Single-pulse transcraniële magnetische stimulatie over de primaire motorische cortex, neuronavigatie en registratie van elektromyografische activiteit van handspieren werden in deze studie gebruikt om corticospinale prikkelbaarheid te onderzoeken terwijl deelnemers actiesequenties observeerden.
Deze studie gebruikte de transcraniële magnetische stimulatie/motor evoked potential (TMS/MEP) techniek om vast te stellen wanneer de automatische neiging om de actie van iemand anders te spiegelen anticipatieve simulatie van een complementaire handeling wordt. TMS werd geleverd aan de linker primaire motorische cortex die overeenkomt met de hand om het hoogste niveau van MEP-activiteit te induceren van de abductor digiti minimi (ADM; de spier die kleine vingerontvoering dient) evenals de eerste dorsale interosseus (FDI; Een neuronavigatiesysteem werd gebruikt om de positie van de TMS-spoel te behouden en elektromyografische (EMG) activiteit werd geregistreerd vanuit de juiste ADM- en FDI-spieren. De gecombineerde TMS/MEP-techniek produceert originele gegevens met betrekking tot motorresonantie en heeft het koppelingsmechanisme voor waarnemingsactie een stap verder gebracht. In het bijzonder heeft het de vragen beantwoord hoe en wanneer het observeren van de acties van een andere persoon motorische facilitering in de overeenkomstige spieren van een toeschouwer produceert en op welke manier corticospinale prikkelbaarheid wordt gemoduleerd in sociale contexten.
In de afgelopen tien jaar heeft neurowetenschappelijk onderzoek de traditionele kijk op het motorische systeem grotendeels veranderd. Een aanzienlijke hoeveelheid gegevens suggereert dat het observeren van de lichaamsbewegingen van iemand anders motorische representaties in de hersenen van de toeschouwer activeert (bijv.1-3). Deze studies toonden aan dat de motorische cortex van een waarnemer dynamisch acties repliceert die worden waargenomen alsof deze door de toeschouwer zelf worden uitgevoerd. Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is nuttig om de prikkelbaarheid van corticospinale (CS) met een relatief hoge temporele resolutie te beoordelen om excitabilityveranderingen te volgen terwijl iemand iemand anders observeert die een actie uitvoert.
Het fundamentele principe van TMS-werking is dat een veranderende primaire elektrische stroom in een stimulatiespoel een veranderend magnetisch veld produceert, dat op zijn beurt een secundaire stroom van elektrische stroom induceert in nabijgelegen geleiders – in dit geval corticale weefsel – zoals voorgeschreven door faraday’s wet4. De hersenen zijn een inhomogene geleider bestaande uit witte stof, grijze stof en hersenvocht met geleidingswaarden 0,48, 0,7 en 1,79 S/m, respectievelijk5. Analyse toont aan dat voor magnetische stimulatie de hersenen kunnen worden behandeld als een homogene geleider5. Depolarisatie van neuronen wordt geproduceerd door de geïnduceerde stroom. De kern van het proces is de overdracht van lading over het zenuwmembraan evenredig om zijn intracellulaire potentieel ongeveer 30-40 mV te verhogen. Op het punt dat positieve ionen in een zenuwcel worden gedreven, zal het intracellulaire potentieel stijgen en als de stijging voldoende is, resulteert een actiepotentieel5. Priori en collega’s6 waren de eersten die aantoonden dat een zwakke stroom de prikkelbaarheid van de menselijke motorische cortex kon moduleren, gemeten aan de hand van de amplitude van het motorisch opgeroepen potentieel (MEP) van TMS. Veel van het werk met magnetische stimulatie van de menselijke motorische cortex is inderdaad gericht op EMG-reacties in intrinsieke handspieren7. In 2004 ontdekten Uozomi en collega’s8 dat spTMS over gebied 44 gemakkelijk doelgerichte handbewegingen kon onderbreken en motorisch opgeroepen potentieel van handspieren kon produceren. Human area 44 heeft faciliterende en remmende effecten op zowel tonische als phasische vingerbewegingen9-10, en heeft directe snelgeleidende corticospinale projecties.
Fadiga en collega’s hebben in 19953het eerste bewijs geleverd dat de prikkelbaarheid van CS niet alleen tijdens vrijwillige bewegingen, maar ook tijdens actieobservatie wordt gemoduleerd . TMS werd toegepast op de handgebieden van de primaire motorische cortices (M1) en europarlementariërs werden geregistreerd vanuit contralaterale handspieren, terwijl een vrijwilliger werd geïnstrueerd om transitieve en intransitieve bewegingen te bekijken (de eerste zijn doelgericht, de laatste niet). De amplitude van de leden van het Europees Parlement die werden geregistreerd op basis van opponens pollicis (OP) en BDI-spieren bleek te zijn toegenomen tijdens de observatie van grijpacties met betrekking tot die welke in controleomstandigheden waren geregistreerd. De vraag rees dus: zijn de spieren die tijdens actieobservatie worden gefaciliteerd dezelfde die tijdens de uitvoering van de actie worden gebruikt? EMG-reacties in handspieren die werden geregistreerd terwijl een voorwerp werd vastgepakt en tijdens armheffen werden allemaal gevonden om precies het patroon te repliceren van mep’s die door TMS werden opgeroepen tijdens actieobservatie. Sommige onderzoeksgroepen hebben dezelfde experimenten kunnen herhalen en hebben andere11-16 ontworpen.
Tijdens actieobservatie “resoneert” het motorische systeem van de waarnemer in de praktijk met de waargenomen bewegingen en simuleert deze acties onder drempel op een strikt congruente manier. Omdat de spieren die bij de waarnemer betrokken zijn dezelfde zijn als die welke worden gebruikt door de persoon die de actie uitvoert, worden ze tijdelijk gekoppeld aan de dynamiek van de waargenomen actie. In 2001 hebben Gangitano en collega’s aangetoond dat het matchingsysteem voor uitvoeringsobservaties is gekoppeld aan de waargenomen actie, zelfs in termen van de temporele coderingervan 17. MEP amplitudes worden groter naarmate de vingeropening toeneemt en kleiner tijdens de sluitingsfase. Clark et al. 18 waren bedoeld om de specificiteit van corticospinale (CS) facilitering te beoordelen terwijl de deelnemers toekeken, werden gevraagd zich voor te stellen of acties waar te nemen waarvan hen werd verteld dat ze later zouden moeten uitvoeren. Deze onderzoekers meldden dat er geen statistisch significante verschillen leken te zijn in deze drie aandoeningen.
Er zijn ten minste twee hypothesen die de facilitering van het Europees Parlement verklaren, veroorzaakt door actieobservatie. Volgens de eerste wordt de verbetering van de M1-prikkelbaarheid geproduceerd door excitatory cortico-corticale verbindingen. Volgens de tweede onthult TMS, door middel van CS-dalende volleys, een facilitering van motoneurons (MN’s). Modulaties in MEP-amplitudes veroorzaakt door variaties in M1- of MN-excitabiliteit kunnen niet worden onderscheiden. Zoals Baldissera et al. 19 wilden de prikkelbaarheid van het ruggenmerg onderzoeken die verband houdt met de facilitering van het MEP, ze besloten de amplitude van de Hoffmann-reflex (opgeroepen door het stimuleren van de afferente vezels in perifere zenuwen) in de spieren van de vingerbuiger onderarm te meten, terwijl vrijwilligers doelgerichte handacties waarnamen. Ze meldden dat, hoewel modulatie van corticale excitability de bewegingen die werden waargenomen nauw imiteerde alsof deze door de waarnemer zelf werden uitgevoerd, de prikkelbaarheid van het ruggenmerg wederzijds gemoduleerd leek te zijn. Deze onderzoekers beschouwden het effect als een uitdrukking van een mechanisme dat de openlijke uitvoering van waargenomen acties blokkeert. Modulatie van motorische potentialen opgeroepen door TMS tijdens actieobservatie3,20,21 lijkt dan specifiek te zijn voor de spieren die betrokken zijn bij het uitvoeren van een actie3 en volgt, op een anticiperende manier22, hetzelfde temporele activeringspatroon17,23. In deze richting ontdekten Urgesi en collega’s24,25 onlangs dat observatie van begin- en middenfasen van grijpacties een aanzienlijk hogere motorische facilitering veroorzaakte dan het observeren van hun uiteindelijke houdingen. Motorische facilitering was maximaal voor de snapshots die lopende maar onvolledige acties oproepen. De resultaten leveren overtuigend bewijs dat de frontale component van het observatie-uitvoering matching systeem een belangrijke rol speelt in de voorspellende codering van het motorische gedrag van anderen.
Het valt echter niet te betwisten dat succesvolle interactie in de echte wereld vaak aanvullende in plaats van emulatieve acties vereist26 en dat imitatie niet altijd een effectief of passend antwoord is op actiewaarneming. In die gevallen waarin iemand bijvoorbeeld iemand anders een mok geeft die bij zijn handvat wordt vastgehouden, weten we allemaal dat de ontvanger, zonder na te denken, de mok met een heel handgebaar zal grijpen (de enige die in deze situatie geschikt zou zijn). Er is weinig bekend over hoe de inflexibele neiging om waargenomen acties op ons motorische systeem te matchen kan worden verzoend met het verzoek om niet-identical reacties voor te bereiden. In dit opzicht toonden sommige onderzoekers aan dat de automatische effecten van spiegelen kunnen worden afgeschaft na incompatibele training: spiegel- en tegenspiegelreacties lijken dezelfde tijdscursus te volgen27,28. Interessant is dat, in tegenstelling tot eerdere studies, europarlementariërs geïnduceerd door spTMS onlangs werden gebruikt om spontane corticospinale activering te beoordelen, terwijl videoclips die emulatieve of niet-identical complementaire gebaren oproepen, eenvoudig werden waargenomen29,30. De resultaten toonden een natuurlijke omschakeling van een emulatieve naar een contextgerelateerde actie in corticospinale activiteit. Een matchingsmechanisme aan het begin van een actiereeks veranderde in een aanvullend mechanisme als een verzoek om een wederkerige actie duidelijk werd.
Gebruikmakend van deze resultaten, was de huidige studie ontworpen om specifiek te bepalen, met behulp van de gecombineerde TMS/MEP-techniek, in welk stadium de spontane verschuiving van emulatie naar wederkerigheid plaatsvindt wanneer actieobservatie een complementaire reactie oproept. Europarlementariërs werden vervolgens op vijf verschillende momenten van de reeks opgenomen vanuit de BDI- en ADM-handspieren. We veronderstellen dat de leden van het Europees Parlement die op het moment dat de waarnemer aanvankelijk een greep uit de hele hand waarnam, zowel ADM- als BDI-spieren zouden kunnen faciliteren, omdat dergelijke spieren meestal worden gerekruteerd voor een dergelijke grip. Omgekeerd, wanneer het waargenomen gebaar een niet-identisch complementair gebaar(d.w.z. een PG) in de waarnemer uitlokt, mogen alleen leden van het Europees Parlement die zijn geregistreerd uit de BDI-spier een duidelijke toename van de activering aan het licht komen. Dit komt omdat PG niet impliceert de rekrutering van de ADM spier. We voorspellen ook dat wanneer de waargenomen actie geen sociale betekenis overbrengt, eenvoudige symmetrische faciliterende effecten moeten optreden tijdens alle actiesequenties.
De meest kritische stappen bij het meten van modulatie in CS-prikkelbaarheid bij mensen tijdens actieobservatie zijn: 1) het ontwerpen/filmen van videoclips die een actieneiging veroorzaken bij een waarnemer die zowel emulatieve als complementaire reacties verwacht; 2) het bepalen van de kinematische gebeurtenissen die de verschillende fasen van de acties van het model karakteriseren om TMS-stimulatie dienovereenkomstig te time-locken; 3) het identificeren van de optimale hoofdhuidpositie voor elke handspier en het handhaven van een consistente positionering tijdens het experiment; 4) het correct registreren van EMG activiteit van de gestimuleerde spieren.
Eerdere studies met behulp van de TMS/MEP-techniek hebben aangetoond dat corticospinale activering als gevolg van actieobservatie niet altijd een imiterende bias bezit, maar, afhankelijk van contextuele factoren, ook motorische activering kan zijn voor aanvullende acties29,30. Single-pulse TMS-studies hebben aangetoond dat het observeren van een actiesequentie in twee stappen waarin een aanvullend verzoek is ingebed, een overgang van emulatie naar responsiviteit in de corticospinale activiteit van de deelnemers veroorzaakt. Deze studie gaat nog een stap verder door aan te tonen wanneer precies de switch plaatsvindt en toont aan dat mensen in staat zijn om te anticiperen op de sociale intentie van een actie door vroegrijpe kinematische signalen te observeren die de behoefte / aanvraag voor een aanvullende reactie signaleren. Voorafgaande bewegingsinformatie is inderdaad voldoende voor een waarnemer om conclusies te lopen over de bedoeling erachter. Mechanismen die ten grondslag liggen aan actieobservatie lijken dan kneedbaar, snel en gevoelig voor complexe verzoeken die zijn ingebed in sociale contexten. Toekomstig onderzoek zal verder gaan om te analyseren of de verwerking serieel of parallel is. Neuroimaging-studies die paradigma’s gebruiken zoals die hier worden gebruikt, zullen dit proces verder kunnen verduidelijken, waarbij de corticale netwerken worden afgebakend die ten grondslag liggen aan het vermogen om van emulatie naar wederkerigheid te verschuiven.
Deze resultaten zullen ook de weg wijzen voor toekomstige toepassingen van TMS / EMG-technieken om CS-excitability en plasticiteit van het motorische systeem te bestuderen. Talrijke studies hebben al aangetoond dat TMS-metingen van de motorische cortexfunctie veilig, betrouwbaar en potentieel nuttig zijn in de klinische setting40.46. Longitudinale vergelijkingen van de amplitude van het Europees Parlement kunnen in feite een directe beoordeling van de effecten van de motorische corticale plasticiteit opleveren.
Recente studies hebben gemeld dat actieobservatie een positief effect heeft op de revalidatie na een beroerte van motorische tekorten en gunstig kan worden gebruikt om motorische gebieden te reactiveren bij personen die de motorische controle moeten rehabiliteren47. Er zou dus een strategie voor aanvullende actieobservatietherapie kunnen worden ontwikkeld die gebruik maakt van observatie van complementaire gebaren om verminderde motoriek te reactiveren. Als, zoals het lijkt, motorisch gedrag het resultaat is van zowel interne als externe factoren, moet actieobservatie worden opgenomen in trainingsprotocollen die gericht zijn op het rehabiliteren van dit type patiënt. Observatie van alledaagse handelingen in combinatie met fysieke oefening zou de weg kunnen effenen voor een effectievere revalidatiestrategie. Tot nu toe werden bovendien alleen indirecte maatregelen zoals functionele of subjectieve schalen gebruikt om klinische verbetering te beoordelen; in de toekomst kan TMS/EMG-beoordeling worden gebruikt om functionele verbetering bij deze patiënten te meten.
Concluderend, deze studie afbakent hoe en bij het observeren van de acties van een andere persoon produceert motorische facilitering in de overeenkomstige spieren van een toeschouwer en op welke manier corticospinale prikkelbaarheid wordt gemoduleerd in sociale contexten. Het bevestigt ook dat motorische potentialen die door TMS worden opgeroepen veilige, betrouwbare indicatoren zijn van CS-prikkelbaarheid en modulatie tijdens actieobservatie.
The authors have nothing to disclose.
Luisa Sartori werd ondersteund door een subsidie van Università degli Studi di Padova, Bando Giovani Studiosi 2011, L. n.240/2010.
Transcranial Magnetic Stimulator | Magstim |
BrainAmp MR system for EMG acquisition | Brain Products |
Softaxic Optic system for stereotaxic neuronavigation | E.M.S. |