Assessment of Cortico-spinal Functioning in Young and Older Adults: Effects of Resistance training and Detraining

Abstract

Väitöskirjassa tutkittiin aivokuoren magneettistimulaation (TMS) ja lannerangan sähköstimulaation (LS) soveltuvuutta kortikospinaalisen radan herkkyyden arvioimiseen. Päätavoitteena oli arvioida ikääntymisen ja voimaharjoittelun vaikutuksia kortikospinaalisen radan toimintaan. Tutkittiin TMS-indusoidun motorisen herätepotentiaalin (MEP), LS-indusoidun lannerangan herätepotentiaalin (LEP) sekä molemmilla menetelmillä (TMS ja LS) aiheutetun hiljaisen jakson (SP) luotettavuutta ensimmäisessä osatutkimuksessa. Tähän vaiheeseen osallistui 22 (22–34-v.) henkilöä. Toiseen osatutkimukseen, jossa tutkittiin LEP:n modulaatiota TMS-SP:n aikana lihaksen eri voimatasoilla, osallistui 15 (18–42-v.) henkilöä. Tutkimuksen kolmannessa osassa (11 22–34-v. ja 10 66–80-v. henkilöä) tutkittiin seitsemän viikon voimaharjoittelun vaikutuksia kortikospinaalisen radan herkkyyteen (MEP ja LEP) ja TMS-/LS-SP:hen. MEP:n ja TMS-SP:n luotettavuus ja toistettavuus vaihtelivat hyvästä erinomaiseen ja LEP:n ja LS-SP:n osalta kohtalaisesta hyvään. LEP:n amplitudi pieneni merkitsevästi TMS-SP:n aikana 60 ms kohdalla 25%, 50% ja 75% MVC -voimatasoilla. LEP-amplitudi pieneni myös 150 ms kohdalla merkitsevästi, mutta vain 50% ja 75% MVC-voimatasoilla. Nuoret olivat vahvempia kuin vanhemmat aikuiset (~63Nm, p = 0.006; ~50kg, p = 0.002). Voimaharjoittelu lisäsi nuorten lihasvoimaa (+18kg, p < 0.001), kuten myös MEP- (+7%, p = 0.023) ja LEP (+17%, p < 0.001) -amplitudia. Voimaharjoittelu lisäsi myös ikääntyneiden lihasvoimaa (+13Nm, p = 0.014), mutta heidän kohdallaan MEP- (-21%, p = 0.006) ja LEP (-24%, p < 0.001) -amplitudit pienenivät. Voidaan todeta, että tutkimuksessa käytetyt menetelmät ovat luotettavia. Lisäksi, lihassupistuksen voimakkuus vaikutti selkäydintason herkkyyteen TMS-SP:ssä. MEP- ja LEP-amplitudin samanaikainen pieneneminen ikääntyneillä sekä kasvaminen nuorilla voimaharjoittelusta viittaisi siihen, että kortikospinaalisen radan muokkautuminen tapahtuisi selkäydintasolla. Näin ollen voimaharjoittelulla voitiin kumota osittain ikääntymiseen liittyvää hermostollista lihastoiminnan heikkenemistä. Tämä väitöskirja vahvisti tutkimuksessa käytettyjen mittausmenetelmien toimivuuden kortikospinaalisen radan herkkyyden arvioinnissa ja osoitti voimaharjoittelun aiheuttaman hermostollisen sopeutumisen tapahtuvan selkäydintasolla sekä nuorilla, että ikääntyneillä aikuisilla.

Asiasanat: lannerangan sähköstimulaatio, aivokuorten magneettistimulaatio, ikääntyminen, voima, alaraajat

This dissertation explored the suitability of transcranial magnetic stimulation (TMS) and lumbar stimulation (LS) as tools for assessing cortico-spinal excitability and inhibition. A primary objective was to evaluate the impact of aging and resistance training on these measures of cortico-spinal functioning. In Study I, 22 participants (22–34 years) volunteered for test-retest reliability assessment of TMS-induced motor-evoked potential (MEP), LS-induced lumbar-evoked potential (LEP) and TMS-/LS-silent period (SP). In Study II, 15 (18–42 years) participants volunteered to investigate modulation of LEP during TMS-SP at different contraction intensities. In Study III, 11 young (22–34 years) and 10 older adults (66–80 years) volunteered to assess MEP, LEP and TMS/LS-SP before and after 7 weeks of resistance training and 4 weeks of detraining. The methods demonstrated good-to-excellent test-retest reliability (ICC: 0.816–0.941; CV: 5.5–34.8) for MEP and TMS-SP and moderate-to-good reliability (ICC: 0.520–0.847; CV: 5.4–38.5) was found for LEP and LS-SP. LEP during the TMS-SP was reduced (<i>p</i> < 0.010) at 60 ms during 25%, 50% and 75% MVC. LEP at 150 ms was also reduced (<i>p</i> < 0.010) during 50% and 75% of MVC. Young were stronger than older adults (~63N∙m, <i>p</i> = 0.006; ~50kg, <i>p</i> = 0.002). Resistance training increased young strength (+18kg, <i>p</i> < 0.001), MEP (+7%, p = 0.023) and LEP (+17%, <i>p</i> < 0.001). Resistance training increased older adults’ strength (+13N∙m, <i>p</i> = 0.014), however, they experienced decreases in MEP (−21%, <i>p</i> = 0.006) and LEP (−24%, <i>p</i> < 0.001). Therefore, the methods used are reliable to assess cortico-spinal excitability and inhibition. Furthermore, contraction intensities ≥50% of MVC affects spinal excitability within TMS-SP. Despite no changes in TMS-SP and LS-SP after resistance training, a concomitant decrease in MEP and LEP in older adults suggests cortico-spinal adaptations could have a spinal origin. Conversely, physically active young adults showed an increase in MEP and LEP supporting the suggestion that adaptations occurred at the spinal level. Thus, resistance training reversed some of the age-related neural maladaptations in older adults and increased strength. This dissertation confirmed the usefulness of cortico-spinal excitability assessment methods and showed spinal adaptation after a resistance training intervention in both young and older adults.

Keywords: lumbar stimulation, transcranial magnetic stimulation, aging, strength, lower-limbs