Enkeltpuls transkraniell magnetisk stimulering over primærmotor cortex, nevronavigering og registrering av elektromyografisk aktivitet av håndmuskler ble brukt i denne studien for å utforske kortikospinal spenning mens deltakerne observerte handlingssekvenser.
Denne studien brukte den transkranielle magnetiske stimulering / motoren fremkalt potensial (TMS / MEP) teknikk for å finne ut når den automatiske tendensen til å speile andres handling blir forventningsfull simulering av en komplementær handling. TMS ble levert til venstre primærmotor cortex tilsvarende hånden for å indusere det høyeste nivået av MEP aktivitet fra bortføreren digiti minimi (ADM; muskelen serverer lillefinger bortføring) samt den første dorsal interosseus (FDI; muskelen serverer pekefinger flexion / forlengelse) muskler. Et nevronavigeringssystem ble brukt til å opprettholde posisjonen til TMS-spolen, og elektromyografisk (EMG) aktivitet ble registrert fra høyre ADM- og FDI-muskler. Ved å produsere originale data med hensyn til motorisk resonans, har den kombinerte TMS/MEP-teknikken forsket på persepsjonsvirkningskoblingsmekanismen et skritt videre. Spesielt har den besvart spørsmålene om hvordan og når man observerer en annen persons handlinger produserer motorisk tilrettelegging i en tilskuers tilsvarende muskler og på hvilken måte kortikospinal spenning moduleres i sosiale sammenhenger.
I løpet av de siste ti årene har nevrovitenskapelig forskning i stor grad endret det tradisjonelle synet på motorsystemet. En betydelig mengde data tyder på at å observere andres kroppsbevegelser aktiverer motoriske representasjoner i tilskuerens hjerne (f.eks.1-3). Disse studiene viste at motor cortex av en observatør dynamisk replikerer handlinger som blir observert som om de ble henrettet av tilskueren selv. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er nyttig for å vurdere kortikospinal (CS) spenning med en relativt høy temporal oppløsning for å spore spenningsendringer mens noen observerer noen andre som utfører en handling.
Det grunnleggende prinsippet for TMS-funksjon er at en skiftende primær elektrisk strøm i en stimuleringsspole produserer et skiftende magnetfelt, som igjen induserer en sekundær strøm av elektrisk strøm i nærliggende ledere – i dette tilfellet kortikale vev – som foreskrevet av Faradays lov4. Hjernen er en inhomogen leder som består av hvit materie, grå materie og cerebral spinalvæske med ledningsevner 0,48, 0,7 og 1,79 S/m, henholdsvis5. Analyse viser at hjernen for magnetisk stimulering kan behandles som en homogen leder5. Depolarisering av nevroner produseres i kraft av den induserte strømmen. I hjertet av prosessen er overføring av ladning over nervemembranen i samsvar med å øke sitt intracellulære potensial ca 30-40 mV. På det punktet at positive ioner drives inn i en nervecelle, vil det intracellulære potensialet stige, og hvis økningen er tilstrekkelig, resulterer et handlingspotensial5. Priori og kollegene6 var de første som viste at en svak strøm kunne modulere spenningen til den menneskelige motor cortex, målt ved amplituden til det motor-fremkalte potensialet (MEP) fra TMS. Mye av arbeidet med magnetisk stimulering av den menneskelige motor cortex har faktisk fokusert på EMG-responser i iboende håndmuskler7. I 2004 avdekket Uozomi og kollegene8 at spTMS over område 44 lett kunne avbryte målorienterte håndbevegelser og produserte motorindusert potensiale fra håndmuskler. Humant område 44 har fasilitatoriske og hemmende effekter over både tonic og fasiske fingerbevegelser9-10, og har direkte hurtigledende kortikospinale projeksjoner.
Det første beviset på at CS-spenning er modulert ikke bare under frivillige bevegelser, men også under aksjonsobservasjon ble produsert av Fadiga og kolleger i 19953. TMS ble brukt på håndområdene til primærmotorkortikalene (M1) og MEP-er ble registrert fra kontralaterale håndmuskler mens en frivillig ble instruert til å se transitive og utransitive bevegelser (førstnevnte er målstyrt, sistnevnte er det ikke). Amplituden til MEP-er registrert fra opponens pollicis (OP) og FDI-muskler ble funnet å være økt under observasjon av gripende handlinger med hensyn til det som er registrert under kontrollforhold. Spørsmålet oppsto dermed: er musklene som forenkles under aksjonsobservasjon de samme som brukes under handlingsutførelse? EMG-responser i håndmuskler registrert mens et objekt ble grepet og under armløftende bevegelser ble alle funnet å nøyaktig gjenskape mønsteret av MEP-er fremkalt av TMS under observasjon av handlinger. Noen forskningsgrupper har vært i stand til å gjenta de samme eksperimentene og har designet andre11-16.
Under handlingsobservasjon resonerer observatørens motorsystem i praksis “med de observerte bevegelsene og simulerer under terskelen disse handlingene på en strengt kongruent måte. Siden musklene som er involvert i observatøren er de samme som de som brukes av personen som utfører handlingen, er de timelig kombinert med dynamikken i den observerte handlingen. I 2001 viste Gangitano og kolleger at utførelsesobservasjonsmatchingssystemet er knyttet til den observerte handlingen selv når det gjelder temporalkoding 17. MEP-amplituder blir større etter hvert som fingeråpningen øker og blir mindre i lukkefasen. Clark et al. 18 bestemte seg for å vurdere spesifisiteten av kortikospinal (CS) tilrettelegging mens deltakerne så på, ble bedt om å forestille seg eller observerte handlinger som de ble fortalt at de senere måtte utføre. Disse etterforskerne rapporterte at det ikke så ut til å være noen statistisk signifikante forskjeller i disse tre forholdene.
Det er minst to hypoteser som forklarer MEP-tilrettelegging forårsaket av handlingsobservasjon. Ifølge den første produseres forbedringen av M1 spenning gjennom eksitatoriske kortiko-kortikale forbindelser. Ifølge den andre avslører TMS, gjennom CS synkende volleyer, en tilrettelegging av motoneuroner (MNs). Moduler i MEP-amplituder forårsaket av variasjoner i M1- eller MNs spenningsevne kan ikke skilles fra. Som Baldissera et al. 19 ønsket å undersøke ryggmargseksitabilitet knyttet til MEP-tilrettelegging, de bestemte seg for å måle amplituden til Hoffmann-refleksen (fremkalt ved å stimulere de afferente fibrene i perifere nerver) i fingerfleksor underarmsmuskler mens frivillige observerte målstyrte håndhandlinger. De rapporterte at mens modulering av kortikale spenninger nært imiterte bevegelsene som ble observert som om disse ble utført av observatøren selv, syntes ryggmargseksitabilitet å være gjensidig modulert. Disse etterforskerne vurderte effekten som et uttrykk for en mekanisme som blokkerte overt utførelse av observerte handlinger. Modulering av motoriske potensialer fremkalt av TMS under aksjonsobservasjon3,20,21 ser ut til å være spesifikk, da, for musklene som er involvert i å utføre en handling3 og følger, på en forventningsfull måte22, det samme temporale aktiveringsmønsteret17,23. Langs disse linjene fant Urgesi og kollegene24,25 nylig at observasjon av start- og mellomfaser av grepshandlinger skapte en betydelig høyere motorisk tilrettelegging enn å observere deres endelige stillinger. Motortilrettelegging var maksimal for øyeblikksbildene som fremkaller pågående, men ufullstendige handlinger. Resultatene gir overbevisende bevis på at frontkomponenten i observasjonsutførelsesmatchingssystemet spiller en viktig rolle i prediktiv koding av andres motoriske atferd.
Det er imidlertid ubestridelig at vellykket interaksjon i den virkelige verden ofte krever komplementære snarere enn emulative handlinger26, og at imitasjon ikke alltid er en effektiv eller passende respons på handlingsobservasjon. I de tilfellene der for eksempel noen gir noen andre et krus som holdes av håndtaket, vet vi alle at mottakeren uten å tenke vil ta tak i kruset med en hel håndbevegelse (den eneste som ville være passende i denne situasjonen). Lite er kjent om hvordan den ufleksible tendensen til å matche observerte handlinger på motorsystemet vårt kan forenes med forespørselen om å forberede ikke-lumske responser. I denne forbindelse viste noen forskere at de automatiske effektene av speiling kan avskaffes etter inkompatibel trening: speil- og motspeilresponser ser ut til å følge samme tidsrom27,28. Interessant, i motsetning til tidligere studier, meps indusert av spTMS ble nylig brukt til å vurdere spontan kortikospinal aktivering mens videoklipp som fremkaller emulative eller ikke-identiske komplementære bevegelser ble bare observert29,30. Resultatene viste en naturlig overgang fra et emulativ til en kontekstrelatert handling i kortikospinal aktivitet. En samsvarende mekanisme i begynnelsen av en handlingssekvens ble til en komplementær en hvis en forespørsel om en gjensidig handling ble tydelig.
Ved å utnytte disse resultatene ble den nåværende studien designet for å spesifikt bestemme, ved hjelp av den kombinerte TMS / MEP-teknikken, på hvilket stadium det spontane skiftet fra emulering til gjensidighet finner sted når handlingsobservasjon fremkaller en komplementær respons. MEP-er ble deretter registrert på fem forskjellige øyeblikk av sekvensen fra FDI og ADM håndmuskler. Vi hypoteser at MEP-er som ble registrert på det tidspunktet observatøren i utgangspunktet oppfatter et helt grep, kan fremkalle både ADM- og FDI-muskler tilrettelegging fordi slike muskler vanligvis rekrutteres for et slikt grep. Omvendt, når den observerte gesten fremkaller en ikke-identisk komplementær gest (dvs. en PG) i observatøren, bør bare MEPer registrert fra FDI-muskelen avsløre en markert økning i aktiveringen. Dette er fordi PG ikke innebærer rekruttering av ADM-muskelen. Vi spår også at når den observerte handlingen ikke formidler noen sosial betydning, bør enkle symmetriske tilretteleggingseffekter dukke opp under all handlingssekvensen.
De mest kritiske trinnene for å måle modulering i CS-spenning hos mennesker under observasjon av handlinger er: 1) designe/filme videoklipp som fremkaller en handlingstendens hos en observatør som forventer både emulative og komplementære svar; 2) bestemme de kinematiske hendelsene som karakteriserer de ulike fasene av modellens handlinger til tidslås TMS stimulering tilsvarende; 3) identifisere den optimale hodebunnsposisjonen for hver håndmuskel og opprettholde konsekvent posisjonering gjennom hele eksperimentet; 4) riktig registrering av EMG-aktivitet fra de stimulerte musklene.
Tidligere studier som bruker TMS / MEP-teknikken har vist at kortikospinal aktivering som følge av handlingsobservasjon ikke alltid har en imitativ skjevhet, men, avhengig av kontekstuelle faktorer, kan også prime motoraktivering for komplementære handlinger29,30. Single-pulse TMS-studier har vist at å observere en to-trinns handlingssekvens der en komplementær forespørsel er innebygd, fører til en overgang fra emulering til respons i deltakernes kortikospinale aktivitet. Denne studien går et skritt videre ved å vise når nøyaktig bryteren finner sted og viser at mennesker er i stand til å forutse den sosiale hensikten med en handling ved å observere forgjengelige kinematiske signaler som signaliserer behovet / forespørselen om en komplementær respons. Forhåndsbevegelsesinformasjon er faktisk tilstrekkelig for en observatør til å gjøre slutninger om intensjonen bak den. Mekanismer som ligger til grunn for handlingsobservasjon synes da å være formbare, raske og sensitive for komplekse forespørsler som er innebygd i sosiale sammenhenger. Fremtidig forskning vil fortsette å analysere om behandlingen er seriell eller parallell. Neuroimaging studier som bruker paradigmer som den som brukes her vil kunne ytterligere avklare denne prosessen, avgrense de kortikale nettverkene som ligger til grunn for evnen til å skifte fra emulering til gjensidighet.
Disse resultatene vil også peke på veien for fremtidige anvendelser av TMS / EMG-teknikker for å studere CS-spenning og plastisitet i motorsystemet. Tallrike studier har allerede vist at TMS-målinger av motor cortex-funksjonen er trygge, pålitelige og potensielt nyttige i den kliniske innstillingen40,46. Langsgående sammenligninger av MEP-amplitude kan faktisk gi en direkte vurdering av motorkortikale plastisitetseffekter.
Nyere studier har rapportert at observasjon av tiltak har en positiv effekt på rehabilitering etter hjerneslag av motoriske underskudd og kan gunstig brukes til å reaktivere motoriske områder hos personer som trenger å rehabilitere motorstyring47. En komplementær handling observasjon terapi strategi kan dermed utvikles som gjør bruk av observasjon av komplementære bevegelser for å reaktivere svekkede motoriske ferdigheter. Hvis, som det ser ut til, motorisk oppførsel er et resultat av både interne og eksterne faktorer, bør handlingsobservasjon inkluderes i treningsprotokoller som tar sikte på å rehabilitere denne typen pasient. Observasjon av hverdagslige handlinger sammen med fysisk praksis kan bane vei for en mer effektiv rehabiliteringsstrategi. Inntil nå har det dessuten bare blitt brukt indirekte tiltak som funksjonelle eller subjektive skalaer for å vurdere klinisk forbedring; I fremtiden kan TMS/EMG-vurdering benyttes for å måle funksjonell forbedring hos disse pasientene.
Til slutt avgrenser denne studien hvordan og når man observerer en annen persons handlinger, produserer motorisk tilrettelegging i en tilskuers tilsvarende muskler og på hvilken måte kortikospinal spenning moduleres i sosiale sammenhenger. Det bekrefter også at motoriske potensialer fremkalt av TMS er trygge, pålitelige indikatorer på CS-spenning og modulasjon under observasjon av tiltak.
The authors have nothing to disclose.
Luisa Sartori ble støttet av et stipend fra 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. |