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Behavior

Modulazione di eccitabilità corticospinale durante l'osservazione dell'azione

Published: December 31, 2013 doi: 10.3791/51001
Automatic Translation
1, 1, 1
1Dipartimento di Psicologia Generale, Universita degli Studi di Padova

Summary

La stimolazione magnetica transcranica a impulsi singoli sulla corteccia motoria primaria, la neurona pesantezzazione e la registrazione dell'attività elettromiografica dei muscoli delle mani sono state utilizzate in questo studio per esplorare l'eccitabilità corticospinale mentre i partecipanti osservavano sequenze d'azione.

Abstract

Questo studio ha utilizzato la tecnica della stimolazione magnetica transcranica/potenziale evocato dal motore (TMS/MEP) per individuare quando la tendenza automatica a rispecchiare l'azione di qualcun altro diventa simulazione anticipata di un atto complementare. Il TMS è stato consegnato alla corteccia motoria primaria sinistra corrispondente alla mano per indurre il più alto livello di attività mep dai muscoli digiti minimi del rapitore (ADM; il muscolo che serve il rapimento del mignolo) e dai primi muscoli interosseus dorsali (IED; il muscolo che serve l'indice flessione / estensione). Un sistema di idroreazione neuronale è stato utilizzato per mantenere la posizione della bobina TMS, e l'attività elettromiografica (EMG) è stata registrata dai muscoli ADM e IDE giusti. Producendo dati originali per quanto riguarda la risonanza motoria, la tecnica combinata TMS/MEP ha fatto un ulteriore passo avanti nella ricerca sul meccanismo di accoppiamento percezione-azione. In particolare, ha risposto alle domande su come e quando si osservano le azioni di un'altra persona produce facilitazione motoria nei muscoli corrispondenti di uno spettatore e in che modo l'eccitabilità corticospinale viene modulata nei contesti sociali.

Introduction

Negli ultimi dieci anni la ricerca sulle neuroscienze ha ampiamente modificato la visione tradizionale del sistema motorio. Una notevole quantità di dati suggerisce che l'osservazione dei movimenti del corpo di qualcun altro attiva rappresentazioni motorie nel cervello dello spettatore(ad esempio1-3). Questi studi hanno dimostrato che la corteccia motoria di un osservatore replica dinamicamente le azioni osservate come se fossero state eseguite dallo spettatore stesso. La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è utile per valutare l'eccitabilità corticospinale (CS) con una risoluzione temporale relativamente elevata al fine di tenere traccia dei cambiamenti di eccitabilità mentre qualcuno osserva qualcun altro eseguire un'azione.

Il principio fondamentale del funzionamento del TMS è che una corrente elettrica primaria che cambia in una bobina di stimolazione produce un campo magnetico che cambia, il che a sua volta induce un flusso secondario di corrente elettrica nei conduttori vicini, in questo caso tessuto corticale, come prescritto dalla legge4di Faraday. Il cervello è un conduttore disomogeneo costituito da materia bianca, materia grigia e liquido spinale cerebrale con conduttività 0,48, 0,7 e 1,79 S/m,rispettivamente 5. L'analisi mostra che ai fini della stimolazione magnetica, il cervello può essere trattato come un conduttore omogeneo5. La depolarizzazione dei neuroni è prodotta in virtù della corrente indotta. Al centro del processo c'è il trasferimento di carica attraverso la membrana nervosa commisurato per aumentare il suo potenziale intracellulare di circa 30-40 mV. Nel punto in cui gli ioni positivi vengono spinti in una cellula nervosa, il suo potenziale intracellulare aumenterà e, se l'aumento è sufficiente, un potenziale di azione risulta5. Priori e colleghi6 sono stati i primi a dimostrare che una corrente debole potrebbe modulare l'eccitabilità della corteccia motoria umana, misurata dall'ampiezza del potenziale evocato dal motore (MEP) dal TMS. Gran parte del lavoro che coinvolge la stimolazione magnetica della corteccia motoria umana si è infatti concentrato sulle risposte EMG nei muscoli intrinseci delle mani7. Nel 2004 Uozomi e colleghi8 hanno scoperto che spTMS sull'area 44 poteva facilmente interrompere i movimenti delle mani orientati al bersaglio e produrre un potenziale evocato dal motore dai muscoli delle mani. L'area umana 44 ha effetti facilitatori e inibitori sui movimenti tonici e fasicidelle dita 9-10e ha proiezioni corticospinali dirette a conduzione rapida.

La prima prova che l'eccitabilità del CS è modulata non solo durante i movimenti volontari, ma anche durante l'osservazione dell'azione è stata prodotta da Fadiga e colleghi nel 19953. Il TMS è stato applicato alle aree delle mani dei cortici motori primari (M1) e gli eurodeputati sono stati registrati dai muscoli delle mani contralaterali mentre un volontario è stato incaricato di guardare i movimenti transitivi e intransitivi (i primi sono diretti verso l'obiettivo, i secondi no). L'ampiezza degli eurodeputati registrata dai muscoli di opponens pollicis (OP) e IED è stata aumentata durante l'osservazione delle azioni di coglie rispetto a quella registrata nelle condizioni di controllo. Si è così creata la domanda: i muscoli che vengono facilitati durante l'osservazione dell'azione sono gli stessi utilizzati durante l'esecuzione dell'azione? Le risposte dell'EMG nei muscoli delle mani registrate mentre un oggetto veniva afferrato e durante i movimenti di sollevamento del braccio sono state tutte trovate per replicare esattamente il modello di eurodeputati suscitato dal TMS durante l'osservazione dell'azione. Alcuni gruppi di ricerca hanno potuto ripetere questi stessi esperimenti e ne hanno progettati altri11-16.

Durante l'osservazione dell'azione, il sistema motorio dell'osservatore in pratica "risuona" con i movimenti osservati e simula sotto soglia tali azioni in modo strettamente congruente. Poiché i muscoli coinvolti nell'osservatore sono gli stessi utilizzati dalla persona che svolge l'azione, sono temporaneamente accoppiati con la dinamica dell'azione osservata. Nel 2001 Gangitano e colleghi hanno dimostrato che il sistema di corrispondenza esecuzione-osservazione è legato all'azione osservata anche in termini di codifica temporale17. Le ampiezze mep diventano più grandi con l'aumentare dell'apertura delle dita e più piccole durante la fase di chiusura. Clark et al. 18 per valutare la specificità dell'agevolazione corticospinale (CS) mentre i partecipanti guardavano, venivano invitati a immaginare o osservavano azioni che gli era stato detto che avrebbero dovuto successivamente svolgere. Gli investigatori hanno riferito che non sembravano esserci differenze statisticamente significative in queste tre condizioni.

Ci sono almeno due ipotesi che spiegano l'agevolazione dell'eurodeputato indotta dall'osservazione dell'azione. Secondo il primo, il miglioramento dell'eccitabilità M1 è prodotto attraverso connessioni cortico-corticali eccitatorie. Secondo il secondo, il TMS rivela, attraverso le raffiche discendente CS, una facilitazione dei motoneuroni (MN). Non è possibile distinguere le modulazioni nelle ampiezze mep causate da variazioni nell'eccitabilità M1 o MNs. Come Baldissera et al. 19 volevano indagare sull'eccitabilità del midollo spinale legata all'agevolazione dell'eurodeputato, hanno deciso di misurare l'ampiezza del riflesso hoffmanno (evocato stimolando le fibre afferente nei nervi periferici) nei muscoli dell'avambraccio flessore delle dita mentre i volontari osservavano azioni della mano dirette verso l'obiettivo. Essi hanno riferito che mentre la modulazione dell'eccitabilità corticale imitava da vicino i movimenti osservati come se fossero stati eseguiti dall'osservatore stesso, l'eccitabilità del midollo spinale sembrava essere modulata reciprocamente. Tali investigatori consideravano l'effetto un'espressione di un meccanismo che bloccava l'esecuzione manifesta delle azioni osservate. La modulazione dei potenziali motori evocata dal TMS durantel'osservazione dell'azione 3,20,21 sembra essere specifica, quindi, per i muscoli coinvolti nell'esecuzione diun'azione 3 e segue, in modoanticipatore 22,lo stesso modello di attivazione temporale17,23. In questo senso, Urgesi e colleghi24,25 hanno recentemente scoperto che l'osservazione delle fasi iniziali e medie delle azioni di presa ha generato una facilitazione motoria significativamente più elevata rispetto all'osservazione delle posture finali. L'agevolazione motoria è stata massima per le istantanee che evocano azioni in corso ma incomplete. I risultati forniscono prove convincenti che la componente frontale del sistema di corrispondenza osservazione-esecuzione gioca un ruolo importante nella codifica predittiva dei comportamenti motori degli altri.

Tuttavia, è innegabile che un'interazione riuscita nel mondo reale richiede spesso azioni complementari piuttosto che emulsionanti26 e che l'imitazione non è sempre una risposta efficace o appropriata all'osservazione dell'azione. Nei casi in cui, ad esempio, qualcuno consegna a qualcun altro una tazza tenuta dalla sua maniglia, sappiamo tutti che il ricevitore, senza pensare, afferra la tazza con un intero gesto della mano (l'unico che sarebbe appropriato in questa situazione). Poco si sa di come l'inflessibile tendenza ad abbinare le azioni osservate sul nostro sistema motorio possa essere conciliata con la richiesta di preparare risposte non identificate. A questo proposito, alcuni ricercatori hanno dimostrato che gli effetti automatici del mirroring possono essere aboliti seguendo una formazione incompatibile: le risposte speculari e contro-speculari sembrano seguire lo stesso corsodi tempo 27,28. È interessante notare che, a differenza di studi precedenti, gli eurodeputati indotti da spTMS sono stati recentemente utilizzati per valutare l'attivazione corticospinale spontanea mentre i videoclip che evocano gesti complementari emulsionanti o non identificativi sono stati semplicementeosservati 29,30. I risultati hanno mostrato un passaggio naturale da un'azione emulsionante a un'azione correlata al contesto nell'attività corticospinale. Un meccanismo di corrispondenza all'inizio di una sequenza d'azione si è trasformato in un meccanismo complementare se è diventata evidente una richiesta di azione reciproca.

Basandomi su questi risultati, il presente studio è stato concepito per determinare specificamente, utilizzando la tecnica combinata TMS/MEP, in quale fase avviene il passaggio spontaneo dall'emulazione alla reciprocità quando l'osservazione dell'azione evoca una risposta complementare. Gli eurodeputati sono stati poi registrati in cinque diversi momenti della sequenza dai muscoli delle mani degli IED e dell'ADM. Ipotitiamo che i deputati al Parlamento europeo registrati all'epoca in cui l'osservatore inizialmente percepisce una presa a mano intera possano provocare una facilitazione dei muscoli ADM e IDE perché tali muscoli vengono solitamente reclutati per una tale presa. Al contrario, quando il gesto osservato suscita un gesto complementare non identificatico ( cioè un PG)nell'osservatore, solo gli eurodeputati registrati dal muscolo IED dovrebbero rivelare un marcato aumento dell'attivazione. Questo perché PG non implica il reclutamento del muscolo ADM. Prevediamo anche che quando l'azione osservata non trasmette alcun significato sociale, dovrebbero emergere semplici effetti di facilitazione simmetrica durante tutta la sequenza d'azione.

Protocol

1. Preparazione degli stimoli video

  1. Commissionare un modello per eseguire quattro sequenze d'azione.
    1. Nelle prime due sequenze d'azione, seduti il modello su un tavolo rivolto verso la fotocamera. Metti tre tazze sul tavolo vicino a lei e una quarta più lontano dall'altra parte del tavolo in primo piano. Istruisci il modello ad iniziare la sua azione raggiungendo e afferrando un cucchiaio di zucchero.
    2. Istruisci la modella ad iniziare la sua azione versando zucchero nelle tre tazze. Quando ha finito di versare zucchero nella terza tazza, istruisi la modella a muovere il polso come se avesse intenzione di versare zucchero anche nella 4a.
    3. Istruisci la modella ad iniziare la sua azione versando zucchero nelle tre tazze. Quando ha finito di versare zucchero nella terza tazza, fa in modo che la modella muova il polso per riportarlo nella sua posizione originale.
    4. Nelle ultime due sequenze d'azione, seduti nuovamente il modello a un tavolo rivolto verso la fotocamera. Metti tre tazze di caffè espresso sul tavolo vicino a lei e una quarta più lontano da lei dall'altra parte del tavolo in primo piano. Istruisci il modello ad iniziare la sua azione raggiungendo e afferrando un thermos.
    5. Istruisci la modella ad iniziare la sua azione versando il caffè nelle tre tazze di caffè espresso. Quando ha finito di versare il caffè nella terza tazza, fa muovere il polso alla modella come se avesse intenzione di versare anche il caffè nella quarta tazza.
    6. Istruisci la modella ad iniziare la sua azione versando il caffè nelle tre tazze di caffè espresso. Quando ha finito di versare il caffè nella terza tazza, fa in modo che la modella muova il polso per riportarlo nella sua posizione originale.
  2. Istruire il modello a raccogliere e tenere il cucchiaio di zucchero utilizzando una presa di precisione (PG; cioè l'opposizione del pollice con l'indice) e di raccogliere e tenere il thermos in modo naturale utilizzando una presa a mano intera (WHG; cioè l'opposizione del pollice con le altre dita).
  3. All'inizio di ogni videoclip, istruisci il modello a mostrare che la sua mano è in una posizione soggetta a riposo sul tavolo.
    1. Disporre che il modello inizi un movimento reach-to-grasp circa 900 msec in seguito.
    2. Disporre le dita del modello per prendere contatto con il primo oggetto circa 450 msec in seguito.
    3. Fare in modo che il modello inizi a muovere la mano per eseguire il secondo passaggio d'azione 5.000 msec in seguito.
  4. Utilizzare una tecnica di digitalizzazione per eseguire un'analisi cinematica post-hoc dei movimenti del modello
    1. Contrassegnare ogni movimento, fotogramma per fotogramma, assegnando manualmente un marcatore al polso del modello.
    2. Tracciate i movimenti del modello. Individua la deviazione della traiettoria: il momento in cui la traiettoria della mano inizia a diversificarsi per condizioni sociali e non sociali. Bloccare gli eventi cinematici più salienti che caratterizzano la sequenza d'azione con la tempistica di stimolazione TMS.

2. Preparazione dello strumento

  1. Collegare quattro elettrodi di superficie bipolari Ag/AgCl sinterizzato e uno monopolare (presa di sicurezza a prova di tocco da 15 kΩ, 1,5 mm) con un'area sensore (diametro 9 mm) a una scatola di ingresso ExG portatile isolata collegata all'amplificatore EMG principale. Si consiglia un cavo in fibra ottica doppia per la trasmissione del segnale, ma non obbligatorio.
  2. Gestire uno script per la valutazione della soglia del motore a riposo individuale (rMT), la presentazione di stimoli video e la stimolazione TMS sincronizzata con la registrazione EMG da parte del software di presentazione E-Prime in esecuzione su un PC con un monitor (risoluzione 1.280 x 1.024 pixel, frequenza di aggiornamento 75 Hz, luminanza di sfondo di 0,5 cd/m2)impostato a livello degli occhi.
  3. Ottenere un effetto di animazione selezionando una serie di singoli fotogrammi (30 msec ciascuno, 30 fps) e il primo e l'ultimo fotogramma della durata, rispettivamente, di 500 e 1.000 msec.

3. Reclutamento dei partecipanti

  1. Recluta solo partecipanti destrorso con visione normale o corretta alla normalità. Verificare la presenza di consegna utilizzando il questionario Inventario mani standard31.
  2. Verificare se uno dei candidati ha controindicazioni a TMS32,33.
    1. Escludere soggetti con un rischio di crisi superiore al normale (basato sulla storia personale/familiare di epilessia, neurochirurgia, lesioni cerebrali) o ricevere farmaci neuroattivi in considerazione del fatto che il principale rischio noto per la salute del TMS è l'induzione di convulsioni.
    2. Escludere le donne incinte poiché i rischi di TMS per un feto non ancora nato sono sconosciuti.
  3. Fornire informazioni di base sullo studio a tutti i partecipanti e chiedere loro di firmare moduli di consenso informati scritti.
  4. Possibilmente eseguire esperimenti in una stanza Faraday attenuata dal suono: questo è raccomandato, ma non obbligatorio.
  5. Far sedere il partecipante su una comoda poltrona.
  6. Posizionare il braccio destro su un supporto completo del braccio.
  7. Fissare la testa del partecipante su un poggiacapo. La distanza degli occhi dallo schermo deve essere determinata in base alle dimensioni della presentazione dello stimolo.
  8. Chiedi al partecipante di rimuovere tutti gli oggetti metallici (orecchini, collane, ecc.)e gli oggetti sensibili ai campi magnetici (telefoni cellulari, carte di credito) poiché il rapido tasso di cambiamento di corrente nella bobina è in grado di indurre un campo magnetico mutevole.
  9. Istruire i partecipanti a guardare attentamente gli stimoli visivi e a mantenere un buon livello di attenzione; spiegare che saranno interrogati in seguito sui contenuti.

4. Stimolazione TMS e registrazione MEP

  1. Determinare dove gli elettrodi devono essere posizionati sopra l'ADM e i muscoli FDI per palpazione durante la massima attivazione muscolare volontaria. Pulire la pelle per tutte le posizioni degli elettrodi (anche per il terreno). Applicare un gel abrasivo per la preparazione della pelle su tutto il sito utilizzando un tampone di garza. Strofinarlo leggermente nella pelle e rimuovere qualsiasi eccesso con un cuscinetto di garza pulito.
  2. Posizionare due elettrodi di superficie, ciascuno contenente una piccola quantità di pasta conduttiva EEG solubile in acqua, su ciascun muscolo e attaccarli alla pelle utilizzando cuscinetti autoaderenti.
    1. Eseguire un montaggio pancia-tendine posizionando gli elettrodi attivi sulle pance muscolari dell'ADM e dell'IED destro e gli elettrodi di riferimento sull'articolazione metacarpofalangeale ipsilaterale. Attaccare un singolo elettrodo a terra contenente pasta conduttiva sul polso sinistro del partecipante.
    2. Collegare gli elettrodi all'ingresso comune della casella di ingresso ExG e controllare i valori di impedenza. Nel caso in cui siano al di sopra della soglia (>5 Ω), preparare di nuovo la pelle.
  3. Fornire TMS a impulsi singoli al cuoio capelluto sovrascrivendo la corteccia motoria primaria sinistra (M1) corrispondente alla regione della mano utilizzando una bobina figure-of-eight da 70 mm collegata a uno stimolatore Magstim 200.
    Nota: uno stimolatore TMS di base è composto da una fonte di alimentazione, un elemento di accumulo di energia e un interruttore ad alta potenza controllato con precisione da un processore che accetta l'ingresso di controllo dall'operatore dell'apparecchiatura. Il meccanismo operativo fondamentale di uno stimolatore TMS è quello di creare un campo magnetico mutevole che può indurre una corrente in materiale conduttivo adiacente (come il tessuto corticale). La stimolazione tissutale è provocata inducendo una corrente di densità sufficiente nel tessuto, che è proporzionale al tasso di tempo di variazione della densità del flusso magnetico34. Con una bobina a forma di otto, le linee isopotenziali del campo elettrico indotto formano un ovale, il cui lungo asse è parallelo alla direzione del flusso di corrente alla giunzione della bobina35.
    1. Posizionare la bobina con un angolo di 45° rispetto alla fessura interemisferica e posizionarla perpendicolarmente rispetto al solco centrale: la soglia motoria più bassa si ottiene quando la corrente elettrica indotta nel cervello scorre approssimativamente perpendicolare al solcocentrale 36,37.
    2. Avere la maniglia rivolta lateralmente e caudally per indurre una corrente cerebrale posteriore-anteriore attraverso il giro precentrale38. A intensità di stimolazione basse, ma sovrasostenibile, la corrente indotta dal TMS eccita preferenzialmente assoni di internaurioni che si proiettano direttamente o indirettamente sui neuroni corticospinali. Vengono attivate sia le sinapsi inibitorie che eccitatorie, ma a tali intensità di stimolazione l'effetto netto è quello di un potenziale eccitatorio post-sinaptico nei neuroni corticospinali.
    3. Individuare la posizione ottimale del cuoio capelluto (OSP) sul pars opercularis del giro frontale inferiore. Gli stimoli di un'intensità leggermente sovrasoprando sull'OSP producono invariabilmente i più alti livelli di attività degli eurodeputati dai muscoli contralaterali ADM e IED.
    4. Utilizzare un sistema internazionale 10-20 (il sito stimolato corrispondente alla posizione C3) per stabilire l'OSP per suscitare potenziali evocati dal motore (MEP) nei muscoli delle mani, quindi spostare l'intersezione della bobina in circa 0,5 cm di passi intorno all'area bersaglio e fornire impulsi TMS a intensità costante.
    5. Dopo che l'area bersaglio è stata correttamente identificata, stabilizzare la bobina utilizzando un supporto meccanico per mantenere un posizionamento coerente.
  4. Utilizzare un sistema di neuronavigation per mantenere costante il posizionamento della bobina durante l'intero esperimento e prevenire qualsiasi distorsione dovuta a piccoli movimenti della testa del partecipante durante la raccolta dei dati.
    1. Applicare marcatori sferici passivi sia sulla bobina che sulla testa del partecipante.
    2. Registrare le posizioni dei marcatori utilizzando un digitalizzatore ottico per riprodurle sullo schermo del computer.
    3. Rilevare eventuali differenze nella posizione e nell'orientamento della bobina spaziale e adottare una tolleranza di 2-3 mm per ciascuna delle coordinate cartesiane.
    4. Utilizzare informazioni online tridimensionali per quanto riguarda i posizionamenti iniziali ed effettivi della bobina per consentire l'esatto riposizionamento della bobina TMS in tempo reale durante la sessione sperimentale, quando necessario.
  5. Per determinare la "soglia del motore a riposo individuale" (rMT) per ogni partecipante all'OSP, rilevare l'intensità minima di stimolazione necessaria per produrre EURODEPUTATI affidabili (ampiezza di picco-picco di ≥50 μV) in un muscolo rilassato in cinque studi consecutivi su dieci. Determinare l'OSP e l'rMT per il muscolo soglia più alto per evitare la perdita di eventuali modulazioni differenziali che coinvolgono il muscolo meno eccitabile.
  6. Mantenere l'intensità di stimolazione aun valore fisso (cioè il 110% del rMT) durante l'intera sessione di registrazione.
  7. Utilizzare un filtro passa banda (20 Hz-1 kHz) per registrare i segnali miografici grezzi. Dopo l'amplificazione digitalizzare i segnali (frequenza di campionamento di 5 kHz) e memorizzare nel computer per l'analisi offline.
  8. Registra 10 eurodeputati mentre il partecipante guarda passivamente una croce di fissazione di colore bianco su uno sfondo nero sullo schermo del computer all'inizio della sessione sperimentale.
  9. Record di altri 10 eurodeputati al termine della sessione sperimentale.
  10. Registrare i dati EMG dai muscoli ADM e FDI giusti dopo l'impulso TMS in uno dei cinque possibili punti di tempo (Figura 1) e cioè:
    1. Quando la mano del modello viene prima a contatto con il cucchiaio di zucchero o il thermos (T1).
    2. Quando il modello termina versando zucchero/caffè nella terza tazza/tazza (T2).
    3. Quando la modella inizia a tirare la mano lontano dalla terza tazza / tazza (T3).
    4. Quando il braccio del modello inizia a tornare alla posizione di partenza o inizia a muoversi verso la quarta tazza / tazza (rispettivamente, le condizioni non sociali e sociali) (T4).
    5. Quando il braccio del modello ritorna al punto di partenza o quando raggiunge la quarta tazza/tazza (rispettivamente, le condizioni non sociali e sociali) (T5).
  11. Inserire un intervallo di riposo di 10 secondi tra i video. Far apparire un messaggio durante i primi cinque secondi dell'intervallo di riposo ricordando ai partecipanti di tenere le mani a riposo in silenzio e completamente rilassate. Una volta che il messaggio scompare, disporre la rappresentazione di una croce di fissazione per i restanti cinque secondi.

5. Debriefing

  1. Fornire ai partecipanti informazioni dettagliate sulla progettazione sperimentale alla fine della sessione.

6. Analisi dei dati

  1. Eseguire un'analisi cinematica post-hoc.
    1. Impostate un fotogramma di riferimento che identifichi gli assi x e y come direzioni orizzontali e verticali e analizzate il campione video fotogramma per fotogramma.
    2. Utilizzate una lunghezza nota nel campo visivo della telecamera e nel piano del movimento come misura dell'unità di riferimento.
    3. Assegnate un marcatore al polso del modello per misurare la cinematica del braccio.
    4. Definite la posizione iniziale come l'ora in cui la mano destra del modello si trova in una posizione soggetta a protezione sulla tabella. Tracciate la traiettoria del polso nello spazio e nel tempo, estraete il percorso della traiettoria e identificate gli eventi cinematici salienti che caratterizzano l'azione in doppio passo del modello.
  2. Analizzare i dati EMG.
    1. Segmentare il tracciamento EMG per ogni muscolo in segmenti diversi (epoche) della stessa lunghezza rispetto a un marcatore di riferimento (stimolo TMS). Impostare la finestra di tempo a 100 msec prima che gli impulsi TMS siano erogati e a 200 msec dopo gli impulsi TMS. Ciò ti consentirà di verificare la possibilità di attività in background.
    2. In ogni canale dell'EMG selezionare un intervallo preciso di un intervallo di tempo (ad esempio 10-40 msec) per cercare picchi in tutti i segmenti.
    3. Applicare un algoritmo che tenga conto dei picchi positivi e negativi all'interno di ogni segmento e calcoli l'ampiezza massima della curva EMG in μV dal picco al picco.
    4. Elimina le prove con attività EMG di fondo superiore a 100 μV per evitare di contaminare le misurazioni MEP per attività di fondo.
  3. Calcolare le ampiezze medie mep da picco a picco separatamente dai muscoli ADM e IED per ogni condizione, escluse quelle che deviano più di 2 deviazioni standard dalla media (valori anomali).
  4. Confrontare le due serie di ampiezze MEP registrate da ciascun muscolo in ciascun partecipante durante le prove di base incrociate di fissazione all'inizio e alla fine della sessione sperimentale per verificare la presenza di variazioni di eccitabilità corticospinale relative al TMS di per sé. L'ampiezza media delle due serie consente inoltre di impostare separatamente il valore di base individuale per le procedure di normalizzazione dei dati in ciascun muscolo39.
  5. Calcolare i valori del rapporto utilizzando il valore di base individuale del partecipante (rapporto MEP = MEPottenuto/mepbaseline) 39.

Representative Results

L'efficacia della tecnica TMS/MEP nel valutare l'eccitabilità cs durante l'osservazione dell'azione dipende dall'individuazione della posizione ottimale del cuoio capelluto sia per i muscoli ADM che per gli IED. Gli elettrodi superficiali nei montaggi del tendine del ventre devono essere applicati e devono essere conformi ai normali modelli di stimolazione a impulsi singoli.

In questo studio, sono stati ottenuti risultati su un campione di trenta partecipanti (22 femmine e 8 maschi: età = 21±5 anni), tutti destrorsi secondo un inventario delle mani standard31 e con una visione normale o corretta al normale. Nessuno aveva alcuna controindicazione al TMS32,33 né sperimentato disagio durante l'esperimento. Le procedure sperimentali qui descritte hanno ottenuto l'approvazione etica (Comitato Etico dell'Università di Padova) secondo i principi della Dichiarazione di Helsinki del 1964 e tutti i partecipanti hanno dato il consenso informato scritto.

Secondo la nostra ipotesi, i deputati al Parlamento europeo registrati quando si manifesta la necessità di un'azione complementare dovrebbero essere modulati a seconda dell'oggetto posto in primo piano. Quando la 4° tazza di caffè evoca la tendenza a eseguire un PG, solo il muscolo IDE deve essere attivato. Ma quando l'azione del modello verso la 4° tazza evoca un WHG, allora si dovrebbero trovare attivati sia i muscoli ADM che IDE. Poiché gli IED sono stati assunti sia per il PG che per il WHG, non era prevista alcuna modulazione mep in termini di tipo di presa osservata. I deputati registrati dalla mano dell'osservatore nel momento in cui il modello afferra inizialmente il thermos dovrebbero inoltre mostrare, ad esempio, facilitazione motoria sia nei muscoli ADM che FDI, cioè i muscoli classicamente coinvolti in una WHG. Al contrario, osservare il modello mentre la sua mano si muove verso la quarta tazza di caffè dovrebbe produrre solo facilitazione muscolare IED in quanto solo quel muscolo (e non l'ADM) è coinvolto in un PG.

L'osservazione di una sequenza d'azione in due passi contenente implicitamente una richiesta di movimento complementare ha causato il passaggio dall'emulazione alla reattività nell'attività corticospinale dello spettatore e ha indicato, nelle prove effettuate, esattamente quando ha avuto luogo il passaggio(figura 2).

Una variazione che annunciava un'azione reciproca ha avuto luogo negli eurodeputati ADM dell'osservatore nel momento in cui il polso del modello ha iniziato a muoversi verso la quarta tazza (la condizione sociale). Inversamente, una variazione che annunciava un'azione emulsionante ha avuto luogo negli eurodeputati dell'osservatore nel momento in cui il polso del modello ha iniziato a tornare alla sua posizione originale (la condizione non sociale, cfr. figura 3). Gli IED, come previsto, sono stati attivamente coinvolti in tutti i movimenti osservati e nelle azioni simulate (cfr. figure 4 e 5). Sembrerebbe, quindi, da questi risultati che gli esseri umani possano codificare un'azione come sociale o non sociale anche prima che diventi esplicita. Si può concludere che gli osservatori sono in sintonia con le informazioni di movimento fornite da sottili segnali cinematici e che sono in grado di utilizzarle per anticipare una futura linea d'azione. Durante le sessioni sperimentali qui descritte, i partecipanti hanno dimostrato di essere in grado di discriminare tra azioni provocate da condizioni sociali o non sociali semplicemente osservando spunti cinematici quasi impercettibili. Durante gli esperimenti effettuati, la modulazione dell'eccitabilità corticospinale è stata una misura affidabile e indiretta della capacità di attivare programmi motori appropriati in un contesto interattivo.

Figure 1
Figura 1. Qui viene schematizzata la sequenza di eventi che si svolgono durante ogni prova. La linea obliqua continua rappresenta l'intera presentazione videoclip. Le linee orizzontali indicano i punti di tempo in cui sono stati consegnati singoli impulsi TMS: a T1 (quando la mano del modello prende contatto con la tazza / tazza), T2 (quando il modello termina versando zucchero / caffè), T3 (quando il modello inizia a spostare la mano dalla terza tazza / tazza), T4 (quando la mano del modello inizia a tornare alla sua posizione originale o a muoversi verso la quarta tazza / tazza - considerata l'inizio di uno spunto per un gesto complementare), e T5 (quando il braccio del modello sta chiaramente tornando alla sua posizione originale o si sta muovendo verso la quarta tazza / tazza - considerato la fine dello spunto per un gesto complementare). I telai non indicati nella figura (il tempo che tra l'azione del modello di contatto con il cucchiaio/thermos di zucchero e l'azione di versamento di zucchero/caffè è stato completato) sono rappresentati da doppie barre oblique.

Figure 2
Figura 2. I fotogrammi estratti dai videoclip girati per questo studio accompagnano le linee del grafico che rappresentano i mezzi delle ampiezze MEP normalizzate ADM. Vengono illustrati i movimenti sociali di presa a mano intera che richiedono un PG e i movimenti di presa di precisione sociale che richiedono un WHG (rispettivamente in bianco e nero). Le barre rappresentano l'errore standard dei mezzi.

Figure 3
Figura 3. I fotogrammi estratti dai videoclip girati per questo studio accompagnano le linee del grafico che rappresentano i mezzi delle ampiezze MEP normalizzate ADM. Vengono illustrati i movimenti nonsociali di presa a mano intera che richiedono un PG e movimenti di presa di precisione nonsociali che richiedono un WHG (rispettivamente bianco e nero). Le barre rappresentano l'errore standard dei mezzi.

Figure 4
Figura 4. I fotogrammi estratti dai videoclip girati per questo studio accompagnano le linee del grafico che rappresentano i mezzi delle ampiezze MEP normalizzate degli IED. Vengono illustrati i movimenti sociali di presa a mano intera che richiedono un PG e i movimenti di presa di precisione sociale che richiedono un WHG (rispettivamente in bianco e nero). Le barre rappresentano l'errore standard dei mezzi.

Figure 5
Figura 5. I fotogrammi estratti dai videoclip girati per questo studio accompagnano le linee del grafico che rappresentano i mezzi delle ampiezze MEP normalizzate degli IED. Vengono illustrati i movimenti nonsociali di presa a mano intera che richiedono un PG e movimenti di presa di precisione nonsociali che richiedono un WHG (rispettivamente bianco e nero). Le barre rappresentano l'errore standard dei mezzi.

Discussion

I passaggi più critici nella misurazione della modulazione nell'eccitabilità cs nell'uomo durante l'osservazione dell'azione sono: 1) progettare / filmare videoclip che inducono una tendenza all'azione in un osservatore anticipando risposte sia emulsionanti che complementari; 2) determinare gli eventi cinematici che caratterizzano le varie fasi delle azioni del modello per bloccare di conseguenza la stimolazione TMS; 3) identificare la posizione ottimale del cuoio capelluto per ogni muscolo della mano e mantenere un posizionamento costante durante l'esperimento; 4) registrare correttamente l'attività EMG dai muscoli stimolati.

Studi precedenti che utilizzano la tecnica TMS/MEP hanno dimostrato che l'attivazione corticospinale risultante dall'osservazione dell'azione non possiede invariabilmente una distorsione imitativa ma, a seconda dei fattori contestuali, può anche innescare l'attivazione del motore primarioper azioni complementari 29,30. Studi TMS a impulsi singoli hanno dimostrato che osservare una sequenza d'azione in due fase in cui è incorporata una richiesta complementare richiede un passaggio dall'emulazione alla reattività nell'attività corticospinale dei partecipanti. Questo studio fa un ulteriore passo avanti mostrando quando avviene esattamente il passaggio e dimostra che gli esseri umani sono in grado di anticipare l'intento sociale di un'azione osservando segnali cinematici precoci che segnalano la necessità / richiesta di una risposta complementare. Le informazioni anticipate sui movimenti sono infatti sufficienti affinché un osservatore infermi sull'intenzione che la sottende. I meccanismi alla base dell'osservazione dell'azione sembrano quindi malleabili, rapidi e sensibili alle richieste complesse incorporate nei contesti sociali. La ricerca futura continuerà ad analizzare se l'elaborazione è seriale o parallela. Gli studi di neuroimaging che utilizzano paradigmi come quello qui utilizzato saranno in grado di chiarire ulteriormente questo processo, delineando le reti corticali alla base della capacità di passare dall'emulazione alla reciprocità.

Questi risultati intigheranno anche la strada per future applicazioni delle tecniche TMS/EMG per studiare l'eccitabilità cs e la plasticità del sistema motorio. Numerosi studi hanno già dimostrato che le misurazioni TMS della funzione della corteccia motoria sono sicure, affidabili e potenzialmente utili nell'ambienteclinico 40.46. I confronti longitudinali dell'ampiezza dei deputati al Parlamento europeo potrebbero, infatti, fornire una valutazione diretta degli effetti della plasticità corticale motoria.

Recenti studi hanno riferito che l'osservazione dell'azione ha un effetto positivo sulla riabilitazione post-corsa dei deficit motori e può essere utilizzata in modo benefico per riattivare le aree motorie negli individui che necessitano di riabilitare il controllomotorio 47. Si potrebbe quindi sviluppare una strategia complementare di terapia di osservazione dell'azione che si avvale dell'osservazione di gesti complementari per riattivare le capacità motorie compromesse. Se, come sembra, il comportamento motorio è il risultato di fattori sia interni che esterni, l'osservazione dell'azione dovrebbe essere inclusa nei protocolli di allenamento con l'obiettivo di riabilitare questo tipo di paziente. L'osservazione delle azioni quotidiane insieme alla pratica fisica potrebbe aprire la strada a una strategia di riabilitazione più efficace. Finora, inoltre, solo misure indirette come scale funzionali o soggettive sono state utilizzate per valutare il miglioramento clinico; in futuro la valutazione TMS/EMG può essere utilizzata per misurare il miglioramento funzionale in questi pazienti.

In conclusione, questo studio delinea come e quando si osservano le azioni di un'altra persona produce facilitazione motoria nei muscoli corrispondenti di uno spettatore e in che modo l'eccitabilità corticospinale è modulata in contesti sociali. Conferma inoltre che i potenziali motori evocati dal TMS sono indicatori sicuri e affidabili dell'eccitabilità e della modulazione della CS durante l'osservazione dell'azione.

Disclosures

Non c'è nulla da rivelare.

Acknowledgments

Luisa Sartori è stata sostenuta da una borsa di studio dell'Università degli Studi di Padova, Bando Giovani Studiosi 2011, L. n.240/2010.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Transcranial Magnetic Stimulator Magstim
BrainAmp MR system for EMG acquisition Brain Products
Softaxic Optic system for stereotaxic neuronavigation E.M.S.

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Sartori, L., Betti, S., Castiello, U. Corticospinal Excitability Modulation During Action Observation. J. Vis. Exp. (82), e51001, doi:10.3791/51001 (2013).

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