Neuromagnetic studies on cortical somatosensory functions in infants and children : Normal development and effect of early brain lesions

Abstract

Until recently, objective investigation of the functional development of the human brain in vivo was challenged by the lack of noninvasive research methods. Consequently, fairly little is known about cortical processing of sensory information even in healthy infants and children. Furthermore, mechanisms by which early brain insults affect brain development and function are poorly understood. In this thesis, we used magnetoencephalography (MEG) to investigate development of cortical somatosensory functions in healthy infants, very premature infants at risk for neurological disorders, and adolescents with hemiplegic cerebral palsy (CP).

In newborns, stimulation of the hand activated both the contralateral primary (SIc) and secondary somatosensory cortices (SIIc). The activation patterns differed from those of adults, however. Some of the earliest SIc responses, constantly present in adults, were completely lacking in newborns and the effect of sleep stage on SIIc responses differed. These discrepancies between newborns and adults reflect the still developmental stage of the newborns’ somatosensory system. Its further maturation was demonstrated by a systematic transformation of the SIc response pattern with age. The main early adult­like components were present by age two.

In very preterm infants, at term age, the SIc and SIIc were activated at similar latencies as in healthy fullterm newborns, but the SIc activity was weaker in the preterm group. The SIIc response was absent in four out of the six infants with brain lesions of the underlying hemisphere. Determining the prognostic value of this finding remains a subject for future studies, however.

In the CP adolescents with pure subcortical lesions, contrasting their unilateral symptoms, the SIc responses of both hemispheres differed from those of controls: For example the distance between SIc representation areas for digits II and V was shorter bilaterally. In four of the five CP patients with cortico­subcortical brain lesions, no normal early SIc responses were evoked by stimulation of the palsied hand. The varying differences in neuronal functions, underlying the common clinical symptoms, call for investigation of more precisely designed rehabilitation strategies resting on knowledge about individual functional alterations in the sensorimotor networks.

Lääketieteellisen teknologian kehitys on vasta viime vuosina mahdollistanut lasten aivotoiminnan tarkan, objektiivisen tutkimuksen. Näin ollen esimerkiksi aistiärsykkeiden aivoprosessoinnista vastasyntyneillä tiedetään varsin vähän, samoin kuin monien aivotoimintojen kehittymisestä lapsen kasvaessa. Myös ymmärrys erilaisten aivovaurioiden vaikutuksesta kehittyviin aivoihin on puutteellista.

Magnetoenkefalografialla (MEG) tutkitaan aivohermosolujen toimintaa mittaamalla niissä syntyvien sähkövirtojen tuottamia magneettikenttiä pään ulkopuolelta. Väitöskirjassa MEG:n avulla tutkittiin tuntoaivokuoren toimintaa vastasyntyneillä ja tämän toiminnan kehitystä ensimmäisten elinvuosien aikana. Lisäksi tuntoaivokuoren toimintaa tarkasteltiin pikkukeskosena syntyneillä vauvoilla sekä nuorilla, joilla on varhaisen aivovaurion aiheuttama toispuoleinen CP-vamma.

Jo vastasyntyneellä useat aivoalueet aktivoituivat käden alueen kosketusärsykkeen jälkeen. Tuntoaivokuoren aktiivisuus poikkesi kuitenkin oleellisesti aikuisesta: tietyt aikuistyyppiset aivovasteet puuttuivat vastasyntyneiltä täysin heijastaen vastasyntyneen vauvan hermoston keskeneräistä kehitysvaihetta. Tuntoaivovasteet kehittyivät iän myötä järjestelmällisesti siten, että kaksivuotiailla ne alkoivat morfologisesti muistuttaa aikuisten vasteita.

Pikkukeskosten primaarisen tuntoaivokuoren vaste oli lasketussa ajassa heikompi kuin terveillä täysaikaisilla vauvoilla, mikä voi johtua pienemmästä aktivoituneesta hermosolujoukosta tai aktivaation epäsynkroniasta. Sekundaarisen tuntoaivokuoren vasteen puuttuminen liittyi poikkeaviin ultraääni- ja magneettikuvauslöydöksiin. Tämän havainnon ennusteellista merkitystä selvitetään parhaillaan seurantatutkimuksella.

CP-vammaisilla nuorilla tuntoaivovasteissa havaittiin verrokkeihin nähden useita poikkeavuuksia, jotka olivat osin laaja-alaisempia kuin oli pääteltävissä kliinisistä oireista tai aivojen rakenteellisesta vauriosta. Esimerkiksi potilailla, joiden sairauden taustalla oli subkortikaalinen aivovaurio, etu- ja pikkusormien edustusalueet tuntoaivokuorella olivat verrokkeihin nähden lähempänä toisiaan sekä vaurion puoleisessa että vastakkaisessa aivopuoliskossa. Aivojen erilaisten rakenteellisten vaurioiden aiheuttamien toiminnallisten muutosten tarkempi ymmärtäminen voi osoittautua merkittäväksi CP-potilaiden kuntoutuksen ja hoidon yksilöllisessä räätälöinnissä.