14 subjects participated in measurements to determine the accuracy and reliability of transcranial magnetic stimulation (TMS) and Hoffmann reflex (H-reflex) in Experiment I. In Experiment II, TMS and H-reflex measurements were used before and after one perturbation training session to examine corticospinal excitability and adaptation during translational perturbation tasks in 14 young adult subjects. To explore neural adaptation from long-term specific motor skill acquisition training, Experiment III investigated neural adaptation mechanisms of 10 skill- and 10 endurance- trained athletes and corticospinal excitability was measured by TMS during ankle rotational perturbation. The results demonstrated good to excellent test-retest reliability in TMS and H-reflex during translational perturbation tasks. Balance control ability for the translational perturbation task was significantly improved after one training session. Potentially decreasing corticospinal excitability, but increasing spinal excitability, suggests that repeated skill training improves motor performance and neural adaptation may transfer from cortical control to more subcortical involvement. After long-term training, skill-trained athletes demonstrated corticospinal excitability plays an important role in voluntary movement and suggests cortical adaptation to a top-down strategy in response to ankle rotational perturbation. For endurance-trained athletes, on the other hand, maintaining intracortical inhibition relates to higher neural modulation at the spinal level in response to ankle rotational perturbation. Therefore, the results of this thesis support that both spinal and supraspinal mechanisms adapt after training. Indeed, the acquisition of motor performance through training resulted in a discernible decrease in cortical influence and an augmentation of spinal influence. These changes align with the strategies employed by endurance trained athletes.

Keywords: motor control, motor skill learning, corticospinal excitability, transcranial magnetic stimulation, H-reflex, athletic training, ankle perturbation