المصدر: مختبرات جوناس ت. كابلان وسارة آي جيمبل - جامعة جنوب كاليفورنيا
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) هو تقنية تحفيز الدماغ غير الغازية التي تتض…
1. تجنيد 20 مشاركا.
2. إجراءات ما قبل التجربة
3. قم بإعداد الموضوع ل TMS.
4. توطين ومعايرة TMS.
5. مهمة تجريبية
6. تحليل البيانات.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة ، المختصر باسم TMS ، هو تقنية يمكن استخدامها للتحقيق ليس فقط في الروابط بين الدماغ والعضلات المختلفة ، ولكن أيضا كيف يتغير نشاط الدماغ عندما يلاحظ الشخص حركات في الآخرين.
كل يوم ، يحرك الشخص عضلاته بوعي لأداء إجراءات معينة ، مثل التلويح بذراعه اليمنى لضرب كرة التنس بمضرب.
كل هذه الحركات العضلية الإرادية هي نتيجة الإثارة في القشرة الحركية ، والتي تقع على سطح الدماغ ، أسفل فروة الرأس مباشرة.
الأهم من ذلك ، أن حركة أجزاء الجسم المختلفة - سواء كانت الذراع اليمنى أو الساق اليسرى - يتم التحكم فيها بواسطة مجموعات من الخلايا العصبية في مناطق القشرة الحركية المتميزة.
على سبيل المثال ، عندما تكون الخلايا العصبية بالقرب من أعلى يمين الرأس متحمسة ، يمكنها إنتاج إشارات كهربائية تنتقل عبر الدماغ إلى العمود الفقري ، ثم إلى عضلات الذراع اليسرى.
ردا على ذلك ، تنتج خلايا العضلات إشاراتها الكهربائية الخاصة ، مما يؤدي إلى الانكماش والحركة.
ومن المثير للاهتمام ، أن الأبحاث أظهرت أن مناطق القشرة الحركية يتم تنشيطها ليس فقط عندما يقوم الشخص ببعض الإجراءات بنفسه ، ولكن أيضا عندما يشاهد شخصا آخر يتحرك - مثل ميكانيكي يضرب آلة بذراعها اليسرى.
يوفر TMS للباحثين طريقة لاستكشاف التسهيل الذي تسببه مراقبة الحركة في الخلايا العصبية في القشرة الحركية.
من خلال تقنيات TMS الخاصة بلوتشيانو فاديجا وزملاؤه ، يوضح هذا الفيديو كيفية التحقيق في العلاقة بين مراقبة الحركة وإثارة القشرة الحركية ونشاط العضلات.
في هذا الإجراء ، يخضع المشاركون لمرحلتين؟ توطين ومعايرة TMS ، ومهمة تجريبية - لتحديد ما إذا كانت مناطق القشرة الحركية متحمسة عندما يلاحظون إجراء يقوم به شخص آخر.
الهدف من المرحلة الأولى هو تحديد منطقة الدماغ المسؤولة عن تحريك عضلة معينة في اليد اليمنى للمشارك - أول عظام ظهرية ، واختصار FDI - تقع بين الإبهام والسبابة.
ثم يتم وضع ملف TMS على شكل ثمانية على فروة رأسهم فوق القشرة الحركية. يتم وضعه على يسار رؤوسهم ، حيث يوجه نصف الكرة الأرضية هذا الحركة على الجانب الأيمن من الجسم.
في الوقت نفسه ، يتم وضع الأقطاب الكهربائية فوق الاستثمار الأجنبي المباشر والعظام القريبة على اليد اليمنى للشخص ، بحيث يمكن اكتشاف أي نشاط كهربائي في هذه العضلة وتسجيلها.
ثم يتم استخدام الملف لتوصيل نبضة واحدة إلى فروة الرأس ، مما يخلق مجالا مغناطيسيا قصيرا يؤدي من خلال الحث إلى تيار كهربائي في الأنسجة العصبية الأساسية.
يتم تنشيط الخلايا العصبية ، وخاصة تلك الموجودة أسفل مركز الملف ، من خلال هذا ، ونتيجة لذلك ، تولد إشارات تنتقل إلى العضلات المستهدفة.
ردا على ذلك ، يتم إنشاء إشارات كهربائية إضافية تسمى الإمكانات التي يستثارها المحرك ، MEPs ، ويمكن تسجيلها وتصورها كقمم على الرسم البياني ، حيث يتم رسم المللي فولت على المحور Y والوقت على المحور X.
تتسبب هذه أعضاء البرلمان الأوروبي في ارتعاش العضلات جسديا ، وهي حركة يمكن ملاحظتها. إذا حدث مثل هذا التشنج في عضلة أخرى غير FDI - مثل الجزء العلوي من الذراع - لم يتم تحديد المنطقة الصحيحة من القشرة الحركية.
في هذه الحالة ، يتم تحريك الملف قليلا واستخدامه لتوصيل نبضة واحدة أخرى ، مع ملاحظة أي حركة ناتجة. يتكرر هذا حتى تظهر التشنجات في FDI الصحيح - وهو مؤشر على العثور على تمثيله في القشرة الحركية.
بمجرد توطين هذه المنطقة ، يتم تعديل قوة حافز TMS ، ويتم إعطاء نبض جديد ، ويتم تسجيل MEP الناتج. يتم إيلاء اهتمام دقيق للسعة - المقاسة من أعلى ذروة موجبة إلى أدنى نقطة سلبية - لهذه الإشارة.
تستمر هذه التعديلات حتى يتم العثور على إعداد ينتج أعضاء البرلمان الأوروبي بسعة أكبر من 50؟ V في نصف المراحل - شدة التحفيز يشار إليها باسم عتبة المحرك للمشارك.
ثم يتم إعطاء العديد من نبضات TMS الفردية عند 120٪ من عتبة المحرك فوق منطقة الاستثمار الأجنبي المباشر اليمنى للقشرة الحركية ، ويتم تسجيل MEPs الأساسية لكل منها.
في المرحلة الثانية ، المهمة التجريبية ، يطلب من المشاركين مشاهدة ثلاثة أنواع من الأفلام التي تتضمن حركات الذراع أو اليد ، مع الحفاظ على أجزاء أجسامهم ثابتة.
يظهر النوع الأول من اللقطات ، المسمى مقاطع فيديو الحركة اليدوية ، اليد اليمنى التي تمد يدها نحو الكوب وتمسكه - وهو إجراء يتطلب الاستثمار الأجنبي المباشر. ستقيم هذه المقاطع كيف تؤثر مراقبة الحركة القائمة على FDI على النشاط في المنطقة المرتبطة ب FDI من القشرة الحركية.
في المقابل ، تتضمن مقاطع فيديو حركة الذراع رفع الذراع اليمنى والتحرك حول منطقة بها كوب - حركات مستقلة عن الاستثمار الأجنبي المباشر. ستقيم هذه اللقطات الخصوصية - ما إذا كانت منطقة القشرة الحركية المسؤولة عن تقلص الاستثمار الأجنبي المباشر الأيمن يمكن أن تكون متحمسة من خلال ملاحظة الحركات التي لا تشمل هذه العضلة.
النوع الثالث هو مقاطع فيديو التحكم ، والتي تظهر اليد اليمنى الساكنة تستريح بجوار الكوب ، دون أي نوع من حركة العضلات.
عند تنفيذ المهمة الفعلية ، يتم وضع ملف TMS مرة أخرى فوق منطقة الدماغ المسؤولة عن حركة الاستثمار الأجنبي المباشر الصحيحة. بعد ذلك ، يشاهد المشاركون مقاطع الفيديو بترتيب عشوائي ، مع تكرار كل نوع 10 مرات.
عندما تحدث حركة العضلات في اللقطات - حوالي 2 ثانية بعد بدء فيديو حركة اليد أو الذراع - يتم استخدام ملف TMS لتوصيل نبضة كهرومغناطيسية واحدة.
وبالمثل ، على الرغم من عدم تصوير أي حركة في مقاطع الفيديو الخاصة بالتحكم ، يتم إعطاء نبض بعد 2 ثانية من بدء هذه المقاطع. في جميع الحالات؟ سواء كانت مقاطع فيديو تحكم أو ذراع أو يدوية؟ يتم تسجيل أعضاء البرلمان الأوروبي الناتجة عن الاستثمار الأجنبي المباشر الصحيح.
هنا ، المتغير التابع هو اتساع MEP. بناء على العمل السابق ، من المتوقع أن يكون أعضاء البرلمان الأوروبي المسجلون من الاستثمار الأجنبي المباشر عند مراقبة أفلام الحركة اليدوية أكبر من تلك المسجلة أثناء مشاهدة حركة الذراع أو أفلام التحكم ، مما يعكس نشاط أعلى للاستثمار الأجنبي المباشر وبالتالي زيادة استثارة القشرة الحركية.
قبل بدء التجربة ، قم بتجنيد 20 مشاركا من اليد اليمنى ، ولديهم رؤية طبيعية ، وليس لديهم أي تاريخ من الاضطرابات العصبية واحصل على موافقة خطية منهم.
اشرح ذلك ، سيشاهدون سلسلة من مقاطع الفيديو ، وخلال هذه الفترة سيتم تحفيز مناطق من دماغهم عبر TMS. أكد أنهم قد يشعرون بنقرة طفيفة على الرأس من ملف TMS ، لكن لا ينبغي أن يشعروا بعدم الراحة الشديدة.
للبدء ، اطلب من المشارك الجلوس على كرسي موجود أمام شاشة الكمبيوتر. توجيه كوعهم الأيمن للراحة عند 90؟ زاوية ، وتأكد من أن ذراعهم اليمنى ويدوهم معرضان بشكل مريح.
ثم ضع ذقنهم في مسند الذقن ، بحيث تكون عيونهم على بعد 50 سم على الأقل من الشاشة.
لتسجيل الهندسة الكهربائية والميكانيكية ، قم بتنظيف جلد المشارك اليمنى بالكحول ، واطلب منه ثني عضلة الاستثمار الأجنبي المباشر اليمنى عن طريق الضغط على السبابة والإبهام معا. حدد موقع ذروة التوتر العضلي ، ووضع قطب تسجيل عليه. بعد ذلك ، ضع قطبا كهربائيا مرجعيا على عظم قريب في اليد. قم أيضا بربط القطب الأرضي بإحكام بمرفقه الأيمن.
بمجرد وضع الأقطاب الكهربائية ، اطلب من المشارك إرخاء يده حتى لا يكون هناك توتر عضلي.
بعد ذلك ، ضع ملف TMS الشكل 8 على الجانب الأيسر من فروة رأس المشارك ، واستخدمه لتحديد موقع تمثيل الاستثمار الأجنبي المباشر الصحيح في القشرة الحركية. عندما يحدث هذا ، توقع ملاحظة ارتعاش الاستثمار الأجنبي المباشر الصحيح ، وأعضاء البرلمان الأوروبي المستقرين المسجلين من هذه العضلة.
للمعايرة ، تابع ضبط إعدادات ملف TMS حتى الحد الأدنى لقوة الإخراج - التي تنتج MEP أكبر من 50؟ V على 5 من أصل 10 محفزات?يتم تحديده.
سجل هذه القيمة ، والتي تمثل الحد الحركي للمشارك. بمجرد تحديده ، استخدم هذه الإعدادات لتوصيل سلسلة من 10 نبضات TMS - كل منها مفصولة ب 15 ثانية - للمشارك ، من أجل تحديد سعة خط الأساس MEP.
بعد ذلك ، اطلب من المشارك أداء المهمة التجريبية من خلال إظهار الأنواع الثلاثة من الأفلام - حركة اليد ، وحركة الذراع ، والتحكم - بترتيب عشوائي. بين كل منهما ، قم بتضمين فترة راحة مدتها 15 ثانية.
تأكد من تشغيل كل مقطع فيديو 10 مرات ، ليصبح المجموع 30 فيلما. عندما يشاهد المشارك الحركة في كل مقطع - بعد حوالي 2 ثانية من بدء الفيلم - قم بإدارة نبض TMS عند 120٪ من عتبة الحركة.
لتحليل البيانات ، لكل MEP مسجلة - سواء من خط الأساس أو ملاحظات العمل أو ظروف الفيديو المراقبة - احسب السعة من الذروة إلى الذروة. للتخلص من المسامير الزائفة ، تخلص من أعضاء البرلمان الأوروبي الذين يحدثون إما قبل تحفيز TMS أو أكثر من 100 مللي ثانية بعد التحفيز.
احسب متوسط سعة الهندسة الكهربائية والميكانيكية لحركات اليد والذراع ، بالإضافة إلى مقاطع فيديو مسند اليد ، وعبر عنها كنسبة مئوية أعلى من متوسط خط الأساس.
لاحظ أنه بالنسبة لمقاطع الفيديو اليدوية ، كانت سعة MEP المسجلة من عضلة الاستثمار الأجنبي المباشر أكبر بكثير مقارنة بسعة التحكم ، مما يشير إلى تأثير تسهيل حيث تزداد القشرة الحركية في الاستثارة أثناء مراقبة العمل.
ومع ذلك ، كان أعضاء البرلمان الأوروبي المسجلون أثناء مراقبة حركة الذراع أصغر بكثير من تلك التي تم إنشاؤها من خلال مشاهدة مقاطع فيديو حركة اليد. يشير هذا إلى أن تأثير التيسير انتقائي نسبيا ، وهو خاص بمنطقة القشرة الحركية المسؤولة عن حركات العضلات المرصودة.
الآن بعد أن عرفت كيف يستخدم الباحثون TMS للتحقيق في استثارة القشرة الحركية استجابة لملاحظة الحركة ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تطبيق هذه التقنية في تطبيقات أخرى.
حتى الآن ، ركزنا على العلاقة بين مشاهدة الحركة ووظيفة القشرة الحركية. ومع ذلك ، يبحث بعض الباحثين فيما إذا كان تخيل إجراء ما يمكن أن يكون له أيضا تأثيرات على أعضاء البرلمان الأوروبي المسجلين.
يتطلب هذا العمل من المشارك أن يتخيل نفسه يتحرك جسديا جزءا من الجسم - مثل ثني ذراعه الأيمن - عند إعطاء نبضات TMS مفردة.
عندما يتم تقييم أعضاء البرلمان الأوروبي الناتج من العضلات ، وجد أنهم أكبر من تلك المسجلة أثناء سيناريوهات التحكم - عندما لا يتخيل المشارك مثل هذه الحركة.
يتم تسهيل هذا التأثير بشكل أكبر عندما يلاحظ المشارك الحركة التي يتخيلها. بشكل جماعي ، تقدم هذه النتائج دليلا على وجود علاقة بين الخيال والتنشيط الحركي.
يستكشف علماء النفس العصبي الآخرون ما إذا كان يمكن استخدام تعديلات TMS لأغراض علاجية.
على سبيل المثال ، هناك اهتمام بما إذا كان TMS يمكن أن يساعد في علاج الحبسة - وهي حالة يصعب فيها المرضى نقل المعلومات اللفظية ، مثل اسم الشيء - الناتجة عن السكتة الدماغية.
هنا ، تم تحفيز منطقة من الدماغ تسمى التلفيف الجبهي السفلي الأيمن في مرضى السكتة الدماغية باستخدام طريقة TMS المتكررة ، حيث يتم إعطاء النبضات بشكل متكرر وسريع.
عندما طلب من المرضى التعرف شفهيا على الأشياء - مثل الكركند أو المواقد - بعد أشهر من العلاج ، كشف ذلك أن TMS المتكرر له آثار إيجابية طويلة المدى على الأفراد؟ تسمية القدرات ، مما يوفر نظرة ثاقبة حول كيفية استخدام هذه الطريقة لعلاج العجز المعرفي.
لقد شاهدت للتو فيديو JoVE على TMS ومراقبة الحركة. الآن ، يجب أن تفهم كيف يمكن استخدام TMS لتقييم النشاط في القشرة الحركية بعد مشاهدة حركة العضلات. يجب أن تعرف أيضا كيفية تحفيز مناطق الدماغ باستخدام ملف TMS ، وتقديم محفزات المراقبة ، وجمع وتفسير بيانات الهندسة الكهربائية والميكانيكية. أخيرا ، يجب أن تدرك كيف يتم استخدام TMS في تطبيقات أخرى ، مثل علاجات ضحايا السكتة الدماغية.
شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is transcranial magnetic stimulation and how does it work?
Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive brain stimulation technique that uses an insulated coil placed against the scalp to pass current through the brain. A brief magnetic field created by the coil induces electrical current in nearby neural tissue through induction. This stimulation activates neurons, which generate signals that travel to target muscles, producing observable effects like muscle twitches and motor evoked potentials that researchers can record and measure.
Q2: How does TMS help researchers measure motor cortex activity during action observation?
TMS allows researchers to probe motor cortex excitability by delivering magnetic pulses while participants observe actions. When a person watches someone move, specific motor cortex regions activate similarly to when they perform the action themselves. By measuring motor evoked potentials (MEPs)—electrical signals recorded from muscles—researchers can quantify how much the motor cortex excites during action observation compared to control conditions, revealing facilitation effects in motor activity.
Q3: What is the first-dorsal interosseous muscle and why is it used in TMS studies?
The first-dorsal interosseous (FDI) is a small muscle located between the thumb and forefinger on the hand. It is commonly used in TMS studies because it has a well-defined, easily localized representation in the motor cortex. Researchers can precisely target the FDI region using a figure-eight TMS coil, and muscle twitches or MEPs from this muscle are easily detected and recorded using electrodes placed on the skin.
Q4: What is motor threshold and how is it determined during TMS calibration?
Motor threshold is the minimum TMS stimulus intensity that produces motor evoked potentials greater than 50 microvolts in at least half of stimulation trials. During calibration, researchers gradually adjust the TMS coil's output strength while delivering pulses to the motor cortex region controlling the FDI. Once the threshold is identified, it serves as a baseline reference for administering consistent stimulus intensities during the experimental task.
Q5: How do hand-action and arm-action videos differ in TMS action observation experiments?
Hand-action videos show a right hand reaching toward and grasping a cup, movements that directly involve the first-dorsal interosseous muscle. Arm-action videos show the right arm lifting and moving around a cup without requiring FDI contraction. This distinction tests specificity: hand-action observation should produce larger MEPs from the FDI region, while arm-action observation should produce smaller MEPs, demonstrating that motor cortex facilitation is selective to observed muscle movements.
Q6: What do motor evoked potential amplitudes reveal about motor cortex excitability?
Motor evoked potential (MEP) amplitude—measured from the highest positive peak to the lowest negative point—reflects the underlying excitability of the motor cortex. Larger MEP amplitudes indicate greater motor cortex activation, while smaller amplitudes suggest lower excitability. When participants observe hand movements involving the FDI, MEP amplitudes increase significantly compared to control conditions, demonstrating that action observation facilitates motor cortex activity and studying brain activation and motor maps using fmri provides complementary neuroimaging evidence.
Q7: How can TMS be applied therapeutically beyond research on action observation?
Repetitive TMS, where pulses are administered rapidly and repeatedly, shows therapeutic potential for treating cognitive deficits. For example, researchers have used repetitive TMS to stimulate the right inferior frontal gyrus in stroke patients with aphasia, a condition affecting verbal communication. Studies demonstrate that this approach produces long-term improvements in patients' naming abilities months after therapy, suggesting TMS can help restore language function and other cognitive capacities damaged by neurological injury.