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Behavioral Assessment of Manual Dexterity in Non-Human Primates

The corticospinal (CS) tract is the anatomical support of the exquisite motor ability to skillfully manipulate small objects, a prerogative mainly of ...

Manual dexterity, a prerogative of primates, is under the control of the corticospinal (CS) tract. Because 90-95% of CS axons decussate, it is assumed that this control is exerted essentially on the contralateral hand. Consistently, unilateral lesion of the hand representation in the motor cortex is followed by a complete loss of dexterity of the contralesional hand. During the months following lesion, spontaneous recovery of manual dexterity takes place to a highly variable extent across subjects, although largely incomplete. In the present study, we tested the hypothesis that after a significant postlesion period, manual performance in the ipsilesional hand is correlated with the extent of functional recovery in the contralesional hand. To this aim, ten adult macaque monkeys were subjected to permanent unilateral motor cortex lesion. Monkeys' manual performance was assessed for each hand during several months postlesion, using our standard behavioral test (modified Brinkman board task) that provides a quantitative measure of reach and grasp ability. The ipsilesional hand's performance was found to be significantly enhanced over the long term (100-300 days postlesion) in six of ten monkeys, with the six exhibiting the best, though incomplete, recovery of the contralesional hand. There was a statistically significant correlation (r = 0.932; P < 0.001) between performance in the ipsilesional hand after significant postlesion period and the extent of recovery of the contralesional hand. This observation is interpreted in terms of different possible mechanisms of recovery, dependent on the recruitment of motor areas in the lesioned and/or intact hemispheres.

Effects of unilateral motor cortex lesion on ipsilesional hand's reach and grasp performance in monkeys: relationship with recovery in the contralesional hand.

Manuelle Geschicklichkeit, ein Vorrecht der Primaten, ist unter der Kontrolle des kortikospinalen Trakts (CS). Da 90-95 % der CS Axone decussate, ist davon auszugehen, dass dieses Steuerelement im Wesentlichen auf der kontralateralen Seite ausge&uuml;bt wird. Konsequent folgt einseitige L&auml;sion der Vertretung der Hand in den motorischen Kortex ein vollst&auml;ndiger Verlust der Geschicklichkeit der Hand Contralesional. In den Monaten nach L&auml;sion erfolgt spontane Erholung der manuellen Geschicklichkeit sehr Variable Ma&szlig;e &uuml;ber Themen, obwohl weitgehend unvollst&auml;ndig. In der vorliegenden Studie testeten wir die Hypothese, dass nach einer bedeutenden postlesion, manuelle Leistung in der Ipsilesional Hand mit das Ausma&szlig; der funktionellen Erholung in der Hand Contralesional korreliert ist. Zu diesem Zweck wurden zehn Erwachsenen Makaken dauerhafte einseitige Motorkortex L&auml;sion unterworfen. Affen manuelle Leistung wurde f&uuml;r jede Hand ermittelt, w&auml;hrend mehrere Monate Postlesion, Messen von Reach und F&auml;higkeit zu begreifen mit unseren Verhaltens Standardtest (modifizierte Brinkman Vorstand Aufgabe), die eine quantitative bereitstellt. Die Ipsilesional Hand Leistung erwies sich langfristig (100-300 Tage Postlesion) erheblich verbessert werden in sechs der zehn Affen, mit den sechs besten, ausstellen, obwohl unvollst&auml;ndig, Wiederherstellung der Contralesional Hand. Es gab eine statistisch signifikante Korrelation (R = 0.932; P &lt; 0,001) zwischen der Leistung in der Ipsilesional Hand nach erheblichen postlesion Zeitraum und Umfang der Wiederherstellung der Contralesional Hand. Diese Beobachtung wird in Bezug auf verschiedene m&ouml;gliche Mechanismen der Einziehung, abh&auml;ngig von der Rekrutierung der motor Gebiete in den lesioned und/oder intakten Hemisph&auml;ren interpretiert.

Auswirkungen von einseitigen Motorkortex L&auml;sion auf Ipsilesional Hand erreichen und Leistung bei Affen zu begreifen: Beziehung mit Erholung in der Hand Contralesional.

Although cell therapy is a promising approach after cerebral cortex lesion, few studies assess quantitatively its behavioral gain in nonhuman primates. Furthermore, implantations of fetal grafts of exogenous stem cells are limited by safety and ethical issues.

Autologous adult cortical cell transplantation enhances functional recovery following unilateral lesion of motor cortex in primates: a pilot study.

Obwohl Zelltherapie ein vielversprechender Ansatz nach Gro&szlig;hirnrinde L&auml;sion ist, bewerten nur wenige Studien quantitativ die verhaltensbasierte Verst&auml;rkung in nicht-menschlichen Primaten. Dar&uuml;ber hinaus sind Implantationen von fetalen Transplantate exogene Stammzellen durch Sicherheit und ethische Ausgaben begrenzt.

Kortikale autologe Stammzelltransplantation Erwachsenen verbessert die funktionelle Wiederherstellung nach einseitige L&auml;sion der motorischen Kortex bei Primaten: eine Pilotstudie.

Although the arrangement of the corticospinal projection in primates is consistent with a more prominent role of the ipsilateral motor cortex on proximal muscles, rather than on distal muscles involved in manual dexterity, the role played by the primary motor cortex on the control of manual dexterity for the ipsilateral hand remains a matter a debate, either in the normal function or after a lesion. We, therefore, tested the impact of permanent unilateral motor cortex lesion on the manual dexterity of the ipsilateral hand in 11 macaque monkeys, within a time window of 60Â days post-lesion. For comparison, unilateral reversible pharmacological inactivation of the motor cortex was produced in an additional monkey. Manual dexterity was assessed quantitatively based on three motor parameters derived from two reach and grasp manual tasks. In contrast to the expected dramatic, complete deficit of manual dexterity of the contralesional hand that persists for several weeks, the impact on the manual dexterity of the ipsilesional hand was generally moderate (but statistically significant) and, when present, lasted less than 20Â days. Out of the 11 monkeys, only 3 showed a deficit of the ipsilesional hand for 2 of the 3 motor parameters, and 4 animals had a deficit for only one motor parameter. Four monkeys did not show any deficit. The reversible inactivation experiment yielded results consistent with the permanent lesion data. In conclusion, the primary motor cortex exerts a modest role on ipsilateral manual dexterity, most likely in the form of indirect hand postural control.

Short-term effects of unilateral lesion of the primary motor cortex (M1) on ipsilesional hand dexterity in adult macaque monkeys.

Obwohl die Anordnung der kortikospinalen Projektion bei Primaten entspricht eine wichtigere Rolle des ipsilateralen Motorkortex am proximalen Muskeln, anstatt auf die distalen Muskeln Handfertigkeit beteiligt, die Rolle der prim&auml;ren motorischen Kortex zur Beherrschung der manuellen Geschicklichkeit f&uuml;r die ipsilaterale Hand bleibt eine Angelegenheit eine Debatte, die normale Funktion oder nach einer L&auml;sion. Daher haben wir, die Auswirkungen der st&auml;ndigen einseitigen Motorkortex L&auml;sion auf die Geschicklichkeit der ipsilateralen Hand in 11 Makaken innerhalb eines Zeitfensters von 60 Tagen Post-lesion getestet. Zum Vergleich wurde einseitige reversible pharmakologische Inaktivierung von den motorischen Kortex in eine zus&auml;tzliche Affe produziert. Manuelle Geschicklichkeit wurde bewertet quantitativ basierend auf drei Motor aus zwei abgeleitete Parametern erreichen und manuelle Aufgaben zu erfassen. Im Gegensatz zu der erwarteten dramatischen, komplette Defizit der manuellen Geschicklichkeit der Contralesional Hand, die f&uuml;r mehrere Wochen anh&auml;lt, die Auswirkungen auf die Geschicklichkeit der Hand Ipsilesional war im allgemeinen m&auml;&szlig;ig (aber statistisch signifikant) und sofern vorhanden, dauerte weniger als 20 Tagen. Aus den 11 Affen hatte nur 3 defizit&auml;r der Ipsilesional Hand f&uuml;r 2 der 3 Motorparameter und 4 Tieren ein Defizit f&uuml;r nur ein motor-Parameter. Vier Affen zeigten keines Defizit. Das reversible Inaktivierung-Experiment mit den st&auml;ndigen L&auml;sion-Daten konsistent Ergebnisse gezeitigt. Abschlie&szlig;end &uuml;bt die prim&auml;ren motorischen Kortex eine bescheidene Rolle am ipsilateralen Handfertigkeit, wahrscheinlich in Form von indirekten Hand posturale Kontrolle.

Kurzfristige Auswirkungen der einseitige L&auml;sion der der prim&auml;ren motorischen Kortex (M1) auf Ipsilesional die hand Geschicklichkeit im Erwachsenen Makaken Affen.

The nonhuman primate model is suitable to study mechanisms of functional recovery following lesion of the cerebral cortex (motor cortex), on which therapeutic strategies can be tested. To interpret behavioral data (time course and extent of functional recovery), it is crucial to monitor the properties of the experimental cortical lesion, induced by infusion of the excitotoxin ibotenic acid. In two adult macaque monkeys, ibotenic acid infusions produced a restricted, permanent lesion of the motor cortex. In one monkey, the lesion was monitored over 3.5 weeks, combining laser speckle imaging (LSI) as metabolic readout (cerebral blood flow) and anatomical assessment with magnetic resonance imaging (T2-weighted MRI). The cerebral blood flow, measured online during subsequent injections of the ibotenic acid in the motor cortex, exhibited a dramatic increase, still present after one week, in parallel to a MRI hypersignal. After 3.5 weeks, the cerebral blood flow was strongly reduced (below reference level) and the hypersignal disappeared from the MRI scan, although the lesion was permanent as histologically assessed post-mortem. The MRI data were similar in the second monkey. Our experiments suggest that LSI and MRI, although they reflect different features, vary in parallel during a few weeks following an excitotoxic cortical lesion.

Follow-up of cortical activity and structure after lesion with laser speckle imaging and magnetic resonance imaging in nonhuman primates.

Das nichtmenschlichen Primaten-Modell eignet sich Mechanismen der funktionellen Erholung nach L&auml;sion der Gro&szlig;hirnrinde (motorischen Kortex), zu studieren, auf welche therapeutischen Strategien getestet werden k&ouml;nnen. Verhaltensdaten (zeitlicher Verlauf und das Ausma&szlig; der funktionellen Erholung) zu interpretieren, ist es entscheidend, die Eigenschaften der experimentellen kortikale L&auml;sion, induziert durch Infusion von Excitotoxin-Ibotens&auml;ure zu &uuml;berwachen. Ibotenic S&auml;ure-Infusionen produzierte zwei Erwachsenen Makaken eine eingeschr&auml;nkte, permanente L&auml;sion des den motorischen Kortex. In ein Affe wurde die L&auml;sion &uuml;ber 3,5 Wochen &uuml;berwacht Kombination von Laser-Speckle-imaging (LSI) als metabolische auslesen (Hirndurchblutung) und anatomischen Beurteilung mit Magnetresonanz-Bildgebung (MRI-T2-gewichtet). Die Hirndurchblutung gemessen online w&auml;hrend der anschlie&szlig;enden Injektionen von Ibotens&auml;ure in den motorischen Kortex, stellte einen dramatischen Anstieg, nach einer Woche, parallel zu einem MRI-Hypersignal noch vorhanden. Nach 3,5 Wochen stark reduzierte sich der Hirndurchblutung (unter Referenzniveau) und die Hypersignal verschwand aus der MRI Scan, obwohl die L&auml;sion permanent als Post-Mortem-histologisch beurteilt wurde. Die MRI-Daten wurden in der zweiten Affen &auml;hnlich. Unsere Experimente deuten darauf hin, dass LSI und MRT, obwohl sie unterschiedliche Funktionen spiegeln parallel in ein paar Wochen nach eine excitotoxischem kortikale L&auml;sion variieren.

Follow-up der kortikale Aktivit&auml;t und Struktur nach L&auml;sion mit Laser speckle-Bildgebung und Magnetresonanz-Bildgebung in nicht-menschlichen Primaten.

Article	Year
Effects of unilateral motor cortex lesion on ipsilesional hand's reach and grasp performance in monkeys: relationship with recovery in the contralesional hand. Journal of neurophysiology\| PubMed ID: 20071636	2010
Autologous adult cortical cell transplantation enhances functional recovery following unilateral lesion of motor cortex in primates: a pilot study. Neurosurgery\| PubMed ID: 21273922	2011
Short-term effects of unilateral lesion of the primary motor cortex (M1) on ipsilesional hand dexterity in adult macaque monkeys. Brain structure & function\| PubMed ID: 21597965	2012
Follow-up of cortical activity and structure after lesion with laser speckle imaging and magnetic resonance imaging in nonhuman primates. Journal of biomedical optics\| PubMed ID: 21950925	2011

Adjia Hamadjida

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