EEG-based investigation of cortical activity during Postural Control

Abstract

The postural control system regulates the ability to maintain a stable upright stance and to react to changes in the external environment. Although once believed to be dominated by low-level reflexive mechanisms, mounting evidence has highlighted a prominent role of the cortex in this process. Nevertheless, the high-level cortical mechanisms involved in postural control are still largely unexplored. The aim of this thesis is to use electroencephalography, a widely used and non-invasive neuroimaging tool, to shed light on the cortical mechanisms which regulate postural control and allow balance to be preserved in the wake of external disruptions to one’s quiet stance. EEG activity has been initially analysed during a well-established postural task - a sequence of proprioceptive stimulations applied to the calf muscles to induce postural instability – traditionally used to examine the posturographic response. Preliminary results, obtained through a spectral power analysis of the data, highlighted an increased activation in several cortical areas, as well as different activation patterns in the two tested experimental conditions: open and closed eyes. An improved experimental protocol has then been developed, allowing a more advanced data analysis based on source reconstruction and brain network analysis techniques. Using this new approach, it was possible to characterise with greater detail the topological structure of cortical functional connections during the postural task, as well as to draw a connection between quantitative network metrics and measures of postural performance. Finally, with the integration of electromyography in the experimental protocol, we were able to gain new insights into the cortico-muscular interactions which direct the muscular response to a postural challenge. Overall, the findings presented in this thesis provide further evidence of the prominent role played by the cortex in postural control. They also prove how novel EEG-based brain network analysis techniques can be a valid tool in postural research and offer promising perspectives for the integration of quantitative cortical network metrics into clinical evaluation of postural impairment.

Kerfi stöðustjórnunar er afturvirkt stýrikerfi sem vinnur stöðugt að því að viðhalda uppréttri stöðu líkamans og bregðast við ójafnvægi. Vaxandi þekking á undanförnum árum hefur lýst því að úrvinnsla þessara upplýsinga á sér stað á öllum stigum miðtaugakerfisins, þá sérstaklega barkarsvæði heilahvela. Engu að síður, er nákvæmu hlutverk heilabarkar við stöðustjórnun enn óljóst að mörgu leyti. Tilgangur þessa verkefnis var að rannsaka nánar hlutverk heilabarkar við truflun og áreiti á kerfi stöðustjórnarinnar, með notkun hágæða heilarafrits (EEG). Við byrjuðum á því að mæla heilarit einstaklinga meðan á þekktri líkamsstöðu-æfingu stóð, til þess að skoða svörun líkamans við röð titringsáreita sem beitt var á kálfavöðvana til að framkalla óstöðugleika. Bráðabirgðaniðurstöður fengnar með PSD-aðferð (power spectral analysis) leiddu í ljós aukna virkni á ákveðnum svæðum í heilaberki og sérstakt viðbragðsmynstur við að framkvæma æfinguna, annars vegar með lokuð augu og hins vegar opin augu. Rannsókn okkar hélt áfram með nýrri og þróaðari tækni sem gerði okkur kleift að framkvæma fullkomnari greiningaraðferðir til að túlka, greina og skilja merki frá heilaritnu. Með fullkomnari greiningaraðferðum var hægt að lýsa með nákvæmari hætti staðfræðilega uppbyggingu starfrænna tenginga í heilaberki meðan á líkamsstöðu æfingunni stóð, sem og að draga tengsl á milli megindlegra netmælinga og mælinga á líkamsstöðu. Að lokum bætist við vöðvarafritsmæling við aðferðafræðina, sem gaf okkur innsýn inn í samskipti heilabarka og vöðvana sem stýra vöðvaviðbrögðum og viðhalda líkamsstöðu við utanaðkomandi áreiti. Á heildina litið gefa niðurstöðurnar sem settar eru fram í þessari ritgerð enn sterkari vísbendingar um það áberandi hlutverk sem heilabörkurinn gegnir við stjórnun líkamsstöðu. Niðurstöðurnar sanna einnig hvernig ný aðferð á greiningu á tengslaneti heilans sem byggir á heilariti getur verið gilt tæki í líkamsstöðu rannsóknum og er nytsamlegt tól fyrir mælingar á heilakerfisneti í klínískt mat á skerðingu líkamsstöðu.