What is the function of the basal ganglia in human behaviour? It is known that
alterations of basal ganglia function can lead to motor symptoms like
bradykinesia, tremor or dystonia. Yet, direct physiological data from human
basal ganglia are limited. Recent advances in functional neurosurgery using
deep brain stimulation for the treatment of severe movement disorders allow
for direct recordings of local field potentials (LFP) from the human basal
ganglia. We used this approach in our studies to investigate basal ganglia
function and the role of oscillatory activities during rest, sleep and motor
tasks. Changes of oscillatory activity in different frequency bands were
analysed in relation to the recording condition. We could demonstrate the
presence of lateralized movement-related increase in high frequency (~60-80
Hz, gamma) activity in the basal ganglia of patients with dystonia and a
positive correlation of this gamma activity with movement speed and amplitude.
Gamma band activity was independent of movement direction and did not occur
during passive movements. The stepwise increase of gamma activity with
movement amplitude and speed suggests a role of neuronal synchronization in
this frequency range in the basal ganglia in order to control the scaling of
ongoing movements. In a second study we could show that 13 out of 24 patents
with four different pathologies had a narrow band activity centred at ~70 Hz
in spectra of thalamic LFP recordings. This activity was modulated by movement
and varied over the sleep–wake cycle, being suppressed during slow wave sleep
and re-emergent during rapid eye movement sleep, which physiologically bears
strong similarities with the waking state. Furthermore, there was sharply
tuned coherence between thalamic and pallidal LFP activity at 70 Hz in eight
out of the 11 patients in whom globus pallidus and thalamus were
simultaneously implanted. Our results support a functional role of gamma
activity in small and large scale (between basal ganglia nuclei and thalamus
binding), as a possible way of communication between brain areas. More
specifically, in the motor system subcortical oscillatory activity at ~70 Hz
may be involved in the control of the scaling of ongoing movements and
arousal.Was machen eigentlich die Basalganglien und wie sind sie an der Steuerung von
willkürlichen Bewegungen beteiligt? Gegenwärtig wird hypothetisch postuliert,
dass sie maßgeblich an der Selektion, Initierung und auch Unterdrückung von
„motorischen“ und „nicht-motorischen“ Programmen beteiligt sind. Klassische
Studien bei Affen zeigten jedoch, dass Neurone im Globus pallidus internus
(GPi) spezifisch die Bewegungsrichtung als auch die Bewegungsgeschwindigkeit
kodieren. Von Dystonie Patienten wissen wir, dass die therapeutische
Hochfrequenzstimulation des GPi zu einer diskreten Bewegungsverlangsamung
führen kann. Ziel der Studie war es, die Bedeutung der oszillatorischen
Aktivierungsmuster im GPi und ihre Abhängigkeit von Bewegungsparametern wie
Richtung und Geschwindigkeit zu charakterisieren. Bei 22 Patienten mit
idiopathischer cervikaler oder segmentaler Dystonie ohne Beteiligung der Hand
wurden während einer Bewegungsaufgabe von den Kontakten der im GPi zur tiefen
Hirnstimulation implantierten Elektrode die lokalen Feldpotentiale gemessen.
Die Patienten führten visuell getriggerte Pronationsbewegungen mit dem Arm
durch, deren Winkel gestuft 30°, 60° oder 90° betrug. Bewegungskorrelierte
Änderung der synchronen oszillatorischen Aktivität wurden separat für die drei
Bewegungen berechnet. Eine Synchronisation im Gamma-Frequenzband trat im
kontralateralen GPi bei Bewegungsbeginn auf und erreichte das Maximum zum
Zeitpunkt der maximalen Bewegungsgeschwindigkeit. Dabei korrelierte die
Bewegungsamplitude und -geschwindigkeit mit dem Ausmaß der Gamma-
Synchronisation (60-80 Hz). Die Modulation der oszillatorischen Aktivität in
Abhängigkeit von den Bewegungsparametern Amplitude und Geschwindigkeit deutet
auf einen regulatorischen Einfluss des GPi bei der Skalierung von Bewegungen
hin, der über die reine Selektion und Initiierung des Bewegungsprogramms
hinauszugehen scheint
