TU Darmstadt / ULB / TUprints

Hemispheric differences in the control of finger tapping

Pflug, Anja (2020):
Hemispheric differences in the control of finger tapping.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00011420,
[Ph.D. Thesis]

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AnjaPflug_20200203.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hemispheric differences in the control of finger tapping
Language: English
Abstract:

The human brain is composed of two hemispheres. Even though most functions are represented in both, they differ in processing abilities, enabling the left hemisphere to speak and control learned motor sequences. One current hypothesis how the hemispheres differ is in their processing of relative frequencies of sensory stimuli (Ivry and Robertson, 1998; Flevaris et al., 2010). The Double-filtering-by- frequency (DFF) theory proposes that the left hemisphere has a pref- erence to process relative high frequencies and the right hemisphere relative low frequencies. The authors hypothesize that, hemispheric differences in sensory processing should transfer to the speech and motor domain. The goal of this thesis was to investigate frequency dependent hemispheric preferences for hand motor control. An fMRI and an MEG experiment were performed to answer the following questions: Is there a hemispheric preference for relative movement frequencies visible in behavioral measures? What are the cortical areas and neural mechanisms involved explaining possible prefer- ences? In a first auditory paced finger tapping study (Pflug et al., 2017) we investigated whether the left and the right hand differ in their temporal precision to tap relative slow and fast rhythms. While the fast tapping rate was defined in tapping to every beat of a sequence of auditory beats, the slow tapping rate differed between two experimental groups. While the first group tapped a standard quadruple meter (tap on beat position one), the second group had to tap a syncopated quadruple meter (tap on beat position four). Participants were asked to tap either bimanual monofrequent (fast or slow) or multifrequent (one hand fast, the other slow). As pre- dicted by the DFF-theory, the right hand was more precise when tapping the fast rate, while the left hand performed better during slow tapping. This effect was found only in the group tapping the syncopated rhythm, suggesting that frequency-dependent lateraliza- tion can be masked in case the two rhythms can be interpreted in a hierarchical Gestalt as in the standard quadruple meter. To investigate frequency-dependent lateralization further, synco- pated slow tapping was compared with fast tapping during fMRI and MEG. The internal generation of a slow rhythm increased BOLD ac- tivity in the SMA and in the right auditory association cortex (A2). MEG revealed that the right A2 represented the slow tapping more strongly compared to the left A2 in an amplitude modulation of low beta power. In contrast, the left A2 represented the fast auditory beat rate more strongly than the right A2, although, both cortices received the same auditory input. These results identify the sensory cortices as the source of lateralization of hand motor control and validate the DFF-hypothesis. The motor cortices represented only the rhythm of the motor output in an amplitude modulation of low beta oscillations with a non-linear relationship between beta power and BOLD activity. Finally, effective connectivity analysis of auditory-motor interac- tions revealed that stronger bidirectional auditory-motor coupling in the left compared to the right hemisphere could privilege the left cerebral hemisphere for rhythm integration in a hierarchical Gestalt. This could represent a mechanism explaining at least in part left lat- eralized speech processing.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das menschliche Gehirn besteht aus zwei Hemisphären. Obwohl die meisten neuronalen Funktionen auf beiden Hemisphären representiert sind, scheint es Unterschiede in deren Verarbeitung zu geben, besonders bei Funktionen, die für den Menschen charakteristisch sind - Sprache und Händigkeit. Beide Funktionen lateralisieren auf der linken Hemisphäre. Aber woher kommen diese Unterschiede? Die Double-filtering-by-frequency (DFF) Theorie (Ivry and Robertson, 1998; Flevaris et al., 2010) beschreibt individuelle Präferenzen der Hemisphären bei der Selektion relativer Frequenzen von sensorischen Informationen, wobei die linke Hemisphäre die hochfrequenten und die rechte Hemisphäre die niederfrequenten Informationen verarbeitet. Die Autoren gehen davon aus, dass die in der Sensorik gefundenen Effekte auch auf die Funktionen der Sprache und Motorik übertragen werden können (Robertson and Ivry, 2000). Das Ziel dieser Arbeit war, eine Übertragbarkeit der Hypothese auf die Kontrolle von Handmotorik zu testen. Daten von gesunden Probanden wurden mit Hilfe der funktionellen Bildgebung (fMRT) und der Magnetencephalographie (MEG) erhoben, um folgende Fragen zu beantworten: Zeigen sich Effekte von hemisphärischen Präferenzen in den Verhaltensdaten und wenn ja, welche korticalen und neuronalen Mechanismen liegen diesen zu Grunde? In einem ersten Verhaltensexperiment (Pflug et al., 2017) wurde untersucht, ob sich die linke und die rechte Hand in ihrer zeitlichen Präzision unterscheiden wenn sie schnelle bzw. langsame Rhythmen tippen. Beim schnellen Rhythmus mussten alle Probanden auf jeden Klicklaut eines kontinuierlichen auditorischen Signals (Beat) tippen, der langsame Rhythmus wurde zwischen zwei Versuchsgruppen variiert. Während die erste Gruppe einen Standard Viervierteltakt (tippen auf eins) tippte, mussten Probanden aus der zweiten Gruppe einen synkopierten Rhythmus tippen (tippen auf vier). Die Proban- den wurden gebeten entweder mit beiden Händen die gleiche Geschwindigkeit (monofrequent) oder mit einer Hand langsam und mit der anderen schnell (multifreqent) zu tippen. Im Einklang mit der DFF-Theorie war in beiden Gruppen die rechte Hand besser im Tippen der schnellen Frequenz. Ein Unterschied ergab sich im Tippen der langsamen Frequenz. Hier war die linke Hand besser im Tippen der langsamen Frequenz, aber nur in der Gruppe, die den synkopierten Rhythmus tippte. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass im synkopierten Paradigma beide Rhythmen getrennt voneinander in verschiedenen Hemispheren representiert werden, während im standard Viervierteltakt die Rhythmen zu einer Gestalt integriert werden. Das synkopierte Paradigma wurde daraufhin verwendet, um im MEG und fMRT die neuralen Grundlagen dieser frequenzabhängigen Präferenzen zu untersuchen (Pflug et al., 2019). Die interne Generierung des langsamen Rhythmus führte zu einem Anstieg der BOLD-Aktivierung in der supplementorischen motorischen Rinde (SMA) und dem rechten auditorischen Assoziationskortex (A2). Die Ergebnisse des MEGs ergaben, dass im rechten A2 der langsame Ryhthmus in der Modulation des Beta-Bandes stärker representiert wurde, als im linken A2. Zusätzlich fand sich eine ausgeprägtere Representation des schnellen Klicklautes im linken A2, obwohl beide A2 den gleichen auditorischen Eingang erhalten hatten. Die Ergebnisse aus beiden Messungen legen nahe, dass die gefundenen Effekte in den sensorischen Areale die frequenzabhänginge Lateralisierung erklären können und hiermit die DFF-Hypothese auch in der Handmotorik bestätigen. Im Gegenteil zu den sensorischen Arealen representierten die motorischen Areale nur den jeweils getippten Rhythmus in Form einer Beta-Power Modulation die nicht-linear mit der BOLD-Aktivierung verknüpft war (Gompf et al., 2017). Eine aus- geprägtere Kommunikation des linken A2 mit der SMA begünstigt eine Transformation von zwei getrennten Rhythmen in eine inte- grierte Gestaltrepresentation. Der gefundene Mechanismus könnte eventuell auch erklären, wie eine Lateralisierung in der Sprachprozessierung funktioniert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Neurophysiology and Neurosensory Systems
Date Deposited: 28 Feb 2020 12:26
Last Modified: 09 Jul 2020 06:25
DOI: 10.25534/tuprints-00011420
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-114207
Referees: Galuske, Prof. Dr. Ralf and Rothkopf, PD. Dr. Konstantin and Kell, PD. Dr. Christian A.
Refereed: 22 January 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11420
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